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工业信息物理系统间隙DoS攻击的自适应事件触发稳定控制

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华南理工大学学报（自然科学版） 2023年第3期51卷 146-156页

作者：孙子文刘加磊江南大学物联网工程学院江苏无锡214122 物联网技术应用教育部工程研究中心江苏无锡214122

针对具有间隙拒绝服务(DoS)攻击的工业信息物理系统(ICPS),研究一种基于观测器的自适应事件触发稳定控制方案。首先构造一个观测器估计系统状态,并采用一种新的自适应事件触发通信方案以节约网络资源;然后通过受频率和持续时间限制的间... 详细信息

针对具有间隙拒绝服务(DoS)攻击的工业信息物理系统(ICPS),研究一种基于观测器的自适应事件触发稳定控制方案。首先构造一个观测器估计系统状态,并采用一种新的自适应事件触发通信方案以节约网络资源;然后通过受频率和持续时间限制的间隙DoS攻击对ICPS的影响建立攻击模型,将受到DoS攻击的ICPS划分为DoS攻击活跃期系统和DoS攻击休眠期系统,并用一些过去成功触发状态重构当前受到攻击的状态,得到基于动态估计器的攻击补偿机制,保证系统在DoS攻击活跃期间的渐进稳定;最后运用分段Lyapunov泛函方法、Jensen’s不等式和Schur补引理,得到系统的稳定条件,并提出自适应事件触发参数、观测器增益和控制器增益的协同设计方案。用间歇反应器系统模拟间隙DoS攻击下基于自适应事件触发的ICPS系统稳定性能。仿真结果表明,自适应事件触发策略和基于动态估计器的补偿机制不仅能够提升系统的稳定性,还能有效降低数据传输的次数,系统在静态事件触发策略下的触发次数大约是在自适应事件触发策略下的4.5倍。

关键词：工业信息物理系统间隙拒绝服务攻击自适应事件触发稳定控制状态重构观测器

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工业信息物理系统漏洞节点的攻击图评估方法

控制工程 2023年

作者：周翔荣孙子文江南大学物联网技术应用教育部工程研究中心江南大学物联网学院

跨域信息攻击极大地影响了工业信息物理系统(Industry Cyber Physical System， ICPS)的安全，为评估工业信息物理系统的漏洞节点，本文采用基于攻击图模型的最小成本分析法。首先将系统中各个物理组件以及它们所具有的网络漏洞抽象为... 详细信息

跨域信息攻击极大地影响了工业信息物理系统(Industry Cyber Physical System， ICPS)的安全，为评估工业信息物理系统的漏洞节点，本文采用基于攻击图模型的最小成本分析法。首先将系统中各个物理组件以及它们所具有的网络漏洞抽象为攻击图中的节点，根据各个物理组件的“与”“或”关系构建整个ICPS系统的“与”“或”攻击图，攻击图中节点的权重为攻击成本；然后，将整个攻击图的节点及权重转化为合取范式等价逻辑公式，采用多叉树剪枝策略求解最小攻击成本以及系统漏洞节点。通过MATLAB对废水发电厂模型进行仿真，以最小攻击成本得出废水发电厂模型的漏洞节点。

关键词：工业信息物理系统系统评估节点被攻击成功概率最小攻击成本漏洞节点

工业信息物理系统风险评估的博弈模型及漏洞分析策略

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工业信息物理系统风险评估的博弈模型及漏洞分析策略

作者：周翔荣江南大学

学位级别：硕士

随着科技发展,时代进步,物与人的数字化进程正在迅速加快,工业系统的智能化水平不断提高,数据的监控与分析不再需要人为操作,而是由决策系统通过复杂的网络控制着物理空间。这些集成了现代传感器、网络和计算技术的系统,被广泛应用于工... 详细信息

