面向CPS时空规则验证制导的安全强化学习

深度强化学习是目前信息物理融合系统(CPS)决策中常用的一种方法。然而,当面对未知环境和复杂任务时,基于黑盒的深度强化学习方法在系统的安全性和奖励函数设置的可解释性方面存在不足。针对上述问题,提出了一种形式化时空规则验证制导的安全强化学习方法。提出了时空规则通信顺序进程(CSR-TCSP)对系统进行建模,并结合时空规约语言(STSL)和模型检测工具FDR对进程代数模型进行验证。利用系统环境模型形式化奖励状态机的结构,提出了时空规则奖励状态机(STR-RM)以指导强化学习中奖励函数的设置。此外,为了监测系统的运行并确保输出决策的安全性,设计了一个监控器及安全动作决策算法以获得更安全的状态行为策略。通过一个自动驾驶系统中的避障与变道超车实例,证明所提方法的有效性。

Human Cyber Physical Systems(HCPSs)in the Context of New-Generation Intelligent Manufacturing

An intelligent manufacturing system is a composite intelligent system comprising humans,cyber systems,and physical systems with the aim of achieving specific manufacturing goals at an optimized level.This kind of intelligent system is called a human-cyber-physical system(HCPS).In terms of technology,HCPSs can both reveal technological principles and form the technological architecture for intelligent manufacturing.It can be concluded that the essence of intelligent manufacturing is to design,construct,and apply HCPSs in various cases and at different levels.With advances in information technology,intelligent manufacturing has passed through the stages of digital manufacturing and digital-networked manufacturing,and is evolving toward new-generation intelligent manufacturing(NGIM).NGIM is characterized by the in-depth integration of new-generation artificial intelligence(AI)technology(i.e.,enabling technology)with advanced manufacturing technology(i.e.,root technology);it is the core driving force of the new industrial revolution.In this study,the evolutionary footprint of intelligent manufacturing is reviewed from the perspective of HCPSs,and the implications,characteristics,technical frame,and key technologies of HCPSs for NGIM are then discussed in depth.Finally,an outlook of the major challenges of HCPSs for NGIM is proposed.

空中交通CPS结构特性及韧性评估

针对空中交通体系结构复杂、耦合性强、脆弱性高的特点,为缓解因受扰导致的级联失效现象,对其结构韧性进行研究。建立了空中交通信息物理系统(CPS)模型,提出同层度与层间度、同层介数与层间介数等指标,分析级联失效过程;提出空中交通CPS韧性的概念,并采用定量评估方法对受损能力和恢复能力进行度量;对比不同扰动-恢复策略下的空中交通CPS表现,制定最佳恢复策略,提高受扰时的韧性。以华东地区空中交通CPS为例进行分析,结果表明:空中交通CPS网络度分布服从幂率分布,介数服从指数分布;在基于介数度值扰动下,采用介数恢复策略可以有效提高受扰时空中交通CPS的韧性。

基于CPS的单交叉口信号滚动优化控制模型

为了采用现代信息技术提升单交叉口的通行效率,综合考虑信息物理系统(CPS)的特性和功能,构建了基于CPS的单交叉口信号滚动优化控制架构;提出了交叉口信号优化控制的分层建模思路与框架,实现了对交叉口不同层级的状态描述;针对不同流量环境,分别以单位时间车均预计延误和加权排队长度比作为优化目标,进行实时信号优化,构建了基于CPS的分层滚动优化模型;搭建了基于SUMO与Python的实时交互仿真环境,针对未饱和、过饱和以及饱和状态变化3种流量场景进行案例分析.算例结果表明,与Transyt、Synchro、Webster、感应控制、承载力方法相比,所提模型均取得了更优的控制效果,车均延误和平均排队长度最多分别可减少43.75%和16.05%,溢流时间最多可延长37.93%.

