TIIVISTELMÄRAPORTTI YHTEISKUNNAN KRIITTISEN INFRAN SUOJAAMINEN CASE PIRKANMAAN LOGISTIIKKAJÄRJESTELMÄ

2012/MAT830 ISSN 1797-3457 (verkkojulkaisu) ISBN (PDF) 978-951-25-2424-2 TIIVISTELMÄRAPORTTI YHTEISKUNNAN KRIITTISEN INFRAN SUOJAAMINEN CASE PIRKANMAAN LOGISTIIKKAJÄRJESTELMÄ Kirsi Virrantaus, Aalto yliopisto kirsi.virrantaus@aalto.fi Mika Hyytiäinen, MPKK mika.hyytiainen@mil.fi Hannes Seppänen, Aalto yliopisto Markus Pöllänen, Tampereen teknillinen yliopisto Zhe Zhang, Aalto yliopisto Yhteiskunnan kriittisen infrastruktuurin keskinäisriippuvuutta tutkitaan usein loogisen riippuvuuden näkökulmasta, eli miten niiden toiminnallisuudet ovat kytkeytyneet toisiinsa suorasti tai epäsuorasti. Johtuen mm. maapolitiikasta verkostomuotoiset infrastruktuuri ovat usein rakennettu kulkemaan rinnakkain tieverkon kanssa. Tutkimalla verkkojen rakenteellista haavoittuvuutta ja niiden fyysistä keskinäisriippuvuutta voidaan niiden sietokykyä parantaa tästä näkökulmasta. Tutkimuksessa suoritettiin tapaustutkimus Pirkanmaan alueella, jonka pohjalta ehdotetaan analyysimenetelmää kriittisen infrastruktuurin haavoittuvuuden tutkimiseen. Analyysia voidaan käyttää suunnittelun, suojaamisen sekä varautumisen työkaluna ja sen avulla voidaan saavuttaa sietokykyisempi kriittinen infrastruktuuri. 1. Johdanto Yhteiskunnan kriittisen infrastruktuurin keskinäisriippuvuus on noussut yhdeksi keskeisistä turvallisuuden teemoiksi viimevuosina. Yhteiskunnan turvallisuusstrategiassa YTS2010 on uhkamalleissa huomioitu keskeisinä mm. voimahuoltoon, tietoliikenteeseen, logistiikkaan sekä yhdyskuntatekniikkaan liittyvät häiriöt. Varsinkin näiden loogisia keskinäisriippuvuuksia on tutkittu (esimerkiksi Pitkä sähkökatko ja yhteiskunnan elintärkeiden toimintojen turvaaminen 2009 sekä Yhteiskunnan huoltovarmuuden kannalta keskeisten toimintojen riskiarviointi 2005). Häiriö sähköverkossa voi esimerkiksi lamaannuttaa suuren osan myös muista verkoista sekä palveluista seurausvaikutusten kautta. Verkkojen fyysinen riippuvuus on puolestaan asia, joka jää helposti pienemmälle huomiolle. Kaavoitus ja maapolitiikka ohjaa vahvasti fyysisten verkkojen rakentamista ja sijoittamista. Pirstaloituneen maanomistuksen johdosta on verkot usein helpompi sijoittaa lähelle toisiaan, jolloin sopimuksia sekä kalliita maatöitä ei tarvitse tehdä moneen kertaan. Varsinkin tieverkko vetää puoleensa muita verkkoja. Sijoitettaessa useat yhteiskunnan toiminnan kannalta keskeiset verkot lähekkäin, voidaan niiden fyysistä riippuvuutta ja haavoittuvuutta lisätä tahattomasti suoraan sekä välillisesti. Pahimmassa tapauksessa verkkojen haavoittuvat kohdat sijoittuvat samaan paikkaan, jolloin vaikuttamalla yhteen kohteeseen voidaan saada aikaan suuret seurausvaikutukset. 2. Tutkimuksen tavoite ja suunnitelma Tutkimuksen tavoitteena oli kuvata analyysiprosessi yhteiskunnan kriittisen infran suojaamiseksi tunnistamalla sen haavoittuvuuksia paikkatietomenetelmien avulla. Verkoston haavoittuvuutta tarkastellaan tässä etenkin fyysisen eristäytyvyyden näkökulmasta, eli löytyykö verkosta sellaisia osia, joita katkaisemalla voidaan eristää sen osia. Tämän lisäksi tavoitteena on selvittää miten verkkojen haavoittuvuuden alueellista kasautumista eli ns. yhdistettyä haavoittuvuutta voitaisiin tutkia. Postiosoite MATINE Puolustusministeriö PL 31 00131 HELSINKI Sähköposti matine@defmin.fi Käyntiosoite Puhelinvaihde Eteläinen Makasiinikatu 8 00130 HELSINKI (09) 16001 WWW-sivut Y-tunnus www.defmin.fi/matine FI01460105 Pääsihteeri (09) 160 88310 OVT-tunnus/verkkolaskuosoite Itellan operaattorivälittäjätunnus Suunnittelusihteeri Toimistosihteeri (09) 160 88314 050 5555 837 Faksi kirjaamo (09) 160 88244 Verkkolaskuoperaattori Yhteyshenkilö/Itella 003701460105 003710948874 Itella Information Oy helpdesk@itella.net

