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基于信息物是耦合的狭义能源互联网建模及其脆弱性分析

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基于信息物是耦合的狭义能源互联网建模及其脆弱性分析

作者：王冰玉东北大学

学位级别：硕士

随着人类社会的进步,传统单一能源网络已不能满足生产生活的需求,能源形式多样化,这使得能源网络中各种能源形式交互耦合,这一现象催生了能源互联网概念的产生,而先进通信、控制等技术在能源行业中的应用,使得网络呈现信息物理耦合的特... 详细信息

随着人类社会的进步,传统单一能源网络已不能满足生产生活的需求,能源形式多样化,这使得能源网络中各种能源形式交互耦合,这一现象催生了能源互联网概念的产生,而先进通信、控制等技术在能源行业中的应用,使得网络呈现信息物理耦合的特性。本文基于网络的信息物理耦合特性,提出了能源互联网的两层耦合网络模型,并分析了网络的脆弱性。具体研究内容如下:1.提出了狭义能源互联网的三层物理网架结构,给出了网络中一些相关名词解释,分析了网络中信息物理特性,并依据物理网架结构给出了狭义能源互联网的信息网络结构,在此基础上,从网络角度出发,将狭义能源互联网划分为多源能流网络与多元控制网络,并分析了两层网络的级联失效问题,阐述了狭义能源互联网存在因信息物理融合而使网络存在脆弱性的问题;2.依据电力系统中潮流计算等相关方法,考虑了包含电-气-热多能源的混合潮流,分析了网络中的能量流动,从能流角度出发,将各能源设备或相关母线视作为网络层内的节点,能量传输线路为网络层内的边,建立了多源能流网络的拓扑结构;3.在多源能源网络的拓扑模型基础上,分析了网络的可控性,确定了网络的最少控制节点数,根据物理网络的拓扑结构,确定了狭义能源互联网中能源交换机所控制的相关物理节点,及其所监测的能源微网范围,从而确定了狭义能源互联网多元控制网络的网络拓扑模型,并研究了两层拓扑网络间信息的传递过程,最终建立了基于多层耦合网络的能源互联网模型;4.本文定义了狭义能源互联网的运行状态指标,在考虑了耦合网络的交互影响下,对基于多层耦合网络的狭义能源互联网模型进行了脆弱性分析,确定了网络中某些脆弱源的存在,认为提高整个狭义能源互联网的可靠性水平,可以从物理网络结构出发,对高度数节点、被控节点进行重点防护,保证系统的安全稳定运行。最后,总结了论文的主要研究结论和需要进一步深入研究的内容。

关键词：能源互联网信息物理融合潮流计算两层耦合网络脆弱性分析

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人口密集区域天然气管网系统脆弱性分析

中国安全科学学报 2014年第6期24卷 153-158页

作者：尤秋菊朱伟白永强李晓秋北京城市系统工程研究中心城市运行研究部北京市劳动保护科学研究所安全生产统计分析中心中海油安全技术服务有限公司安全技术研究所

为比较准确地确定天然气管网系统的薄弱环节,结合其特点,提出系统脆弱性的概念。基于灾害链理论,深入分析天然气管网系统脆弱性要素,探讨导致管网系统脆弱性的致灾因子,找出天然气管网系统的威胁部位。利用流量阻断模型(FIM),建立管网... 详细信息

为比较准确地确定天然气管网系统的薄弱环节,结合其特点,提出系统脆弱性的概念。基于灾害链理论,深入分析天然气管网系统脆弱性要素,探讨导致管网系统脆弱性的致灾因子,找出天然气管网系统的威胁部位。利用流量阻断模型(FIM),建立管网系统结构性威胁的计算模型。最后,利用模型分析北京某区域天然气高压管网系统脆弱性。结果表明:北京市三环、四环路周围调压站(箱)中22站、16站、29站、41站的脆弱性较高,应重点巡查与监控。

关键词：天然气管网人口密集区域自身结构性威胁脆弱性分析重要度流量阻断模型(FIM)

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电力通信网脆弱性分析

电力通信网脆弱性分析

作者：郑陈熹华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

随着电网规模不断扩大,作为电网的支撑网络,电力通信网络的结构变得更加复杂且脆弱。预先识别和保护电力通信网中的重要节点是降低网络脆弱性的有效方法。电力通信网作为电网生产控制、企业信息管理等业务传输的载体,其脆弱性直接关系... 详细信息