基于攻击树的ICPS混合博弈风险评估

工业信息物理系统在国家基础设施领域极为重要,若被破坏将造成极大的影响.本文采用带博弈策略的攻击树模型进行风险评估.首先,根据系统中各个物理组件的“与”“或”关系和它们所具有的漏洞节点,建立ICPS的整体攻击树模型;然后,在攻击树的叶子节点中加入攻防混合博弈策略,给出攻击和防御方式的收益函数,以此求得不同防御方式发生的可能性概率;最后,以防御方式收益函数和发生的可能性概率求得每种防御方式的风险值,采用层次分析法和熵权法的综合赋权得出叶子节点风险值,以此求出根节点风险值进行评估.通过MATLAB仿真,求出攻击树根节点风险值确定废水发电厂模型的风险评估等级以及哪个物理层较为薄弱,若等级较高,可采取后续的评估寻找系统薄弱组件.

DoS攻击下多智能体ICPS的最优一致控制

为解决由多个被控对象组成的工业信息物理系统(ICPS)在拒绝服务(DoS)攻击和不确定外界扰动下的一致性控制问题,将多智能体和ICPS相结合,并基于状态观测器和零和博弈方法,设计最优H_(∞)一致控制器。首先,针对多个被控对象组成的ICPS,根据智能体的信息交互特性,构建固定拓扑结构的多智能体ICPS模型。其次,考虑DoS攻击作用在传感器通道和执行器通道时系统通信信道堵塞的影响,采用状态观测器重构被堵塞的状态信息,并构建DoS攻击下基于状态观测器的多智能体ICPS模型。然后,引入干扰抑制水平,并将控制器和干扰者视为零和博弈中的参与者,根据干扰抑制水平的优化目标和H_(∞)性能条件,构建基于零和博弈的最优H_(∞)设计框架。最后,通过对干扰抑制水平的约束,并求解满足H_(∞)一致性的线性矩阵不等式,设计最优一致性控制器。采用4个不间断电源的控制问题作为仿真对象,Matlab仿真结果表明,相比于未对状态重构和未对参数约束的设计方法,本设计方案可使得多智能体ICPS在双通道DoS攻击下达到一致的时间更短,且具有良好的相对稳定性。

基于CPSS视角的需求响应能力评估综述

对信息—物理—社会系统与需求响应评估的结合进行综述。首先对信息物理系统的历史和框架进行分析。接着总结了现有的需求响应研究现状,包括需求响应潜力评估的意义、分类和评估方法。对于需求响应能力评估的数据来源进行总结,包括问卷调查和运行数据采集。在信息—物理—社会系统与需求响应结合方面,分别分析需求响应的物理域、信息域和社会域基础,介绍相应的建模方法和研究内容。最后,对未来的研究展望进行讨论,包括市场考核机制、快速仿真与建模技术以及综合能源下的需求响应管理。

一种使用STL逻辑监控CPS的可解释规范挖掘方法

随着信息物理融合系统(CPS)日益复杂,很难捕获其相关行为并以一种可解释的方式检测它.因此本文提出了一种基于线性支持向量机(LSVM)框架的规范挖掘算法,从有限长度的信号轨迹中挖掘具有可解释性的信号时序逻辑(STL)公式.挖掘出的STL公式可以作为监控行为的抽象,用于CPS运行时验证的监控机制中.该算法根据一组被标记的有限时间轨迹和STL模板公式,将信号时序逻辑特有的鲁棒性满意度与LSVM的优化算法相结合生成所需规范.另外,本文还将对一维信号轨迹的规范挖掘技术扩展到多维信号上.最后,通过两个案例研究来说明提出算法的可行性和优势,结果表明该算法在保证高准确率的前提下,执行效率和可解释性都优于其他的规范挖掘算法.

基于FP-Growth算法的新能源配电网CPS网络攻击检测方法

为有效分析识别有源配电网信息物理系统(cyberphysicalsystem,CPS)状态,提出基于FP-Growth算法的有源配电网信息物理系统网络攻击检测方法。首先分析考虑网络攻击的有源配电网控制模型及CPS网络攻击影响机理,通过实时仿真平台对有源配电网CPS信息侧和物理侧进行监测来获取原始数据;然后通过额定电压、电流值制订数据离散化规则,并根据规则对原始数据进行离散量化处理来生成事件序列。在此基础上,采用FP-Growth算法挖掘历史数据异常信号的频繁项集和强关联关系,通过已有频繁序列特征对新的攻击类别和故障点进行识别,实现对有源配电网CPS网络攻击的检测。最后,仿真实验验证了所提方法的可行性和有效性。

