信息物理融合系统安全现状与关键技术

介绍信息物理融合系统(cyber physical systems,CPS)的发展现状,分析CPS所面临的安全威胁,针对这些安全威胁给出了相应的防范对策,并重点分析了CPS防范系统中的认证技术、访问控制技术和隐私保护技术等关键技术,以促进CPS在信息安全方面的健康发展。

基于模糊协同交互型观测器的柔性关节机械臂信息物理融合系统的安全控制

本文研究了柔性关节机械臂信息物理融合系统(Cyber-physical systems,CPS)在传感器测量和执行器输入受到网络攻击时的安全控制问题.首先,用T-S模糊模型描述柔性关节机械臂CPS,描述后的模型可能存在不可测量或可测量但受传感器攻击影响的前件变量(Premise variables,PVs),这些PVs直接用于构建模糊控制器会影响控制器的控制效果.因此,提出一类模糊协同交互观测器来构造新的、可靠的、可利用的PVs.同时,该观测器能够与包含攻击估计误差(Attack estimation error,AEE)信息的辅助系统进行协同交互.与已有结果相比,所提出的观测器通过协同交互结构,充分利用了AEE信息,提高了攻击信号的重构精度.在此基础上,提出了一种具有攻击补偿结构的安全控制方案,从而消除了传感器和执行器攻击对柔性关节机械臂CPS性能的影响.仿真结果验证了所提出的安全控制方案的有效性.

信息物理生产系统(CPPS)面临的安全挑战与解决思路

信息物理生产系统(CPPS)具有互联互通、高度集成、人机协同、数据驱动等特点,使其对工业生产过程可实施高效管控,同时也带来诸多安全挑战,包括传统预防/减轻措施降险能力减弱,信息物理深度融合、智能化等新技术和新产品带来的新的不可接受风险等,急需解决新形势下的功能安全问题、信息安全问题以及功能安全与信息安全协同问题。本文梳理了CPPS安全挑战与安全领域的映射关系,提出了协同功能安全和信息安全的安全一体化解决思路。

新型ADETCS下工业信息物理系统综合安全控制

针对一类虚假数据注入(FDI)攻击与故障共存的工业信息物理系统(ICPS),在新型自适应离散事件触发通信机制(ADETCS)下,研究了综合安全控制与通信的协同设计问题。引入ADETCS取代传统离散事件触发通信机制,构建安全与通信可自适应协同优化运行的ICPS架构;通过对ADETCS中阈值函数的优化设计,获得一种可随系统动态行为双向连续变化的新型ADETCS;在该机制下,基于主动容侵和容错的思想,通过构造Lyapunov泛函,借助新型Bessel-Legebdre不等式、锥补线性化(CCL)等少保守性技术,在统一的自适应变采样框架下,推证出鲁棒估计器与综合安全控制器的求解方法,使ICPS可同时防御FDI攻击与故障,并具有更优的自适应通信调节能力。仿真结果表明:新型ADETCS中阈值函数的巧妙设计及CCL的应用,相较现存通信机制和设计方法,可使ICPS的综合安全控制性能与资源节约获得更优的折中平衡。

信息物理生产系统(CPPS)安全一体化评测方法研究

针对信息物理生产系统(Cyber-Physical Production System,CPPS)功能安全和信息安全协同难题,本文提出一种CPPS安全一体化评测方法,给出评测流程、具体步骤、评测内容及计算方法,以此确定CPPS系统的安全一体化协同能力,以期为提升CPPS整体安全管理水平提供参考依据。

信息物理融合系统综合安全威胁与防御研究

信息物理融合系统(Cyber-physical system, CPS)是计算单元与物理对象在网络空间中高度集成交互形成的智能系统.信息系统与物理系统的融合在提升系统性能的同时,信息系统的信息安全威胁(Security)与物理系统的工程安全问题(Safety)相互影响,产生了新的综合安全问题,引入严重的安全隐患.本文介绍了CPS的概念与安全现状,给出了CPS综合安全的定义;在对现有安全事件进行分析的基础上,提出了CPS的综合安全威胁模型;从时间关联性和空间关联性的角度,对现有CPS攻击和防御方法进行了分类和总结,并探讨CPS综合安全的研究方向.