Tutkimus jakaantuu kahteen osaan: ensinnäkin miten verkkoa hyödynnetään eli mitkä ovat sen toiminnallisuudet, ja toisaalta miten verkon rakenne vaikuttaa sen toimintaan rakenteellisen haavoittuvuuden kautta. Tutkimuksen ensimmäinen osuus suoritettiin Tampereen teknillisessä yliopistossa, jossa on tutkittu logistiikan huoltovarmuutta ja kuljetusjärjestelmän toimintaedellytyksiä normaali- ja poikkeusolosuhteissa. Toiminnallisen analyysin tavoitteena on kuvata miten verkkoa hyödynnetään, jotta sen toiminnallisuudet ja haavoittuvuus ymmärretään paremmin. Myös haavoittuvuuden merkityksellisyys ja mahdolliset seurausvaikutukset voidaan hahmottaa paremmin toiminnallisen analyysin kautta. Tutkimuksen toinen osuus suoritettiin Aalto-yliopiston Maankäyttötieteiden laitoksella, jossa on vuosia tutkittu ja kehitetty kriisitilanteisiin ja varautumiseen tarkoitettuja paikkatietomenetelmiä. Toisessa osuudessa tutkitaan aineistojen laadun vaikutusta analyysiin sekä verkon rakenteellisen haavoittuvuuden analysointia verkkopohjaisilla menetelmillä. Tutkimus on tapaustutkimus, jossa koealueena toimii Pirkanmaa. Tutkimuksessa selvitetään kuinka hyvin kehitettyjen kriisitilanteiden hallinnan kvantitatiivisten menetelmien tietotarpeet pystytään täyttämään käytännön tilanteessa. Tutkimuksesta saatava tulos on merkityksellinen kriisitilanteisiin varautumisen kannalta sekä jatkotutkimuksen suuntaamisessa. 3. Aineisto ja menetelmät Tämän projektin puitteissa tehtiin esimerkkianalyysi Pirkanmaan ja erityisesti Tampereen tieverkolle. Menetelmä on laajennettavissa muihin verkostoihin, mutta vaatii niiden ominaisuuksien tarkempaa tuntemista. Tässä pääpaino oli menetelmien testaamisessa ja kehittämisessä, jolloin absoluuttiset tulokset verkoston haavoittuvuudesta ei ollut tavoite. Tässä tapauksessa tulokset olisivat olleet myös tietoturvasyistä (verkostojen tarkka sijainti, haavoittuvat kohteet, verkostojen eri omistajat ym.) salaisia. Tästä syystä aineistoiksi valittiin jo osin vanhentunutta, mutta muodoltaan edelleen oikeaan dataa, jolloin aineistomme perusteella ei edes olisi voitu tehdä luotettavaa analyysiä. Pirkanmaan logistiikka-analyysi TTY:n hankeosuudessa tarkasteltiin Pirkanmaan ja Tampereen kriittisyyttä tiekuljetuksissa hyödyntäen data-analyysiä ja ArcGis-ohjelmistoa. Tutkimusosuuden päätehtäväksi asetettiin arvioida, miten tärkeä Pirkanmaa ja Tampere (ja koko Tampereen seutu) on tavarankuljetusten kannalta. Tarkastelu rajattiin tiekuljetuksiin, joiden osuus Suomessa kuljettavasta tavaramäärästä (tonneista) on n. 90 % ja kuljetussuoritteesta (tonnikilometreistä) n. 2/3. Kuten edellä on todettu, Pirkanmaa on keskeinen solmupiste myös rautatiekuljetuksille, joten myös näiden kuljetusten tarkastelu voitaisiin tehdä Pirkanmaan logistisen merkityksen tutkimiseksi. Tarkempi analyysi edellyttäisi kuitenkin dataa, jota ei ole saatavilla tarkalla tasolla tutkimuskäyttöön (VR:n data). Tutkimuskysymyksiksi, joilla Pirkanmaan, Tampereen seudun ja Tampereen merkitystä logistisen järjestelmän kannalta tutkittiin, asetettiin: Paljonko Suomen tiekuljetuksista alkaa tai päättyy Pirkanmaalle? Paljonko Pirkanmaalta lähtevistä ja saapuvista tiekuljetuksista on alueen sisäisiä? Paljonko Suomen tiekuljetuksista alkaa tai päättyy Tampereen seudulle ja paljonko Tampereelle? Paljonko tiekuljetuksista on Tampereen seutukunnan sisäisiä ja Tampereen sisäisiä? Miten tiekuljetukset kuormittavat Pirkanmaan tieverkkoa? Missä kulkevat merkittävimmät

