Quantifying hazard resilience by modeling infrastructure recovery as a resource-constrained project scheduling problem

Abstract

Reliance on infrastructure by individuals, businesses, and institutions creates additional vulnerabilities to the disruptions posed by natural hazards. In order to assess the impacts of natural hazards on the performance of infrastructure, a framework for quantifying resilience is presented. This framework expands upon prior work in the literature to improve the comparability of the resilience metric by proposing a standardized assessment period. With recovery being a central component of assessing resilience, especially in cases of extreme hazards, we develop a recovery model based upon an application of the resource-constrained project scheduling problem (RCPSP). This recovery model offers the opportunity to assess flood resilience across different events and also, theoretically, between different study areas. The resilience framework and recovery model have been applied in a case study to assess the resilience of building infrastructure to flooding hazards in Alajo, a neighborhood in Accra, Ghana. For the three flood events investigated (5-, 50-, and 500-year return periods) and the chosen standardized assessment period (300 d), the “300 d resilience” successfully shows a meaningful decreasing trend (0.94, 0.82, and 0.69) with increasing hazard magnitude. This information is most valuable for identifying the vulnerabilities of building infrastructure, assessing the impacts resulting in reduced performance, coordinating responses to flooding events, and preparing for the subsequent recovery. This framework expands upon prior work in the literature to improve the comparability of the resilience metric by proposing a standardized assessment period, the “n-time resilience”.

Die Abhängigkeit von der Infrastruktur durch Einzelpersonen, Unternehmen und Institutionen schafft eine zusätzliche Anfälligkeit für Störungen durch Naturgefahren. Um die Auswirkungen von Naturgefahren auf die Leistungsfähigkeit von Infrastrukturen bewerten zu können, wird ein Rahmen für die Quantifizierung der Widerstandsfähigkeit vorgestellt. Dieser Rahmen baut auf früheren Arbeiten in der Literatur auf, um die Vergleichbarkeit der Resilienzmetrik zu verbessern, indem ein standardisierter Bewertungszeitraum vorgeschlagen wird. Da die Wiederherstellung ein zentraler Bestandteil der Bewertung der Widerstandsfähigkeit ist, insbesondere im Falle extremer Gefahren, entwickeln wir ein Wiederherstellungsmodell, das auf einer Anwendung des ressourcenbeschränkten Projektplanungsproblems (RCPSP) basiert. Dieses Wiederherstellungsmodell bietet die Möglichkeit, die Widerstandsfähigkeit gegenüber Hochwasserereignissen über verschiedene Ereignisse hinweg und theoretisch auch zwischen verschiedenen Untersuchungsgebieten zu bewerten. Der Resilienzrahmen und das Wiederherstellungsmodell wurden in einer Fallstudie angewandt, um die Widerstandsfähigkeit der Gebäudeinfrastruktur gegenüber Überschwemmungsgefahren in Alajo, einem Stadtviertel in Accra, Ghana, zu bewerten. Für die drei untersuchten Überschwemmungsereignisse (5-, 50- und 500-jährliche Wiederkehrperioden) und den gewählten standardisierten Bewertungszeitraum (300 Tage) zeigt die „300-d-Resilienz“ erfolgreich einen aussagekräftigen abnehmenden Trend (0,94, 0,82 und 0,69) mit zunehmendem Gefahrenausmaß. Diese Informationen sind sehr wertvoll für die Ermittlung der Schwachstellen von Gebäudeinfrastrukturen, die Bewertung der Auswirkungen, die sich aus einer verminderten Leistungsfähigkeit ergeben, die Koordinierung von Reaktionen auf Hochwasserereignisse und die Vorbereitung auf die anschließende Erholung. Dieser Rahmen baut auf früheren Arbeiten in der Literatur auf, um die Vergleichbarkeit der Resilienzmetrik zu verbessern, indem ein standardisierter Bewertungszeitraum, die „n-time resilience“, vorgeschlagen wird.