随着电网规模不断扩大,作为电网的支撑网络,电力通信网络的结构变得更加复杂且脆弱。预先识别和保护电力通信网中的重要节点是降低网络脆弱性的有效方法。电力通信网作为电网生产控制、企业信息管理等业务传输的载体,其脆弱性直接关系到电力系统运行的可靠性、稳定性。因此,分析电力通信网的脆弱性,是确保电力通信网安全稳定运行的迫切需求,是为实现电力系统提供稳定、优质服务的重要技术支持。本文以复杂网络为研究基础,以电力通信网为研究背景,分析电力通信网的结构特点,提出分层的电力通信网脆弱环节辨识方法。该方法从不同角度将发生导致的影响由网络运行、业务重要度、业务流量与行政等级指标表示出来。其中业务重要度、业务流量分布指标结合了链路可用率和主备业务路由的特点,进而获得更准确的电力通信网脆弱环节辨识结果。经过仿真,验证了该辨识方法的合理性。接着,本文将电力通信网分为三个逻辑层面对网络中的关键节点进行辨识,分别是物理拓扑层、传输层以及业务层,解释了从三个层面辨识关键节点的必要性。物理拓扑层中使用节点关键度与节点度作为节点重要度的局部属性,为了区别链式结构在网络边缘还是在边界位置,继续引入节点介数作为物理拓扑层的全局属性。传输层与业务层考虑电力通信网电力业务的特点,传输层使用节点承载的业务流量大小作为辨识节点重要性的指标,业务层使用节点承载的业务重要度大小量化节点重要性。最后,本文提出一种多属性决策算法,融合多个逻辑层面对电力通信网关键节点进行辨识。该算法通过各层面内的隶属度来衡量该层面下节点的关键程度,并引入基本测量可信度用于描述单层测量节点关键度的可信程度。接着根据逻辑层面数建立二进制序列,根据二进制序列、不同逻辑层面的测量结果和基本测量可信度确定不同度量方法及对应的度量结果,完成节点关键度计算,进而识别电力通信网中的关键节点。结合电力通信网脆弱性分析,通过实例验证辨识结果的准确性并验证了算法的正确性。

关键词：电力通信网脆弱性分析节点重要度多属性决策

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基于攻击图的网络脆弱性分析方法

南京理工大学学报 2008年第4期32卷 416-419页

作者：苘大鹏杨武杨永田哈尔滨工程大学信息安全研究中心黑龙江哈尔滨150001

传统的攻击图分析方法在计算攻击目标可达概率时没有考虑攻击者的行为特征,降低了分析结果的准确性。为了解决这个问题,首先对全局攻击图模型进行了介绍,然后提出了一种基于全局攻击图的网络脆弱性分析方法。该方法利用网络状态间的转... 详细信息

传统的攻击图分析方法在计算攻击目标可达概率时没有考虑攻击者的行为特征,降低了分析结果的准确性。为了解决这个问题,首先对全局攻击图模型进行了介绍,然后提出了一种基于全局攻击图的网络脆弱性分析方法。该方法利用网络状态间的转移概率描述攻击者的行为特征。在此基础上,计算攻击目标的可达概率。实验结果表明:安全管理人员利用该方法能够从全局角度分析网络的脆弱性,获得的分析结果更加客观、准确。

关键词：网络安全安全评估脆弱性分析攻击图

一种基于Bio-PEPA的分布式虚拟化系统脆弱性扩散模型

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计算机学报 2016年第2期39卷 391-404页

作者：吕宏武王慧强林俊宇冯光升郭方方哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院哈尔滨150001

脆弱点类型差异和脆弱性演化对脆弱性扩散过程具有显著影响,而现有脆弱性扩散模型对此还缺少深入研究.该文提出一种基于分簇思想的分布式虚拟化系统脆弱性扩散模型,首先按照节点包含脆弱点类型的不同进行分簇,其次利用Bio-PEPA静态分层... 详细信息

脆弱点类型差异和脆弱性演化对脆弱性扩散过程具有显著影响,而现有脆弱性扩散模型对此还缺少深入研究.该文提出一种基于分簇思想的分布式虚拟化系统脆弱性扩散模型,首先按照节点包含脆弱点类型的不同进行分簇,其次利用Bio-PEPA静态分层特性,对脆弱性在簇内、簇间传播,以及簇间迁移演化过程进行建模.最后,将Bio-PEPA模型转化为常微分方程求解,分析分布式虚拟化系统脆弱性扩散的特点和规律,避免了传统分析方法的状态空间爆炸问题.实验结果显示,可以通过提升系统修复能力、降低簇间传播速率、减小簇间变迁速率,抑制分布式虚拟化系统的脆弱性扩散.

关键词：脆弱性分析脆弱性扩散分布式虚拟化系统 Bio-PEPA 云计算

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基于复杂网络理论的地铁线网脆弱性分析

重庆交通大学学报（自然科学版） 2016年第4期35卷 93-99页

作者：吴贤国黄艳华刘惠涛张立茂吴克宝华中科技大学土木工程与力学学院湖北武汉430074 华中科技大学同济医学院附属同济医院基建科湖北武汉430030

针对突发事件造成的节点失效会严重影响地铁运营的效率这一问题,提出了一套基于复杂网络理论的地铁线网脆弱性分析方法。以武汉市现阶段地铁线网为例,采用Pajek构建了涵盖58个站点,57条连接边的当前城市地铁线网拓扑结构图,系统分析了... 详细信息

针对突发事件造成的节点失效会严重影响地铁运营的效率这一问题,提出了一套基于复杂网络理论的地铁线网脆弱性分析方法。以武汉市现阶段地铁线网为例,采用Pajek构建了涵盖58个站点,57条连接边的当前城市地铁线网拓扑结构图,系统分析了随机攻击和蓄意攻击模式下城市地铁网络的静态与动态脆弱性水平。结果表明:累计节点蓄意攻击对地铁线网破坏性最大,随机攻击次之,单个节点蓄意攻击最小,度大节点为线网中的脆弱点。

关键词：交通运输工程复杂网络拓扑结构地铁线网攻击模拟脆弱性分析

突发事件下集装箱航运网络脆弱性演化与模拟分析

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突发事件下集装箱航运网络脆弱性演化与模拟分析

作者：周嘉欣大连海事大学

学位级别：硕士

海上运输是国际贸易中最重要的运输方式,占国际贸易总运量的三分之二以上,集装箱运输网络是全球经济贸易的重要依托。然而,恶劣天气、公共卫生事件、社会安全事件等突发事件会破坏集装箱航运网络的空间结构和运输功能,对集装箱航运网络... 详细信息

海上运输是国际贸易中最重要的运输方式,占国际贸易总运量的三分之二以上,集装箱运输网络是全球经济贸易的重要依托。然而,恶劣天气、公共卫生事件、社会安全事件等突发事件会破坏集装箱航运网络的空间结构和运输功能,对集装箱航运网络的运营可靠性带来负面影响。考虑突发事件的不确定性、复杂性、破坏性等特征,厘清突发事件动态演化对集装箱航运网络级联失效的影响路径,是保障集装箱航运网络安全运营、高质量运营的关键。对此,本文构建了双层耦合的集装箱网络,刻画突发事件对集装箱航运网络的影响传导机制,针对突发事件的风险等级设计多样化场景,评估不同情景下集装箱航运网络的脆弱性。(1)双层耦合集装箱航运网络刻画。充分考虑了集装箱运输的全流程作业,基于复杂网络理论构建了双层耦合的集装箱网络,包括海运子网络和集疏运子网络。从度分布、聚类系数、平均路径长度等度量指标,分析双层耦合集装箱航运网络的节点个体特征和整体结构特征。(2)考虑风险等级的集装箱航运网络级联失效模型构建。基于负载容量模型和传染病模型,提出了集装箱航运网络失效节点的负载重新分配方法。进一步考虑突发事件的风险等级,在此基础上明确了三种攻击方式,选取了网络级联失效脆弱性的评估指标,将其作为评估节点重要度的依据。设计了双层耦合集装箱航运网络的仿真流程,模拟集装箱航运网络级联失效发生过程,解析突发事件动态演化对集装箱航运网络的级联失效影响路径,进一步从数量、传播、程度和效率等方面,评估集装箱航运网络的脆弱性。(3)以中美集装箱航运网络为例进行实证研究。通过构建中美集装箱航运网络模型,计算分析了中美集装箱航运网络特征参数。通过实际案例验证模型的有效性,并对三种攻击方式下中美集装箱航运网络的级联失效过程进行仿真,针对每个类型的突发事件提出了有效改善集装箱航运网络脆弱性的建议。本文通过对集装箱航运网络脆弱性影响因素的分析,揭示了对集装箱航运网络脆弱性的风险传播概率的作用机理,对管理部门预防运营事故的发生降低集装箱航运网络脆弱性提供决策依据,对保证集装箱航运网络平稳运营具有重要参考意义。

关键词：中美集装箱航运复杂网络脆弱性分析级联失效

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基础设施系统的多视角多维度脆弱性分析

基础设施系统的多视角多维度脆弱性分析

作者：潘哲哲华中科技大学

学位级别：硕士

基础设施系统在社会稳定和发展中有举足轻重的地位,但是不可避免的面临着元件老化、自然灾害、人为失误等因素的破坏。因而学者们提出脆弱性的概念,研究系统在破坏事件下的性能响应,识别系统中的薄弱环节,以更好的保护基础设施系统。近... 详细信息

基础设施系统在社会稳定和发展中有举足轻重的地位,但是不可避免的面临着元件老化、自然灾害、人为失误等因素的破坏。因而学者们提出脆弱性的概念,研究系统在破坏事件下的性能响应,识别系统中的薄弱环节,以更好的保护基础设施系统。近年来,学者们运用拓扑结构模型和基于拓扑结构的指标从不同视角和维度来研究基础设施系统的脆弱性,那么不同模型和不同指标下系统脆弱性响应有何不同,这些模型或指标适用范围及其相关性如何是一个有待研究的领域。为探讨上述问题,本文提出基础设施系统的多视角多维度脆弱性分析框架,并应用到电网和中国铁路客运网的脆弱性分析中。针对电网,本文选择了三种电网模型:纯拓扑模型(Purely Topological Model,PTM)、基于介数的虚拟流模型(Betweenness Based Model,BBM)以及直流潮流模型(Direct Current Power Flow Model,DCPFM),并采用了六种脆弱性指标:基于网络效率的脆弱性指标VE、基于源汇节点网络效率的脆弱性指标VSDE、基于最大团尺寸的脆弱性指标VLCS、基于连通度的脆弱性指标VCL、基于平均聚类系数的脆弱性指标VCCO、基于供电量的脆弱性指标VPS。基于这些模型与指标,本文分析了IEEE300电网在随机故障情形下的脆弱性值并讨论了模型之间的差异性与指标之间的相关性。结果显示:在边容量系数或故障概率较大情形下,三个模型产生将近相同的基于拓扑指标的脆弱性值,而仅当所有元件故障时才能产生将近相同的基于流量指标的脆弱性值。PTM和BBM在逼近DCPFM方面哪个更优取决于故障概率的大小。此外,两个考虑源汇节点的脆弱性指标VCL和VSDE具有很强的相关性,VPS与考虑源汇节点的脆弱性指标VSDE和VCL有中等强度的相关性。针对铁路网,本文选择了四种模型:纯拓扑模型(Purely Topological Model,PTM)、纯最短路径模型(Purely Shortest Path Model,PSPM)、加权最短路径模型(Weight Based Shortest Path Model,WBSPM)以及实际铁路流模型(Real Train Flow Model,RTFM),并采用了两个脆弱性指标:可达性脆弱性指标VACC和基于流量的脆弱性指标VFOT。基于这些模型与指标,本文分析了中国客运铁路网在随机故障情形下的脆弱性值并讨论了模型之间的差异性与指标之间的相关性。此外,本文还从互补视角研究了铁路网在是否考虑其互补航空网这两种情形下的脆弱性差异,并定义此差异性为互补强度。结果显示:在一些极端事件中(元件故障概率为0.6-0.7),基于可达性指标衡量下,拓扑结构模型可以较好的逼近实际模型。然而基于流量指标衡量下,所有元件故障时拓扑结构模型才能对实际模型进行良好的逼近。基于流量的脆弱性指标和可达性脆弱性指标间中等相关。此外,铁路网对航空网的互补强度要比航空网对铁路网的互补强度大得多。当铁路网随机故障15%的元件时,不同破坏强度下航空网对铁路网有最大互补强度,而铁路网对航空网的互补强度随着航空网故障元件比例的增加而降低。