HCPS视角下上肢功能评估体感游戏设计研究

为了解决需要医生参与的传统上肢功能评估不利于居家康复且不具有生态效度,同时由于评估缺乏趣味性不易唤醒患者的觉醒水平与情绪状态的问题。从人-信息-物理系统(Human-cyber-physical system,HCPS)的角度出发分析智能康复的发展过程和重要特征,并结合游戏化设计方法与心流理论构建上肢功能评估体感游戏的设计方法。得到深化心流结果的动态元素设计方法、打造心流条件的机制元素设计方法、保持连续心流体验的组件元素设计方法,并进行了设计实践。为上肢功能评估体感游戏设计提供了新思路,新方法,新形式。

基于CPS的设备管理研究与应用

制造企业在智能制造改革过程中的主要目的是降低生产成本,提高生产效益,而当前生产设备的低利用率成为制约其发展的一大重要因素。对制造企业当前面临的生产状况进行分析,并将信息物理系统与企业的实际情况相结合,使用层次化的方法设计了一套设备管理系统。通过系统的建设,改善了数控机床的生产状况,使得生产设备得到了充分的利用,科学有效地提高了企业的生产效率,最终实现降本增效的目的。

基于信息物理双侧数据的配电网CPS窃电检测方法

高比例量测设备的广泛应用为配电网信息物理系统(CPS)带来了大量信息侧网络攻击风险,其中以获取经济利益为目的的窃电攻击严重危害了电力公司的应得利益。现有窃电检测方法中,数据驱动方法与模型驱动方法单独应用时都存在一定的局限性,无法有效降低输出结果的误报率。提出了一种基于信息物理双侧数据的配电网CPS窃电检测方法。首先对配电台区物理侧量测的线损序列进行监测,确定异常用电行为的时段;其次将配电台区信息侧用户传输的多参数用电数据以周为单位送入卷积神经网络进行疑似窃电用户排查;最后利用时间距离加权皮尔逊相关性算法,根据窃电时段内的台区线损序列和窃电用户电力消耗数据序列之间存在的负相关性,对窃电检测模型的输出结果进行窃电嫌疑二次筛查。基于IEEE 33节点系统对配电网运行过程进行仿真,输出用于分析和构建检测方法的正异常用户电力消耗多参数数据。对比试验结果表明,与其他方法相比,该检测方法具有可靠性更高、可解释性更强的窃电判据,能够在提高准确率的同时进一步降低数据驱动模型检测结果的误报率。

遭受执行器攻击的CPS的对数量化控制研究

针对遭受执行器攻击且被对数量化器量化的信息物理融合系统,研究了系统的稳定性以及控制器的设计问题。利用对数量化器的扇形界性质将遭受攻击的量化系统转化为一个不确定系统,首先,通过构造一个李雅普诺夫函数给出了此系统稳定的充分条件。其次,利用Schur-补引理将系统稳定的充分条件转化为一组线性矩阵不等式,并在此基础上给出了系统控制器的设计方法。最后,用数值例子验证了所提出的方法的有效性,仿真结果表明,上述方法可以使系统达到稳定。

考虑故障跨域传播的配电网CPS协同防御策略

通信设备的广泛应用导致配电网信息物理系统(cyber physical system,CPS)受到跨域攻击的风险不断增大。据此,提出考虑信息物理协同攻击的配电网CPS韧性提升策略。首先,为分析信息-物理耦合下的故障传播机理,针对配网构造虚拟故障传播网络辨识其故障、非故障区域;针对通信网构造虚拟信息流网络辨识信息节点的工作状态,并采用信息-物理耦合约束描述故障在配网和通信网之间的跨域传播过程。然后,建立基于防御-攻击-防御三层框架的鲁棒优化模型,其中,第一层防御者制定配电网远动开关配置及通信网加固方案;第二层攻击者寻找最严重的协同攻击方式;第三层防御者通过远动开关动作将配网重构为多个微电网以尽可能减少失电损失。采用嵌套列约束生成算法求解上述模型。最后,通过算例验证了模型的有效性。

