【摘 要】
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工业4.0的到来为信息化和智能化的现代发展提供了很多机遇,其核心架构是信息物理融合系统（Cyber-Physical Systems,简称为CPS）。CPS系统通过计算、通信与控制三者协同,为工业控制系统提供智能感知、动态控制与信息服务。同时,它越来越多地应用在与国计民生相关的领域,如电力系统、交通系统和智慧城市等关键基础设施中。CPS系统架构中,物理资源网络和计算资源网络间数据服务等越来越多呈现
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工业4.0的到来为信息化和智能化的现代发展提供了很多机遇,其核心架构是信息物理融合系统（Cyber-Physical Systems,简称为CPS）。CPS系统通过计算、通信与控制三者协同,为工业控制系统提供智能感知、动态控制与信息服务。同时,它越来越多地应用在与国计民生相关的领域,如电力系统、交通系统和智慧城市等关键基础设施中。CPS系统架构中,物理资源网络和计算资源网络间数据服务等越来越多呈现相互依赖的耦合关系,这种耦合关系往往能使一个子网络中的故障迅速传播并影响到另一个网络的正常运行,从而形成级联故障的巨大危害。因此,如何对信息物理融合系统中的安全性问题展开科学探究,是一个非常值得深入研究的重要问题。目前,现有的研究内容主要集中在单一网络或者是简单拓扑网络,但是对于不等比耦合网络以及不同连接比例混合网络的研究较少。为此,本文通过描述和建模不同网络之间和网络内部间的关系,来理解级联失效的原因和关键影响因素。主要包括以下三个方面:（1）本文提出了一个基于渗流的故障模型,节点比例为一对多。根据节点度的大小进行蓄意攻击后,推导了系统遭受攻击后能维持功能的临界值。本文用编程模拟系统的建模过程,并基于蓄意攻击性态特点,模拟CPS系统受到攻击后的故障传递过程,同时分析CPS系统最终达到稳态时的节点规模与失效节点比例之间的关系,这将有助于对系统失效理论分析的验证;（2）在上述研究基础上,本文还研究了混合比例的节点耦合关系对CPS系统级联失效的作用机理。与第一个研究工作相比较,本文改变了节点单一的一对多连接比例,将两种比例进行混合,对比分析了在此模型下信息物理融合系统的安全性。同时利用实验模拟整个CPS系统的级联失效过程,将实验数据的结果与理论值进行对比验证。在此情况下,改变网络参数或攻击比例,分析系统彻底破碎时的临界风险阈值;（3）为了实证并理解信息物理系统的鲁棒性,本文还设计了一种具有负载特性的相互依赖CPS系统模型来分析每个组件网络固有的不同故障级联特征,即通信网络和物理网络受不同的级联规则控制。针对具有载流的物理网络,本文重新设计了负载容量分配模型,与通信网络的渗流模型相结合,从而捕获不同的级联故障特征。综上所述,本文通过研究非等比网络和具有负载特性的网络级联失效过程,从而为信息物理融合系统的安全性研究提供了相关理论支持和应用支撑。
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