随着科技发展,时代进步,物与人的数字化进程正在迅速加快,工业系统的智能化水平不断提高,数据的监控与分析不再需要人为操作,而是由决策系统通过复杂的网络控制着物理空间。这些集成了现代传感器、网络和计算技术的系统,被广泛应用于工业领域,形成工业信息物理系统(Industrial Cyber Physical System,ICPS)。在ICPS中,工业组件与网络组件高度耦合,且工控系统并未考虑与外界网络接合的密切性,使得其极易受到物理世界和网络世界的攻击,如何精准高效地防御外来的攻击成为ICPS的重点研究方向之一。安全风险评估是保证ICPS安全不可或缺的部分,它度量系统的安全级别,帮助专业安全工作人员快速识别系统较为薄弱的区域。为评估网络攻击下ICPS的风险,本文结合定性和定量的安全风险评估方法确定ICPS的风险等级,并通过攻击图的最小攻击成本算法寻找系统漏洞节点,主要研究内容如下:(1)研究ICPS中物理组件的连接关系,建立攻击树模型,通过攻防混合博弈确定ICPS的风险等级。首先,根据ICPS中各个物理组件的“与”“或”关系建立整体攻击树模型,并在攻击树的叶子节点中加入攻防混合博弈策略,给出攻击和防御方式的收益函数,求解不同防御方式发生的概率;然后,以防御方式的收益函数和发生的概率求得每种防御方式的风险值,采用层次分析法和熵权法的综合赋权得出叶子节点风险值,以此求出根节点风险值,确定系统的风险等级。采用MATLAB对沸水发电厂进行仿真,确定其风险等级,仿真结果表明,本文给出的风险评估方法能有效地评估工业信息物理系统的风险值。(2)研究ICPS的攻击图模型,以最小攻击成本算法寻找系统漏洞节点。为了寻找系统漏洞节点,首先,通过攻击图可视化攻击者的攻击路径,并定义攻击图中节点权重为攻击成本;以组件被攻击成功的概率和攻击后系统所量化的损失作为攻击成本,得到系统漏洞节点为攻击者最小攻击成本时所对应的物理组件;将攻击图转化为等价合取范式,对合取范式采用多叉树剪枝算法求解最小攻击成本及对应的漏洞节点,方便后续的增强。对沸水发电厂采取后续的风险评估,以最小攻击成本算法求解系统的漏洞节点,仿真结果表明,本文给出的方法能有效地寻找系统的漏洞节点,对ICPS的增强方案提供指导意义。(3)设计基于攻击树和攻击图的沸水发电ICPS风险管理系统,该系统由风险评估、巡检日历和风险周报三个模块组成。风险评估模块通过漏洞扫描工具Nesuss、Mc Afee扫描系统中的漏洞并进行展示,确定系统风险等级,通过Graohviz软件实现攻击图的可视化输出,求解系统的漏洞节点;巡检日历模块为漏洞节点添加维修计划并加入巡检日历,同时展示巡检人员和巡检报告信息;风险周报模块主要用于统计一周内不同区域的漏洞、报警和维修计划数量的变化情况。

关键词：工业信息物理系统安全风险评估攻击树攻防博弈攻击图最小成本

工业信息物理系统数据注入攻击的事件触发弹性控制

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控制理论与应用 2020年第10期37卷 2134-2146页

作者：陈峰孙子文江南大学物联网工程学院江苏无锡214122 物联网技术应用教育部工程研究中心江苏无锡214122

工业信息物理系统(ICPS)恶劣的工业环境使得无线通信网络的通信资源有限,且通信网络的脆弱性使得系统的稳定性容易受到数据注入攻击的破坏.本文基于输入到状态理论,采用H1观测器、预测器和事件触发器建立基于事件触发的ICPS模型来降低... 详细信息

工业信息物理系统(ICPS)恶劣的工业环境使得无线通信网络的通信资源有限,且通信网络的脆弱性使得系统的稳定性容易受到数据注入攻击的破坏.本文基于输入到状态理论,采用H1观测器、预测器和事件触发器建立基于事件触发的ICPS模型来降低通信资源的使用率,并构造基于改进卡尔曼滤波器的攻击补偿模块进行攻击补偿,攻击补偿模块的参数随着攻击者攻击策略不同而进行改变,实现对数据注入攻击的弹性控制.用MATLAB软件进行仿真实验,以倒立摆作为被控对象,模拟基于事件触发的ICPS模型受到数据注入攻击时系统的稳定性能.仿真结果表明,事件触发控制策略和基于改进卡尔曼滤波器的攻击补偿模块的组合不仅能够保证系统期望的稳定性,还能有效减少数据通过无线网络传输的次数.

