Development of a fuzzy logic system for the categorization and analysis of risk paths in destruction scenarios in critical infrastructure

Abstract

In recent years, the frequency and intensity of catastrophic events have increased, driven in part by climate change and insufficient preventive measures, while the resources available to address them have become more limited. As a result, crisis management has become an increasingly common necessity. However, the methods currently used to analyze and prioritize response parameters are often inadequate, as they fail to capture the uncertainty and complexity inherent in such incidents. Traditional prioritization approaches struggle with the ambiguity of real-world conditions, where variables such as impact, accessibility, and proximity to response centers rarely fall into neat categories but instead fluctuate and overlap. Relying on deterministic rules can therefore lead to inconsistent or suboptimal prioritization, resulting in delays, inefficient resource allocation, and greater social impact. This highlights the need for a systematic decision making -support approach that can model uncertainty and provide reliable, interpretable prioritization outcomes across a range of catastrophic scenarios. The main objective of this research is to develop and evaluate a fuzzy logic system for the prioritization of critical paths in catastrophic scenarios. The specific objectives are: 1.To design a fuzzy system with relevant input variables (Impact, Distance from Response Center, and Traffic Conditions) and a crisp output(Priority Level), a valuable, measurable result that can be directly used for prioritization. 2.To define membership functions and fuzzy rules that reflect realistic emergency management reasoning. 3.To apply the fuzzy system to representative scenarios and analyze its outputs. 4.To compare the fuzzy results against baseline methods. 5.To visualize prioritization outcomes in order to support decision-making.Τα τελευταία χρόνια, η συχνότητα και η ένταση των καταστροφικών γεγονότων έχουν αυξηθεί, γεγονός που οφείλεται εν μέρει στην κλιματική αλλαγή και στα ανεπαρκή προληπτικά μέτρα, ενώ οι διαθέσιμοι πόροι για την αντιμετώπισή τους έχουν περιοριστεί. Ως αποτέλεσμα, η διαχείριση κρίσεων έχει καταστεί ολοένα και πιο συχνή αναγκαιότητα. Ωστόσο, οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται σήμερα για την ανάλυση και την ιεράρχηση των παραμέτρων απόκρισης είναι συχνά ανεπαρκείς, καθώς αποτυγχάνουν να αποτυπώσουν την αβεβαιότητα και την πολυπλοκότητα που χαρακτηρίζουν τέτοια περιστατικά Οι παραδοσιακές προσεγγίσεις ιεράρχησης δυσκολεύονται να αντιμετωπίσουν την ασάφεια των πραγματικών συνθηκών, όπου μεταβλητές όπως ο αντίκτυπος, η προσβασιμότητα και η εγγύτητα στα κέντρα απόκρισης σπάνια εντάσσονται σε σαφείς κατηγορίες, αλλά αντίθετα μεταβάλλονται και αλληλοεπικαλύπτονται. Η εξάρτηση από ντετερμινιστικούς κανόνες μπορεί επομένως να οδηγήσει σε ασυνεπή ή μη βέλτιστη ιεράρχηση, με αποτέλεσμα καθυστερήσεις, αναποτελεσματική κατανομή πόρων και μεγαλύτερο κοινωνικό αντίκτυπο. Το γεγονός αυτό αναδεικνύει την ανάγκη για μια συστηματική προσέγγιση υποστήριξης λήψης αποφάσεων, ικανή να μοντελοποιεί την αβεβαιότητα και να παρέχει αξιόπιστα και ερμηνεύσιμα αποτελέσματα ιεράρχησης σε ένα ευρύ φάσμα καταστροφικών σεναρίων. Ο κύριος στόχος της παρούσας έρευνας είναι η ανάπτυξη και η αξιολόγηση ενός συστήματος ασαφούς λογικής για την ιεράρχηση κρίσιμων διαδρομών σε καταστροφικά σενάρια. Οι επιμέρους στόχοι είναι: Ο σχεδιασμός ενός συστήματος ασαφούς λογικής με κατάλληλες μεταβλητές εισόδου (Αντίκτυπος, Απόσταση από το Κέντρο Απόκρισης και Συνθήκες Κυκλοφορίας) και μια σαφή έξοδο (Επίπεδο Προτεραιότητας), ένα χρήσιμο και μετρήσιμο αποτέλεσμα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα για σκοπούς ιεράρχησης. Ο ορισμός συναρτήσεων συμμετοχής και ασαφών κανόνων που αντικατοπτρίζουν ρεαλιστική λογική διαχείρισης εκτάκτων αναγκών. Η εφαρμογή του συστήματος ασαφούς λογικής σε αντιπροσωπευτικά σενάρια και η ανάλυση των αποτελεσμάτων του. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων της ασαφούς λογικής με βασικές (baseline) μεθόδους. Η οπτικοποίηση των αποτελεσμάτων ιεράρχησης με σκοπό την υποστήριξη της λήψης αποφάσεων.