tavaravirrat, jos ne sijoitellaan nopeimmalle väylälle? Miten Pirkanmaan maakunnan ulkopuoliset kuljetukset käyttävät Pirkanmaan (ja erityisesti Tampereen ja Tampereen seudun) tieverkkoa? Tutkimusaineistona hyödynnettiin Tilastokeskuksen Tieliikenteen tavarankuljetustilaston aineistoa vuosilta 2005 2010. Pirkanmaalla tarkasteluajanjaksolla tapahtuneiden lukuisten kuntaliitosten vuoksi aineistossa esiintyvien aikaisempien kuntien tietoja jouduttiin manuaalisesti yhdistämään. Tieverkkotietona käytettiin Suomen tie- ja katuverkko 2009 - dataa. Tutkimuskysymykset 1 ja 2: Pirkanmaan tiekuljetukset Tiekuljetusten määrä Suomessa oli vuosina 2005 2010 keskimäärin 392,7 miljoonaa tonnia. Samalla ajanjaksolla Pirkanmaalta lähti 32,7 miljoonaa tonnia (8,3 % Suomen tiekuljetusmäärästä) ja saapui 34,2 miljoonaa tonnia (8,7 %). Määrää voidaan verrata esimerkiksi Pirkanmaan osuuteen Suomen väestöstä (31.12.2011: 9,1 %), osuuteen arvonlisäyksestä (vuonna 2009: 8,5 %) tai osuuteen tuotannon arvosta (tuotos perushintaan v. 2009: 8,2 %) (Tilastokeskus). Pirkanmaan kuntien sisäiset ja väliset kuljetukset olivat 27,1 milj. t. Tämä tarkoittaa, että Pirkanmaan tiekuljetuksista noin 81 % oli Pirkanmaan sisäisiä. Kuntatasolla tarkastellen havaittiin merkittäviä eroja sen välillä, kuinka paljon kuljetukset pysyvät pelkästään yhden kunnan alueella. Kaikista tiekuljetustonneista Pirkanmaalla keskimäärin n. 40 % yhden kunnan sisäisiä. Tutkimuskysymykset 3 ja 4: Tampereen seudun ja Tampereen tiekuljetukset Tampereen seutukuntaan kuuluvista kunnista lähtenyt tiekuljetusmäärä oli 22,9 milj. t ja saapunut 23,4 milj. t. Nämä tarkoittavat osuuksina Pirkanmaan tonneista 69,7 % ja 68,0 %. Kaikista Tampereen seutukunnan tonneista seutukunnan sisäisiä oli 17,2 milj. t, ts. noin 75 % seutukunnan tonneista kuntien välisiä. Tampereelta lähtenyt tiekuljetusmäärä oli 10,4 milj. t ja saapunut 12,9 milj. t. Suhteuttamalla tonnit voidaan todeta, että Tampereen osuus Suomen tiekuljetuksista 2,7 % ja 3,3 % ja Pirkanmaan 31,9 % ja 37,7 %. Tampereen sisäisiä kuljetuksia oli 6,8 milj. t Tutkimuskysymykset 5: Tiekuljetukset Pirkanmaan tieverkolla Kuljetusten sijoittelu tehtiin tieverkolle laskemalla jokaisen kunnan välille tieverkkoa pitkin kuljettuna nopein reitti, jota pitkin kuljetusten on oletettu kulkeneen. Seuraavissa kuvissa reittejä on painotettu kuljetetun tavaramäärän (tonnit) perusteella, ts. mitä vahvempi viiva, sitä enemmän kuljetuksia. Tarkastelu olettaa lähtötietona käytetyn Tilastokeskuksen aineiston pohjalta kaikki kuljetukset kunnassa tiettyyn pisteeseen (kunnan laskennallinen keskipiste), vaikka todellisuudessa kuljetukset hajaantuvat useisiin pisteisiin ja siten laajemmalle tieverkolle. Todellisuudessa kaikki kuljetukset eivät myöskään hakeudu nopeimmalle reitille, vaan kuljetuksia voidaan ohjata myös muilla kriteerein, joskin todellisuudessa kuljetukset erityisesti pidemmillä matkoilla hakeutuvat nopeimmille reiteille ja siten yleensä päätieverkolle. Tämän vuoksi kuljetusten jakauma ei ole tarkka yksittäisten tieosuuksien tasolla, mutta on karkeasti (ja isompien väylien osalta) oikeansuuntainen. Lisäksi ArcGis-ohjelmiston ja käytetyn tieverkkodatan ominaisuuksista johtuen rakenteellisesti erotellut suunnat ja tiet (moottoritiet, keskikaiteelliset tiejaksot) näkyvät kahtena viivana, eikä kuljetusmäärä ei näissä kohdin summaudu.

