Este capítulo contextualiza o problema da avaliação do desempenho em redes de infraestrutura, descrevendo os fatores motivadores para seu estudo, a definição dos objetivos desejados, e um sumário dos resultados obtidos.

Este capítulo apresenta definições e exemplos de redes de infraestrutura, representativas de sistemas sócio-técnicos e econômicos que atendem várias necessidades modernas. O termo serviço será utilizado para designar genericamente as necessidades sociais, econômicas, comerciais e industriais atendidas por estas redes, independentes de sua tecnologia e do produto transportado. Para validar os conceitos e métodos utilizados, um modelo simplificado será utilizado, de forma recorrente, nos capítulos restantes. Com as necessárias interpretações, este modelo representará estruturalmente qualquer rede de serviço, particular de um empreendimento ou parte de um serviço público, e permitirá a exemplificação dos cálculos necessários, utilizando a implementação computacional em MatLab® do Apêndice A. Permitirá também a reprodução e confirmação dos cálculos apresentados em todas as etapas da pesquisa, e a simulação de novos casos. O Apêndice B detalha a codificação e o caso base de carregamento e fluxo de serviço na rede que será utilizado nos exemplos a seguir.

Para contextualizar estes aspectos, o presente capítulo realiza uma revisão histórica e bibliográfica das técnicas e métricas utilizadas para avaliação de redes de infraestrutura, sob quatro perspectivas:

1. Avaliação de Desempenho – formas alternativas como o desempenho destas redes tem sido avaliado, e as diferentes metodologias e modelos utilizados.

2. Avaliação de Riscos – definições e métodos usuais para conceituação e avaliação do impacto de eventos imprevistos sobre a rede e seus clientes e agentes.

3. Modelagem Estocástica – técnicas e métodos utilizados para modelar os eventos aleatórios, combinados ou não com eventos determinísticos, sobre o comportamento individual e coletivo de equipamentos utilizados nas redes de infraestrutura.

4. Modelagem Topológica – modelos estruturais e dinâmicos utilizados para representar o funcionamento dos equipamentos quando conectados em rede.

 Nesta revisão as referências bibliográficas foram selecionadas em função de sua relação com a metodologia proposta nesta pesquisa.

Após uma revisão dos interesses envolvidos e conceitos necessários sobre o tema, este capítulo apresenta as definições de aspectos de desempenho e risco que serão adotados no restante do livro, bem como a metodologia que será seguida em sua avaliação.

Com base nos diversos modelos existentes, e nos objetivos pretendidos, esta parte da pesquisa foi desenvolvida em quatro etapas, assim denominadas:

1. Introdução à Modelagem de Componentes;

2. Modelos Estocásticos;

3. Modelos de Componentes;

4. Análise e Parametrização;

Dentro dos objetivos desta pesquisa, este capítulo fará um resumo da Teoria dos Grafos, Árvores de Falha, Processos Markovianos, Redes de Petri e Bayesianas, limitando-se àquelas com número finito ou enumerável de estados, com transições discretas ou contínuas no tempo, transições com disparo estocástico ou determinístico, e causalidades determinísticas ou probabilísticas. No primeiro caso, costumam ser chamadas de Cadeias de Markov. No segundo caso são denominadas de Redes de Petri Estocásticas Generalizadas. No terceiro caso são conhecidas como Redes Bayesianas. Nestes subconjuntos, a revisão se deterá apenas nos conceitos e definições necessários aos objetivos da pesquisa.

Para pesquisar estes sistemas, este capítulo utiliza modelos dos componentes de redes industriais e sistemas de automação, desenvolvidos segundo a Teoria Markoviana e as Redes de Petri Estocásticas descritas no capítulo anterior. Modelos genéricos serão definidos para representar equipamentos primários e sistemas de proteção para qualquer setor de infraestrutura. Estes modelos serão utilizados no restante da pesquisa, para investigar o comportamento conjunto interligado, sob a influência de fatores internos e externos ao sistema pesquisado

