Ingenieurtechnisches Resilienzmanagement

Das Fraunhofer EMI analysiert sozio-technische Systeme: kritische Infrastrukturen, urbane Räume, industrielle Prozesse und gekoppelte Netzwerke mit zahlreichen Modellierungsansätzen. Die Modelle werden in Softwareanwendungen implementiert. Das Institut untersucht das Systemverhalten bei Störungen. Es kann dadurch Schwachstellen identifizieren und entwickelt Lösungen zur Messung und Steigerung der Resilienz.

Wie können soziale Systemkomponenten in die Modellbildung integriert werden? Das Institut untersucht, wie gut verschiedene technische und gesellschaftliche Systeme Krisen überstehen. Dafür werden zum Beispiel einzelne Prozesse, Gebäude oder sogar ganze Städte und Regionen analysiert. Das Ziel ist, alle wichtigen Teile und Komponenten des Systems zu identifizieren und zu verstehen, wie sie zusammenarbeiten. Dabei werden technische, personelle, ökonomische und organisatorische Aspekte berücksichtigt. Soziale Systemkomponenten werden in der Modellierung systematisch mit spezifischen stochastischen Eigenschaften erfasst und analog zu technischen Komponenten in die Modellbildung mit aufgenommen.

Wie effektiv können einzelne Maßnahmen das Maß an Resilienz erhöhen? Quantitative Modelle ermöglichen eine Charakterisierung einzelner Resilienzphasen, -dimensionen und -eigenschaften:

Basierend auf diesem multivariaten Konzept werden am Fraunhofer EMI verschiedenste Systeme analysiert. Beispiele sind Gebäude, urbane Gebiete, Infrastruktursysteme oder industrielle Prozesse. Die Gegenüberstellung verschiedener Maßnahmen ermöglicht eine Bewertung der Effizienz.

Wie resilient ist eine Kommune gegen einen Stromausfall? Die systematische Erfassung von Systemkomponenten und ihren Abhängigkeiten erfolgt durch deren Darstellung in einer Netzwerkstruktur. Die Knoten repräsentieren relevante Komponenten (z. B. Personal, Maschinen), während die Kanten deren physische und logische Verbindungen abbilden. Das Fraunhofer EMI nutzt die Netzwerkanalyse, um die Resilienz kritischer Infrastrukturen zu untersuchen und Kaskadeneffekte zwischen Sektoren zu identifizieren, etwa die Auswirkungen eines Stromausfalls auf Krankenhäuser.

Wie kann mit stochastischer Modellierung die Sicherheit des autonomen Fahrens bewertet werden? Die Bewertung automatisierter Fahrfunktionen unter Berücksichtigung aller Szenarien, Umweltbedingungen und Verkehrsteilnehmer ist äußerst anspruchsvoll. Das Fraunhofer EMI nutzt statistische Modelle zur Analyse von Ausfallraten. Mithilfe der Markov- Modellierung werden Zuverlässigkeitsaussagen zum Fahrzeug und seinen Teilfunktionen abgeleitet, wobei Umweltbedingungen, Fahrsituationen und Sensor-Ausfallraten berücksichtigt werden.

Wie kann das Bewegungsverhalten von Personen oder Personenströmen simulativ abgebildet werden? Die agentenbasierte Simulation zeichnet sich durch ihre Fähigkeit aus, das Verhalten individueller Akteure innerhalb eines Systems zu modellieren und deren Interaktionen in dynamischen Umgebungen zu analysieren. Solche Verhaltensaspekte integriert das Fraunhofer EMI in die sozio-technische Modellentwicklung und nutzt diese Informationen, um zeitliche Entwicklungen in Netzwerkanalysen zu steuern. Zudem hat das EMI eine agentenbasierte Simulation entwickelt, welche die Bewegung von Personen in Gebäuden und auf offenen Flächen, wie z.B. auf Veranstaltungen, simuliert. Dadurch können detaillierte Aspekte der menschlichen Systemkomponenten in sozio-technischen Systemen betrachtet werden.

Wie lässt sich der Gebäudeschutz vor außergewöhnlichen Belastungen erhöhen? Außergewöhnliche Belastungen, wie beispielsweise Explosionen oder Extremwetter, beanspruchen Bauwerke und sind oftmals in der Planung nicht berücksichtigt. Das Geschäftsfeld Sicherheit und Resilienz besitzt die Expertise, um solche Belastungen und deren Auswirkungen zu charakterisieren. Ingenieurmethoden oder numerische Simulationen, welche mit Versuchseinrichtungen bei Fraunhofer EMI validiert werden, bilden die Bemessungsgrundlage. Systematisch werden die Gefährdung, mögliche Schäden und Schutzmaßnahmen charakterisiert. Die Methoden bilden die Grundlage zur Bewertung der Robustheit. Beispiele sind der Schutz von Liegenschaften vor terroristischen Angriffen, der Explosionsschutz auf Werksgeländen oder die Bewertung von Schutzmaßnahmen gegen Starkwind- und Flutereignisse.