关键词：工业信息物理系统事件触发卡尔曼滤波器输入到状态稳定数据注入攻击

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工业信息物理系统的攻击建模研究

控制与决策 2019年第11期34卷 2323-2329页

作者：孙子文张炎棋江南大学物联网工程学院江苏无锡214122 物联网技术应用教育部工程研究中心江苏无锡214122

无线通信网络的脆弱性使得工业信息物理系统易遭受各类网络攻击.为了更深入地了解不同网络攻击的特征进而建立有效的防御措施,构建一种线性时不变离散系统的工业信息物理系统结构;深入研究信息物理系统攻击者攻击空间及攻击者攻击模型,... 详细信息

无线通信网络的脆弱性使得工业信息物理系统易遭受各类网络攻击.为了更深入地了解不同网络攻击的特征进而建立有效的防御措施,构建一种线性时不变离散系统的工业信息物理系统结构;深入研究信息物理系统攻击者攻击空间及攻击者攻击模型,采用控制理论方法研究攻击空间模型的模型知识、披露资源和破坏资源的数学表达;对拒绝服务攻击、重放攻击、虚假数据注入攻击3种典型网络攻击的基本特性,以及对应攻击下攻击模型的表现形式进行分析.通过Simulink/Truetime仿真工具对破坏性和隐蔽性性能进行仿真实验.结果表明,所研究的攻击空间模型及攻击者攻击模型能够有效地描述网络攻击的攻击特性.

关键词：工业信息物理系统模型知识攻击策略网络攻击隐蔽性异常检测器

工业信息物理系统安全风险动态表现分析量化评估模型

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控制与决策 2021年第8期36卷 1939-1946页

作者：孙子文张书国江南大学物联网工程学院江苏无锡214122 物联网技术应用教育部工程研究中心江苏无锡214122

针对当前工业信息物理系统的安全风险评估模型极少考虑系统的动态进程对评估准确性的影响,给出一种工业信息物理系统安全风险动态表现分析量化评估模型.首先,运用贝叶斯网络对攻击在网络层的入侵过程建模,计算网络攻击成功入侵的概率;然... 详细信息

针对当前工业信息物理系统的安全风险评估模型极少考虑系统的动态进程对评估准确性的影响,给出一种工业信息物理系统安全风险动态表现分析量化评估模型.首先,运用贝叶斯网络对攻击在网络层的入侵过程建模,计算网络攻击成功入侵的概率;然后,在攻击成功入侵的前提下,采用卡尔曼状态观测器实时观测被控对象的状态,研究系统的动态表现,定量分析系统的表现损失,从经济损失的角度量化攻击对系统造成的影响,并结合攻击成功入侵的概率,实现对系统安全风险的动态评估.最后,通过Matlab对攻击下沸水发电厂模型的运行状态进行仿真,结果表明所提模型能有效地评估工业信息物理系统的风险.

关键词：工业信息物理系统风险评估动态分析贝叶斯网络网络攻击攻击影响

新型ADETCS下工业信息物理系统综合安全控制

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北京航空航天大学学报 2023年

作者：李炜程雪李亚洁兰州理工大学电气与控制工程国家级实验教学示范中心甘肃省工业过程先进控制重点实验室兰州理工大学电气工程与信息工程学院

针对一类虚假数据注入(FDI)攻击与故障共存的工业信息物理系统(ICPS)，在新型自适应离散事件触发通讯机制(ADETCS)下，研究了综合安全控制与通讯的协同设计问题。首先，引入了ADETCS取代传统离散事件触发通讯机制，构建了安全与通讯可... 详细信息

针对一类虚假数据注入(FDI)攻击与故障共存的工业信息物理系统(ICPS)，在新型自适应离散事件触发通讯机制(ADETCS)下，研究了综合安全控制与通讯的协同设计问题。首先，引入了ADETCS取代传统离散事件触发通讯机制，构建了安全与通讯可自适应协同优化运行的ICPS架构；其次，通过对ADETCS中阈值函数λ的优化设计，获得了一种可随系统动态行为双向连续变化的新型ADETCS；接着，在该机制下基于主动容侵和容错的思想，通过构造Lyapunov泛函，借助新型Bessel-Legebdre不等式、锥补线性化(CCL)等少保守性技术，在统一的自适应变采样框架下，推证出了鲁棒估计器与综合安全控制器的求解方法，从而使ICPS可同时防御FDI攻击与故障，并具有了更优的自适应通讯调节能力。仿真结果表明，新型ADETCS中λ的巧妙设计及CCL的应用，较现存通信机制和设计方法，可使ICPS的综合安全控制性能与资源节约获得更优的折衷平衡。

