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信息物理融合系统

自动化学报 2012年第4期38卷 507-517页

作者：温景容武穆清宿景芳北京邮电大学信息与通信工程学院网络体系构建与融合北京市重点实验室北京100876 河北科技大学信息科学与工程学院石家庄050018

信息物理融合系统(Cyber-physical system,CPS)是计算、通信和物理过程高度集成的系统,通过在物理设备中嵌入感知、通信和计算能力,实现对外部环境的分布式感知、可靠数据传输、智能信息处理,并通过反馈机制实现对物理过程的实时控制.... 详细信息

信息物理融合系统(Cyber-physical system,CPS)是计算、通信和物理过程高度集成的系统,通过在物理设备中嵌入感知、通信和计算能力,实现对外部环境的分布式感知、可靠数据传输、智能信息处理,并通过反馈机制实现对物理过程的实时控制.分析了CPS的基本概念和特征,对CPS的体系架构、中间件系统、实时性、安全和隐私等关键技术的现有研究成果进行综述,并提出了相应的研究思路;然后介绍了一些现有的CPS原型系统和实例,体现出CPS的优越性;最后对CPS和传感器网络(Wireless sensor network,WSN)、物联网(The internet of things,IOT)、网络控制系统(Networked control systems,NCSs)进行了对比分析,总结了CPS现有研究中存在的问题,并展望了CPS的发展方向.

关键词：信息物理融合系统体系架构中间件实时性安全和隐私

信息物理融合系统中恶意病毒传播的稳定性与分岔分析

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控制工程 2023年

作者：程浩宽肖敏南京邮电大学自动化学院

为研究恶意病毒在信息物理融合系统(cyber physical systems，CPS)中的传播机理，对一类具有双线性发生率的SIR(Susceptible Infected Recovered)模型进行改进，提出了一种更具一般性且含有时滞的SIR恶意病毒模型。通过选取时滞作为分... 详细信息

为研究恶意病毒在信息物理融合系统(cyber physical systems，CPS)中的传播机理，对一类具有双线性发生率的SIR(Susceptible Infected Recovered)模型进行改进，提出了一种更具一般性且含有时滞的SIR恶意病毒模型。通过选取时滞作为分岔参数，基于稳定性理论和Hopf分岔定理对该模型的复杂动力学行为进行分析，得出了Hopf分岔的条件。研究表明，系统的动力学行为依赖于分岔的临界值。此外，进一步应用范数理论和中心流形定理得出了关于Hopf分岔方向的计算公式。最后通过数值仿真验证理论分析的正确性。

关键词：信息物理融合系统恶意病毒稳定性时滞 Hopf分岔分岔方向

时滞和扩散驱动下信息物理融合系统恶意病毒传播动力学

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控制理论与应用 2022年第8期39卷 1407-1416页

作者：庄乾辉肖敏王赫邱建龙梁金玲蒋海军南京邮电大学自动化学院人工智能学院江苏南京210023 临沂大学自动化与电气工程学院山东临沂276000 东南大学数学学院江苏南京210096 新疆大学数学与系统科学学院新疆乌鲁木齐830047

本文提出了信息物理融合系统(CPS)中具有反应扩散效应的时滞恶意病毒传播模型,研究了恶意病毒传播的空间格局动态演化机制,为恶意病毒在信息物理融合系统中预测和控制提供了战略指导.给出了模型的基本再生产数,并分析了空间中无病毒平... 详细信息

本文提出了信息物理融合系统(CPS)中具有反应扩散效应的时滞恶意病毒传播模型,研究了恶意病毒传播的空间格局动态演化机制,为恶意病毒在信息物理融合系统中预测和控制提供了战略指导.给出了模型的基本再生产数,并分析了空间中无病毒平衡点和地方病毒平衡点的存在性.在无时滞条件下建立了扩散引发的图灵不稳定条件;在有时滞条件下得到了时滞依赖的稳定性条件和Hopf分岔判据.最后,通过数值仿真验证了理论分析的正确性.

