Vulnerability-based analysis and redesign of transport networks

Abstract

Transport networks constitute a fundamental backbone of modern societies, supporting economic activity, social inclusion, and territorial cohesion. Despite sustained investment and institutional efforts, these networks remain inevitably exposed to a wide range of stressors, including extreme weather events, technical failures, human-induced incidents, cyber threats, and compound cascading hazards. Under such conditions, conventional transport planning approaches, assuming stable or marginally fluctuating operating environments, are not sufficient for capturing systemic weaknesses and guiding resilience-oriented interventions. This thesis addresses this gap by proposing a comprehensive vulnerability-based framework for the analysis and re-design of transport networks, with a particular focus on road systems. The research is structured around three interrelated modules. First, a component-level analysis investigates methods for identifying critical elements of road networks under disruptive conditions. Graph-theoretic, demand modelling, and traffic-based approaches are reviewed and compared, leading to the definition and testing of nine hybrid link criticality estimation measures that integrate topological properties with flow and congestion attributes. An additional contribution is the formulation and testing, in the context of both physical and digital infrastructure disruptions, of an average flow reduction metric, based on the well-established theory on the Macroscopic Fundamental Diagram, capturing to an enhanced extent traffic dynamics through traffic simulation. Machine learning techniques are further employed to assess the feasibility of classifying the links of a road network according to their criticality and understand in greater detail the contribution of various factors, including the defined hybrid measures and additional link- and network-level attributes. Second, the thesis operationalizes a hazard-independent framework for assessing the system-level vulnerability of road networks, supporting exhaustive stress-testing under multiple disruption typologies, including single-link failures, area-wide disruptions, random multi-link failures, uniform capacity degradation, and targeted sequential attacks. This framework combines the unified network efficiency metric with graph-theoretic, heuristic, and statistical techniques, enabling the derivation of an aggregated vulnerability index. It is tested on road networks of varying topology, demand structure, and scale, with link clustering-based enhancements to improve computational efficiency in large-scale network applications. Finally, the thesis introduces a bi-level optimization model for enhancing network robustness under stochastic multi-link disruptions. The proposed model is based on an intelligent failure scenario generation and reduction logic, a modified link redundancy importance metric for selecting candidate network interventions, and exact and metaheuristic solution strategies. Its application on the problem of optimal capacity expansion demonstrates its computational feasibility and its potential for reducing system-level vulnerability. Overall, the thesis provides methodological advancements that support critical transport infrastructure diagnosis, vulnerability-aware analysis and planning, as well as robustness-focused investment decisions.

