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Critical infrastructures (CIs) provide essential goods and service for modern society. Their safety and reliability are primary concerns. The complexity of CIs calls for approaches of system analysis capable of viewing the problem from multiple perspectives. The focus of the present thesis is on the integration of the control perspective into the safety and reliability analysis of CIs. The integration is first approached by investigating the control properties of a small network system, i.e., an electric power microgrid. A simulation-based scheme is developed for the analysis from different perspectives: supply service, controllability and topology. An optimization-based model predictive control framework is proposed to analyze the microgrid under various failure scenarios. Then, a multi-perspective framework is developed to analyze CIs with respect to supply service, controllability and topology. This framework enables identifying the role of the CI elements and quantifying the consequences of scenarios of multiple failures, with respect to the different perspectives considered. To demonstrate the analysis framework, a benchmark network representative of a real gas transmission network across several countries of the European Union (EU) is considered as case study. At last, a multi-objective optimization framework is proposed for complex CIs design: design of network topology and allocation of link capacities are performed in an optimal way to minimize the non-supplied demand and the structural complexity of the system, while at the same time to maximize the system controllability. Investigation on the multiple objectives considered is performed to retrieve useful insights for system design. The findings of this thesis demonstrate the importance of developing frameworks of analysis of CIs that allow considering different perspectives relevant for CIs design, operation and protection., Les infrastructures critiques (CIs) sont essentielles au fonctionnement de la société moderne. Leur sécurité et leur fiabilité sont les principales préoccupations. La complexité des CIs exige des approches d'analyse de système capables de voir le problème de plusieurs points de vue. La présente thèse porte sur l'intégration de la perspective de contrôle dans l'analyse de sécurité et de fiabilité des éléments de configuration. L'intégration est d'abord abordée par examiner les propriétés de contrôle d'un microgrid d'alimentation électrique. Un schéma basé sur la simulation est développé pour l'analyse sous différentes perspectives : le service d'approvisionnement, la contrôlabilité et la topologie. Un cadre basé sur la commande prédictive (MPC) est proposé pour analyser le microrgrid dans divers scenarios de défaillance. Ensuite, un cadre multi-perspectif est développé pour analyser les CIs considérant le service d'approvisionnement, la contrôlabilité et la topologie. Ce cadre permet d'identifier le rôle des éléments de CIs et de quantifier les conséquences de scénarios de défaillances, par rapport aux différents perspectives considérées. Afin de présenter le cadre d'analyse, un réseau de transport de gaz réel à travers plusieurs pays de l'Union européenne est considéré comme une étude de cas. En fin, un cadre d'optimisation a trois objectifs est proposé pour la conception de CI : la topologie du réseau et l'allocation des capacités de liaison sont optimisées minimisant la demande non fournie et la complexité structurelle du système, et en même temps maximisant la contrôlabilité du système. Une investigation approfondie sur les multiples objectifs considérés est effectuée pour tirer des informations utiles pour la conception du système. Les résultats de cette thèse démontrent l'importance de développer du cadre d'analyse des CIs considérant de plusieurs perspectives pertinentes pour la conception, l'opération et la protection des CIs.