关键词：反应扩散效应信息物理融合系统恶意病毒基本再生数图灵不稳定 Hopf分岔

基于鲁棒性能的信息物理融合系统乘性攻击检测

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控制理论与应用 2022年第10期39卷 1952-1960页

作者：赵振根李渝哲南京航空航天大学自动化学院江苏南京211106 东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室辽宁沈阳110004

针对信息物理融合系统乘性攻击检测的难题,本文提出两种基于鲁棒性能的乘性攻击检测与数据驱动实现策略.首先,利用互质分解和间隙度量理论,建立信息物理融合系统和乘性攻击模型.其次,利用稳定裕度性能指标,评估乘性攻击对闭环系统稳定... 详细信息

针对信息物理融合系统乘性攻击检测的难题,本文提出两种基于鲁棒性能的乘性攻击检测与数据驱动实现策略.首先,利用互质分解和间隙度量理论,建立信息物理融合系统和乘性攻击模型.其次,利用稳定裕度性能指标,评估乘性攻击对闭环系统稳定性能的影响,给出了稳定裕度的下界.再次,提出基于稳定裕度和基于残差鲁棒性能的乘性攻击检测策略,并设计相应的检测阈值和检测逻辑.进一步,利用子空间辨识方法,在线辨识稳定裕度和残差鲁棒性能,提出基于鲁棒性能的乘性攻击检测的数据驱动实现方法.最后,利用飞行器系统的仿真,验证了所提出的基于鲁棒性能的乘性攻击检测方法的有效性.

关键词：信息物理融合系统攻击检测稳定裕度数据驱动

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信息物理融合系统中移动目标防御技术研究

信息物理融合系统中移动目标防御技术研究

作者：王少东沈阳航空航天大学

学位级别：硕士

随着通信技术、计算机网络技术和控制技术的不断发展与融合,信息物理融合系统应运而生并被广泛应用到各行各业。但是,由于该系统具有开放和共享的特性,使其容易遭受来自外界的攻击。因此研究信息物理融合系统中的攻击检测问题是非常有... 详细信息

随着通信技术、计算机网络技术和控制技术的不断发展与融合,信息物理融合系统应运而生并被广泛应用到各行各业。但是,由于该系统具有开放和共享的特性,使其容易遭受来自外界的攻击。因此研究信息物理融合系统中的攻击检测问题是非常有意义的。本文主要研究信息物理融合系统中基于移动目标防御（Moving Target Defense,MTD）的攻击检测问题。首先,研究了连续时间线性时不变系统受到假数据注入（False-Data-Injection,FDI）攻击时的攻击检测问题。通过基于切换的MTD策略来检测恶意的FDI攻击,然后利用攻击者可获得的系统知识来构建隐形攻击,并分析了MTD策略的工作原理。此外,为了降低数据传输的负担,在系统中考虑了事件触发机制。其次,研究了离散时间线性时不变系统在FDI攻击下的攻击检测问题。采用基于水印和移动目标防御的混合策略来检测FDI攻击,并给出了切换系统保证鲁棒稳定且具有H扰动衰减度的充分条件。为了减小攻击对系统性能的影响,给出了系统应对攻击所做出的响应,并分析了攻击在响应前后对系统性能的影响。最后,研究了离散时间线性时不变系统在隐秘攻击下的攻击检测问题。为了检测隐秘攻击,并增加隐秘攻击的设计难度,在系统中引入了MTD策略和时变常数。此外,设计隐秘攻击所需满足的条件将在两种情况下给出,即攻击者是否可以攻击所有输出通道,并分析了所提出的MTD策略和时变常数对隐秘攻击设计的影响。

关键词：信息物理融合系统移动目标防御攻击检测假数据注入事件触发

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信息物理融合系统可信性建模与分析

信息物理融合系统可信性建模与分析

作者：高红霞西安科技大学

学位级别：硕士

随着计算机技术、通信技术以及控制技术的不断发展,人们不再满足于扩充现有系统功能,而是对各类嵌入式系统提出信息化、智能化等新的需求。在这一需求引导下,信息物理融合系统(Cyber-Physical System,CPS)应运而生。CPS是一种新型智能系... 详细信息

