Die Gesellschaft befindet sich heute in einer Zeit, in der Klimawandel und Cyber-Unsicherheit regelmäßig eine Bedrohung für Leben und Eigentum darstellen. Im Zusammenspiel haben beide das Potenzial, besonders tödlich zu sein.
„Es gibt Hinweise darauf, dass der Klimawandel das Risiko von Überschwemmungen erhöht, und die Verluste aufgrund dieser Überschwemmungen nehmen jedes Jahr zu“, sagt YC Ethan Yang, außerordentlicher Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen (CEE) am PC Rossin College of Engineering der Lehigh University Angewandte Wissenschaft. „Wissenschaftler haben begonnen, über zusammengesetzte Probleme nachzudenken, die Überschwemmungen weiter verschlimmern, etwa wenn auf einen Hurrikan heftige Regenfälle folgen.“
Yang und sein Team, zu dem auch Chung-Yi Lin ’23 Ph.D. gehörte. (jetzt Postdoc an der Virginia Tech) und Farrah Moazeni, Mitglied der Lehigh CEE-Fakultät, waren daran interessiert, diesen Doppelschlag zu untersuchen und insbesondere, „was passiert, wenn eine Naturkatastrophe und eine von Menschen verursachte Katastrophe gleichzeitig passieren“.
In ihrem Fall handelte es sich bei der vom Menschen verursachten Katastrophe um einen Cyberangriff. Das Ergebnis ihrer Studie: „Hochwasserrisiken durch cyber-physische Angriffe in einem intelligenten Regenwassersystem,“ wurde kürzlich veröffentlicht in Wasserressourcenforschung.
Die Forscher wollten verstehen, wie anfällig ein intelligentes Regenwassersystem für einen Cyberangriff sein könnte, wenn dasselbe System gleichzeitig mit sturmbedingten Überschwemmungen zu kämpfen hat.
„Die Idee der Smart City ist großartig, aber sie öffnet Hackern Tür und Tor“, sagt Yang. „Wir wollten wissen, in welchem Überschwemmungsszenario ein Hacker den größten Schaden anrichten könnte.“
Yang und sein Team nutzten historische Daten aus dem Regenwassermanagementsystem in Bethlehem Township, Pennsylvania, um ein hydrologisches Modell zur Simulation von Überschwemmungen zu erstellen. Sie entwickelten außerdem ein Angriffsmodell, das nachahmte, wie ein Hacker in das System eingreifen könnte, indem er beispielsweise Tore öffnet oder schließt, die den Wasserstand in Rückhaltebecken kontrollieren.
Sie kombinierten die Daten mit den Modellen, um Simulationen unter verschiedenen Auswirkungsszenarien des Klimawandels durchzuführen (z. B. die Auswirkungen zunehmend höherer globaler Durchschnittstemperaturen), um die Bedingungen zu bewerten, unter denen ein Hacker den größten Einfluss auf ein Regenwassersystem haben und dadurch die Auswirkungen einer Gemeinde erhöhen könnte Hochwasserrisiko.
„Wir haben herausgefunden, dass ein Hacker das Risiko nicht erhöhen wird, wenn ein Überschwemmungsereignis groß genug ist, beispielsweise bei einem Hurrikan der Kategorie 5, da das System ohnehin überschwemmt wird“, sagt Yang.
„Der anfälligste Zustand ist jedoch bei Überschwemmungen geringer bis mittlerer Höhe. Das System sollte in der Lage sein, solche Ereignisse zu bewältigen. Aber wenn jemand absichtlich ein Tor zur falschen Zeit öffnet, wird das System überlastet und eine Überschwemmung verursacht.“ stromabwärts. Wir konnten dieses zusätzliche Überschwemmungsrisiko durch einen Cyberangriff quantifizieren und durch Visualisierungen darstellen.“
Die Ergebnisse haben bereits den Anstoß für zwei weitere Projekte gegeben: Das eine wird untersuchen, wie solche Störungen verhindert werden können, und das zweite wird die Kaskadeneffekte innerhalb einer überschwemmten Gemeinde untersuchen, insbesondere wie verschiedene Gruppen von Menschen betroffen sind.
„Wir wissen, dass wohlhabende Menschen in absoluten Zahlen tendenziell größere Verluste erleiden“, sagt er. „Aber sozial schwache Gruppen erleiden tendenziell einen größeren Prozentsatz des Gesamtschadens.“
Yang hofft, dass der mathematische Rahmen, den er und sein Team für dieses Projekt entwickelt haben, von anderen Gemeinden im ganzen Land und auf der ganzen Welt übernommen wird.
„Wir haben ein Verfahren entwickelt, mit dem nun jede Kommune die Schwachstellen in ihren Regenwassersystemen identifizieren kann“, sagt er. „Solange man die Daten hat, ist die Methode universell.“
Mehr Informationen:
Chung-Yi Lin et al., Flood Risks of Cyber-Physical Attacks in a Smart Storm Water System, Wasserressourcenforschung (2024). DOI: 10.1029/2023WR034827