Τα δίκτυα μεταφορών αποτελούν βασική συνιστώσα των σύγχρονων κοινωνιών, υποστηρίζοντας την οικονομική δραστηριότητα και την κοινωνική και εδαφική συνοχή. Παρά τις διαχρονικές επενδύσεις και τις σχετικές προσπάθειες θεσμικής θωράκισης, οι υποδομές και οι υπηρεσίες μεταφορών παραμένουν εκτεθειμένες σε ένα ευρύ φάσμα στρεσογόνων παραγόντων, όπως ακραία καιρικά φαινόμενα, τεχνικές αστοχίες, ανθρωπογενή συμβάντα, αλλά και σύνθετους συνδυαστικούς κινδύνους. Υπό αυτές τις συνθήκες, οι συμβατικές προσεγγίσεις σχεδιασμού μεταφορών, βασισμένες στην παραδοχή σταθερών ή οριακά μεταβαλλόμενων λειτουργικών συνθηκών, δεν επαρκούν για την αναγνώριση συστημικών αδυναμιών και την υποστήριξη παρεμβάσεων προσανατολισμένων στην ανθεκτικότητα. Η παρούσα διατριβή συνεισφέρει στην αντιμετώπιση του παραπάνω κενού, προτείνοντας ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο ανάλυσης και επανασχεδιασμού δικτύων μεταφορών με γνώμονα την τρωτότητα, εστιάζοντας σε οδικά συστήματα μεταφορών. Η έρευνα δομείται σε τρεις αλληλένδετες ενότητες. Στην πρώτη, το ενδιαφέρον εστιάζεται στην εκτίμηση των επιπτώσεων των διαταραχών σε δίκτυα μεταφορών και στις μεθόδους εντοπισμού των πλέον κρίσιμων στοιχείων τους. Στο πλαίσιο αυτό, εξετάζονται και συγκρίνονται προσεγγίσεις που βασίζονται στη Θεωρία Γράφων, στη μοντελοποίηση της ζήτησης για μετακινήσεις και στην ανάλυση της κυκλοφορίας. Η συγκριτική διερεύνηση αυτών των μεθόδων οδηγεί στον ορισμό και την πειραματική αξιολόγηση εννέα υβριδικών δεικτών κρισιμότητας, οι οποίοι συνδυάζουν τοπολογικά χαρακτηριστικά με ιδιότητες κυκλοφορικού φόρτου και συμφόρησης. Επιπλέον, διατυπώνεται και δοκιμάζεται, στο πλαίσιο διαταραχών φυσικών και ψηφιακών υποδομών, ένας δείκτης αποτίμησης της παραγωγικότητας του δικτύου μέσω προσομοίωσης, ο οποίος βασίζεται στην έννοια του Μακροσκοπικού Θεμελιώδους Διαγράμματος της Κυκλοφορίας. Παράλληλα, διερευνώνται τεχνικές μηχανικής μάθησης για την ταξινόμηση των συνδέσμων ενός οδικού δικτύου ως προς την κρισιμότητά τους και για τη λεπτομερέστερη κατανόηση της συμβολής επιμέρους παραγόντων, συμπεριλαμβανομένων των προτεινόμενων υβριδικών δεικτών και πρόσθετων χαρακτηριστικών σε επίπεδο δικτύου και συνδέσμων. Στη δεύτερη ενότητα, η διατριβή ενσωματώνει σε ένα ενιαίο υπολογιστικό πλαίσιο μια ολοκληρωμένη θεωρητική ταξινόμηση για την αξιολόγηση της τρωτότητας σε επίπεδο δικτύου. Το πλαίσιο αυτό υποστηρίζει την εξαντλητική δοκιμή καταπόνησης χερσαίων συστημάτων μεταφορών υπό πολλαπλές τυπολογίες διαταραχών, όπως αστοχίες μεμονωμένων συνδέσμων, εκτεταμένες χωρικές διαταραχές, τυχαίες ταυτόχρονες αστοχίες πολλαπλών συνδέσμων, ομοιόμορφη υποβάθμιση της χωρητικότητας και στοχευμένες διαδοχικές επιθέσεις. Το πλαίσιο καταλήγει σε έναν συστημικό δείκτη τρωτότητας, αξιοποιώντας τεχνικές Θεωρίας Γράφων, καθώς και ευρετικές και στατιστικές μεθόδους. Η εφαρμογή του πραγματοποιείται σε οδικά δίκτυα διαφορετικής τοπολογίας, ζήτησης και κλίμακας, με ενσωμάτωση τροποποιήσεων βασισμένων στη συσταδοποίηση συνδέσμων για τη βελτίωση της υπολογιστικής αποδοτικότητας σε εφαρμογές μεγάλης κλίμακας. Τέλος, η διατριβή εισάγει ένα δι-επίπεδο μοντέλο βελτιστοποίησης για την ενίσχυση της ανθεκτικότητας οδικών δικτύων υπό στοχαστικές διαταραχές πολλαπλών συνδέσμων. Το μοντέλο στηρίζεται σε μια ευφυή λογική παραγωγής σεναρίων, σε έναν τροποποιημένο δείκτη αποτίμησης της σημασίας πλεονασμού συγκεκριμένων οδικών συνδέσμων, καθώς και σε ακριβείς και μετευρετικές στρατηγικές επίλυσης. Συνολικά, η διατριβή παρέχει μεθοδολογικές εξελίξεις που υποστηρίζουν τη διάγνωση κρίσιμων υποδομών μεταφορών, τον σχεδιασμό με επίγνωση της τρωτότητας και τη λήψη αποφάσεων προσανατολισμένων στην αύξηση της ανθεκτικότητας.