随着计算机技术、通信技术以及控制技术的不断发展,人们不再满足于扩充现有系统功能,而是对各类嵌入式系统提出信息化、智能化等新的需求。在这一需求引导下,信息物理融合系统(Cyber-Physical System,CPS)应运而生。CPS是一种新型智能系统,它实现了计算、通信和控制功能的深度融合。目前,CPS已被广泛应用于国防、智能电网和航空航天等安全关键领域中,容易遭受网络攻击,一旦遭受攻击,将可能导致CPS功能受损或发生故障等,从而引发安全事故,因此其可信性面临严峻挑战。为了对CPS可信性进行评估,本文根据CPS特点,利用广义随机Petri网(Generalized Stochastic Petri Nets,GSPN)对CPS可信性进行建模和分析,得到CPS初始可信度;为了研究CPS可信性演化过程,本文引入非线性动力学理论及方法,构建恶意软件在CPS中的传播模型,通过研究其动力学行为,揭示CPS可信性演化机理。本文主要研究内容如下:(1)根据系统可信性理论,阐述CPS可信性概念,提出CPS可信性度量方法和步骤。首先,根据CPS特点及面临的安全威胁,建立CPS可信性度量指标,利用GSPN构建CPS可信性模型。其次,根据GSPN与连续时间马尔科夫链的同构性,得到所建模型的可达图及同构马尔科夫链。最后,通过对马尔科夫链进行计算,求得模型稳态概率和暂态概率,从而得到可信性指标的值并最终对CPS可信性进行定量评估,为分析CPS可信性演化机理等后续工作奠定了基础。(2)构建了具有两种感染率的恶意软件传播模型,并在此基础上建立CPS可信性演化动力学模型。首先,求取恶意软件传播模型的平衡点和基本再生数,分析平衡点的稳定性并求出其稳定条件。其次,通过对平衡点的稳定性分析,证明所建模型会发生跨临界分岔。通过对模型的动力学行为进行深入分析,揭示了 CPS可信性演化机理。在上述分析的基础上,利用仿真对模型动力学行为进行验证,并直观地展示了 CPS可信性演化过程。本文通过对CPS可信性评估以及可信性演化过程的分析,为CPS可信性评估方法提供了新的思路,并且对控制恶意软件在CPS中的传播,提高CPS可信性具有一定的理论和实际意义。

关键词：信息物理融合系统广义随机Petri网可信性非线性动力学演化

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信息物理融合系统的水印加密防御策略研究

信息物理融合系统的水印加密防御策略研究

作者：王心瑞沈阳航空航天大学

学位级别：硕士

近年来,由于计算机、通信和控制与物理系统的全面集成导致了信息物理融合系统(Cyber-Physical Systems,CPS)这一领域的研究受到了越来越多的关注。CPS可以提高传统工程系统的能力,可应用于不同环境。但CPS中存在着一个关键的、普遍的问... 详细信息

近年来,由于计算机、通信和控制与物理系统的全面集成导致了信息物理融合系统(Cyber-Physical Systems,CPS)这一领域的研究受到了越来越多的关注。CPS可以提高传统工程系统的能力,可应用于不同环境。但CPS中存在着一个关键的、普遍的问题,即CPS在面对网络攻击时的安全性没有受到保障。使用未受保护的无线网络会使系统的漏洞暴露于恶意的网络攻击之下,这可能对国民经济造成巨大损害,甚至造成巨大的生命损失。因此,本文致力于研究一种新的动态水印加密防御策略用于CPS中的隐蔽攻击的检测问题,以及检测到攻击后的控制问题。本文主要工作内容如下:首先,给出了CPS及其攻击检测的相关知识。建立了CPS系统数学模型,给出了用于状态估计的卡尔曼滤波器、用于最优控制的线性二次型高斯控制器,以及用于检测异常的卡方检测器。在此基础上,设计了本文检测研究中所需用到的攻击模型,并给出了由无线网络控制的倒立摆系统仿真模型。然后,针对CPS的网络安全,揭示出现有水印加密方案的不足,并提出了一种新的水印加密主动防御策略,即利用伪随机数作为水印来保护无线网络中的传输数据。为了提高检测率,本文设计了随时间变化的动态水印。通过水印加密、解密的方式,在系统中不存在攻击时可以恢复原有的传输数据,从而不影响原系统性能。对于攻击者而言,被攻击者修改的数据改变了水印特性,使得卡方检测器能够检测到之前检测不到的隐秘攻击。之后针对不同种类的攻击,在不同水印泄露的情况下分析了相应的检测效果和攻击对系统性能的影响。最后,设计一种基于模型预测的弹性控制算法,并根据该算法的思想,研究了两种与其不同的弹性控制算法。通过研究、对比这三种弹性控制算法,发现这三种算法均有良好的弹性效果,可以从攻击中恢复系统性能。

