Spojení otevřeného softwaru, superpočítačového výkonu a modelování propojených energetických a komunikačních sítí představuje důležitý krok vpřed v analýze spolehlivosti kritické infrastruktury.
Vědci z IT4Innovations při VŠB – Technické univerzitě Ostrava spolu s partnery vyvinuli systém pro přesnější analýzu rizik výpadků elektrických a komunikačních sítí v České republice. Díky softwaru s otevřeným zdrojovým kódem a superpočítačům Barbora a Karolina dokážou rychle simulovat dlouhodobý provoz sítí, odhalit kritická místa a plánovat údržbu tak, aby se snížilo riziko rozsáhlých výpadků.
Propojené energetické a komunikační sítě jsou páteří moderní společnosti. Jejich selhání může vést nejen k výpadkům elektřiny a internetu, ale také k finančním ztrátám a ohrožení bezpečnosti obyvatel. Dosavadní přístupy se opíraly o komerční nástroje, které omezují transparentnost a možnost dalšího rozvoje. Nová metodika českých vědců přináší otevřené, reprodukovatelné a škálovatelné řešení, které umožňuje detailně simulovat chování jednotlivých prvků i celé infrastruktury v reálném čase.
Metodika využívá rozšiřující moduly (balíčky) programovacího jazyka R s otevřeným zdrojovým kódem. Konkrétně modul FaultTree slouží k přehledné vizualizaci struktury sítě a základnímu odhadu pravděpodobností poruch. Klíčovou roli pak hraje inovativní využití balíčku Ftaproxim, který sleduje stav jednotlivých prvků – jejich stárnutí, poruchy i opravy – a systematicky vyhodnocuje všechny možné scénáře výpadků. Vědci ověřovali výkon a přesnost metody na superpočítači Barbora, kde testovali různé výpočetní scénáře a ladili parametry algoritmu. Výsledky porovnali s řešením implementovaným v komerčním softwaru MATLAB.„Ftaproxim využívá takzvanou proxelovou simulaci, která sleduje všechny možné změny stavu systému v diskrétních časových krocích. Každý prvek je popsán dvěma pravděpodobnostními modely, které popisují dobu, než dojde k poruše, a délku opravy prvku. Díky tomu dokážeme určit, které části infrastruktury nejvíce ovlivňují spolehlivost systému, a zaměřit na ně preventivní opatření,“ vysvětluje Michal Běloch z IT4Innovations.
Simulace dlouhodobého provozu sítí ukázaly, že při vhodném nastavení výpočetních parametrů lze výrazně zkrátit dobu výpočtů při zachování přesnosti srovnatelné s komerčními nástroji. „Správnou kombinací parametrů umíme výrazně urychlit simulace a zároveň zachovat vysokou přesnost výsledků. Výpočty, které by běžně trvaly několik dní, se nám podařilo zkrátit na několik hodin, či dokonce minut, přičemž odchylka oproti komerčním nástrojům zůstala minimální. Spojení otevřeného softwaru, superpočítačového výkonu a modelování propojených energetických a komunikačních sítí tak představuje důležitý krok vpřed v analýze spolehlivosti kritické infrastruktury,“ vysvětluje Pavel Praks z IT4Innovations. Model umožňuje rychlejší testování různých poruchových scénářů a efektivnější plánování provozu kritické infrastruktury.
Výzkumný tým ve složení autorů z IT4Innovations, Fakulty elektrotechniky a informatiky VŠB – Technické univerzity Ostrava a Vysokého učení technického v Brně zároveň připravil výpočetní kód vhodný pro superpočítače Karolina a Barbora. Tento kód umožňuje provádět rozsáhlejší simulace a systematické testy celé řady scénářů.
Vědci z výše uvedených institucí již vyvinuli také systém pro optimalizaci preventivní údržby propojených energetických a komunikačních sítí. Na rozdíl od běžného přístupu, kdy se čeká na poruchu, dokáže tento přístup navrhnout, které komponenty a kdy servisovat, aby se minimalizovaly výpadky a současně snížily náklady.„S pomocí pokročilých matematických modelů a časově závislých simulací zohledňujeme stárnutí zařízení, dobu opravy a pravděpodobnost selhání jednotlivých prvků. Díky tomu lze nejen sledovat rizika, ale také aktivně plánovat provoz i zásahy do infrastruktury tak, aby sítě zůstaly spolehlivé i při dlouhodobém provozu doprovázeném poruchami,“ dodává Daniel Krpelík z IT4Innovations
Tento přístup umožňuje testovat různé scénáře poruch a údržby, hledat optimální strategie a efektivně kombinovat spolehlivost s hospodárností – což je zásadní pro moderní propojené sítě, kde selhání jednoho prvku může ovlivnit chod celé infrastruktury.
Odborné články
Evaluating the unavailability of interconnected power and communication networks with open-source tools on a petascale cluster
https://doi.org/10.1177/01445987251377791
Multi-objective optimization of smart grid operations via preventive maintenance scheduling using time-dependent unavailability
https://doi.org/10.1016/j.ress.2025.111567