b) Kuva 1: a) Suomen tiekuljetukset, b) Tampereen alueen tieverkon kuljetukset Tutkimuskysymys 6: Muiden maakuntien tiekuljetukset Pirkanmaan tieverkolla Viimeisenä tutkimuskysymyksenä tarkasteltiin sitä, millainen merkitys Pirkanmaalla on muun Suomen tiekuljetuksille. Tätä tarkastelua varten aineistosta poistettiin Pirkanmaan kunnista lähteneet ja kuntiin saapuneet kuljetukset. Tällöin Pirkanmaan tieverkolla näkyvät ne kuljetukset, joiden lähtö- ja määräpaikka on Pirkanmaan ulkopuolella ja näiden kuljetuksien kannalta Pirkanmaa on läpikulkumaakunta. Kaiken kaikkiaan tehdyt tarkastelut Pirkanmaan ja tarkemmin Tampereen seudun ja Tampereen kuljetuksista kuvaavat tärkeitä tieverkon yhteyksiä kuljetusten kannalta. Pirkanmaan ulkopuolisten kuljetusten tarkastelu nostaa esille erityisesti Tampereen valtakunnallisen merkityksen solmupisteenä: useat pitkämatkaiset kuljetukset kulkevat Tampereen kautta. Verkostojen haavoittuvuusanalyysi Aallon osuudessa keskityttiin verkkojen rakenteiden tutkimiseen. Tutkimus jakaantui kahteen osaan, joista ensimmäisessä selvitettiin mitä aineistoja on saatavilla sekä mitä aineiston laatutekijöitä liittyy verkostoihin. Toisessa osassa ohjelmoitiin analyysimenetelmä verkoston rakenteellisten haavoittuvuuksien tunnistamiseksi. Verkkoja mallinnetaan tyypillisesti graafeina, jotka koostuvat solmuista ja kaarista. Graafi voi olla lisäksi suunnattu tai suuntaamaton. Graafin topologialla tarkoitetaan sen solmujen ja kaarien välisiä jatkuvuussuhteita. Topologisella eheydellä puolestaan viitataan etenkin solmujen ja kaarien yhdistävyyden säilymiseen. Mallissa olevien suhteiden tulee siis vastata todellisuutta. Graafin perinteisiä ominaisuuksia ovat mm. kustannus tai kapasiteetti, eli esimerkiksi mikä on edullisin reitti tai paljonko verkossa voi kulkea esimerkiksi vettä tietyssä aikayksikössä. Näissä graafin yhdistävyys on edellytys tulosten luotettavuudelle. Graafille voidaan laskea myös sen muita ominaisuuksia kuvaavia tunnuslukuja, kuten välillisyys (betweenness) tai keskeisyys (centrality). Riippuen verkosta ja tutkittavista ominaisuuksista erityyppiset tunnusluvut tai laskelmat sopivat tiettyihin tilanteisiin. Välisyydellä tarkoitetaan jonkin verkon kaaren tai solmun roolia lyhimpien reittien välittäjänä. Keskeisyydellä puolestaan tarkoitetaan kuinka paljon solmulla tai kaarella on suoria yhteyksiä muihin solmuihin. Aineistojen saatavuus ja laatu Aineistoihin liittyen selvitimme vastausta kahteen kysymykseen: 1) mitä aineisto kriittiseen infraan liittyen on saatavilla sekä 2) mikä on keskeistä sen laadun osalta.

Ensimmäisen kysymyksen osalta määrittelimme mitä aineistoja tarvitsisimme ja mistä ne olisivat saatavilla. Lähtökohtana olivat YTS:ssa määritellyt verkostomuotoiset kriittiset infrastruktuurit. Johtuen etenkin tietoturvasyistä emme saaneet käyttöömme ajantasaista emmekä täydellistä aineistoa. Osa aineistoista on yritysten liiketoimintaa ja niiden saatavuus on hyvin rajoitettua. Kaupungin omistamat aineistot on kuitenkin saatavilla. Usean kaupungin tapauksessa vastaan voisi kuitenkin tulla haasteita aineistojen yhteensopivuuden kanssa. Koska tavoitteena oli kehittää menetelmää haavoittuvuuksien tunnistamiseksi, ei absoluuttisilla tuloksilla olisi tässä vaiheessa ollut merkitystä. Lisäksi tulosten tuli olla julkisia ja tietoturvaluokitellun aineiston kanssa tämä ei olisi onnistunut. Saimme Tampereen kaupungilta vanhasta järjestelmästä irrotettua ei-ajantasaista mutta muodoltaan oikeaa aineistoa liittyen seuraaviin verkostoihin: maakaasu, maanalainen televerkko, maanalaiset sähkökaapelit, kaukolämpö, jätevesiputket, sadevesiputket, ja juomavesiputket. Lisäksi saimme Paituli-palvelusta ajantasaisen Digiroad-aineiston koskien alueen tieverkkoa ja väestötietoaineistoa Tampereen kaupungilta. Aineistoja kriittiseen infraan liittyen oli siis hyvin saatavilla tietyin rajoituksin. Toisella aineistoihin liittyvällä kysymyksellä haluttiin selvittää mikä on laadun osalta oleellista analysoitaessa verkostomuotoista aineistoa. JHS 160 suosituksessa on kuvattu paikkatiedon laadun elementit. Niitä ovat täydellisyys, looginen eheys, sijaintitarkkuus, ajallinen tarkkuus sekä ominaisuustarkkuus. Keskeisimmiksi tässä tutkimuksessa nousivat loogisen eheyden osalta