关键词：基础设施系统互补系统脆弱性分析脆弱性模型脆弱性指标

IEEE1588精确时钟同步协议脆弱性分析

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IEEE1588精确时钟同步协议脆弱性分析

作者：沈佳骏浙江大学

学位级别：硕士

随着工业信息化进程的进一步深化,工业控制网络中的安全性问题逐渐暴露,主要涉及专有的工业通信协议。时钟同步协议作为工业控制系统实时性的保障,是最为重要的工业通信协议之一,其脆弱性问题的研究至关重要,然而相关研究尚未形成成熟... 详细信息

随着工业信息化进程的进一步深化,工业控制网络中的安全性问题逐渐暴露,主要涉及专有的工业通信协议。时钟同步协议作为工业控制系统实时性的保障,是最为重要的工业通信协议之一,其脆弱性问题的研究至关重要,然而相关研究尚未形成成熟体系。本文将IEEE1588精确时钟同步协议作为研究对象,进行脆弱性分析,属本领域内前沿性研究,相关工作如下：（1）提出了一种基于有色Petri网的精确时钟同步协议脆弱性状态可达性分析方法,对精确时钟同步协议的脆弱性进行定性分析。引入有色Petri网作为建模工具,针对精确时钟同步协议执行过程中的状态转换过程及其在中间人攻击作用下的状态转换过程建立相应的有色Petri网模型,通过引入状态方程、状态转移矩阵等线性代数工具,将协议脆弱性状态可达性问题转化为线性方程的求解问题,根据线性方程的非负整数解确定攻击者的攻击实施序列（即有色Petri网模型中的变迁执行序列）,同时判断此攻击实施序列在实际执行过程中的合法性,进而判断精确时钟同步协议脆弱性状态的可达性,最终证明了精确时钟同步协议存在可被利用的脆弱性。（2）提出一种基于随机Petri网和马尔科夫链的精确时钟同步协议脆弱性状态稳态概率分析方法。以随机Petri网为建模工具,针对精确时钟同步协议在中间人攻击作用下的状态转换过程建立相应的随机Petri网模型。根据与该随机Petri网模型同构的马尔科夫链得到精确时钟同步协议在执行过程中所遍历的所有状态的稳态概率表达式,通过改变若干脆弱性相关状态变化过程的状态转换速率,得到协议最终状态,包括：正常结束状态、异常结束状态（即,脆弱性状态）的稳态概率变化过程。协议脆弱性状态的稳态概率值越大,代表协议脆弱性越强,越易于遭受攻击,同时节点设备的实时时钟也越易被攻击者操纵。由此确定模型中影响精确时钟同步协议脆弱性的状态转换速率,并将其映射至实际工业现场应用过程中所涉及的组态信息、网络环境参数等,最终确定影响精确时钟同步协议脆弱性的具体因素,包括通信宏周期、通信网络速率,主时钟竞争机制等,同时量化表述了这些因素对协议脆弱性的影响。（3）提出了一种基于随机博弈的精确时钟同步协议脆弱性最优利用策略求解方法。首先,建立在外界理性攻击行为作用下的精确时钟同步协议随机模型,在该模型中同时将安全性与可靠性纳入脆弱性分析范畴,同时引入多条脆弱性利用路径。其次,在所建立的随机模型基础上,引入博弈因素,对理性攻击行为作用下的精确时钟同步协议状态变化过程进行刻画,并由此得到随机博弈模型。根据实际工业现场的组态配置对模型参数进行赋值,继而求得各博弈元素的表达式。通过迭代运算,依次求得各博弈元素中的纳什均衡解,并由此得到理性攻击者在协议各个状态中的原子攻击行为最优选择策略,即当精确时钟同步协议运行至任一状态时,理性攻击者选择实施任一当前状态下可行的攻击手段,或者放弃当前攻击行为的概率值。最终得到精确时钟同步协议脆弱性最优利用策略,即能够使得理性攻击者以最小代价实现协议攻击的策略。同时还能得到理性攻击者在实际攻击行为实施过程中的行为特征,如：偏好的脆弱性攻击对象,即在时钟同步过程所涉及到的所有报文中,理性攻击者更倾向于选择对同步请求报文与同步响应报文实施攻击。

关键词：工业控制网络精确时钟同步协议脆弱性分析有色Petri网状态可达性随机Petri网马尔科夫链脆弱性状态稳态概率随机博弈脆弱性最优利用策略