Yıl: 2021 Cilt: 36 Sayı: 4 Sayfa Aralığı: 1909 - 1922 Metin Dili: Türkçe DOI: 10.17341/gazimmfd.615372 İndeks Tarihi: 29-07-2022

Kritik sistemlerin savunma planlaması için iki seviyeli çoklu saldırı tipli koruma modelleri

Öz:
Kritik tesisler, bir ülke için yüksek önem düzeyine sahip, herhangi bir sebeple savaş, terörist saldırı, doğal afetler vb. gibi kendilerine verilecek zarar neticesinde, ülkeyi önemli ölçüde etkileyebilecek tesislerdir. Bu tesislerin korunması önemli problemlerdendir. Bu çalışma bir kritik bölgenin talebinin kesintisiz olarak sağlanması için hangi tesislerin korunacağının belirlenmesine yönelik tesis koruma problemlerindendir. Önceki çalışmalarda göz ardı edilmiş olan farklı saldırı tipleri ve karşı gelen savunma tipleri göz önüne alınmış, ayrıca sınırlı kaynaklara sahip kritik sistemler için arz talep dengesinin bozulmasına yönelik öncelikli amaç modele dahil edilmiştir. Bu çalışma kritik tesislerin savunma problemi için iki yeni matematiksel model önermektedir. Modellerin katkısı sırası ile farklı saldırı - savunma tiplerini ve arz-talep dengesini dikkate almaktır. İlk model saldırı ve koruma tiplerini göz önüne alan iki seviyeli $R_e$IMF ve arz talep dengesini bozma amaçlı saldırıların göz önüne alındığı SD-$R_e$IMF’dir. İki modelde literatürde yer alan RIMF (r-interdiction median problem with fortification) modelini temel almaktadır. Modeller gerçek verilere ulaşmanın zorluğu nedeni ile türetilen örnek problem setleri kullanılarak test edilmiş ve deneysel sonuçlarla yöntemin kullanılabilirliği ortaya konmuştur. $R_e$IMF modeli sınırsız kapasiteli problemler için SD-$R_e$IMF modeli ise sınırlı kapasiteli problemlere çözüm sunmaktadır.
Anahtar Kelime: arz-talep dengesi Yasaklama problemleri savunma planlaması koruma problemleri saldırı tipleri iki seviyeli programlama

Bi-level Multiple Attack Type Protection Models for Defense Planning of Critical Systems

Öz:
Critical infrastructures are so vital for a country that their destruction or incapacity with war, terrorist attack and natural disasters may have irrecoverable effects on security systems together with other social, economic, and public systems. The protection of these facilities is one of the important problems. This study is one of the facility protection problems to determine which facilities will be protected to ensure the uninterrupted demand of a critical zone. Different attack types and counter defense types, which were ignored in previous studies, were taken into account in this study. Disrupting the supply-demand balance for critical systems with limited resources is also included in the model. This paper presents two new mathematical models for the defense of critical infrastructure systems. The contribution of our models is considering different types of attacks and defense options and disrupting the supply-demand balance. The first model is RୣIMF and considers different attack and defense types. The second model is SD- $R_e$IMF and considers supply-balance disruption. Both models are based on RIMF (r-interdiction median problem with fortification) model in the literature. Due to security reasons, it is not possible to find real data to apply the methodology to a real system in our case, therefore we developed a toy problem to solve the models proposed and discussed the results.$R_e$IMF model offers solution for problems with unlimited capacity and model SD-$R_e$IMF offers a solution to problems with limited capacity
Anahtar Kelime: supply-demand equilibrium

