Sårbarhet i komplexa system – Modellutveckling och sårbarhetsanalys av det svenska järnvägssystemet

Abstract

This report is a master thesis at The Faculty of Engineering at Lund University. The aim of this report is to develop a model with which the Swedish railway network can be simulated and to use this model to perform a vulnerability analysis of the railway system. Furthermore, this report discusses how this kind of vulnerability analysis fits in to the generic risk management process. Finally, a short comparison between vulnerability analysis by using modelling and simulation and vulnerability analysis by using network centrality measurements is made. The result shows how and where the Swedish railway network is vulnerable to losing functionality in tracks between stations. The result also shows low correlation between results for the two different kinds of vulnerability analyses.

Abstract (Swedish)

I Sverige är järnvägen en viktig del av samhällets infrastruktur, både för persontransporter och för frakt (Trafikverket, 2011). Samtidigt är järnvägssystemet väldigt känsligt för störningar. Sårbarhetsanlys är ett lämpligt analysperspektiv för att analysera systemets känslighet. Två olika typer av sårbarhetsanalys diskuteras och jämförs i denna rapport. Johansson (2011) och Jenelius (2006) föreslår en analys som bygger på att modellera och simulera det aktuella systemet, medan Yingfei (2013) och Holme (2003) använder en analys baserad på centralitetsmått för att mäta sårbarhet. Här presenteras framtagandet av en modell för järnvägssystemet samt genomförandet av en jämförande sårbarhetsanalys utifrån de två olika typerna av analyser.
För att kunna analysera systemets sårbarhet ur olika perspektiv genomförs sårbarhetsanalysen på ett antal olika sätt. Dessa sätt är en global analys ur både ett rättvise- och ett nyttjandeperspektiv, kritiska komponenter, geografisk sårbarhet och sårbarhet mot antagonistiska attacker.
För den framtagna modellen av järnvägssystemet används ett antal olika parametrar. Först och främst behövs nätverkets fysiska utformning, det vill säga avstånden och antalet spår mellan stationer. Därefter behövs antalet tåg som körs på varje sträcka samt vilka rutter dessa tåg kör. För att begränsa kapaciteten på varje sträcka används antalet spår på sträckan. Funktionsbortfall i systemet modelleras genom att en sträcka som är utslagen inte har någon kapacitet att köra tåg på. Modellen har vissa brister, främst på grund av förenklingar gjorda för att minska simuleringstiden eller för att tillräcklig data inte finns.
Eftersom ett järnvägssystem syfte är det ska gå att köra tåg på det väljs konsekvensmåtten i analysen som antalet stoppade tåg, antalet omledda tåg och antalet stationer som missas jämfört med den ursprungliga planen.
Resultatet visar att konsekvenserna för systemet blir oproportionerligt stora i förhållande till påfrestningen som systemet utsätts för. Till exempel räcker det i medeltal att 6 % av sträckorna slås ut för att 40 % av tågen inte ska komma fram till sin slutdestination. Vidare finns det ett antal sträckor som är väldigt kritiska för systemets funktion. Dessa sträckor är främst de som har ett högt kapacitetsutnyttjande, fungerar som knutpunkter eller de sträckor där det är svårt att leda om trafiken. Resultatet visar också att en antagonistisk attack kan påverka systemet i stor utsträckning.
En jämförelse mellan resultatet från sårbarhetsanalysen med hjälp av modellering och en sårbarhetsanalys med hjälp av centralitetsmått visar väldigt små likheter. Likheterna är så små att det inte går att säga att centralitetsmått kan vara en bra ersättning till att modellera ett system i syfte att undersöka dess sårbarhet.

Popular Abstract (Swedish)

Med en sårbarhetsanalys går det att ta reda på om och hur Sveriges järnvägssystem är sårbart. Ett sätt att göra en sådan analys är att modellera systemet och simulera dess reaktion på händelser ska undersökas.

Järnvägssystemet är viktigt för Sveriges infrastruktur, men vi ser dagligen exempel på att det inte alltid uppfyller våra förväntningar på funktion. Den kanske viktigaste förväntningen vi har på järnvägen är att den ska kunna ta oss eller de varor vi vill till utvald plats vid en utvald tid. För att förbättra järnvägssystemet kan det därför vara en god idé att undersöka hur järnvägens förmåga att framföra tåg påverkas av funktionsbortfall. Detta kallas för sårbarhetsanalys.
För att utreda sårbarhet krävs det ett mått på vilka konsekvenser som ska mätas. För järnvägssystemet finns det tre olika konsekvensmått som är viktiga: Antalet tåg som stoppas innan slutstationen, antalet tåg som leds om från sin planerade sträcka och antalet stationer som ett tåg missar jämfört med den planerade sträckan.
Det går att se järnvägssystemets sårbarhet ur i huvudsak tre perspektiv. Det första undersöker hur hela systemet klarar av påfrestningar genom att slumpmässigt slå ut olika antal sträckor. Det andra perspektivet undersöker vilka sträckor som påverkar systemet mest genom att systematiskt slå ut alla olika sträckor i olika kombinationer. Det sista perspektivet analyserar vilka geografiska områden som påverkar systemet mest genom att slå ut alla sträckor som finns i de olika områdena.
Genom att ta fram en topografisk och en funktionell modell av järnvägssystemet går det att simulera dess beteende vid olika påfrestningar. Den topografiska modellen består av stationers placeringar, antalet spår mellan dem samt kapaciteten för varje sträcka. I denna modell simuleras funktionsbortfall genom att kapacitet tas bort. Den funktionella modellen beskriver hur tågen beter sig och hur de leds om eller stoppas om kapaciteten är slut på en sträcka.
Resultatet för hela systemet, som exemplifieras i Figur 2, visar att systemet förlorar oproportionerligt mycket förmåga jämfört med de antal sträckor som slås ut. Om 6 % av sträckorna slås ut förlorar systemet 40 % av sin förmåga. Dessutom visar resultatet att man genom en riktad attack relativt lätt kan slå ut en stor del av systemet.
För de kritiska komponenterna visar resultatet att det finns sträckor som är väldigt viktiga för systemets funktion. Ett typiskt resultat visas i Figur 1, där en färgskala visar hur viktig varje sträcka är. Främst är det sträckor som ingår i stora järnvägsstråk samt sträckor runt de stora städerna som är viktiga för systemets funktion.
För att våra krav på funktion i systemet ska uppfyllas behöver vi göra systemet mer robust. Resultatet och arbetssättet kan användas för att undersöka vilka förbättringar av järnvägen som ger bäst resultat, eftersom resultatet visar hur och var järnvägen är som mest sårbar.

• author: Jacobsson, Niklas
• supervisor: Marcus Abrahamsson
• organization: Division of Risk Management and Societal Safety; Risk Management and Safety Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: VBR920 20142
• year: 2015
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Vulnerability analysis, infrastructure vulnerability, network modelling, network simulation, Swedish railway network, risk management, Sårbarhetsanalys, sårbarhet i infrastruktur, nätverk, modellering, simulering, svenska järnvägsnätet, riskhantering
• report number: 5023
• other publication id: ISRN: LUTVDG/TVRH--5023—SE
• language: Swedish
• id: 8900844
• date added to LUP: 2017-01-24 07:40:29
• date last changed: 2020-12-03 14:26:12