受攻击信息物理系统的分布式安全状态估计与控制——一种有限时间方法

研究具有非线性耦合特性信息物理系统(Cyber physical systems, CPS)在被攻击情况下的分布式有限时间状态安全估计和控制问题.首先,提出一种由分布式安全测量预选器和有限时间观测器组成的分布式有限时间状态安全估计策略,可确保系统的状态在预设的有限时间之内被准确估计出来.然后,利用获得的安全状态估计,借助反步设计方法,建立一套分布式有限时间安全控制算法.理论分析表明,该方法可以保证系统能在有限时间内实现对给定信号的跟踪.最后,通过微电网系统仿真验证了所提方法的有效性.

恶意攻击下基于分布式稀疏优化的安全状态估计

恶意生成的量测攻击信号是导致信息物理系统(Cyber-physical system,CPS)探测失效的主要原因,如何有效削弱其影响是实现精准探测、跟踪与感知的关键问题.分布式传感器网络(Distributed sensor network,DSN)依靠多传感器协作与并行处理突破单一监测节点的任务包线,能够显著提升探测系统跟踪精度与可靠性.首先,依据压缩感知理论,将单一节点的目标运动状态估计建模为一种基于l0范数最小化的稀疏优化问题,采用正交匹配追踪法(Orthogonal matching pursuit,OMP)重构量测攻击信号,以克服采用凸优化算法求解易陷入局部最优的缺陷.通过卡尔曼滤波量测更新抵消攻击信号影响,恢复目标运动的真实状态.其次,针对错误注入攻击等复杂量测攻击形式,基于势博弈理论,提出一种分布式稀疏优化安全状态估计方法,利用多传感器节点信息交互与协作提升探测与跟踪的稳定性.仿真结果表明,所提方法在分布式传感器网络协作抵抗恶意攻击方面具有优越性.

网络攻击下的信息物理系统安全状态估计研究综述

近年来,信息物理系统在工业界的广泛应用引起了人们对系统安全问题的极大关注.信息物理系统对通信网络的深度依赖,使得网络攻击成为其中最为严峻的威胁之一,特别是那些能够干扰系统状态认知的攻击,因此,安全状态估计(即在遭受攻击时正确估计系统状态)已成为各界广泛关注的安全问题之一.此文旨在总结网络攻击下信息物理系统安全状态估计研究的进展.首先,介绍典型的网络攻击,并详细阐述在稀疏攻击下的安全状态估计问题.其次,探讨集中式安全状态估计和分布式安全状态估计的研究现状.在考虑稀疏攻击下安全状态估计问题的难点时,关键在于如何快速找到受到攻击的信道集合(这可能涉及到高计算复杂度).因此,将安全状态估计方法分为遍历搜索和非遍历搜索两大类,并对现有方法的优缺点进行归纳总结和详细阐述.然后,介绍稀疏攻击下信息物理系统安全状态能观性分析的研究现状.现有的研究结果表明:增加检测机制或先验知识可以缓解在稀疏攻击下安全状态估计所需的基础冗余度要求;同时,通过区分攻击和故障,也能有效降低传感器冗余度要求.最后,对信息物理系统安全状态估计仍然存在的问题进行展望,并提出一些可能的解决方向.