Risk reduction and resilience of interdependent energy and operational communication networks under hazardous impacts

تعتمد المجتمعات الحديثة على شراكة خفية بين نظامين ضخمين: الشبكة التي توفر الكهرباء، والشبكة التي تنقل المعلومات. هذان ليسا عالمين منفصلين، بل هما متشابكان بعمق؛ فمحطات توليد الطاقة والمحطات الفرعية تحتاج إلى أجهزة كمبيوتر وخطوط اتصالات لمراقبة حالتها، والحماية من الأعطال، وإرسال إشارات التحكم. وفي الوقت نفسه، تحتاج أبراج الاتصالات ومراكز البيانات ومحطات التحويل التي تشغل هواتفنا والإنترنت إلى تدفق مستمر وموثوق للكهرباء لتعمل. وعندما يكون هذان النظامان في حالة جيدة، فإنهما يدعمان بعضهما البعض بسلاسة. ولكن عندما يتعرض أحدهما لضربة، فإن الضرر لا يتوقف عند ذلك الحد؛ ففشل شبكة الطاقة يمكن أن يؤدي إلى تعطيل شبكة الاتصالات، كما أن إصابة شبكة الاتصالات يمكن أن تعمي المشغلين الذين يحاولون إصلاح شبكة الطاقة. وهذا يخلق سلسلة تفاعلية خطيرة حيث يمكن لحدث واحد أن يتفاقم ليصبح انهياراً واسع النطاق.

لقد أصبح هذا الاعتماد المتبادل مصدر قلق بالغ مع مواجهة العالم لتهديدات تزداد تكراراً وشدة، تتراوح من الكوارث الطبيعية إلى الهجمات العسكرية المتعمدة أو أعمال التخريب. وفي السنوات الأخيرة، نمت حصة هذه التهديدات بشكل كبير؛ ففي أوكرانيا وحدها، استهدفت مئات الهجمات مرافق الطاقة، بينما تصاعدت الهجمات السيبرانية على قطاع الطاقة عالمياً. إن التحدي الذي يواجه المهندسين وخبراء الأمن لا يقتصر فقط على تحصين المكونات الفردية، بل في فهم كيفية انتقال الصدمة من جزء إلى آخر عبر النظام. فإذا دمر صاروخ محطة طاقة، فقد يؤدي انقطاع التيار الناتج عن ذلك إلى تعطيل المستشعرات اللازمة لإعادة توجيه الطاقة إلى مناطق أخرى. وإذا أدى هجوم سيبراني إلى تشويه البيانات المتدفقة إلى مركز تحكم، فقد يفقد المشغلون القدرة على عزل خط تالف، مما يتسبب في انتشار الفشل بشكل أكبر.

لقد طور الباحثان بافلو أناخوف وفيكتوريا جيبكا طريقة جديدة لرسم خرائط هذه المخاطر وتصميم دفاعات أفضل. ويركز عملهما على السلسلة المحددة من الأحداث التي تحول خطراً واحداً إلى كارثة متتالية. حيث يقومان بتفكيك المشكلة إلى تسلسل واضح: أولاً، وقوع تهديد، مثل انفجار أو اختراق سيبراني؛ ثلاً، يخلق هذا التهديد عوامل ضرر مادية أو رقمية محددة، مثل موجة صدمية، أو حريق، أو حزمة بيانات فاسدة؛ ثالثاً، تضرب هذه العوامل عناصر معرضة للخطر، مثل محول كهربائي، أو كابل، أو خادم؛ وأخيراً، يتسبب الضرر الذي يلحق بهذه العناصر في اضطراب وظيفي يمكن أن ينتشر إلى الشبكة الأخرى. ومن خلال تتبع هذا المسار، يستطيع الباحثان رؤية المكان الذي يُحتمل أن ينكسر فيه النظام بالضبط، وكيف يمكن للفشل أن ينتقل من شبكة الطاقة إلى شبكة الاتصالات، أو العكس.