Este capítulo identifica os dados operacionais necessários para parametrizar os modelos de simulação de componentes primários e secundários de redes de infraestrutura e processos industriais. Serão identificadas as métricas típicas de cada componente para inclusão em uma representação uniforme do comportamento da rede. Os modelos serão mensurados pelas seguintes estatísticas ou médias amostrais:

1. Frequência Própria de Saída Forçada;

2. Frequência Própria de Saída Programada;

3. Duração Própria de Saída Forçada;

4. Duração Própria de Saída Programada;

5. Duração Própria de Reconexão;

6. Carga e Geração Própria Conectada;

7. Confiabilidade Própria da Proteção; e

8. Vulnerabilidade Própria da Proteção.

Esta parte da pesquisa tem como objetivo desenvolver modelos estruturados de avaliação probabilística de desempenho e risco de grandes acidentes em processos industriais. Os modelos utilizados são orientados para a definição e estimação de indicadores associados a estes aspectos em redes de infraestrutura críticas.

Este capítulo desenvolve modelos de redes industriais e sistemas de automação, utilizando árvores de falha e grafos topológicos, adequados ao estudo do risco de grandes acidentes em processos industriais. A complexidade destas árvores desafia a capacidade dos métodos tradicionais de análise de risco, pela dimensão e diversidade de relações entre os componentes.

Neste capítulo, as seguintes modelos serão utilizados para representar as dependências funcionais da rede:

1. Modelos de Adjacência e Alcançabilidade Forçadas;

2. Modelos de Adjacência e Alcançabilidade Programadas;

3. Modelos de Adjacência e Vulnerabilidade Protetivas;

4. Modelos de Simultaneidade Forçada e Alcançabilidade Simultânea;

5. Modelos de Alcançabilidade Restrita e Probabilística; e

6. Modelos Equivalentes Topológicos.

Este capítulo inicia a quarta e última etapa da pesquisa com a definição e cálculo de indicadores de desempenho e riscos de sistemas industriais básicos em geral, quando submetidos a falhas em componentes ligados em rede. Além dos indicadores, objetivos gerais desta etapa, serão avaliadas as fontes de informação, metodologias e ferramentas disponíveis para análise de desempenho e risco em sistemas de infraestruturas críticas.

Este capítulo utiliza os modelos de simulação de equipamentos e redes pesquisados nos capítulos anteriores, para estimação de métricas de desempenho afetadas pela propagação de falhas ou intervenções programadas, em qualquer ponto da rede, ou em um subconjunto de elementos ou subrede. A título de exemplo os cálculos são realizados com o programa computacional descrito no Apêndice A, e os dados da rede de infraestrutura da Figura 3 constantes no Apêndice B, ambos codificados em MatLab®. As seguintes métricas serão definidas e avaliadas:

• Frequência e Duração de Interrupções;

• Responsabilidades por Interrupções;

• Continuidade em Pontos de Controle;

• Lucros e Receitas Cessantes;

• Serviços não Consumidos ou Fornecidos;

• Probabilidade e Esperança de Interrupções de Consumo ou Fornecimento;

• Responsabilidade por Serviços Interrompidos;

• Frequência e Probabilidade do Risco;

• Fatores de Risco Marginais;

• Robustez e Severidade;

• Resiliência e Inoperabilidade;

• Eficiência dos Equipamentos e da Rede;

• Disponibilidade e Qualidade dos Equipamentos; e

• Eficiência Global dos Equipamentos.

Este capítulo exemplifica a aplicação destes modelos a uma instalação elétrica real, de extra-alta tensão. Serão identificados os dados necessários para parametrizar os modelos, e avaliadas as métricas de risco para cada componente, com informações reais sobre sua operação. O modelo hierarquizará os pontos de risco da instalação, identificando os componentes mais sujeitos a danos permanentes, propondo uma prioridade para melhoria nos sistemas de proteção e na rede de elementos primários.

Este capítulo final resume os principais resultados alcançados, as aplicações demonstradas e possíveis, as limitações e generalizações das técnicas estudadas, e sugestões de pesquisas adicionais sobre os métodos propostos. Os apêndices documentam o programa MatLab® desenvolvido, e a codificação do caso utilizado como exemplo