topologinen eheys, ajallisen tarkkuuden osalta ajanmukaisuus, sekä ominaisuustarkkuuden osalta luokittelun oikeellisuus. Analysoitaessa verkostodataa ei sijaintitarkkuudella ole kovin suurta merkitystä, paitsi eri aineistojen yhteneväisyyden osalta. Topologinen eheys on yleensä paljon oleellisempaa analyysin kannalta. Topologisella eheydellä tarkoitetaan aineiston jatkuvuussuhteiden säilymistä. Näitä ovat esimerkiksi solmu-kaari -yhdistävyyksien säilyminen tai tiesillan säilyminen siltana eikä muuttuminen risteykseksi. Ajallinen tarkkuus nousi esille koska saimme käyttöömme osin yli 5 vuotta vanhaa aineistoa. Vaikka infrastruktuuri muuttuu melko hitaasti, on analyysin osalta keskeistä että käytössä on ajantasaisin tieto. Luokittelun oikeellisuus kuvaa kuinka paljon yksilöitä on luokiteltu virheellisesti. Tämä vaikuttaa esimerkiksi väärin luokitellun tietyypin tai sähköverkon osan osalta virheelliseen analyysiin. b) Kuva 2: a) Topologisen eheyden esimerkkejä, b) esimerkki vesijohtoverkkoaineistosta Kuvassa 2 a) on kuvattu esimerkkejä verkon yhdistävyysongelmista liittyen topologiseen eheyteen. Viivat eivät välttämättä yhdisty toisiinsa useasta eri syystä. Edellisen kaaren loppusolmu voi poiketa hieman seuraavan alkusolmusta, jolloin muutamien senttien johdosta kaaret eivät yhdisty toisiinsa. Kahden kaaren leikkauksen tapauksessa emme voi välttämättä tietää onko kyseessä silta tai risteys, jolloin kyseessä on taas yhdistävyyson-

gelma. Esimerkiksi Digiroad-aineistossa tieosuus voi koostua useasta segmentistä johtuen aineiston käyttötarkoituksesta. Tällä tavoin vaihtuva nopeusrajoitus tai päällystetyyppi kesken tieosuuden voidaan kuvata aineistoon. Verkkoa mallinnettaessa tämä aiheuttaa kuitenkin haasteen yhdistävyyden sekä aineiston koon suhteen. Kuvassa 2 b) on esimerkki vesijohtoverkko-aineistosta. Aineiston käyttö sellaisenaan asettaa haasteen verkostoanalyysille johtuen suuresta määrästä yksityiskohtia ja epävarmuutta verkon yhdistävyydestä. Aineistojen laatuanalyysin perusteella päätimme keskittyä analysoimaan pääasiassa tieaineistoa. Tien toiminnallisuudet ja sen haavoittuvuus on myös helppo kaikkien ymmärtää mutta tulokset ovat laajennettavissa käsittämään myös muita verkkoja. Haavoittuvuusanalyysi Toinen osuus Aallon työstä liittyi verkon rakenteellisen haavoittuvuuden tutkimiseen. Tavoitteena oli kehittää ja ohjelmoida menetelmä jolla verkon rakenteellista haavoittuvuutta voidaan tutkia. Verkon haavoittuvuus on sen rakenteellinen ominaisuus. Jos esimerkiksi vain yksi silta yhdistää kahta isoa osaverkkoa, on verkko haavoittuva koska sillan katketessa alueet eristäytyvät toisistaan. Graafianalyysin puolella on tunnuslukuja liittyen keskisyyteen (centrality) ja välillisyyteen (betweenness). Koska graafiteorian pohjana on sosiaaliset verkostot, keskitytään näissä tyypillisesti kaarien sijaan solmuihin. Centralitytunnusluvulla kuvataan sosiaalisissa verkostoissa siis solmua, jolla on paljon suoria yhteyksiä muihin solmuihin. Betweenness-tunnusluvulla taas kuvataan onko solmu välittäjän roolissa. Esimerkiksi tieverkon haavoittuvuuden kannalta betweenness-tunnusluku on keskeinen, sillä sen avulla voidaan löytää ns. välittäjäkaaria jotka katketessaan haittaavat oleellisesti verkon toimintaa. Solmujen sijaan tarkastelemme siis kaaria ja niiden välisiä suhteita. Johtuen tästä ei valmiita menetelmiä ole käytettävissä vaan osana työtä ohjelmoimme tähän menetelmän. Jatkossa tätä ohjelmaa voidaan täydentää esimerkiksi verkon osien painotuksella. Kuva 3: Betweenness arvojen laskennan työkulku Kuva 3 esittää betweenness-arvojen laskennan työkulkua Tampereen alueen Digiroadaineistolle. Jotta lähtöaineistoa voidaan käyttää laskentaan, on se muutettava ensin viereisyysmatriisiksi (adjacency matrix). Viereisyysmatriisilla kuvataan mitkä graafin solmut, tai tässä tapauksessa kaaret, ovat vierekkäisiä eli yhdistyvät toisiinsa. Tässä vaiheessa aineiston laadulla on suurin merkitys, sillä jos aineiston yhdistävyys ei ole täydellinen ovat tulokset virheellisiä. Viereisyysmatriisin perusteella voidaan luoda graafi lyhimmän reitin laskentaa varten. Betweenness-arvot eri tieosuuksille saadaan perustuen siihen, kuinka paljon kaikista verkon lyhimmistä reiteistä kulkee tietyn tieosuuden kautta.