电力系统信息物理融合建模与综合安全评估:驱动力与研究构想

智能电网与能源互联网都是典型的信息物理融合系统(cyber-physical system,CPS),信息环节的可靠性问题可能导致物理系统的运行风险。为了对其系统及信息故障进行分析评估,文中在分析了对电力系统进行信息物理融合建模与评估的必要性去驱动力后,提出了一种CPS融合建模构想。该方法将CPS系统抽象为一个有向拓扑图,模型将物理系统和信息系统中的状态量统一抽象为"数据节点",将信息处理、信息传输等环节抽象为"信息支路"。在此基础上,系统的信息-能量流可通过矩阵运算的方式快速简单地进行量化计算,与一般的迭代计算和仿真方法相比,该方法可有效提升计算速率。最后,对信息物理系统的综合安全评估技术体系进行了展望。

信息-物理融合系统若干关键问题综述

信息-物理融合系统(Cyber-Physical System,CPS)集成了计算系统与物理系统,并通过嵌入式计算机与网络实现了两者之间的协作和融合,将对人们的生产和生活方式产生重要影响.CPS是一个全新的研究领域,利用现有基础理论和技术设计CPS时面临着众多问题.介绍了CPS的概念、特点和体系结构,分析了与嵌入式系统、网络的关联,从计算系统、网络系统和控制系统3个方面概括了CPS设计面临的主要挑战,并着重探讨了当前一些可用于CPS设计的理论和技术以及CPS研究的最新进展,指出CPS当前的发展应以解决系统抽象层次设计、系统建模、体系结构设计、数据传输和管理、子系统集成方面的问题作为其下一步发展主要的研究方向,并提出了一些可行的解决办法,可为相关研究提供参考.

考虑信息物理融合系统的韧性电网风险研究现状及发展趋势可视化分析

为探究韧性电网信息物理融合系统风险研究现状及发展趋势,基于中国知网(CNKI)和Web of Science(WoS)数据库2011—2023年的文献数据,利用CiteSpace对该领域研究的研究热点、前沿及演化趋势进行可视化分析。研究结果表明:国内研究形成以“风险预警与控制”和“电力系统智能化建设”为主题的研究热点,国外研究形成以“信息物理融合”和“连锁故障演化”为主题的研究热点;“智能电网的信息物理耦合”和“信息网络攻击风险分析”是国内研究的前沿方向,“信息物理融合系统安全状态估计”和“风险防控模型”是国外研究的前沿方向;国内研究可分为安全性理论研究期、信息物理攻击风险研究期和故障防御恢复研究期3个时间阶段,国外研究可分为信息物理融合研究期和信息物理安全应用期2个时间阶段;后续研究应加强改进电力信息物理融合系统建模、完善电力信息物理融合系统规划、推进电力信息物理融合系统应用,推进数字化韧性电网稳定运行。研究结果可为韧性电网风险识别和风险预警研究提供一定参考。

信息物理生产系统(CPPS)的安全一体化技术要点分析

针对信息物理生产系统(Cyber-Physical Production System,CPPS)面临的安全挑战,本文以功能安全理论和工业信息安全理论为基础,结合CPPS的架构层级和风险演化规律,阐述了CPPS安全一体化的概念内涵和特征、两种跨域传播风险的相同点和不同点,并分析了安全一体化技术框架的要点,以期为研究者开展安全一体化领域的共性方法、关键技术研究提供有益参考。

信息物理融合系统安全问题研究综述

信息物理融合系统(Cyber-Physical System,CPS)是信息系统与物理系统紧密融合一体化的复杂系统,通过环境检测并将计算、通信、控制过程高效结合,实现对物理世界实时感知和动态控制的功能。CPS是继互联网之后的又一场信息革命,而安全问题是决定CPS能否被广泛使用的关键因素之一。文章首先阐述了CPS的安全要求、安全目标和面临的安全挑战,接着具体讨论了在物理层、传输层、应用层这三个层次所面临的攻击方式,然后重点分析了CPS在抗攻击技术、身份认证技术、隐私保护技术和风险评估技术等方面的研究现状,最后对CPS的安全研究进行了展望。

面向化工过程安全运行的信息物理融合系统

将信息物理融合系统(cyber-physical system,CPS)概念和感知控制论(perceptual control theory,PCT)相结合提出PCCPS模型,再与化工过程特点相结合,构建具有环境监测、信息共享、故障预测、故障诊断和基于知识操作建议的化工过程安全运行信息物理融合系统模型。在相关研究基础上,以环己烷无催化氧化过程PCCPS监控系统为例,阐述模型的应用,为进一步研究提供借鉴。化工过程安全运行物理信息融合系统的实现将提高化工过程连续、高效和安全运行。

基于层次Petri网的信息物理融合系统安全博弈建模

随着信息物理融合系统在工业中的广泛应用,系统安全已成为关注的焦点,信息物理融合系统的物理依赖和信息驱动特点使其面临信息物理双重威胁。为更加有效地进行应对,采取最佳防御策略,建立了基于层次Petri网的信息物理安全分析模型,并给出了描述攻防博弈策略的博弈网模型,进行了安全博弈分析,构建了纳什均衡策略,并采用萤火虫群算法进行了求解。最后以防空网络为实例进行了模拟分析,验证了模型的有效性。

