【摘 要】
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信息物理系统（Cyber Physical Systems,CPSs）是将传感、通信、计算和控制过程高效结合而形成的复杂系统。目前,信息物理系统已在智能电网、医疗监测、智慧工厂、智能交通等众多领域得到广泛应用。不同于以往封闭式的工业内部网络,通讯网络的接入极大地提高了系统运行效率同时,也带来了许多安全问题。近年来针对信息物理系统的攻击事件频频发生,造成巨大的经济和社会损失,这已经引起了国内外相关学
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信息物理系统（Cyber Physical Systems,CPSs）是将传感、通信、计算和控制过程高效结合而形成的复杂系统。目前,信息物理系统已在智能电网、医疗监测、智慧工厂、智能交通等众多领域得到广泛应用。不同于以往封闭式的工业内部网络,通讯网络的接入极大地提高了系统运行效率同时,也带来了许多安全问题。近年来针对信息物理系统的攻击事件频频发生,造成巨大的经济和社会损失,这已经引起了国内外相关学者和政府机构的高度关注。重放攻击是信息物理系统中较为常见且容易实施的攻击方式之一,攻击者可以在不了解任何系统模型知识的情况下发动攻击,破坏系统的正常运行。因此准确检测针对信息物理系统的重放攻击具有重要的现实意义和经济意义。本文对信息物理系统重放攻击检测问题进行了研究,并取得了以下研究成果:（1）考虑信息物理系统的受控对象为线性定常系统模型,研究了重放攻击的攻击模型以及系统受到攻击之后的稳定性问题。研究表明,当系统的模型参数满足某些条件时,受到重放攻击之后的系统不再保持稳定,系统的控制性能受到严重影响。这表明了研究重放攻击检测方法的必要性。上述分析的准确性和可靠性通过在Matlab平台进行的仿真实验得到了验证。（2）已有学者提出可通过在控制信号中加入随机噪声的方法来检测出重放攻击。此类方法是以一定的系统性能损失为代价换取攻击检测率。在此基础上,为了减小牺牲的系统性能,本文提出了一种基于辅助信息补偿的控制信号编码检测方案。即在对控制信号进行编码的同时,在测量值中添加相应的辅助信号。本文首先证明了此方案下重放攻击的可检测性,并且推导得出检测率的上界和检测函数阈值的关系。其后证明了此方案牺牲系统性能较小,并确定了编码信号协方差矩阵的计算方法。Matlab的仿真实验结果验证了此基于辅助信息补偿的控制信号编码的重放攻击检测方案的有效性。（3）由于控制信号编码方案无可避免地会造成系统性能损失,因此如何在不影响系统控制性能的前提下检测到重放攻击是一个值得研究的问题。为此本文提出了一种基于系统性能指标的量测噪声编码方案。首先将给定的系统性能指标变化阈值转化为可容许的最大量测噪声范围,并将此噪声添加到传感器输出端对测量值进行编码,同时在状态估计端进行解码,结合渐消卡尔曼滤波算法对系统性能进行实时估计。此方案不会对正常运行的系统造成影响,重放攻击发生后,由于编码和解码的不同步使系统遭受超过允许范围内的量测噪声,从而导致性能指标发生变化且超出给定范围,由此可检测到攻击的发生。经Matlab的仿真实验验证了所提方案的有效性。
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