Belge Türü: Makale Makale Türü: Araştırma Makalesi Erişim Türü: Erişime Açık
  • 1. Stackelberg H., The theory of market economy, Oxford: Oxford University Press, 1952.
  • 2. Scaparra M.P., Church R.L., A bilevel mixed-integer program for critical infrastructure protection planning, Computers and Operations Research, 35, 1905-1923, 2008.
  • 3. Wollmer R., Removing Arcs from a Network, Operations Research, 12 (6), 934-940, 1964.
  • 4. Israeli, E., Wood, R. K., Shortest-path network interdiction, Networks 40 (2), 97–111, 2002.
  • 5. Cappanera P., Scaparra M. P., Optimal allocation of protective resources in shortest-path networks, Transportation Science 45 (1), 64–80, 2011.
  • 6. Shimizu K., Ishizuka Y., Bard J. F., Nondifferentiable and two-level mathematical programming, Springer Science & Business Media, 2012.
  • 7. Wood R. K., Deterministic network interdiction, Mathematical and Computer Modelling 17 (2), 1–18, 1993.
  • 8. Cormican K. J., Morton D. P., Wood R. K., Stochastic network interdiction, Operations Research 46 (2), 184– 197, 1998.
  • 9. McMasters A. W., Mustin T. M., Optimal interdiction of a supply network, Naval Research Logistics Quarterly 17 (3), 261–268, 1970.
  • 10. Assimakopoulos N., A network interdiction model for hospital infection control, Computers in Biology and Medicine 17 (6), 413–422, 1987.
  • 11. Farley J. D., Breaking al qaeda cells: A mathematical analysis of counterterrorism operations (a guide for risk assessment and decision making), Studies in Conflict & Terrorism 26 (6), 399–411, 2003.
  • 12. Morton D. P., Pan F., Saeger K. J., Models for nuclear smuggling interdiction, IIE Transactions 39 (1), 3–14, 2007.
  • 13. Washburn, A., Wood, K., Two-person zero-sum games for network interdiction, Operations research 43 (2), 243–251, 1995.
  • 14. Xiang Y., Wei H., Joint optimizing network interdiction and emergency facility location in terrorist attacks, Computers & Industrial Engineering, 144, 106480, 2020.
  • 15. Ramamoorthy P., Jayaswal S., Sinha A., Vidyarthi N., Hub Interdiction & Hub Protection problems: Model formulations & Exact Solution methods, Indian Institute of Management Ahmedabad
India, 2016.
  • 16. Aliakbarian N., Dehghania
F., Salari M., A bi-level programming model for protection of hierarchical facilities under imminent attacks, Computers & Operations Research 64 210–224, 2015.
  • 17. Church RL, Scaparra MP, Middleton RS, Identifying critical infrastructure: the median and covering facility interdiction problems, Ann Assoc Am Geogr, 94 (3) 491–502, 2004.
  • 18. Salmeron J., Wood K., Baldick R., Analysis of Electric Grid Security Under Terrorist Threat, IEEE Transactions on Power Systems, 19, 2, 2004.
  • 19. Salmeron J., Wood K., The Value of Recovery Transformers in Protecting an Electric Transmission Grid Against Attack, IEEE Transactions on Power Systems, 30, 5, 2015.
  • 20. Aksen D., Aras D., A bilevel fixed charge location model for facilities under imminent attack, Computers & Operations Research, 39, 1364–1381, 2011.
  • 21. Losada C., Scaparra M.P., Church R.L., On a bi-level formulation to protect uncapacitated p-median systems with facility recovery time and frequent disruptions, Electronic Notes in Discrete Mathematics 36, 591–598, 2010.
  • 22. Losada C., Scaparra M.P., O’Hanley J.R., Optimizing system resilience: A facility protection model with recovery time, European Journal of Operational Research, 217, 519–530, 2012-a.
  • 23. Aksen D., Aras A., Piyade N., A bilevel p-median model for the planning and protection of critical facilities, Journal Heuristics, 19, 373-398, 2013.
  • 24. Lezama J.M.L., Gomez J.C., Galeano N. M., Assessment of the Electric Grid Interdiction Problem using a nonlinear modeling approach, Electric Power Systems Research, 144, 243–254, 2017.
  • 25. Forghani A., Dehghanian F., Salari M., Ghiam Y., A bilevel model and solution methods for partial interdiction problem on capacitated hierarchical facilities, Computers and Operations Research, 114, 104831, 2020.
  • 26. Wu X., Conejo A.J., An Efficient Tri-Level Optimization Model for Electric Grid Defense Planning, IEEE Transactions on Power Systems, 32, 4, 2017.
  • 27. Alguacil N., Delgadillo A., Arroyo J.M., A trilevel programming approach for electric grid defense planning, Computers & Operations Research, 41, 282– 290, 2014.
  • 28. Jian G.J., Liu X., Sun L., Yin J., Optimal allocation of protective resources in urban rail transit networks against intentional attacks, Transportation Research Part E 84, 73–87, 2015.
