DA von E. Althaus und P. Böhler, 2002

Titel

Analyse kritischer Infrastrukturen mit Hilfe moderner Software Tools am Beispiel der Erdgasversorgung

(DA: D-BAUG)

Betreuung

Prof. Schmid (ORL), Prof. W. Kröger, Dr. R. Mock. J. Birchmeier

Abgabe

Februar 2002

Abstract

Immer mehr werden Gesellschaft und Regionen abhängig vom zuverlässigen Funktionieren ihrer Infra-strukturen. Die etablierte Risikoanalyse ist weitgehend überfordert in der Abschätzung von Häufigkeit und Auswirkungen potentieller Grossereignisse, welche komplexe und grossräumige Infrastruktursysteme, eingebettet in intensiv genutzte Regionen, betreffen können.

Der vorliegende Bericht 'Analyse kritischer Infrastrukturen mit Hilfe moderner Software-Tools am Beispiel der Erdgasversorgung' soll Möglichkeiten aufzeigen, um Infrastrukuren mit modernen Methoden
und aktueller Software zu analysieren. Dabei geht es nicht um eine exakte Abschätzung des Risikos von Infrastrukturen, sondern um die notwendigen Schritte, damit eine Software angewendet werden kann und um die Beurteilung der Anwendbarkeit verschiedener Produkte im Bereich der Risiko- und Verletz-lichkeitsanalyse von kritischen Infrastrukturen.

Aufgrund ihres relativ einfachen Aufbaus, der guten Datenverfügbarkeit und der steigenden Bedeutung von Erdgas als Energieträger wird die kritische Infrastruktur Erdgasversorgung als Grundlage für die Ent-wicklung von Modellen zur Anwendung im Rahmen einer Softwareevaluation ausgewählt. Nach der Definition der wichtigsten Begriffe und einem Vergleich zwischen etablierter Risikoanalyse und nsätzen zur Verletzlichkeitsanalyse folgt die Erhebung der grundlegenden Daten für die Entwicklung von Modellen, mit welchen sich kritische Infrastrukturen analysieren lassen. Mit einem Werkzeug aus der etablierten Risikoanalyse (Fishbone-Diagramm) werden Risikofaktoren im Bereich der Gasversorgung ermittelt und grafisch dargestellt, welche später in eine softwaregestützte Analyse einfliessen können.

Darauf aufbauend werden vier unterschiedliche Modelle entwickelt. Mit einem systemnahen Ansatz lässt sich zeitabhängig das Verhalten eines Gasnetzes im Normal- und Störbetrieb beschreiben. Systemnahe Modelle müssen aufbauend auf den einzelnen Elementen des physikalischen Systems entworfen werden bottom up). Für die ereignisdiskrete Risiko- und Verletzlichkeitsanalyse dienen nach einem Black-Box-Ansatz hergeleitete Modelle, welche sich schrittweise vom Groben ins Detail (top down) verfeinern las-sen.

Die entwickelten Modelle werden mit den drei Software-Tools STELLA, Extend und @Risk umgesetzt und anschliessend für Simulationen verwendet. Die Resultate und Erkenntnisse aus Umsetzung und Simula-tion der Modelle fliessen in die Bewertung der Produkte ein. Die Bewertung ergibt, dass sich kritische Infrastrukturen mit allen untersuchten Paketen analysieren lassen. Aufgrund der Stärken im Bereich Flexibilität und Übersichtlichkeit und der einfachen Handhabung erhält STELLA die beste Bewertung.

In einem Fallbeispiel wird aufgezeigt, wie sich die entwickelten Modelle auf real existierende Infrastruk-turen anwenden lassen und welche Arbeitsschritte dazu nötig sind. Für das Gasversorgungsnetz einer tädtischen Gemeinde im schweizerischen Mittelland wird das Black-Box-Modell 'Gefährdung durch Gasaustritt' umgesetzt, simuliert und die Resultate ausgewertet.

Die Untersuchung zeigt auf, dass die Modellierung realer Systeme einen erheblichen Zeitaufwand birgt und die Modelle gross und komplex werden können. Vereinfachende Annahmen für die Anwendung im Rahmen der Softwareevaluation müssen für eine präzise Untersuchung durch naturwissenschaftlich kor-rekte Beziehungen ersetzt werden. Bei Modellen, die das Verhalten von realen Systemen mit hohem De-taillierungsgrad beschreiben, steigt auch der Rechenaufwand für die Simulation erheblich an. Der Black-Box-Ansatz erweist sich als sehr flexibel und deshalb vielversprechend für die Anwendung auf andereInfrastrukturbereiche ausserhalb der Erdgasversorgung.