a) b) Kuva 4: a) Tampereen päätiet, b) Tampereen pääteiden betweenness arvot Kuva 4 a) esittää Tampereen päätieverkkoa jolle betweenness-laskenta suoritettiin. Digiroad-aineistossa tieosuus koostuu useista segmenteistä joilla voidaan kuvata esimerkiksi nopeusrajoituksen tai tiepäällysteen vaihtumista. Tämän takia yksi tieosuus voi koostua jopa kymmenistä segmenteistä ja analyysin laskeminen tälle aineistolle on erittäin hidasta. Käytimme ArcGIS ohjelman Merge-työkalua yhdistämään tieosuuden segmenttejä, mutta tämän jälkeen yhdistetyn tieosuuden geometria kuvautuu väärin. Johtuen mm. tästä yhdistävyysongelmasta emme voineet laskea luotettavia tuloksia tieverkolle. Kuva 4 b) esittää Tampereen päätieverkolle laskettuja betweenness-arvoja. 4. Tulokset ja pohdinta Tehdyn tapaustutkimuksen sekä teoreettisen perustan avulla voidaan kuvata yleistetty analyysiprosessi verkon haavoittuvuudelle. Kuva esittää analyysiprosessin yleisen kulun. 1 Ongelman määrittely Analyysi alkaa ongelman ja tavoitteen määrittelyllä. Analyysi voidaan suorittaa esimerkiksi osana kaavoitussuunnittelua, jolloin voidaan tarkistaa, ettei erityisen haavoittuvia ratkaisuita pääse syntymään. Määrittelyvaiheessa rajataan myös tarkasteltava alue sekä mille verkoille analyysi suoritetaan. Ongelman määrittely voi olla esimerkiksi Pirkanmaan tämänhetkisten maanalaisten johtoverkkojen yhdistetyn haavoittuvuuden selvittäminen.

2 Verkkojen mallinnus Verkkojen analysointia varten tarvitaan siihen soveltuvaa aineistoa. Riippuen analysoitavan alueen laajuudesta sekä tutkittavista verkoista voi käytettäviin aineistoihin olla eri vaihtoehtoja. Kun on selvillä mitä verkkoja tarkastellaan ja millä laajuudella tai tarkkuudella niitä halutaan analysoida, voidaan selvittää mistä aineistoja olisi saatavilla. Kunkin verkon osalta selvitetään siis mistä löytyy sopivin aineisto käyttötarkoitukseen, missä muodossa se on, miten se vastaa haluttua laatua ja joudutaanko sitä esikäsittelemään. Käyttötarkoitukseen sopivan aineiston saatavuus sisältää useita rajaavia tekijöitä. Saatavuuteen liittyy mitä eri aineistoja verkkoon liittyen on olemassa, onko aineisto saatavilla ja mihin hintaan, sekä onko aineiston muoto sopiva käyttötarkoitukseen. Aineiston laatukuvaus noudattaa Suomessa JHS 160 standardia. Verkot kuvataan yleensä vektorimuotoisena aineistona, jolloin keskeisimmiksi tekijöiksi muodostuvat topologinen eheys sekä ajantasaisuus. Aineistolle joudutaan mahdollisesti tekemään esikäsittelyä, jossa se esimerkiksi muunnetaan oikeaan koordinaatistoon, sitä yleistetään, sen laatua parannetaan tai sitä rajataan. Aineiston manuaalinen läpikäynti saattaa olla välttämätöntä. Tuloksena saadaan tutkittavista verkoista aineistot joita voidaan käyttää seuraavissa analyyseissa sekä laadun kuvaus jonka perusteella tulosten luotettavuutta voidaan arvioida. 3 Toiminnalliset analyysit Verkkojen toiminnallisuuksien ymmärtäminen on keskeistä, jotta niiden haavoittuvuuksia voidaan analysoida ja tulkita. Tarkoituksena on tutkia ja selvittää miten kutakin verkkoa käytetään ja mitkä ovat sen toiminnallisuudet. Tämä luo ymmärrystä mm. siitä mitä haavoittuvuus tarkoittaa kyseisen verkon osalta. Tieverkon toiminnallisuudet on helppo ymmärtää, mutta jos kyseessä on esimerkiksi televerkko, ovat toiminnallisuudet huomattavasti monimutkaisempia. Toiminnallisen analyysin yhtenä tavoitteena onkin saada ymmärrys verkosta, jotta voidaan valita sille parhaiten soveltuvat analyysimenetelmät. Toiminnallinen analyysi suoritetaan kaikille analysoitaville verkoille. Toiminnallinen analyysi koostuu soveltuvien analyysimenetelmien valitsemisesta, käyttödatan keruusta, arvioinnista