Análisis de la fiabilidad de un sistema de telecontrol frente a fallos accidentales o provocados. Aplicación al sistema de abastecimiento de C-Town

Abstract

Understanding, analyzing and improving processes related to urban supplies has become one of the main objectives of most countries worldwide. One of the main interests of these is the good use of the resource that is increasingly scarce, as well as protection of infrastructure and good control of subscribers' consumption. The use of telemetry and remote control of the networks facilitates the operation of the same, giving effective responses to changes in operating circumstances. Today, and especially as a result of the resurgence of certain terrorist groups of a global character, the concern for security against attacks has grown. One of the many measures taken to this end was the adoption of various regulations that establish measures for the protection of critical infrastructures. All these regulations agree to include hydraulic infrastructures (both drinking water and waste water) in the catalog of critical infrastructure. Among the many vulnerabilities that can be found in water distribution networks, telecontrol systems have the added risk of suffering not only physical failures but also cyber attacks. Therefore, any strategy that allows establishing a system of control of the quality of the received signals supposes an important contribution to the problem. This work tries to establish a strategy of control of the signals received by the telecontrol system so that before a fortuitous or intentional failure, it is detected and corrected in time. In the case of the C-Town network, it is essential to obtain an analysis that allows to know the real state of the system, due to the fact that in the last years it was possible to implement a novel technology for the collection of data at a distance through the process that they carry Out the respective field sensors and the actuator remote control. However, after this technology was introduced, anomalous tank levels began to be detected, for example, overflowing in some of the tanks unexpectedly while the water level readings were always below the alarm thresholds and The pumping maneuvers also appeared to be normal. That is why this project seeks to provide protection to the C-TOWN supply network, thus creating an environment of certainty regarding the behavior of the system that depends largely on the measures taken by the corresponding apparatus, in this case it has An hourly register of some variables, which will be used to create a model that can detect inconsistencies in critical points of the network, whether accidental or provoked. The network provides a set of pre-fault telemetry data, ie the above values without any manipulation, failure or accident in a period of 1 year. These data describe a normal behavior of the system and therefore are the ones that will be used to create the detection model. In addition, anomalous data are provided where values are incorrectly recorded for a period of time equal to the previous one. Precisely the comparison of the behavior of these data sets will result in a methodology for the detection of anomalies in the data provided by telemeasurement, so that we will be able to determine true behavioral ranges of the hydraulic elements and also non-unusual behavior Of the same that warn about a possible failure. To carry out this proposal will be necessary to build a mathematical model where it is possible to enter the data recorded and it can determine if they are correct or not, it will also be necessary to estimate the demands and therefore the patterns of consumption in each period of time, due to That the network lacks billing data therefore it is imperative to know what the true supply is at the respective time. On the other hand, it will be necessary to make quality tests of the measurements obtained in the network to be sure that the information supplied is correct and that can be processed as a basis for the real understanding of the system. This leads us to propose not only tests of the true data, but also to evaluate the