基于CPSS的综合能源微网群参与调频辅助服务成本建模分析

随着双碳战略的实施,新能源在电力系统中所占比例不断提高,系统频率调节能力逐渐下降.针对该问题,对分布式综合能源微网群参与电力系统调频辅助服务展开深入研究.首先,基于微网个体聚合后参与调频市场的理念,阐述综合能源微网参与调频辅助服务市场的模式;其次,建立综合能源微网群的信息-物理-社会模型,基于该模型计算微网群体的调频成本,成本模型中考虑多种调频方式,并利用灰色定权聚类方法对微网的社会属性进行分类,用以仿真分析微网个体参与调频市场的意愿及概率值;然后,基于蒙特卡罗模拟提出微网聚合商参与调频辅助服务时的成本计算方法,为聚合商参与调频市场报价提供基础.最后,对一个拥有5个综合能源微网的聚合商进行仿真分析,得到其调频成本的变化曲线.仿真结果显示微网个体的社会属性对聚合商的调频成本影响可达到6.921%,在报价过程中需要充分计及微网社会属性所带来的不确定性风险.

工业互联网安全风险防控中的CPS应用探索

随着数字技术与传统基础设施的紧密结合,工业互联网已然逐步成为新基建领域的核心战场。新基建催生的全新产业形态和发展模式,势必带来全新的风险和挑战,这也是与传统环境相比较明显的差异之一。在全力推进“新基建”的过程中,必须高度警惕并防范可能出现的各类新型风险,将预防及管控工业风险视为至关重要的一环。因此,针对工业互联网安全风险防控中的信息物理融合系统(Cyber Physical Systems,CPS)应用展开研究。

CPS核心概念认识有偏差:Cyber非信息

CPS是赛博物理系统（Cyber—Physical Systems）的缩写，是工业4．0的核心。目前，国内学界很多人将CPS翻译成信息物理系统，有些人将CPS理解成了信息化与工业化的结合，从严格意义上来说，这是不准确的。

电力CPS的架构及其实现技术与挑战

引入前沿信息技术并把电力系统和信息系统进行深度融合是实现电力系统智能化的关键。信息物理融合系统(cyber physical system,CPS)是通过3C(computation,communication,control)技术将计算、网络和物理环境融为一体的多维复杂系统,通过多技术有机融合,实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务,具有非常广阔的应用前景,因而在国际上受到了普遍重视。在此背景下,基于CPS概念并结合电力系统特点,提出建立电力CPS的思路和框架。首先,概述了CPS的概念、主要功能和技术特征。之后,构造了电力CPS的架构和主要组成部分,指出了实现电力CPS的若干关键技术。最后,从基础理论、建模方法、仿真算法、安全性分析、可靠性分析、系统设计与规划、运行调度、标准化等方面讨论了电力CPS研究中所面对的主要挑战。

CPS体系结构设计

Cyber-Physical System(CPS)是基于网络和嵌入式系统等技术而发展起来的下一代智能系统。体系结构是CPS的骨架和灵魂。分析了CPS概念和特性,构建了CPS三层体系结构框架,分别为包含实体的物理层、将资源互联互通的网络层和为用户提供服务的应用层。并对各层进行了深入分析,给出了各层相关概念描述。通过智能交通系统体系结构实例证明了CPS三层体系结构框架符合CPS概念,能够反映CPS特性,能够指导未来CPS研究和系统开发。

基于攻击方视角的电力CPS网络攻击模式分析

电力信息物理系统(cyber-physical system,CPS)中,电力系统的调度控制和生产管理高度依赖于信息系统,是网络攻击的高价值目标。鉴于攻击方选取的攻击模式和对象因目的不同而有明显差异,文章将对电力CPS的网络攻击分为无特定目的、以获取经济利益为目的、以破坏电网稳定为目的 3类,分别进行了讨论。首先结合北美电网信息系统相关大停电分析了无特定目的网络攻击和信息系统自身随机失效与异常对电网的影响;然后综述了谋求经济利益的攻击中窃电行为检测方法;最后,假定以破坏电网稳定为目的的恶意软件能借用震网病毒传播模式侵入实时控制区,结合我国与北美电力企业在SCADA系统和广域保护等系统应用上存在的差异,分析了攻击方可能选择的攻击对象、攻击模式和后果,讨论了智能电表和SCADA中的针对性入侵检测方法。