网络攻击下的信息物理系统安全估计与控制

Cyber-physical system (CPS) is the system with a tight composition of computation, communication and control techniques, and is able to provide real-time sensing, dynamic control and information service. However, due to introduction of the communication networks, the seal of the critical infrastructure system is broken, and the network-related security events as well as attack are continually growing. Therefore, security issues of CPS have aroused concerns of industrial sectors around the world, and become a hot research topic. This project studies the secure estimation and control problem for a class of CPSs under cyber attacks. The project will focus on the design of attack detectors and optimal estimators for CPS with DoS and deception attacks. Then, modeling and secure controller design problem will be investigated for CPS with non-symmetry attacks and multi-type attacks. Moreover, relations between the system performance and characteristic parameters of attacks will be established. Finally, a set of effective secure fusion estimation and control methods for CPS will be established in this project.

信息物理系统通过计算、通信和控制技术的有机融合与深度协作，实现大型工业系统的实时感知、动态控制和信息服务。然而，通信网络的引入，使得关键基础设施系统的封闭性被打破，面临着来自网络攻击的安全威胁。信息物理系统的安全问题已得到工业界的广泛关注，并成为一个热点研究课题。本项目将研究网络攻击下的工业信息物理系统安全估计和控制问题的研究，着重解决DoS攻击和欺骗性攻击下的攻击检测、攻击补偿和安全最优估计器设计问题，解决不对称网络攻击和组合攻击下的信息物理系统建模与安全控制器的设计问题，建立攻击特征参数与系统性能之间的关系。最终形成一套有效的信息物理系统安全估计和控制方法。

信息物理系统通过计算、通信和控制技术的有机融合与深度协作，实现大型工业系统的实时感知、动态控制和信息服务。然而，通信网络的引入，使得关键基础设施系统的封闭性被打破，面临着来自网络攻击的安全威胁。信息物理系统的安全问题已得到工业界的广泛关注，并成为一个热点研究课题。本项目基于信息物理系统安全防护的需求，系统性的研究了其中的三大基本问题：攻击检测问题、安全估计问题和安全控制问题。在攻击检测问题中，针对欺骗攻击，分别利用数据驱动方法、基于观测器的方法以及融合估计方法有效的解决了攻击检测的相关问题。在安全估计问题中，考虑系统中存在网络攻击的情况下，为了实现期望的状态估计性能，分别针对DoS攻击和欺骗攻击研究了安全估计问题，包括，DoS攻击下的非线性融合估计问题；注入攻击下基于中间观测器的大规模互联系统的安全估计问题；重放攻击下具有带宽约束的信息物理系统的安全估计问题；DoS攻击下信息物理系统的分布式降维融合估计问题；在安全控制问题中，针对时延攻击和DoS攻击分别研究了基于切换系统方法和基于预测补偿策略的安全控制问题，实现了网络攻击下系统的安全稳定运行。本项目系统性的研究了攻击检测问题、安全估计问题和安全控制问题，形成了从检测到估计到控制的一整套信息物理系统的安全理论和算法。