Resilient Airport Systems: Integrating Model-Based Analysis with Simulation for Blackout and Cyber Attack Response

Kurzfassung

Die Komplexität des Systems Flughafen und dessen Abhängigkeit von elektrischer Energie und Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) nimmt zu. Infolgedessen stellen Stromausfälle oder Cyberangriffe eine enorme Bedrohung dar. Bisheriges Ansätze des Krisenmanagements an Flughäfen berücksichtigen die komplexen Zusammenhänge zwischen der Flughafeninfrastruktur und den Flughafenprozessen nicht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuartiger Ansatz entwickelt, der es ermöglicht den Flughafen als ein komplexes cyberphysisches System (CPS) zu beschreiben, das als mehrdimensionaler Netzwerkgraph dargestellt wird, welches die elektrische und IKT-Infrastruktur repräsentiert. Durch die Einführung von Prozessschichten und deren Verbindung mit den CPS-Schichten wurde der Flughafen als sozio-technisches System beschrieben und mit Modellen angereichert, um das Systemverhalten während Stromausfällen und Cyberattacken abzubilden. Dafür wurden State-of-the-Art Modelle zur Bewertung des Verhaltens von Stromnetzen und der Ausbreitung von Malware in IKT-Netzwerken mit Modellen zur Beschreibung der Interaktion zwischen diesen Schichten kombiniert. Diese Modelle wurden als zusammenhängendes Simulationsframework implementiert, welches eine Prognose der Verfügbarkeit der Prozessressourcen ermöglicht. Das Framework wurde anschließend anhand von Minimalbeispielen verifiziert. Die resultierende zeitabhängige Ressourcenverfügbarkeit kann dann als Input dienen, um Flughafenprozesse auf zwei Arten zu simulieren: als flussbasierter Ansatz, der das Verhalteneinzelner Passagiere vernachlässigt, und als mikroskopische agentenbasierte Simulation. Durch die Kombination dieser Simulationen wurde eine ganzheitliche Pipeline entwickelt, die die Bewertung von Notfallplänen für Stromausfälle und Cyberangriffe (z.B. Lastabwurf oder Netzisolierung) unter Verwendung klassischer Key Performance Indicators (KPIs) für die Performanz von Flughäfen ermöglicht. Neben dem innovativen methodischen Ansatz wurden die folgenden ichtigen Erkenntnisse aus einer umfassenden Risikoanalyse gewonnen. Während Stromausfälle in Ländern der ersten Welt häufig durch Bau- und Wartungsarbeiten verursacht werden, leiden Flughäfen in Ländern mit einer hohen Häufigkeit und Dauer von Stromausfällen unter großflächigen Stromausfällen und einer unzureichender Notstromversorgung. Die Stress-Zentralität der Knoten innerhalb eines IKT-Netzwerkgraphen hat sich als guter Indikator für eine kosteneffiziente Stärkung der Widerstandsfähigkeit des Gesamtnetzes gegenüber Cyberattacken erwiesen. Mit Hinblick auf die Auswirkung von Ressourcenknappheit auf die Passagierabfertigung hat die Analyse in dieser Arbeit gezeigt, dass dysfunktionale Sicherheitskontrollen einen Flaschenhalseffekt erzeugen und dadurch die größten Auswirkungen auf die Flughafenleistung haben. Trotz der fehlenden Validierung anhand einer realen Infrastruktur und eines realen Szenarios wurde in dieser Arbeit ein neuartiger Ansatz zur Erhöhung der Widerstandsfähigkeit von Flughäfen vorgestellt, indem diese als ganzheitliches System betrachtet werden, welches die Flughafeninfrastruktur, die Flughafenprozesse und das Verhalten der Passagiere kombiniert.