Too many dramatic events occurred over the last ten years have demonstrated the severity and extent of impacts that territories may be confronted with. Damages to critical infrastructures may have a variety of downfall disturbing effects, which can lead territories and society into a huge crisis. Interdependency between these essential activities on the one hand, and between these activities and the population on the other hand, increases their vulnerability. This thesis presents a methodology to better assess direct and indirect impacts of a major disturbance. The issue is addressed from a multi-activity perspective, to take into account territories complexity.In the first stage, a territory is modeled using existing interdependency links between essential activities and the population. The methodology then identifies, based on a defined initial event, possible propagation scenarios and their consequences on services “users”. Finally, this simulation gives an assessment of the territory stakes resilience. This works provides a decision-making tool for the development of activity continuity plans, or risk assessment and mitigation policies., De trop nombreux évènements survenus la décennie passée illustrent la gravité et l’étendue des impacts auxquels les territoires peuvent être confrontés. L'atteinte aux infrastructures critiques peut induire de très nombreux dysfonctionnements en cascade pouvant plonger ce territoire et sa société dans une crise de grande ampleur. Les interdépendances entre ces activités essentielles et celles avec la population accentuent leur fragilité. Afin d'évaluer les impacts directs et indirects d'une perturbation majeure, la méthodologie développée étudie la problématique sous un angle multisectoriel répondant ainsi à une prise en compte de la complexité des territoires. Dans un premier temps, le territoire via ses activités essentielles et sa population est modélisé en s'appuyant sur les liens d'interdépendance existants. Sur la base d'un évènement initial donné, la méthode identifie les scénarios de propagation possibles et leurs conséquences sur les "usagers" concernés par la délivrance des services touchés. Cette simulation permet ainsi d'apprécier la résilience systémique des enjeux du territoire. Basé sur une approche systémique et spatiale, ce travail a pour objectif de fournir une aide à la décision à la planification des mesures de continuité et de rétablissement d'activité ou à la mise en place de mesures de traitement des risques.

In view of the increasing use of Information and Communication Technol-ogies in power systems, it is essential to study the interdependencies between these coupled heterogeneous systems. This thesis focuses on the modeling of multi- infrastructure systems. This includes interdependencies and the three major failures families: common mode, escalat-ing and cascading. It is indeed necessary to identify the weaknesses that can trigger one or multiple failure(s) and cascade through these interdependent infrastructures, causing unex-pected and increasingly more serious failures to other infrastructures. In this context, different approaches, based on the theory of Complex Networks, are developed to identify the most critical components in the coupled heterogeneous system. One of the major scientific barriers addressed in this thesis is the development of a unified mathematical model to represent the behavior of multiple heterogeneous systems with complex asymmetrical communication patterns.; Au vu de l'utilisation croissante des technologies de l'information et de la communication dans les réseaux électriques, il est indispensable d'étudier l'étroite liaison entre ces infrastructures et d'avoir une vision intégrée du système couplé. Cette thèse porte ainsi sur la modélisation des systèmes multi-infrastructures. Cela inclut les interdépendances et les trajectoires de défaillances de type modes communs, aggravations et cascades. Il est en effet nécessaire d'identifier les points de faiblesse qui peuvent déclencher une ou de multiples défaillance(s), se succéder en cascade au travers de ces infrastructures liées et ainsi entrainer des défaillances inattendues et de plus en plus graves dans des autres infrastructures. Dans cette optique, différents modèles basés sur la théorie des Réseaux Complexes sont développés afin d'identifier les composants les plus importantes, et pourtant critiques, dans le système interconnecté. Un des principaux verrous scientifiques levé dans cette thèse est relatif au dé-veloppement d'un modèle mathématique " unifié " afin de représenter les comportements des multiples infrastructures non-homogènes qui ont des interdépendances asymétriques.

In view of the increasing use of Information and Communication Technol-ogies in power systems, it is essential to study the interdependencies between these coupled heterogeneous systems. This thesis focuses on the modeling of multi- infrastructure systems. This includes interdependencies and the three major failures families: common mode, escalat-ing and cascading. It is indeed necessary to identify the weaknesses that can trigger one or multiple failure(s) and cascade through these interdependent infrastructures, causing unex-pected and increasingly more serious failures to other infrastructures. In this context, different approaches, based on the theory of Complex Networks, are developed to identify the most critical components in the coupled heterogeneous system. One of the major scientific barriers addressed in this thesis is the development of a unified mathematical model to represent the behavior of multiple heterogeneous systems with complex asymmetrical communication patterns., Au vu de l'utilisation croissante des technologies de l'information et de la communication dans les réseaux électriques, il est indispensable d'étudier l'étroite liaison entre ces infrastructures et d'avoir une vision intégrée du système couplé. Cette thèse porte ainsi sur la modélisation des systèmes multi-infrastructures. Cela inclut les interdépendances et les trajectoires de défaillances de type modes communs, aggravations et cascades. Il est en effet nécessaire d'identifier les points de faiblesse qui peuvent déclencher une ou de multiples défaillance(s), se succéder en cascade au travers de ces infrastructures liées et ainsi entrainer des défaillances inattendues et de plus en plus graves dans des autres infrastructures. Dans cette optique, différents modèles basés sur la théorie des Réseaux Complexes sont développés afin d'identifier les composants les plus importantes, et pourtant critiques, dans le système interconnecté. Un des principaux verrous scientifiques levé dans cette thèse est relatif au dé-veloppement d'un modèle mathématique " unifié " afin de représenter les comportements des multiples infrastructures non-homogènes qui ont des interdépendances asymétriques.

