Ανάπτυξη δυναμικών προτύπων ανάλυσης ασφάλειας κρίσιμων υποδομών και κυβερνοσυστημάτων μέσω υβριδικών ευφυών προσεγγίσεων

Abstract

Critical Infrastructures describe the set of large-scale physical systems, assets, and Cyber Systems, and provide the services that form the backbone for the well-being and security of people, societies, and nations. Any malfunction, degradation, or destruction of them would have very serious biotic and economic consequences. Their protection is an area of vital importance. As we move into the 21st century, more and more Critical Infrastructures are becoming interconnected. This leads to improved performance of their systems, but at the same time increases their exposure to dangerous situations and threats. In addition to physical attacks, malicious entities are now able to launch cyber-attack campaigns that can have devastating consequences in the real world. The security of Critical Infrastructures and their respective Cyber Systems is more urgent than ever.The aim of this PhD thesis is to develop new algorithms and hybrid prototypes, through which the design and implementation of integrated and innovative dynamic models and systems for the security of Critical Urban Infrastructures and their corresponding Cyber Systems can be achieved. These hybrid models and systems exploit state-of-the-art algorithms and technologies, a wide range of statistical tools and analysis algorithms, Artificial Intelligence approaches and its subcategories, Machine Learning and Deep Learning, as well as Fuzzy Logic algorithms. These models and systems have the ability to model, analyse, monitor and manage a wide range of complex problems, as well as the ability to identify and manage threats and vulnerabilities in their respective domains. As the scope of Critical Infrastructures and Cybersystems is vast, this PhD thesis mainly aims at the security of specific transport-related structures (e.g. roads and bridges), as well as the protection of computers and Internet of Things devices from physical or digital threats. More specifically, in the context of the PhD thesis, four innovative, integrated discrete hybrid models and corresponding systems, covering four different case studies, were developed, tested and proven in practice (with real-world data). Their modular structure makes them ideal for their interconnection with existing systems, extending them to cover an even wider range of needs and problems, and independently exploiting their individual vertebrae and subsystems as tools to address problems and challenges of the same or even different nature.Their development was carried out by developing innovative Software in the Python programming language and using the applications running in the integrated graphical environment of the MATLAB platform. The development and implementation of all innovative algorithms, methodologies, procedures and approaches were accomplished mostly from code written from scratch. The way the code files were written offers possibilities for interfacing with a large number of systems and technologies, while the MATLAB platform combined with the Python programming language dramatically expands the scope of application.The intelligent hybrid models and systems introduced in the literature contribute to enhance existing knowledge with a large number of individual innovations, creating tools and approaches that contribute significantly to the safety and security of Critical Infrastructures and Cyber Systems. They achieve very high results by playing a very important role in decision making by competent agencies and organisations.