تحدد الدراسة سبعة طرق فيزيائية رئيسية تسبب بها الانفجارات والهجمات أضراراً للبنية التحتية. وتشمل هذه الطرق الموجة الانفجارية التي تسحق المباني والمعدات، واهتزاز الأرض الذي يتسبب في تصدع الكابلات الأرضية، والحطام المتطاير الذي يخترق الأغلفة الواقية، والحرارة الشديدة التي تذيب العوازل، والنبضات الكهرومغناطيسية التي تحرق الإلكترونيات الحساسة. كما يأخذ البحث في الاعتبار التأثيرات الأقل وضوحاً، مثل الموجات الصوتية التي تعطل المستشعرات، والتغيرات في المجال المغناطيسي للأرض التي تتداخل مع إشارات الراديو. وعلاوة على الجانب الفيزيائي، ينظر الباحثون أيضاً في كيفية فشل أنظمة المعلومات، مع مراعاً احتمالات سرقة البيانات أو تعديلها أو حجبها. وهم يعاملون حالات الفشل هذه ليس كحوادث معزولة، بل كشبكة متصلة حيث يمكن أن يؤدي الخرق في منطقة ما إلى إطلاق شرارة خرق في منطقة أخرى.

ولإدارة هذه المخاطر، يقترح المؤلفان نظاماً هيكلياً لتدابير الحماية يطابق دفاعات محددة بتهديدات محددة. فبدلاً من التخمين حول التدابير التي قد تساعد، يقومون بإنشاء مصفوفة مطابقة تربط عامل ضرر معين، مثل الموجة الصدمية، بالإجراءات المضادة الأكثر فعالية، مثل الخرسانة المسلحة أو قواعد امتصاص الصدمات. ويتضمن هذا النظام مجموعة من الاستراتيجيات، بدءاً من التحذيرات قصيرة المدى وتقييمات المخاطر طويلة المدى، وصولاً إلى التحصين المادي للمعدات وإنشاء الأنظمة الاحتياطية. ومن الأهمية بمكان أن يركز النهج على التكرار (Redundancy) وإعادة التشكيل؛ فإذا تم تدمير خط طاقة رئيسي، يجب أن يكون النظام قادراً على التحول تلقائياً إلى خط احتياطي أو إعادة توجيه تدفقات المعلومات عبر مسار مختلف. والهدف هو اعتراض الضرر، وحصره محلياً حتى لا ينتشر، واستبدال أو تجاوز الأجزមាន المكسورة بسرعة.

كما قدم الباحثون طريقة لحساب مدى فعالية عمل تدابير الحماية هذه معاً. فهم لا ينظرون فقط إلى درع واحد، بل يقيمون القوة المشتركة لعدة دفاعات تعمل في آن واحد. ومن خلال موازنة قوة التهديد مقابل المقاومة المشتركة لتدابير الحماية، يمكنهم تحديد ما إذا كانت المنشأة ستنجو من مستوى معين من الهجوم. وتساعد هذه الحسابات صناع القرار في اختيار المزيج الصحيح من الدفاعات، مما يضمن إنفاق الموارد على التدابير التي ستعمل حقاً على إبقاء النظام قيد التشغيل. فعلى سبيل المثال، قد يكون إضافة مصدر طاقة ثانٍ هو الخطوة الأكثر فعالية لبرج اتصالات، بينما قد يكون نوع آخر من الدروع هو الأفضل لغرفة تحكم.

تؤكد النتائج أن حماية البنية التحتية الحيوية تتطلب نهجاً منسقاً يعامل شبكة الطاقة وشبكة الاتصالات ككيان واحد مترابط. وتظهر الدراسة أن تجاهل الرابط بين هذين النظامين يجعلهما عرضة لفشل متتالي، حيث يمكن لضربة صغيرة أن تتحول إلى انقطاع هائل. ومن خلال رسم الروابط السببية بين التهديدات والضرر والفشل، ومن خلال تطبيق مجموعة مخصصة من تدابير الحماية، يمكن تقليل خطر الانهيار التام بشكل كبير. يوفر هذا الإطار دليلاً عملياً لبناء أنظمة يمكنها الصمود أمام الهجمات المتعمدة والمخاطر الطبيعية، مما يضمن أنه عندما يتضرر جزء من الشبكة، يمكن للجزء الآخر أن يساعده على التعافي بدلاً من جره نحو الانهيار. والنتيجة هي بنية تحتية أكثر مرونة وقدرة على الصمود أمام التهديدات المعقدة والمتطورة في العالم الحديث.