关键词：新型自适应离散事件触发通讯机制工业信息物理系统综合安全控制锥补线性化动态优化平衡

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工业信息物理系统攻击检测增强模型

信息与控制 2021年第4期50卷 410-418页

作者：邓志刚孙子文江南大学物联网工程学院江苏无锡214122 物联网技术应用教育部工程研究中心江苏无锡214122

针对工业信息物理系统数据不平衡,从而使得基于深度学习的攻击检测方法对稀有攻击检测率低的问题,提出了一种工业信息物理系统攻击检测增强模型.该模型从原始数据集中选取出稀有攻击样本,使用梯度惩罚Wasserstein距离生成式对抗网络进... 详细信息

针对工业信息物理系统数据不平衡,从而使得基于深度学习的攻击检测方法对稀有攻击检测率低的问题,提出了一种工业信息物理系统攻击检测增强模型.该模型从原始数据集中选取出稀有攻击样本,使用梯度惩罚Wasserstein距离生成式对抗网络进行稀有攻击样本扩充,并将扩充得到的样本与原始数据集混合,形成新的数据集用于训练多层感知机,实现攻击检测.为检验模型性能,使用以Modbus作为通信协议的真实数据集进行测试.实验结果表明,与广泛采用的数据增强方法相比,攻击检测增强模型能显著改善攻击检测的能力.

关键词：工业信息物理系统攻击检测生成式对抗网络多层感知机数据增强

基于相依网络的工业信息物理系统脆弱性评估方法研究

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基于相依网络的工业信息物理系统脆弱性评估方法研究

作者：耿一帆华中科技大学

学位级别：硕士

工业信息物理系统作为工业生产基础设施的关键,其信息-物理域的高度耦合特性虽然提高了信息空间对物理进程管理的有效性和实时性,但同时使得系统安全边界模糊化。信息安全攻击极易利用静态脆弱点或动态薄弱环节入侵至系统内部,并逐步跨... 详细信息

工业信息物理系统作为工业生产基础设施的关键,其信息-物理域的高度耦合特性虽然提高了信息空间对物理进程管理的有效性和实时性,但同时使得系统安全边界模糊化。信息安全攻击极易利用静态脆弱点或动态薄弱环节入侵至系统内部,并逐步跨域渗透至物理域引发系统大规模级联故障。因此,设计工业信息物理系统脆弱性评估框架并探究关键评估技术是保障系统稳定运行的首要前提。根据系统脆弱性评估需求,本文从四个方面展开深入研究。首先,针对现有工作缺乏考虑信息-物理域复杂交互特点且关注局部脆弱性的问题,分析工业信息物理系统拓扑结构以及交互特性,从单域、跨域以及动静态维度综合设计系统脆弱性评估框架;其次,针对系统多域间耦合交互关系复杂且难量化的问题,提出基于拓扑和业务特征的多域相依关系评估方法,通过构建工业信息物理系统相依网络模型来实现跨域脆弱性渗透程度的量化。在此基础上,为了克服系统静态脆弱性评估指标单一化的挑战,提出基于结构重要度、业务量以及相依关系的静态脆弱性评估方法,根据节点属性评估单域空间节点和连接边的自身脆弱性,结合相依关系明确节点自身脆弱性的跨域关联程度,进而实现对节点静态脆弱性的综合评估。最后,针对多域复杂交互约束下的脆弱性跨域渗透不确定性的难题,提出基于细胞自动机的动态脆弱性评估方法,通过表征系统脆弱性跨域渗透的不确定过程,结合多域相依关系识别系统全局动态薄弱环节。本文提出的面向工业信息物理系统的脆弱性评估方法充分考虑了系统信息-物理域交互特性对脆弱性跨域渗透的影响,能够实现系统单域、跨域脆弱性的静态和动态量化评估,从而综合明确工业信息物理系统全局脆弱程度,为系统安全防护提供理论指导。

关键词：工业信息物理系统相依网络细胞自动机脆弱点识别薄弱环节识别