几类攻击下网络化系统的滤波问题研究

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网络化控制系统(Networked Control Systems,NCSs)是一种空间分布式系统,其采用通信网络将被控对象、传感器、控制器、执行器等有机地结合在一起。由于通信网络的引入,NCSs具有灵活性强、可靠性高、易扩展等优势,在国民生活的应用日益广泛(如供水、供电、交通、医疗等)。然而,NCSs给人们生活带来便利的同时,也带来了安全问题。在开放性网络环境下,NCSs易遭受网络攻击,这给工业生产带来了严重的威胁。因此,针对NCSs安全问题的研究具有重要的现实意义。目前,NCSs的安全问题的研究虽取得一定的进展,但仍然存在一些不足。具体来说:首先,当系统遭受网络攻击时,缺少相应的攻击补偿策略减缓攻击对系统性能带来的影响;其次,现有研究成果大多数考虑单一类型的网络攻击,这并不符合实际情况,关于多种网络攻击同时作用系统的研究成果又很少;再次,大多数文献采用概率已知的随机变量对攻击进行建模,然而这种攻击建模方式在攻击概率未知时是无效的;最后,当系统处在复杂的网络环境下,比如随机网络攻击、传感器故障、通信资源受限等,这给系统的安全分析带来一定的困难,因而相关的研究还不是很充分;基于以上不足,本文围绕多种攻击下网络化系统的安全滤波问题展开研究,具体研究内容如下:(1)研究在重放攻击情形下离散不确定网络化系统的安全滤波问题。首先,为应对受限的通信资源,采用事件触发机制(Event Triggering Mechanisms,ETM)提高资源的有效利用率。其次,引入Bernoulli随机变量描述随机发生在传感器到滤波器之间的重放攻击,并构建攻击补偿项以降低攻击对滤波性能的影响。接着,考虑不确定性、随机扰动以及重放攻击对系统的影响,提出滤波器安全性能指标。然后,利用随机分析方法和线性矩阵不等式技术,给出滤波误差系统满足期望安全性能的两个充分条件。(2)研究在欺骗攻击下离散时变网络化系统的安全状态估计问题。首先,引入了一种触发阈值可动态调整的ETM以降低网络中数据传输负荷。其次,采用有界但未知的变量为传感器-估计器通道的欺骗攻击进行建模。再次,考虑欺骗攻击以及增益摄动对系统性能影响,设计一种基于ETM的安全状态估计器。最后,基于李雅普诺夫稳定性理论,推导出增广误差系统达到给定安全性能的两个充分条件。(3)研究在混合攻击和传感器故障下离散时变网络化系统的安全集员滤波问题。首先,采用两组满足Bernoulli分布的随机变量描述随机发生的欺骗攻击和拒绝服务攻击。此外,考虑有界但未知的噪声、传感器故障和混合攻击对系统性能的影响,设计一种基于ETM的安全集员滤波器。然后,借助李雅普诺夫稳定性理论和随机分析技术,给出确保系统的真实状态收敛于一组状态估计椭球域内的充分条件。
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