动态数据攻击下信息物理系统的控制安全

• 作 者: 李依宁
• 出 处: 上海交通大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 信息物理系统 动态数据攻击 安全控制 状态估计 弹性控制

随着通信网络技术与嵌入式开发水平的不断提高,信息物理系统(Cyber-Physical Systems,CPS)已在多个控制领域如电网控制、水网控制等工业控制过程中形成并产生深远影响。与此同时,由于其物理过程与信息网络耦合性的不断增强,随之带来的问题是病毒、黑客入侵、拒绝服务等来自信息网络的威胁,这类数据攻击从CPS控制交互过程侵入,最终导致对物理系统的恶意破坏。因此,CPS迫切需要新的技术和方法满足它在控制安全上的需求。本文将从CPS的控制交互过程入手,针对控制环节中可能出现的动态数据攻击,以线性系统为例,给出相应的控制安全分析与算法设计,实现对动态数据攻击下CPS的安全控制。首先,本文描述了动态数据攻击下CPS控制系统的数学模型,并结合控制回路中可能存在的执行器攻击与传感器攻击,将通信层面的数据丢包、重放等攻击类型归纳为控制系统中的描述。最终,仿真说明了动态数据攻击对CPS性能的影响。其次,本文基于CPS安全控制需求,提出了动态数据攻击下的能控性定理与能观性定理,判定控制中心是否可获得准确的状态估计并可实施有效的控制保证系统的稳定运行,并为后续的入侵检测机制与弹性控制算法设计提供了理论依据。最终,给出定理充分必要性证明,并利用仿真并从解析方法的角度验证了定理有效性。再次,以攻击下能观性定理为基础,优化状态估计方法,可以在存在攻击的一类传感器集合中获得准确且不受攻击影响的状态估计值。将该值用于入侵检测机制的设计,实现对攻击的检测与预警。最终,结合证明并利用仿真验证了该入侵检测方法的有效性。最后,当攻击者扩大攻击范围后破坏系统能观性时,本文从执行器侧的角度,以攻击下能控性定理为基础,设计一类弹性控制器,通过控制器自适应切换最优反馈系数,来隔离与控制不同攻击集合下的动态数据攻击。最终,结合证明并利用仿真说明了该控制过程切换的有效性。