分布式网络控制系统的信息物理攻击检测与安全控制

The study of distributed networked control systems (DNCSs) is of great importance due to the wide applications in our critical infrastructures, such as smart grid, water network, transportation, etc. Its security control guarantees the normal operation of critical infrastructures and will seriously affect our daily life if it is under attack. In this project, we will focus on the security control for DNCSs from system analysis and control synthesis perspective. The complex relationships among system safety performance, information security, physical protection, physical topology, and system dynamics will be quantified for a typical DNCS in smart grids. Moreover, protection technology and corresponding security control strategy will be designed with the consideration of both inherent physical protection and information security mechanism. The main content of the project includes system modeling with cyber-physical attacks, system performance analysis for security, system-theoretic approach for security control and protection, and hardware-in-loop simulation and performance evaluation. The outcomes of the project will establish a sound theoretical basis for the reliability of DNCSs and will provide an efficient tool for attack detection and protection, which show the importance and necessary of this project.

分布式网络控制系统广泛存在智能电网、水网、交通等先进工业控制系统中，其安全问题将直接关系到国家基础设施行业控制系统的稳定运行。因此，分布式网络控制系统安全控制设计刻不容缓。本项目从系统安全性能分析与控制综合的角度对分布式网络控制系统的安全控制问题进行深入研究，以智能电网中典型的分布式网络控制系统为特定研究对象，刻画系统安全性能和电网信息安全机制、物理防护、物理拓扑、物理动态系统之间的内在复杂关系。利用系统固有的物理防护、信息安全机制，充分挖掘攻击约束下的物理动态系统自身所具备的安全性能，设计系统可用的安全控制与防护技术。主要内容有：信息物理攻击建模；分布式网络控制系统安全性能分析；基于系统理论的安全控制与防护；系统在环仿真与性能评估。项目研究成果将为分布式网络系统的安全可靠运行奠定基础，为抵御攻击提供系统可用的检测与防护设计，具有重要的科学意义和经济价值。

分布式网络控制系统广泛存在于智能电网、水网、交通等先进工业控制系统中，其安全问题直接关系到国家基础设施行业控制系统的稳定运行。本项目以智能电网中典型的分布式网络控制系统为主要研究对象，以“信息物理攻击建模、系统安全性能分析、系统安全控制与防护、仿真验证”为整体思路，开展分布式网络化控制系统的安全问题的研究。针对网络化控制系统在信息攻击下的脆弱性量化问题，提出了针对系统信息层的协同重放攻击模型、针对系统物理层的代码攻击模型、以及针对系统应用层的数据注入攻击模型等多种隐蔽攻击模型。针对攻击约束下的网络化控制系统安全极限性能刻画的问题，提出了基于系统理论以及分区协同的能控能观性分析方法，同时设计了攻击约束下的修正状态估计。针对网络化控制系统的弹性加强问题，提出了主动安全防御策略，设计了分布式攻击检测算法与分布式弹性控制算法，并且进行了系统架构优化设计，实现了对攻击的“防御——检测——控制”，加强了攻击下的系统弹性。在仿真验证环节中，完成了智能电网系统的搭建，并且与dSPACE软件建立了通信，可以实现DoS攻击下智能电网的安全控制与优化的仿真验证。综上，本项目实现了攻击下系统安全性能和控制性能的协同优化，可以为分布式网络化控制系统的安全可靠运行提供一定的理论基础和关键技术支撑。