  • 29. Losada C., Scaparra M.P., Church R. L., Daskin M. S., The stochastic interdiction median problem with disruption intensity levels, Ann Oper Res, 201, 345– 365, 2012.
  • 30. Ghaffarinasaba N., Atayi R., An implicit enumeration algorithm for the hub interdiction median problem with fortification, European Journal of Operational Research, 267, 23–39, 2018.
  • 31. Ramamoorthy P., Jayaswal S., Sinha A., Vidyarthi N., Multiple allocation hub interdiction and protection problems: Model formulations and solution approaches, European Journal of Operational Research, 1–16, 2018.
  • 32. Xiao Y., Yang P., Zhang S., Zhou S., Chang W., Zhang Y., Dynamic Gaming Case of the R-Interdiction Median Problem with Fortification and an MILP-Based Solution Approach, Sustainability, 12, 581, 2020.
  • 33. Salmeron J., Deception Tactics for Network Interdiction: A Multiobjective Approach, Networks an International Journal, 60, 45-58, 2012
  • 34. Aksen D., Piyade N., Aras N., The budget constrained rinterdiction median problem with capacity expansion, CEJOR, 18, 269–291, 2010.
  • 35. Keçici S., Aras N., Verter V., Facility network design under the threat of terrorist attacks, Springer Verlag, Optim Lett, 6, 1101–1121, 2012.
  • 36. Zhu Y., Zheng Z., Zhang X., Cai K., The r-interdiction median problem with probabilistic protection and its solution algorithm, Computers & Operations Research 40, 451–462, 2013.
  • 37. Liberatore F., Scaparra M.P., Daskin M.S., Analysis of facility protection strategies against an uncertain number of attacks: The stochastic r-interdiction median problem with fortification, Computers & Operations Research, 357–366, 2011.
  • 38. Aksen D., Akca S.Ş., Aras N., A bilevel partial interdiction problem with capacitated facilities and demand outsourcing, Computers & Operations Research 41, 346–358, 2014.
APA Başkan O, Sagir M (2021). Kritik sistemlerin savunma planlaması için iki seviyeli çoklu saldırı tipli koruma modelleri. , 1909 - 1922. 10.17341/gazimmfd.615372
Chicago Başkan Orkun,Sagir Mujgan Kritik sistemlerin savunma planlaması için iki seviyeli çoklu saldırı tipli koruma modelleri. (2021): 1909 - 1922. 10.17341/gazimmfd.615372
MLA Başkan Orkun,Sagir Mujgan Kritik sistemlerin savunma planlaması için iki seviyeli çoklu saldırı tipli koruma modelleri. , 2021, ss.1909 - 1922. 10.17341/gazimmfd.615372
AMA Başkan O,Sagir M Kritik sistemlerin savunma planlaması için iki seviyeli çoklu saldırı tipli koruma modelleri. . 2021; 1909 - 1922. 10.17341/gazimmfd.615372
Vancouver Başkan O,Sagir M Kritik sistemlerin savunma planlaması için iki seviyeli çoklu saldırı tipli koruma modelleri. . 2021; 1909 - 1922. 10.17341/gazimmfd.615372
IEEE Başkan O,Sagir M "Kritik sistemlerin savunma planlaması için iki seviyeli çoklu saldırı tipli koruma modelleri." , ss.1909 - 1922, 2021. 10.17341/gazimmfd.615372
ISNAD Başkan, Orkun - Sagir, Mujgan. "Kritik sistemlerin savunma planlaması için iki seviyeli çoklu saldırı tipli koruma modelleri". (2021), 1909-1922. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.615372
APA Başkan O, Sagir M (2021). Kritik sistemlerin savunma planlaması için iki seviyeli çoklu saldırı tipli koruma modelleri. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 36(4), 1909 - 1922. 10.17341/gazimmfd.615372
Chicago Başkan Orkun,Sagir Mujgan Kritik sistemlerin savunma planlaması için iki seviyeli çoklu saldırı tipli koruma modelleri. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 36, no.4 (2021): 1909 - 1922. 10.17341/gazimmfd.615372
MLA Başkan Orkun,Sagir Mujgan Kritik sistemlerin savunma planlaması için iki seviyeli çoklu saldırı tipli koruma modelleri. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, vol.36, no.4, 2021, ss.1909 - 1922. 10.17341/gazimmfd.615372
AMA Başkan O,Sagir M Kritik sistemlerin savunma planlaması için iki seviyeli çoklu saldırı tipli koruma modelleri. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2021; 36(4): 1909 - 1922. 10.17341/gazimmfd.615372
Vancouver Başkan O,Sagir M Kritik sistemlerin savunma planlaması için iki seviyeli çoklu saldırı tipli koruma modelleri. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2021; 36(4): 1909 - 1922. 10.17341/gazimmfd.615372
IEEE Başkan O,Sagir M "Kritik sistemlerin savunma planlaması için iki seviyeli çoklu saldırı tipli koruma modelleri." Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 36, ss.1909 - 1922, 2021. 10.17341/gazimmfd.615372
ISNAD Başkan, Orkun - Sagir, Mujgan. "Kritik sistemlerin savunma planlaması için iki seviyeli çoklu saldırı tipli koruma modelleri". Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 36/4 (2021), 1909-1922. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.615372