Οι Κρίσιμες Υποδομές περιγράφουν το σύνολο φυσικών συστημάτων, περιουσιακών στοιχείων και Κυβερνοσυστημάτων μεγάλης κλίμακας, και παρέχουν τις υπηρεσίες που αποτελούν τη ραχοκοκαλιά για την ευημερία και ασφάλεια των ανθρώπων, των κοινωνιών και των εθνών. Οποιαδήποτε δυσλειτουργία, υποβάθμιση ή καταστροφή τους θα είχε πολύ σοβαρές βιοτικές και οικονομικές συνέπειες. Η προστασία τους αποτελεί πεδίο ζωτικής σημασίας. Διανύοντας τον 21ο αιώνα, όλο και περισσότερες Κρίσιμες Υποδομές διασυνδέονται. Αυτό οδηγεί στη βελτιωμένη απόδοση των συστημάτων τους, αλλά ταυτόχρονα αυξάνει την έκθεσή τους σε επικίνδυνες καταστάσεις και απειλές. Εκτός από τις φυσικές επιθέσεις, οι κακόβουλες οντότητες είναι πλέον σε θέση να ξεκινήσουν εκστρατείες κυβερνοεπιθέσεων που μπορεί να έχουν καταστροφικές συνέπειες στον πραγματικό κόσμο. Η ασφάλεια των Κρίσιμων Υποδομών και των αντίστοιχων Κυβερνοσυστημάτων είναι πιο επιτακτική από ποτέ.Σκοπός αυτής της Διδακτορικής Διατριβής είναι η ανάπτυξη νέων αλγορίθμων και προτύπων υβριδικής προσέγγισης, μέσω των οποίων επιτυγχάνεται η σχεδίαση και υλοποίηση ολοκληρωμένων και καινοτόμων δυναμικών μοντέλων και συστημάτων για την ασφάλεια Κρίσιμων αστικών Υποδομών και των αντίστοιχων Κυβερνοσυστημάτων. Τα υβριδικά αυτά μοντέλα και συστήματα αξιοποιούν αλγορίθμους και τεχνολογίες αιχμής, ένα μεγάλο εύρος στατιστικών εργαλείων και αλγορίθμων ανάλυσης, προσεγγίσεις Τεχνητής Νοημοσύνης και των υποκατηγοριών της, Μηχανική Μάθηση και Βαθιά Μάθηση, καθώς και αλγορίθμους της Ασαφούς Λογικής. Τα εν λόγο μοντέλα και συστήματα έχουν τη δυνατότητα μοντελοποίησης, ανάλυσης, παρακολούθησης και διαχείρισης, μεγάλου εύρους σύνθετων προβλημάτων, καθώς και την ικανότητα να εντοπίσουν και να διαχειριστούν απειλές και τρωτά σημεία στις αντίστοιχες περιπτώσεις. Καθώς το εύρος των Κρίσιμων Υποδομών και των Κυβερνοσυστημάτων είναι αχανές, η εν λόγω Διδακτορική Διατριβή στοχεύει κυρίως στην ασφάλεια συγκεκριμένων δομών σχετικών με τις μεταφορές (π.χ. δρόμοι και γέφυρες), καθώς και στην προστασία των ηλεκτρονικών υπολογιστών και των συσκευών του Διαδικτύου των Πραγμάτων, από φυσικές ή ψηφιακές απειλές. Πιο συγκεκριμένα, στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής, αναπτύχθηκαν, ελέγχθηκαν και δοκιμάστηκαν στην πράξη (με δεδομένα του πραγματικού κόσμου) τέσσερα καινοτόμα, ολοκληρωμένα διακριτά υβριδικά πρότυπα και αντίστοιχα συστήματα, που καλύπτουν τέσσερις διαφορετικές μελέτες περίπτωσης. Η σπονδυλωτή και αρθρωτή δομή τους, τα καθιστά ιδανικά για τη διασύνδεση τους με υπάρχοντα συστήματα, την επέκταση τους ώστε να καλυφθεί ακόμα μεγαλύτερο εύρος αναγκών και προβλημάτων, και την ανεξάρτητη αξιοποίηση των επιμέρους σπονδύλων και υποσυστημάτων τους, ως εργαλεία για την αντιμετώπιση ίδιας ή ακόμα και διαφορετικής φύσης προβλημάτων και προκλήσεων.Η ανάπτυξη τους, διεκπεραιώθηκε αναπτύσσοντας καινοτόμο Λογισμικό στη γλώσσα προγραμματισμού Python και χρησιμοποιώντας τις εφαρμογές που τρέχουν στο ολοκληρωμένο γραφικό περιβάλλον της πλατφόρμας MATLAB. Η ανάπτυξη και εφαρμογή όλων των καινοτόμων αλγορίθμων, μεθοδολογιών, διαδικασιών και προσεγγίσεων, πραγματοποιήθηκε επί το πλείστων από κώδικα που γράφτηκε από την αρχή. Ο τρόπος που γράφτηκαν τα αρχεία κώδικα, προσφέρει δυνατότητες διασύνδεσης με μεγάλο αριθμό συστημάτων και τεχνολογιών, ενώ η πλατφόρμα MATLAB σε συνδυασμό με τη γλώσσα προγραμματισμού Python διευρύνουν εντυπωσιακά το πεδίο εφαρμογής.Τα ευφυή υβριδικά πρότυπα μοντέλα και συστήματα που εισάγονται στη βιβλιογραφία, συμβάλλουν στην ενίσχυση της υπάρχουσας γνώσης με ένα μεγάλο αριθμό επιμέρους καινοτομιών, δημιουργώντας εργαλεία και προσεγγίσεις που συμβάλλουν σημαντικά στην ασφάλεια και στην προστασία των Κρίσιμων Υποδομών και Κυβερνοσυστημάτων. Επιτυγχάνουν πολύ υψηλές αποδόσεις παίζοντας πολύ σημαντικό ρόλο στη λήψη αποφάσεων από αρμόδιους φορείς και οργανισμούς.