Samhället befinner sig nu i en tid då klimatförändringar och cyberosäkerhet är regelbundna hot mot liv och egendom. Samtidigt har de två potentialen att vara särskilt dödliga.
"Det finns bevis för att klimatförändringar ökar risken för översvämningar, och förlusterna på grund av dessa översvämningar ökar för varje år", säger Y.C. Ethan Yang, docent i civil- och miljöteknik (CEE) vid Lehigh Universitys P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science. "Forskare har börjat tänka på sammansatta problem som ytterligare förvärrar översvämningar, som när en orkan följs av kraftiga regn."
Yang och hans team, som inkluderade Chung-Yi Lin '23 Ph.D. (nu postdoc vid Virginia Tech) och kollegan Lehigh CEE-fakultetsmedlem Farrah Moazeni, var intresserade av att studera den där en-två-stöten, och särskilt, "vad som händer när en naturkatastrof och en mänsklig katastrof inträffar samtidigt."
I deras fall var den konstgjorda katastrofen en cyberattack. Resultatet av deras studie, "Flood Risks of Cyber-Physical Attacks in a Smart Storm Water System", publicerades nyligen i Water Resources Research .
Forskarna ville förstå hur sårbart ett smart dagvattensystem kan vara för en cyberattack när samma system samtidigt hanterade storminducerade översvämningar.
"Idén med den smarta staden är fantastisk, men den öppnar dörren för hackare", säger Yang. "Vi ville veta i vilket översvämningsscenario en hackare kan orsaka mest skada."
Yang och hans team använde historiska data från dagvattenhanteringssystemet i Bethlehem Township, Pennsylvania, för att bygga en hydrologisk modell för att simulera översvämningar. De utvecklade också en attackmodell som efterliknade hur en hackare kan störa systemet, till exempel genom att öppna eller stänga grindar som kontrollerar vattennivåerna i retentionsdammar.
De kombinerade data med modellerna för att köra simuleringar under olika scenarier för klimatförändringspåverkan (t.ex. effekten av allt högre genomsnittliga globala temperaturer) för att utvärdera de förhållanden under vilka en hacker kan ha störst inverkan på ett dagvattensystem, och därigenom öka ett samhälles översvämningsrisk.
"Vi upptäckte att om en översvämningshändelse är tillräckligt stor, säg att det finns en kategori 5-orkan, kommer en hackare inte att öka risken, eftersom systemet kommer att översvämmas ändå", säger Yang.
"Det mest sårbara tillståndet är dock under översvämningshändelser på låg till medelnivå. Systemet borde kunna hantera dessa händelser. Men om någon avsiktligt öppnar en grind vid fel tidpunkt kommer det att överväldiga systemet och orsaka en översvämning nedströms kunde vi kvantifiera och visa denna ytterligare översvämningsrisk orsakad av en cyberattack."
Resultaten har redan föranlett två ytterligare projekt:Det ena kommer att undersöka hur man kan förhindra sådan störning, och det andra kommer att undersöka de kaskadeffekter som finns inom ett översvämmat samhälle, särskilt hur olika grupper av människor påverkas.
"Vi vet att välbärgade människor tenderar att lida större förluster i termer av absoluta tal", säger han. "Men socialt utsatta grupper tenderar att drabbas av en större andel av den totala förlusten."
Yang hoppas att det matematiska ramverket han och hans team utvecklat för detta projekt kommer att antas av andra samhällen över hela landet och runt om i världen.
"Vi utvecklade en procedur som nu kan tillåta vilken kommun som helst att identifiera sårbarheterna i sina dagvattensystem", säger han. "Så länge du har data är metoden universell."
Mer information: Chung‐Yi Lin et al, Översvämningsrisker för cyberfysiska attacker i ett smart dagvattensystem, Water Resources Research (2024). DOI:10.1029/2023WR034827
Journalinformation: Vattenresursforskning
Tillhandahålls av Lehigh University