Technical networks can be considered as critical infrastructures and appear vulnerable to flooding. Well-functioning of these networks is a major issue for flood risk management and spatial planning. This research argues that networks resilience analysis is a necessary, but not sufficient, condition for improving urban resilience to flooding. In order to analyze networks resilience a methodology is proposed. This methodology requires analyzing resistance, absorption and recovery capacities of these networks. In this context, researches have been done about networks structural analysis, networks interdependencies analysis and networks restoration analysis. In fact, the methodology is mainly based on graph theory, safety methods, linear optimization and spatial analysis. Finally, to implement this methodology, a web-GIS has been designed. Thanks to this prototype, an application has been carried out for the city of Dublin., Les réseaux techniques sont des infrastructures critiques qui peuvent être vulnérables aux inondations. Leur bon fonctionnement représente donc un enjeu majeur pour la gestion des risques et des territoires. Cette recherche postule que l'analyse de la résilience des réseaux techniques constitue un préalable nécessaire, mais non suffisant, à la mise en place de politiques d'amélioration de la résilience urbaine face aux inondations. Une méthodologie d'analyse de la résilience des réseaux techniques est proposée. Elle requiert l'analyse des capacités de résistance, d'absorption et de récupération de ces réseaux. Dans ce cadre, des développements ont été réalisés afin d'analyser les propriétés structurelles des réseaux techniques, les interdépendances entre les réseaux techniques et la remise en service de ces réseaux. Ces développements reposent principalement sur la théorie des graphes, les méthodes issues de la Sûreté de Fonctionnement, l'optimisation linéaire et l'analyse spatiale. Enfin, un prototype web-SIG a été développé puis appliqué à la ville de Dublin.

To fully benefit from the progress of information and communication technologies, most critical infrastructures rely more and more on computer systems and have been progressively connected to the public networks like Internet. These interconnections result in complex interdependencies between infrastructures and expose these infrastructures to various computer and network vulnerabilities. In this thesis, we address issues of cascading failures reduction and the understanding of critical infrastructure interdependencies by developping software tools intended to topology generation and cascading failures simulation and detection. The algorithm defined by the topology generator is based on the euclidian distance and generates graphs representing several infrastructures with the same approach. Using similar approach to generate topologies for various infrastructures eases the interconnection and helps to represent the modelized interdependencies accurately. The cascading failure simulator is built with a modified epidemic model to take into account the main factors like routing protocols which are crucial for the failure propagation in the communication networks. The last contribution in this thesis describes a software developped with a client-server architecture. The proposed approach consists in reusing the existing supervison software to exchange information between network's stakeholders to detect cascading failure involving more than one infrastructure., Afin de profiter des progrès des technologies de l'information et de la communication, les infrastructures critiques se reposent de plus en plus sur des systèmes d'information complexes et se sont largement connectées à des réseaux publics, dont l'Internet. Ces interconnexions rendent les infrastructures interdépendantes et les exposent à l'ensemble des vulnérabilités des systèmes informatiques. Dans le cadre de cette thèse, nous proposons un ensemble d'outils de génération de topologies, de simulation des propagations des défaillances et de détection des pannes pour améliorer la compréhension de ces interdépendances et lutter contre les phénomènes de propagation des défaillances résultants. Le générateur de topologies proposé définit un algorithme de génération de graphes topologiques réalistes et adaptées aux études des interdépendances en générant plusieurs modèles d'infrastructure à partir d'une base commune, facilitant ainsi l'interconnexion des différents réseaux. Le simulateur des propagations des défaillances utilise les modèles épidémiologiques. Ces modèles ont été adaptés afin de prendre en compte les principaux facteurs qui influent les propagations des défaillances dans les réseaux de télécommunications comme les différents temporisateurs des protocoles de routage et la taille des tables de routage. Enfin, notre dernière contribution est la mise en œuvre d'un logiciel permettant de détecter des pannes dans un environnement hétérogène et distribué en réutilisant les outils de supervision existants. Cet outil offre des moyens pour assurer le contrôle d'accès aux informations lorsque l'environnement est constitué de plusieurs réseaux