关键词：信息物理融合系统水印加密卡尔曼滤波弹性控制

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信息物理融合系统在餐饮厨房领域的应用研究

信息物理融合系统在餐饮厨房领域的应用研究

作者：刘洪西南科技大学

学位级别：硕士

当前国民经济的快速增长,以及城市的快速工业化和现代化建设,为餐饮行业发展提供了广阔的市场空间,但是餐饮行业现有的加工设备技术整体低端、设备功能性不强,而且还是靠大量人工进行加工烹饪,导致成本居高不下。信息物理融合系统具有... 详细信息

当前国民经济的快速增长,以及城市的快速工业化和现代化建设,为餐饮行业发展提供了广阔的市场空间,但是餐饮行业现有的加工设备技术整体低端、设备功能性不强,而且还是靠大量人工进行加工烹饪,导致成本居高不下。信息物理融合系统具有开放性、动态性和多维度的技术结构特点,同时还具备自主适应物理环境的动态变化,具备自适应、重配置的能力,在餐饮行业的应用,可以实现智能控制和提供高质量的服务。将信息物理融合系统通过互联技术在餐饮行业领域进行示范性应用,可以为传统的餐饮行业产业升级带来一定的技术支撑,并为该行业其它企业技术升级提供标杆研究。本文从信息物理融合系统的科学性、先进性角度出发,结合目前传统餐饮行业的餐饮厨房设备整体技术低端、设备制造工艺粗糙的处境,探索餐饮行业的创新之路,探究信息物理融合系统与传统餐饮行业相互结合的技术可能性,丰富信息物理融合系统在餐饮行业实施应用的重要价值,解决餐饮行业面临的技术升级难、设备功能性不强、设备无技术含量以及无创新等发展问题。通过具体的示范项目构建能同时满足餐饮企业全方位统筹管理、技术可实现以及商业可行性三方面的解决方案;建立一套具有科学性、先进性、智能化的商用智能厨房系统;通过项目实施,对信息物理融合系统不断的更新完善,从而形成一整套成熟的针对商用智能厨房设备的信息物理融合系统。

关键词：信息物理融合系统商用智能厨房系统信息互联产业升级普适性应用

数据推断:信息物理融合系统数据泄露威胁范式和防御方法

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中国科学：信息科学 2023年第11期53卷 2152-2179页

作者：刘烃王子骏刘杨周亚东吴江鲍远义吴桐管晓宏西安交通大学电子与信息学部西安710049 智能网络与网络安全教育部重点实验室西安710049 国家能源局信息中心北京100824

随着计算单元和物理对象的高度集成,信息系统和物理系统正逐渐耦合发展为信息物理融合系统(cyber-physical system,CPS).根据CPS物理系统的客观规律,或业务流程间的复杂关联关系,CPS数据之间存在相互推断的可能;当出现从低安全域数据向... 详细信息

随着计算单元和物理对象的高度集成,信息系统和物理系统正逐渐耦合发展为信息物理融合系统(cyber-physical system,CPS).根据CPS物理系统的客观规律,或业务流程间的复杂关联关系,CPS数据之间存在相互推断的可能;当出现从低安全域数据向高安全域数据的准确推断途径时,将引发推断型数据泄露威胁.本文通过分析数据推断引发的CPS数据泄露事件,从数据窃取和数据推断两个维度,提出数据泄露威胁的范式;将数据推断归纳为3类问题:状态估计问题、参数辨识问题和盲源分离问题,从模型驱动、数据驱动和数据–模型双驱动的角度,总结了数据推断的方法和算法.以电力市场为例,展示了基于公开电价数据推断电力系统关键参数的过程,验证了数据推断可以引发严重CPS数据泄露威胁.同时,分析了现有数据保护方法应对数据推断攻击时面临的挑战,探讨了CPS数据推断防御和数据安全治理的研究方向.

关键词：数据安全信息物理融合系统数据泄露威胁范式数据推断