智能网联汽车信息融合系统架构及关键技术研究

当前,全球汽车行业已进入新一轮转型期,智能网联汽车作为与科技行业全面融合的革命产品,其互联化和智能化将成为新的汽车核心技术。信息融合系统在减少多元数据处理难度,提高决策、执行响应时效,增强车辆的感知范围,提高汽车主动安全性方面起到至关重要作用,成为智能网联汽车快速发展的内在关键驱动要素。本文在综合国内外智能网联汽车全栈式解决方案的基础上,对智能网联汽车信息融合系统架构及关键技术进行概述,以期为后续研究提供借鉴。

电力信息物理系统形态演进关键技术及其进展

“双碳”目标促进了电力系统形态的改变,同时对新型电力系统的运行和控制方式提出全新挑战,有必要研究电力信息物理系统的形态演进方法来提升新型电力系统的分析决策能力。该文基于信息物理融合视角,首先综述了电力信息物理系统在安全运行与经济运行两方面的形态演进研究现状,然后进一步阐述了电力信息物理系统形态演进的关键技术,包括系统形态刻画方法、安全运行形态演进分析方法以及经济运行形态演进分析方法,最后分别从仿真验证和数理逻辑两个层面对电力信息物理系统形态演进分析所依赖的数字孪生仿真技术和形式验证技术进行了展望。

一种面向信息物理融合系统安全攸关场景的测试用例自动生成方法

对信息物理融合系统中的安全攸关场景进行有效的测试是提高系统安全性的重要手段。如何对安全攸关场景进行建模以完整准确地刻画系统行为,如何有效地生成测试用例以提高测试覆盖度、降低测试成本,是面向安全场景测试技术需要解决的核心技术问题。现有的场景建模与测试用例生成技术缺少对信息物理融合系统重要特性的描述和处理,其生成的测试用例不能满足系统安全攸关场景的测试需求。围绕信息物理融合系统的安全攸关场景建模以及测试用例自动生成方法展开研究,为UML活动图扩充了外部事件驱动机制和时间特性描述机制,以满足对安全攸关场景建模的需要;并研究了基于场景模型自动生成测试用例的方法。

基于DATL的信息物理融合系统安全性建模与验证

为解决微分时态动态逻辑(d TL)表达能力弱以及微分代数动态逻辑(DAL)缺少时序表达能力的问题,提出了一种结合d TL和DAL的微分代数动态时态逻辑(DATL).采用微分代数程序(DAP)作为操作模型,使DAL具有d TL的时序处理能力.定义了DATL操作模型的DAP和DATL语法,给出了DAP的迹语义和DATL语义,在继承d TL和DAL规则的基础上新增了6个规则.通过对飞机避撞系统安全性的规约和验证,检验了DATL的有效性.

隐蔽攻击下信息物理系统的安全输出反馈控制

研究了受到隐蔽攻击的信息物理系统(Cyber-physical system,CPS)安全控制问题.采用KL(Kullback-Leibler)散度描述攻击的隐蔽性,并设计动态输出反馈控制器,使系统可达集始终保持在安全区域内,其中可达集定义为系统状态以一定概率属于的集合.首先,给出隐蔽攻击下检测器残差所在范围的一个外椭球近似集;其次,根据该近似集和噪声的范围给出控制器参数与系统椭球形不变可达集的关系;然后,通过设计可逆线性变换并构造凸优化问题,求解安全控制器参数和相应的不变可达集;最后,使用弹簧−质量−阻尼系统进行仿真,验证了所提控制方法的有效性.

基于信息物理融合系统的智能变电站信息网络安全防护研究综述

随着信息通信技术的发展,电力系统已经从传统单一的电力设备网络发展成为信息物理融合的多元异构网络。智能变电站作为智能电网的重要节点,其各项业务、功能更加依赖于信息网络系统。为保障电网的安全稳定运行,智能变电站的信息网络安全问题需引起足够重视。本文介绍了智能变电站信息网络安全标准,分析了智能变电站信息物理融合系统特性,在此基础上指出了信息网络系统安全漏洞及可能存在的安全风险和安全隐患。为了满足信息网络安全需求,从三个方面阐述了安全防护措施,分别介绍了国内外的最新研究进展并对探讨了未来的发展趋势。

专刊评述:重大装备信息物理系统异常检测与安全控制

在国家加快推进质量强国建设、新质生产力发展的关键阶段,聚焦工业与制造领域的重大装备信息物理系统异常检测与安全控制,面向国家战略需求,坚持“安全可靠性优先”的原则,推进重大装备服役异常检测、健康状态评估、早期故障诊断、安全冗余控制等基础理论和核心技术发展,将有效提升重大装备运行的安全性与可靠性,服务国家在关键装备制造与维护中的创新应用需求,具有重要科学价值和工程意义。为此,四川大学主办的《工程科学与技术》期刊,专门开辟了“重大装备信息物理系统异常检测与安全控制”专栏,为国内外复杂装备可靠性领域学者提供了一流交流平台。