La comprensión, el análisis y el mejoramiento de los procesos relacionados con los abastecimientos urbanos se ha convertido en uno de los principales objetivos de la mayoría de países a nivel mundial. Uno de los principales intereses de estos mismos radica en el buen aprovechamiento del recurso que cada vez es más escaso, así como la protección de la infraestructura y un buen control del consumo de los abonados. El empleo de la telemedida y el telecontrol de las redes facilita la operación de las mismas, dando respuestas eficaces a cambios en las circunstancias de funcionamiento. Hoy en día y sobre todo a raíz del resurgimiento de determinados grupos terroristas de carácter global ha crecido la preocupación por la seguridad frente a ataques. Una de las muchas medidas tomadas a tal efecto fue la aprobación de diversas normativas en las que se establecen medidas para la protección de las infraestructuras críticas. Todas estas normativas coinciden en incluir las infraestructuras hidráulicas (tanto de agua potable como de aguas residuales) en el catálogo de infraestructuras críticas. De entre los muchos puntos vulnerables que se pueden encontrar en las redes de distribución de agua, los sistemas de telecontrol tienen como riesgo añadido la posibilidad de sufrir no solo fallos físicos, sino también ataques cibernéticos. Por todo ello, cualquier estrategia que permita establecer un sistema de control de la calidad de las señales recibidas supone una importante aportación al problema. Este trabajo pretende establecer una estrategia de control de las señales recibidas por el sistema de telecontrol de forma que ante un fallo fortuito o intencionado, éste sea detectado y corregido a tiempo. En el caso de la red C-Town, es imprescindible obtener un análisis que permita conocer el estado real del sistema, debido a que en los últimos años se logró implementar una tecnología novedosa para la recogida de datos a distancia a través del proceso que llevan a cabo los sensores de campos respectivos y el control remoto de actuadores. Sin embargo, después de que esta tecnología fuese introducida se empezó a detectar niveles anómalos en los tanques, por ejemplo, rebosamiento en algunos de los tanques de forma inesperada mientras que las lecturas del nivel de agua siempre estuvieron por debajo de los umbrales de alarma y las maniobras de bombeo también parecían ser normales. Es por eso que este proyecto busca brindar protección a la red de abastecimiento C- TOWN, creando así un entorno de certidumbre en cuanto al comportamiento del sistema que depende en gran parte de las medidas tomadas por los aparatos correspondientes, en este caso se cuenta con un registro hora a hora de algunas variables, las cuales se usaran para crear un modelo que pueda detectar inconsistencias en puntos críticos de la red, ya sean de carácter accidental o provocados. La red proporciona un conjunto de datos de telemedida previos a las averías, es decir, los valores antes mencionados sin ningún tipo de manipulación, fallo o accidente en un periodo de 1 año. Estos datos describen un comportamiento normal del sistema y por ende son los que se usarán para la creación del modelo de detección. Además se proporcionan datos anómalos donde se registran de una manera incorrecta valores durante un periodo de tiempo igual al anterior. Precisamente la comparación del comportamiento de estos conjuntos de datos dará como resultado una metodología para la detección de anomalías en los datos proporcionados por la tele medida, por lo cual seremos capaces de determinar rangos de comportamiento verdaderos de los elementos hidráulicos y así mismos comportamientos no inusuales de los mismos que alerten sobre un posible fallo. Para llevar a cabo esta propuesta será necesario construir un modelo matemático donde sea posible ingresar los datos registrados y este pueda determinar si son correctos o no, también será necesario es

[CA] La comprensió, l'anàlisi i el millorament dels processos relacionats amb els abastiments urbans s'ha convertit en un dels principals objectius de la majoria de països a nivell mundial. Un dels principals interessos d'estos mateixos radica en el bon aprofitament del recurs que cada vegada és més escàs, així com la protecció de la infraestructura i un bon control del consum dels abonats. L'ocupació de la telemedida i el telecontrol de les xarxes facilita l'operació de les mateixes, donant respostes eficaces a canvis en les circumstàncies de funcionament. Hui en dia i sobretot arran del ressorgiment de determinats grups terroristes de caràcter global ha crescut la preocupació per la seguretat enfront d'atacs. Una de les moltes mesures preses a este efecte va ser l'aprovació de diverses normatives en què s'establixen mesures per a la protecció de les infraestructures crítiques. Totes estes normatives coincidixen a incloure les infraestructures hidràuliques (tant d'aigua potable com d'aigües residuals) en el catàleg d'infraestructures