dizertační práce

Pokročilé nástroje pro analýzy kritických infrastruktur

Text práce 12.39 MB Teze 12.39 MB

Autor práce: Ing. Matěj Vrtal, Ph.D.

Ak. rok: 2024/2025

Vedoucí: prof. Ing. Petr Toman, Ph.D.

Oponenti: prof. Ing. Radomír Goňo, Ph.D., prof. Matti Lehtonen

Abstrakt:

Tato disertační práce se zaměřuje na pokročilé metody a nástroje pro simulaci a analýzu vzájemně závislých kritických infrastruktur se zvláštním důrazem na oblasti energetiky a datových komunikačních systémů. Motivací je rostoucí složitost a propojenost městských infrastruktur, které přinášejí nové výzvy v oblasti spolehlivosti, nedostupnosti, šíření kaskádních poruch a plánování údržby. Navržená platforma umožňuje kombinovanou simulaci více infrastrukturních vrstev prostřednictvím modulární a škálovatelné architektury s možností budoucí integrace dalších systémů, jako jsou vodohospodářství, doprava nebo plynárenské sítě. Klíčovým přínosem je implementace strukturovaného simulačního jádra založeného na správě stavové matice, které umožňuje detailní sledování a vizualizaci šíření poruch a vzájemných závislostí mezi systémy. Analýza spolehlivosti je podpořena stochastickými modelovacími technikami, včetně hodnocení časově závislé nedostupnosti s využitím Weibullových rozdělení a simulací strategií korektivní a preventivní údržby. Platforma zahrnuje grafické uživatelské rozhraní s vizualizací na mapovém podkladu, které podporuje intuitivní návrh scénářů a hodnocení odolnosti. Byl implementován také modul pro optimalizaci údržby, využívající metriky spolehlivosti k identifikaci nákladově efektivních plánů údržby. V práci je představen nový model testovací sítě propojené elektroenergetické a datové infrastruktury pro ověření funkcionality simulátoru. Platforma byla validována pomocí anonymizovaných reálných dat a její výkon a přesnost byly porovnány s existujícími open-source nástroji pro hodnocení spolehlivosti. Práce poskytuje rámec pro simulaci a analýzu vzájemně závislých infrastrukturních systémů a podporuje kvalifikované rozhodování v oblastech energetiky a datových systémů.  Vytváří rovněž základ pro budoucí vývoj v oblastech prediktivní údržby, modelování vzájemných závislostí a hodnocení odolnosti v prostředí chytrých měst.

Klíčová slova:

Kritická infrastruktura, vzájemná závislost, simulační platforma, chytrá síť, analýza spolehlivosti, modelování nedostupnosti, optimalizace údržby, kaskádní poruchy, komunikační síť.

Termín obhajoby

25.06.2025

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znamkaPznamka

Průběh obhajoby

Defence of the thesis The defense took place in the presence of all committee members. During the defense, the doctoral student presented the results of his dissertation to the committee, including his own contributions. After the doctoral student's presentation, his supervisor informed the attendees about his evaluation of the entire course of study. This was followed by the presentation of the referees' reports and a discussion of the referees' questions and comments. Then, in the public discussion, questions and comments on the dissertation were presented by prof. Drapela, prof. Goňo, doc. Mašek. A written record of the questions is attached to the minutes. All questions raised by the opponents and in the public discussion were correctly addressed by the PhD student. The PhD student has demonstrated creative ability in the given research area, and the thesis meets the standard requirements for a dissertation in the field. In a closed discussion and after a secret ballot, the committee concluded that the doctoral candidate has fulfilled the conditions of Section 47, Paragraph 4 of the Higher Education Act No. 111/98 and can therefore be awarded the degree of Doctor (PhD).

Jazyk práce

angličtina

Fakulta

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií

Ústav

Ústav elektroenergetiky

Studijní program

Silnoproudá elektrotechnika a elektroenergetika (DKC-SEE)

Složení komise

prof. RNDr. Vladimír Aubrecht, CSc. (předseda)
doc. Ing. Ondřej Vítek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jaroslava Orságová, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jiří Hošek, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Modlitba, CSc. (člen)
prof. Ing. Peter Braciník, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Radomír Goňo, Ph.D. (člen)
prof. Matti Lehtonen (člen)
prof. Ing. Jiří Drápela, Ph.D. (člen)

Posudek vedoucího
prof. Ing. Petr Toman, Ph.D.

Matěj Vrtal started his PhD study in 2020. He passed doctoral state examination in 2022 and in April 2025 he submitted his doctoral dissertation.
The thesis deals with advanced methods and tools for simulating and analyzing interdependent critical infrastructures, with a primary emphasis on the energy and data communication sectors.
The thesis is written as a set of scientific papers, which are focused on the topic of the dissertation, and which were published in conference proceedings and in journals.
The papers cover three main research areas: (i) design and development of a simulation tool, (ii) modelling of system unavailability and maintenance optimization, and (iii) validation of the applied methods in real-world scenarios.
The developed simulation platform enables multilayer simulation of interconnected infrastructures with a modular and scalable architecture and support for future integration of additional subsystems.
The simulator provides a tool for risk assessment, outage prediction and reliability optimization and is to be primarily utilized by two key user groups: distribution system operators and municipalities.
The topic of this dissertation is up-to-date. The doctoral dissertation brings substantial scientific progress and new findings relevant to the given subject.
During his studies, Matěj Vrtal devoted a lot of effort to the elaboration of the theoretical and practical parts of the dissertation and demonstrated the ability to do independent scientific work.
As part of his studies, he has participated in the teaching of exercises in the subject of Design of Power and Data Network including international project Micro degree for modern harmonized electrical engineering, where he has coordinated part on Modern Electrical Design.
In 2021/2022 he spent 3 months at Aalto University in Finland and in 2022/23 3 months at University of Wuppertal in Germany.
He is a member of several research project teams and was a significant member of the teams which prepared project proposals.
Matej Vrtal is the author or co-author of 14 articles in the proceedings of international and national conferences and 3 articles in journals with impact factor. There are 17 records in the Scopus database and 5 records in the Web of Science database, h index is 1.
I am convinced that the candidate meets all the prerequisites for the award of the academic title Doctor.
I recommend the dissertation for defence.

Posudek oponenta
prof. Ing. Radomír Goňo, Ph.D.

viz pdf
Soubor vložený oponentem Velikost
Posudek oponenta [.pdf] 172,23 kB

Posudek oponenta
prof. Matti Lehtonen

viz pdf
Soubor vložený oponentem Velikost
Posudek oponenta [.pdf] 875,66 kB

Odpovědnost: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová