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计算机研究与发展 2023年第10期60卷 2291-2303页

作者：孙聪曾荟铭宋焕东王运柏张宗旭马建峰西安电子科技大学网络与信息安全学院西安710071

针对无人机(unmanned aerial vehicles,UAV)飞行控制系统的传感器注入攻击能够诱导无人机接受错误的传感器信号或数据,错误估计系统状态,从而威胁无人机的飞行安全.当前针对无人机传感器注入攻击的在线检测和恢复方法存在检测精度不高... 详细信息

针对无人机(unmanned aerial vehicles,UAV)飞行控制系统的传感器注入攻击能够诱导无人机接受错误的传感器信号或数据,错误估计系统状态,从而威胁无人机的飞行安全.当前针对无人机传感器注入攻击的在线检测和恢复方法存在检测精度不高、系统状态恢复缺乏持续性、控制模型精度及检测精度受无人机硬件算力限制的问题.提出了一种基于轻量级机器学习模型的无人机传感器攻击在线检测和恢复方法(machine learning based runtime detection and recovery method against UAV sensor attacks,LDR),利用机器学习模型对非线性反馈控制系统的表征能力相比线性模型更强的特点,构建各传感器对应的预测模型,对不同传感器对应的无人机系统状态进行准确预测,结合提出的缓解预测误差短时振荡的攻击检测算法,对GPS传感器攻击和陀螺仪读数攻击进行有效的检测和系统状态恢复.实验结果表明,所提方法的开销满足飞控系统的实时性要求,具有高可靠性和预测有效性,对典型攻击的在线检测和恢复效果相比现有工作更好.

关键词：无人机异常检测传感器攻击机器学习嵌入式软件

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面向传感器攻击的概率时间窗感知融合算法研究

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计算机学报 2023年第6期46卷 1227-1245页

作者：陈彦峰邓庆绪张天宇孙磊东北大学计算机科学与工程学院沈阳110169

信息物理系统需要部署传感器对真实物理状态进行测量,通过网络传输到控制器实现各类功能.传感器攻击使得控制器接收的物理状态测量值存在较大误差,不能准确反映真实物理状态,从而促使控制器生成错误的决策和控制指令.除传感器攻击外,物... 详细信息

信息物理系统需要部署传感器对真实物理状态进行测量,通过网络传输到控制器实现各类功能.传感器攻击使得控制器接收的物理状态测量值存在较大误差,不能准确反映真实物理状态,从而促使控制器生成错误的决策和控制指令.除传感器攻击外,物理状态估测的准确性还受到两个因素影响:传感器测量过程中存在随机噪声,测量值在网络传输过程中存在随机延迟.针对以上因素,本文设计了能够抵抗传感器攻击的概率时间窗感知融合算法,对随机延迟进行补偿并计算在时间窗内不同传感器的正确概率累积值,进而作为权重调整卡尔曼滤波更新值,减小受攻击的传感器测量值带来的负面影响.自动驾驶车队仿真结果表明,在噪声和延迟的概率信息准确的条件下,与传统卡尔曼滤波、欧拉卡尔曼滤波、间隔融合等算法相比,本文所提出的延迟补偿-概率时间窗卡尔曼滤波算法具有最小的测量误差,物理状态估测累积误差较传统卡尔曼滤波降低67%;即使攻击者完全掌握本文融合算法对传感器进行自适应攻击,本文算法能够将融合值误差控制在可接受范围,系统仍能正常工作.

关键词：信息物理系统随机延迟随机噪声概率论时间窗传感器攻击感知融合

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信息物理系统状态估计与传感器攻击检测

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信息与控制 2021年第5期50卷 609-615页

作者：唐明珠张雯阳郭胜辉苏州科技大学电子与信息工程学院江苏苏州215009

针对信息物理系统易受攻击的问题,提出一种基于未知输入观测器的状态估计和传感器攻击检测方法.考虑到系统网络由多层子系统构成,引入一个整体系统模型.运用广义系统理论,采用拓展向量状态的方式将攻击信号向量化为系统状态,将其化为形... 详细信息

针对信息物理系统易受攻击的问题,提出一种基于未知输入观测器的状态估计和传感器攻击检测方法.考虑到系统网络由多层子系统构成,引入一个整体系统模型.运用广义系统理论,采用拓展向量状态的方式将攻击信号向量化为系统状态,将其化为形式上不含攻击信号的系统.考虑整体系统中存在未知输入信号和未知噪声信号,设计未知输入观测器估计原系统状态.利用状态残差最小协方差矩阵确定观测器增益矩阵,在攻击信号可检测的前提下,检测当至少一个子系统受到传感器攻击时的攻击信号.通过设定警报阈值来提高检测精度.最后的仿真实例通过选择多种参数,说明了提出的方法具有可行性.

关键词：信息物理系统未知输入观测器状态估计传感器攻击

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具有状态时滞和稀疏传感器攻击的信息物理系统的安全状态估计

具有状态时滞和稀疏传感器攻击的信息物理系统的安全状态估计

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作者：张满青岛大学

学位级别：硕士

信息物理系统(Cyber-physical systems,CPS)是指将计算、通信和物理过程深度融合而得到的系统。这样的系统可以充分实现分布式传感、实时信息处理、快速信息传输、实时信息反馈以及动态控制等功能。因此,CPS的应用领域十分广泛,并引起... 详细信息

信息物理系统(Cyber-physical systems,CPS)是指将计算、通信和物理过程深度融合而得到的系统。这样的系统可以充分实现分布式传感、实时信息处理、快速信息传输、实时信息反馈以及动态控制等功能。因此,CPS的应用领域十分广泛,并引起了各界人士的热切关注。传感器网络是CPS的必备组件,也是遭受各类外来攻击的主要目标,而传感器网络遭受外来攻击时往往伴随着CPS安全问题的发生。CPS对实时性的要求较高,但是其结构复杂的特性会导致时滞问题时有发生。CPS所处环境复杂多变,及时观测系统的状态对系统性能的掌握和控制具有重要的实际意义。本文在总结了国内外针对CPS安全状态估计问题研究工作的基础上,首次将状态时滞考虑在内,即针对具有状态时滞的CPS的安全状态估计问题进行讨论。具体的研究内容如下:1.针对具有状态时滞和稀疏传感器攻击的连续线性CPS模型,构造了基于自适应切换机制的安全状态观测器。一方面,利用集合覆盖法确定候选攻击集合,这种方法可以有效地减小攻击集合的搜索空间,提高攻击序列的筛选速度。另一方面,在估计过程中,采用自适应切换机制从候选攻击集合中定位正确的攻击序列。最关键的是基于改进的连续线性时滞系统Lyapunov-Krasovskii(LK)稳定性定理,确定了所设计观测器存在的充分条件。所设计的观测器能够快速地定位正确的攻击模式,最终获取在允许估计误差内的期望估计值。最后,两个仿真例子分别模拟验证了所设计观测器的有效性和快速性。2.针对具有状态时滞和稀疏传感器攻击的离散线性CPS模型,构造了基于投影算子的安全状态观测器。首先,利用投影算子来确定正确的攻击集,并获得相应的切换增益矩阵,这种方法可以有效地避免估计误差激增的问题。此外,在改进的离散线性时滞系统LK稳定性定理的基础上,确定了安全状态观测器存在的充分条件及其设计方法。所设计的安全状态观测器具备较高的估计准确性,这一点通过两个仿真示例得到了验证。最后,总结了全文所做的工作,并指出了下一步的研究方向。

关键词：信息物理系统安全状态估计状态时滞传感器攻击改进的Lyapunov-Krasovskii稳定性定理

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传感器受攻击的切换信息物理系统自适应控制问题研究

传感器受攻击的切换信息物理系统自适应控制问题研究

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作者：李炬沈阳工业大学

学位级别：硕士

随着信息化和工业化的深度融合,传统的切换系统已经不能满足现代生产装备信息化和网络化的需求,切换信息物理系统是一个集物理过程、网络通信和自动控制于一体的多维复杂系统。通过将计算和通信集成到物理过程中,实现了计算、通信与物... 详细信息