crítiques. D'entre els molts punts vulnerables que es poden trobar en les xarxes de distribució d'aigua, els sistemes de telecontrol tenen com a risc afegit la possibilitat de patir no sols fallades físiques, sinó també atacs cibernètics. Per tot això, qualsevol estratègia que permeta establir un sistema de control de la qualitat dels senyals rebudes suposa una important aportació al problema. Este treball pretén establir una estratègia de control dels senyals rebudes pel sistema de telecontrol de manera que davant d'una fallada fortuïta o intencionat, este siga detectat i corregit a temps. En el cas de la xarxa C-Town, és imprescindible obtindre una anàlisi que permeta conéixer l'estat real del sistema, pel fet que en els últims anys es va aconseguir implementar una tecnologia nova per a l'arreplega de dades a distància a través del procés que duen a terme els sensors de camps respectius i el control remot d'actuadors. No obstant això, després que esta tecnologia fóra introduïda es va començar a detectar nivells anòmals en els tancs, per exemple, rebosamiento en alguns dels tancs de forma inesperada mentres que les lectures del nivell d'aigua sempre van estar per davall dels llindars d'alarma i les maniobres de bombament també pareixien ser normals. És per això que este projecte busca brindar protecció a la xarxa d'abastiment C- TOWN, creant així un entorn de certesa quant al comportament del sistema que depén en gran part de les mesures preses pels aparells corresponents, en este cas es compta amb un registre hora a hora d'algunes variables, les quals s'usaren per a crear un model que puga detectar inconsistències en punts crítics de la xarxa, ja siguen de caràcter accidental o provocats. La xarxa proporciona un conjunt de dades de telemedida previs a les avaries, és a dir, els valors abans mencionats sense cap tipus de manipulació, fallada o accident en un período d'1 any. Estes dades descriuen un comportament normal del sistema i per tant són els que s'usaran per a la creació del model de detecció. A més es proporcionen dades anòmales on es registren d'una manera incorrecta valors durant un període de temps igual a l'anterior. Precisament la comparació del comportament d'estos conjunts de dades donarà com resultat una metodologia per a la detecció d'anomalies en les dades proporcionats per la tele mesura, per la qual cosa serem capaços de determinar rangs de comportament verdaders dels elements hidràulics i així mateixos comportaments no inusuals dels mateixos que alerten sobre una possible fallada. Per a dur a terme esta proposta serà necessari construir un model matemàtic on siga possible ingressar les dades registrats i este puga determinar si són correctes o no, també serà necessari estimar les demandes i per tant els patrons de consums en cada període de temps, pel fet que la xarxa no té dades de facturació per tant és imprescindible saber quin és el subministrament verdader en l'instant respectiu. D'altra banda, serà necessari fer proves de qualitat dels mesuraments obtingudes en la xarxa per a estar segurs que la informació subministrada és correcta i que pot ser processada com a fonament de la comprensió real del sistema. Açò ens porta així mateix a plantejar no sols proves de les dades verdaderes, sinó que posteriorment a açò, avaluar el conjunt de dades que conté fallades coneguts o provocats pel fet que es plantejara entorns de fallades simulats, usant el programa EPANET. Finalment, s'arreplegarà i s'avaluarà la informació obtinguda a través d'una matriu de confusió, la qual conté una taula d'operació binària de doble entrada. Es contrastarà d'una banda la resposta del sistema de detecció (situació segura o situació anòmala) amb el funcionament efectiu del sistema de telecontrol. Si ambdós respostes coincidixen es tindran encerts (positiu si hi ha fallada i negatiu si no n'hi ha). En el cas que hi haja discrepàncies entre la predicció del sistema de detecció i el funcionament de la xarxa es tindrà una fallada del sistema (fals positiu si el sistema avisa i no hi ha fallada o fals negatiu si hi ha fallada i no ha sigut avisat). Estes discrepàncies serviran per a mesurar la fiabilitat del sistema de detecció. Les columnes de la matriu representen les instàncies d'una classe real mentres que les files representen les instàncies d'una classe predita. Esta matriu donarà com resultat al seu torn dos estats del sistema, estat de FALLADA O SEGUR, la qual cosa garantirà claredat sobre el comportament del sistema quan es presente qualsevol tipus d'anomalia descrites anteriorment.