ja käsittelystä, sekä tulosten arvioinnista. Erityyppisille verkoille sovelletaan eri analyyseja, sillä verkon toiminnallisuudet poikkeavat toisistaan. Verkko-optimoinnin perusongelmia ovat lyhin reitti, maksimivirtausongelma, minimikustannuksinen virtausongelma tai minimi virittäjäpuu. Verkon käytöstä tarvitaan myös käyttödataa, esimerkiksi raskaan liikenteen tavara- ja ajoneuvovirroista. Käyttöaineisto ei aina ole saatavissa verkko-aineiston yhteydessä. Esimerkiksi tieverkkodatan ja vuosittaisen kuljetusdatan omistavat eri tuottajat. Käyttödatalle on tehtävä myös laadunarviointi soveltuvin osin sekä mahdollinen käsittely ennen kun sitä voidaan hyödyntää. Toiminnallisen analyysin tuloksena saadaan kuvaus miten verkkoa hyödynnetään kyseisen datan valossa. Kuvaus voi olla nykytilasta, kehityksestä tai arvio tulevasta. Se voi olla esimerkiksi Pirkanmaan rooli Suomen kuorma-autojen tavaravirroissa vuosina 2005 2010. Toiminnallisen analyysin perusteella saadaan myös lähtökohdat rakenteellisen analyysin suorittamiseen. 4 Rakenteelliset analyysit Rakenteelliset analyysit kuvaavat, miten verkkojen rakenteelliset ominaisuudet vaikuttavat niiden haavoittuvuuteen. Ymmärtämällä verkon toiminnallisuudet voidaan sen rakennetta tarkastella oikeilla menetelmillä. Analyysin datana käytetään vaiheessa 2 määritettyä dataa, eli vektorimuotoista verkkodataa. Tulosten luotettavuuden kannalta keskeistä on, että verkkodata on laadultaan riittävää etenkin yhdistävyyden osalta.

Verkon rakenteellista haavoittuvuutta voidaan tutkia esimerkiksi verkkoanalyysin erilaisilla keskisyys (centrality) tunnusluvuilla tai cut-edge arvolla. Keskisyyden tunnuslukuja ovat esimerkiksi lokaali keskisyys (local centrality), globaali keskisyys (global centrality), tai välillisyys (betweenness). Keskisyyden tunnusluvut tarkastelevat kuinka paljon solmulla tai kaarella on suoria yhteyksiä suhteessa muihin. Välillisyys puolestaa kuvaa sitä, kuinka paljon solmun tai kaaren kautta kulkee lyhimpiä reittejä koko verkon lyhimmistä reiteistä. Cut-point tai cut-edge kuvaa solmua tai kaarta, joka katketessaan eristää jonkin verkon osan. Analyysin tuloksena saadaan verkolle kuvaava esitys sen rakenteellisesta haavoittuvuudesta. Sillä voi olla jokin kriittinen kaari joka katketessaan vaikuttaa oleellisesti koko verkon toimintaan. 5 Visualisointi ja tulkinta Tulosten tulkinta edellyttää käyttäjän suurta roolia. Haavoittuvuus ei ole täysin yksikäsitteinen ilmiö ja verkon toiminnallisuuksien ymmärtäminen aineiston laadun ohella on keskeistä tulosten luotettavuuden kannalta. Visualisoimalla usean eri verkon haavoittuvuudet voidaan tarkastella onko kriittinen infra laajemmin haavoittuva. Kuten todettu aiemmin on kriittisen infran fyysinen riippuvuus heikommin tutkittu kuin looginen riippuvuus. Johtuen mm. kaavoituksesta, on verkostot usein sijoitettu lähekkäin. Jos useat verkot ovat rakentuneet samalla tavalla, ovat myös niiden haavoittuvuuden voineet kasautua samoihin kohtiin. Analyysin tuloksia voidaan käyttää kriittisen infran suunnittelussa, niiden suojaamisessa sekä varautumisessa. Potentiaalisina hyötyinä ovat sietokykyisempi infra sekä tätä kautta kustannussäästöt. Väestön toimeentulon, elinkeinoelämän ja koko yhteiskunnan toiminnan jatkuvuuden varmistamiseksi kriittisen infrastruktuurin rakenteellisen haavoittuvuuden ja siihen liittyvien toiminnallisuuksien tunnistaminen on keskeistä ja useiden viranomaisten ja muiden toimijoiden vastuulla. 