随着信息化和工业化的深度融合,传统的切换系统已经不能满足现代生产装备信息化和网络化的需求,切换信息物理系统是一个集物理过程、网络通信和自动控制于一体的多维复杂系统。通过将计算和通信集成到物理过程中,实现了计算、通信与物理过程的高度融合,使系统具备实时感知和动态控制的能力。但是由于通信过程的开放性,系统容易受到网络攻击的影响,导致系统性能下降,甚至破坏稳定性。因此,如何进行控制设计来保证切换信息物理系统受到网络攻击后仍能稳定的完成设定任务显得极为重要。为了解决上述问题,本文研究了传感器受到不同类型攻击下切换信息物理系统的稳定性问题。针对攻击信号的不同形式,进行相应的数学建模,设计自适应控制器、自适应律和切换信号,来保证切换信息物理系统的稳定性。本文的主要工作如下:(1)研究了带有未知常值状态无关的攻击信号下切换信息物理系统的稳定性,在攻击信号与状态无关的情况下,设计了一个状态观测器来预估系统状态的变化,并设计对应的自适应控制器和自适应律来抵消未知攻击信号给系统带来的影响。采用平均驻留时间的方法设计合适的切换信号。利用多Lyapunov函数方法证明了切换信息物理系统的稳定性。(2)研究了带有未知常值状态相关的攻击信号下切换信息物理系统的稳定性,首先给出了相关定义,针对未知常值状态相关的攻击信号,设计自适应控制器和自适应律来改善传感器被攻击后系统的不稳定性。其次,采用平均驻留时间的方法设计合适的切换信号。最后,利用多Lyapunov函数方法证明了切换信息物理系统的稳定性。(3)进一步研究了带有未知时变状态相关项的攻击信号下研究切换信息物理系统的稳定性。针对攻击信号既是时变的又是状态相关的情况,设计一个自适应控制器和参数投影自适应律来保证自适应参数的有界性,设计具有平均驻留时间约束的切换信号。利用多Lyapunov函数方法来证明切换信息物理系统的稳定性。(4)通过飞行器的例子进行仿真测试,并给出仿真结果和分析,仿真结果表明所设计的控制器和自适应律能够保证传感器受攻击后系统依旧是稳定的,验证了前面理论的正确性。

关键词：切换系统信息物理系统平均驻留时间传感器攻击

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具有时变参数的不确定非线性系统的自适应控制研究

具有时变参数的不确定非线性系统的自适应控制研究

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作者：刘圳强广东工业大学

学位级别：硕士

最近几十年,针对非线性系统的自适应控制研究已经有了许多重要的成果,对整个自适应控制领域的发展起到十分重要的作用。但是,一些针对时不变参数非线性系统自适应镇定控制的算法,在具有时变参数的不确定非线性系统中并不适用。因此,具... 详细信息

最近几十年,针对非线性系统的自适应控制研究已经有了许多重要的成果,对整个自适应控制领域的发展起到十分重要的作用。但是,一些针对时不变参数非线性系统自适应镇定控制的算法,在具有时变参数的不确定非线性系统中并不适用。因此,具有时变参数的不确定非线性系统的自适应镇定控制问题是控制领域一直以来需要深入探讨的重要研究方向。针对具有时变参数的不确定非线性系统的自适应镇定控制问题,本文应用了一种称为变量凝结的方法,将其推广到几类具有时变参数的不确定非线性系统中。具体研究内容如下:（1）研究一类具有时变参数的不确定非线性系统自适应输出反馈镇定控制问题。在系统存在未知时变参数和未知控制方向的情况下,应用变量凝结法处理未知时变参数,同时由于输出反馈下系统部分状态不可测,因此通过结合新的自适应观测器设计和经典的反步法,并通过引入调节函数来简化参数估计过程,由此得到一种新的自适应控制方案。所设输出反馈控制器在系统存在未知时变参数的情况下,能够保证系统输出渐近收敛到零,同时确保系统所有闭环信号的有界性。（2）针对一类在时变传感器攻击下的不确定非线性系统,由于存在传感器攻击的影响,系统多个参数会变得未知且时变,难以处理。为了解决这一问题,提出了一种新的自适应控制方案。该方案通过应用变量凝结法和Nussbaum函数对传感器攻击引起的未知时变参数和未知时变控制增益进行处理,并利用调节函数简化参数估计的过程,最终所设计的控制器能够保证系统的状态渐近收敛到零,同时确保系统的所有闭环信号的有界性。（3）在上述研究内容的基础上,进一步研究.既存在时变传感器攻击又存在时变执行器攻击下不确定非线性系统的自适应控制问题。针对系统存在传感器攻击和执行器攻击的影响,此时系统会出现多种类型的未知时变参数,因此,提出一种改进的自适应控制方案来解决这一难题。通过结合变量凝结法和Nussbaum函数对传感器和执行器攻击引起的多个未知时变参数和未知时变控制增益进行处理,并使用调节函数避免过参数化问题,所设控制器能够在系统存在多种类型的未知时变参数和未知时变控制增益的情况下,保证系统的状态渐近收敛到零,同时确保系统的所有闭环信号的有界性。

关键词：自适应控制时变参数输出反馈传感器攻击执行器攻击

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