International audience; This paper presents a reflection on how relevant it is to assess the vulnerability of the infrastructures on which people's daily mobility relies in order to understand, at an upper level, the territorial vulnerabilities. Once defined the concepts involved in this analysis and after a brief description of the research framework, the four steps thought process is detailed. The first step was to analyse people's daily mobility (motivation, trips volume, origin and destination) and the transportation system (offer and network) within the Metropolitan District of Quito (MDQ). This allowed pinpointing in a second step, key elements within road and transportation network referred to as critical infrastructures. The third step was to assess the critical infrastructure vulnerabilities which expose them to disturbances or failures. The fourth step was to identify all the areas which are liable to experiment a reduction of their accessibility due to a loss of critical infrastructures serviceability. This allowed assessing finally through scenarios the spatial backlashes which are likely to occur at the MDQ scale.; Cet article présente une réflexion sur l'intérêt d'interroger la vulnérabilité des supports physiques et logistiques des mobilités quotidiennes pour comprendre, à une échelle supérieure, les vulnérabilités territoriales. Après une définition des concepts mobilisés et une présentation du programme dans lequel cette recherche s'est inscrite, la démarche en quatre étapes est détaillée. La première étape a été d'analyser les déplacements quotidiens de personnes (motifs, volume, origine et destination) et le système de transport (offre et réseaux) dans le District Métropolitain de Quito (DMQ). Ceci nous a permis d'identifier et de localiser, dans une deuxième étape, les infrastructures-clefs, pièces maîtresses des réseaux routiers et de transport. La troisième étape a été d'évaluer les vulnérabilités de ces infrastructures-clefs, vulnérabilités qui les prédisposent aux endommagements, aux défaillances. La quatrième étape a été de comprendre les risques encourus par l'ensemble du territoire du DMQ compte tenu de la réduction possible de l'accessibilité de différents espaces attribuable à la perte d'opérationnalité d'infrastructures-clefs. Différents scénarios ont été envisagés mettant en perspective les répercussions spatiales prévisibles à l'échelle du DMQ.

International audience; This paper presents the main results of a research that aimed at analysing the risks to which the Metropolitan District of Quito is exposed considering the people’s mobility and areas accessibility issues. This analysis relies on a methodology implemented within the framework of a programme called “Information System and risks within the Metropolitan District of Quito” carried out by the French Development Research Institute (IRD) in partnership with the Municipality of Quito. The paper describes the main GIS processing used to (i) identify the critical transportation infrastructures, (ii) assess their vulnerability, (iii) measure the reduction of urban areas accessibility, and (iiii) evaluate the derived risks.; Ce texte présente les principaux résultats d’une recherche sur les risques encourus par le District Métropolitain de Quito menée selon une démarche qui privilégie les questions de mobilité des personnes et d’accessibilité des espaces. Cette analyse de risque ciblée sur les enjeux de la mobilité quotidienne repose sur une méthodologie mise au point dans le cadre du programme « Système d’information et risques dans le District Métropolitain de Quito » mené par l’Institut de Recherche pour le Développement (IRD) en partenariat avec la Mairie de Quito. L’article décrit les principaux traitements SIG utilisés pour (i) l’identification des enjeux de la mobilité, (ii) l’évaluation de leur vulnérabilité, (iii) la réduction de l’accessibilité, et (iiii) les risques encourus.