网络攻击下的信息物理系统容侵与容错协同控制

Cyber-physical systems (CPS) are the deep integration of cyber systems and physical devices. Cyber attacks and physical component faults are the key factors threatening the safety of CPS. Though a number of results have been reported in recent years on secure control of CPS under some specific cyber-attacks, little attention has been paid to the CPS security problem under both cyber-attack and actuator/sensor faults. Therefore, from the practical perspective, the attack-tolerant and fault-tolerant cooperative control problem for CPS is considered in this project, where both attacks injected from malicious attackers and physical component faults coexist. The research objectives are mainly three-folds.(1) By exploring comparatively the behavior characteristics of multiple malicious cyber attacks including denial-of-service attacks, false data injection attacks and replay attacks, to establish the mathematical model to describe the complex cyber attacks behavior.(2) Based on the dynamic model of physical system, the active attack-tolerant control scheme based on adaptive technology will be proposed.(3) Under the dual influence of cyber attack and physical component fault, the attack-tolerant and fault-tolerant cooperative control strategy is designed for CPS. The effectiveness and feasibility of the proposed methods will be illustrated through numerical simulations and practical experiments. The results of this project can not only enrich the existing secure control theories for CPS, but also provide useful references to improve the reliability and security of practical systems.

信息物理系统（Cyber-Physical Systems, CPS）是信息系统和物理设备的深度融合。网络攻击和物理元件故障分别是信息系统和物理设备面临的主要安全威胁。目前从控制理论的视角研究CPS的安全性才刚刚起步，现有文献仅停留在针对单一网络攻击开展研究，缺乏对网络层攻击和物理层故障双重影响下CPS安全性问题的关注。 本项目将从CPS的实际需求出发，既考虑信息系统外部注入的恶意攻击，又考虑物理元件可能发生的故障,从防御者的角度开展网络攻击下的CPS容侵与容错协同控制研究。（1）建立数学模型描述多种攻击耦合下的复杂网络攻击行为。（2）利用物理模型的动态信息，提出基于自适应技术的主动容侵控制方案。（3）在恶意网络攻击和物理元件故障双重影响下，设计CPS容侵与容错协同控制策略。通过数值仿真、实验平台验证所提出方法的有效性。本项目的研究将丰富CPS安全控制理论，为实际工程应用提供有益的借鉴。

本项目完成了计划任务书中规定的研究内容与研究计划，取得了一些有意义的成果。结合信息系统的网络通信特征和物理系统的动态行为，在网络攻击和物理元件故障的双重影响下，探索并建立了一套CPS容侵与容错协同控制方法，取得了一系列原创性的理论成果。这些成果既可以丰富现有的控制理论体系，又有助于建立和完善CPS安全防御理论。项目组成员共发表（含已录用）标注基金号的论文52篇，其中48篇被SCI检索（源）；项目负责人叶丹2019年入选辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才。在项目执行期间叶丹担任国际SCI检索期刊（JCR一区）《Journal of the Franklin Institute》编委。.本项目的主要创新工作集中在如下三个方面：1) 复杂网络攻击行为建模：针对信息物理系统中攻击者资源受限的情况，从攻击者的角度入手，设计了一种具有能量收集限制的最优周期性拒绝服务攻击（DoS）策略；为了进一步揭示信息物理系统中检测机制的不足，研究了一类具有完全隐蔽性和能量隐蔽性的虚假数据注入攻击；以远程状态估计的安全问题为研究背景，研究了一类基于新息序列的非完美FDI攻击。2) 复杂网络攻击下的CPS主动容侵控制：针对遭受非周期性DoS攻击的区间二型模糊系统，在传感器和控制器输出端分别设计了异步的弹性自适应事件触发机制；在网络之间的连接受到恶意攻击的情况下，设计了两种基于边的耦合强度和增益的分布式自适应更新策略(即，同步和异步更新策略)，以实现复杂网络的安全同步控制。3) 复杂网络攻击下的CPS容侵与容错协同控制：针对一般线性多智能体系统的基于事件触发的分布式自适应容错一致性控制问题，设计了一种分布式事件触发一致性协议，并采用分布式自适应在线更新策略，避免了拉普拉斯矩阵最小特征值的计算；针对网络物理系统物理层中的执行器故障和网络层的攻击同时发生时的情况，采用新的李雅普诺夫函数，努斯鲍姆型函数和直接自适应技术，构建了一种新的协同设计控制器方案，进一步放松对执行器和传感器攻击信息的需求。