5. Loppupäätelmät Tässä tutkimuksessa tavoitteena oli selvittää mitä vaaditaan kriittisen infran haavoittuvuuksien tunnistamiseksi. Painopisteenä olivat aineistot, laatu sekä menetelmät fyysisen haavoittuvuuden analysoimiseen. Haavoittuvien kohteiden etsiminen ei ollut tässä vaiheessa tavoitteena, ainoastaan tukevien menetelmien selvittäminen. Analyysilla voidaan tukea kriittisen infran suunnittelua, suojaamista sekä varautumista tuottamalla tietoa niiden haavoittuvuudesta ja fyysisestä riippuvuudesta. Suunnittelua voidaan tukea mahdollistamalla eri skenaarioiden läpikäymisen ja haavoittuvien ratkaisuiden muuttamisen ennen niiden toteutusta. Tämä voidaan tehdä jo kaavoitusvaiheessa ja viimeistään suunnittelussa. Kokonaisturvallisuus ja riippuvuuksien vähentäminen pitäisi ottaa yhdeksi ennakoinnin kriteeriksi muiden kuten normaalitilanteen taloudellisuuden rinnalle. Parhaimmillaan turvallisuutta voidaan parantaa ilman lisäkustannuksia. Suojaamisen osalta verkkoa voidaan kehittää sietokykyisempään suuntaan todettuja haavoittuvuuksia vähentämällä esimerkiksi kiertoreittejä rakentamalla. Erityisissä uhkatilanteissa olivatpa nämä tahallaan aiheutettuja tai esimerkiksi luonnon- tai muista onnettomuuksista johtuvia on mahdollista kohdentaa erityisiä suojaamistoimenpiteitä haavoittuvimpiin osiin. Jos haavoittuvuus on hankala tai hidas muuttaa, voidaan varautumisessa huomioida tämä ja mahdollisen uhkan toteutuessa resurssit osataan suunnata paremmin. Jo pelkkä haavoittuvuuksien tunnistaminen, näistä aiheutuvien tilanteiden harjoittelu sekä toimien

ennakkosuunnittelu vähentävät merkittävästi syntyviä haittoja kriisitilanteissa. Lisäksi tunnistaminen auttaa suuntaamaan korjaavat toimenpiteet kokonaisuuden kannalta optimaalisimmalla tavalla. Hyötyinä analyysista ovat kustannussäästöt sekä sietokykyisempi kriittinen infra. Tässä raportissa esitetyn tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, mitä kriittisen infran fyysisen haavoittuvuuden analysoimiseen tarvittaisiin. Tavoitteena tässä vaiheessa ei ollut selvittää esimerkiksi mistä löytyy haavoittuvuuden todellisia hotspot-alueita. Jatkossa tutkimusta tulisi suunnata analyysiprosessin varsinaisten menetelmien kehittämiseen sekä aineiston laadun varmistamisen automatisointiin tai kehittämiseen. Myös käyttäjän tietämyksen roolia ja dokumentointia osana tulosten tulkintaa tulisi kehittää. Tutkimuksen päätyttyä on keskusteltu Aalto-yliopiston Systeemianalyysinlaitoksen kanssa yhteistyöstä. Systeemianalyysin laitoksella on myös tutkittu Matinen rahoituksella 2012 kriittistä infrastruktuuri hankkeessa Monimutkaisten järjestelmien toimintavarmuuden parantaminen. Jatkossa nämä kaksi lähestymistapaa voitaisiin yhdistää. 6. Tutkimuksen tuottamat tieteelliset julkaisut ja muut mahdolliset raportit Tutkimuksesta tullaan julkaisemaan kaksi tieteellistä artikkelia, jotka ovat osa Zhe Zhangin sekä Hannes Seppäsen väitöskirjoja. 7. Hankkeen seuraajan lausunto raportista Yhteiskunnan kriisivalmiusjaosto on seurannut hanketta ja tavannut tutkijaryhmän kaksi kertaa hankkeen aikana. Jaoston näkemys on, että tutkimus tuo arvokkaan lisän kriittisen infrastruktuurin kehittämisen tietopohjalle, ja että tutkimus täyttää MATINE:n rahoittamalle tutkimukselle asetetut vaatimukset. Tutkimuksessa on tarkasteltu uusia menetelmiä. Tästä seuraa, että tulokset eivät kaikilta osin ole sellaisenaan käyttöön sovellettavia. Raportti jättää myös avoimia kysymyksiä kehitettyjen menetelmien käytettävyydestä ja niillä saavutettavien tulosten luotettavuudesta. Kuten tekijätkin toteavat, haavoittuvuus ei ole täysin yksikäsitteinen ilmiö. Sen tarkempi määrittely tutkimuksen alussa olisi ehkä ollut tarpeen. Haavoittuvuutta arvioitaessa tarkasteltavan järjestelmän toiminnallisuuksien ymmärtäminen on keskeistä tulosten luotettavuuden kannalta.