论文总字数：21866字

摘 要

从本质上来讲，信息物理系统是一种含有控制机制的网络化系统。信息物理系统的网络化特征决定了其容易受攻击的特点，因此，信息物理系统的安全问题研究具有重要意义。本文对线性信息物理系统受攻击时的有限时间攻击检测和安全状态估计问题进行研究。通过研究系统中不可检测攻击与不可分辨攻击的特点，提出基于弹性可观测性指数r和稀疏指数s的关于信息物理系统中攻击可检测与可分辨的新的标准。在此基础上，分别设计有限时间攻击检测器和有限时间安全状态估计器，从而解决攻击检测与安全状态估计问题。理论分析表明，本文所设计的攻击检测器和安全状态估计器分别可以在有限时间内对系统进行攻击检测和状态估计。最后利用MATLAB软件编程，对所设计的模型进行仿真，并记录实验结果。

关键字： 信息物理系统 弹性可观测性指数 有限时间观测器 有限时间攻击检测器

Security estimation of cyber-physical system

Abstract

In essence, cyber-physical system (CPS) is a networked control system. The networked characteristics of the CPS make it easy to be attacked. So, the research on the security of CPS is significant. This paper studies the finite time attack detection and security state estimation when attacked. By studying the characteristics of undetectable attacks and undistinguishable attacks in CPS, a new standard for detectable and distinguishable attacks in CPS is proposed, which based on r-resilient observability index and s sparsity index. On this basis, the finite-time attack detector and security state estimator are designed to solve the problem of attack detection and security state estimation. Theoretical analysis shows that the attack detection and security state estimator designed in this paper can perform attack detection and state estimation on the system in a finite time. Finally the designed model is simulated and the experimental results are recorded.

Keyword: cyber physical system; r-resilient observability index; attack detector; secure state estimator

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 论文研究目的和意义 2

1.3 国内外研究概况

1.4 研究内容与方法

第二章 受攻击信息物理系统模型的建立

2.1 受攻击的信息物理系统模型

2.2 攻击信号模型

2.2.1 攻击信号相关概念

2.2.2 不可检测攻击模型

2.2.3 不可分辨攻击模型

2.2.4 系统中攻击信号可检测与可分辨条件

2.3 仿真验证

第三章 基于有限时间观测器的攻击检测

3.1 有限时间观测器设计

3.2 攻击检测逻辑设计

3.3 稳定性分析

3.4 仿真验证

第四章 有限时间安全状态估计器

4.1 有限时间安全估计器设计

4.2 稳定性分析

4.3 仿真验证

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

绪论

引言

科学技术的发展与进步，使得工业生产制造水平不断地提高。现代控制系统方面，控制系统不断地向网络化和信息化方向发展，并呈现出深度融合的趋势。为了便于研究这一类控制系统，人们针对性的提出了信息物理系统的概念。

信息物理系统可以被理解成基于嵌入式设备的网络化智能化信息系统^[1]。在信息物理融合系统中，在物理设备中嵌入感知功能、通信功能以及较强的计算功能，并利用网络将系统的计算过程和物理过程紧密地结合起来。对于物理过程的实时控制得益于系统能够对外部环境的分布式感知能力、数据传输的可靠性、系统的信息处理能力以及反馈循环的控制方法。当环境变化时，系统可以根据需求动态地进行自我调节。

信息物理系统是主要由物理层、网络层、以及监控层组成。其中，传感器、执行器和物理对象组成物理层，通讯传输设备组成的网络层，由控制器、状态估计器和检测器组成的监控层^[2]。

监控层

网络层

物理层

服务

检测器、状态估计器、控制器

网络通讯传输设备

传感器、执行器、物理对象

图1-1信息物理系统的层次结构

因为信息物理系统的网络化特征，并且需要满足控制系统的性能要求，所以信息物理系统在安全性、实时性、可靠性等方面提出了较高的要求。因此在信息物理系统的设计与实现过程中，将面临诸多挑战。

本文研究的内容主要包含以下几个方面：

一、攻击检测问题：

研究信息物理系统在怎样的条件下，可以检测到系统中存在攻击，并设计出相应的检测方法。

二、受攻击系统的状态安全估计问题：

研究系统在怎样的条件下，能够对信息物理系统的真实状态进行安全估计，并设计出相应的估计方法。

论文研究目的和意义

计算机技术、网络通信技术和控制技术是当前信息技术产业发展的核心与动力，促进了人类社会生活方式的变革。然而，人们不满足于各种工程系统和计算设备功能的扩展，对合理分配系统资源、优化系统性能、个性化的服务和提升用户满意度等方面提出较高的要求^[2]。因此各种技术的深度融合与交互成为必然，信息物理系统应运而生。

2006年美国政府在发布的《美国竞争力计划》中最早提出信息物理系统，同年10月份，美国国家自然科学基金会将CPS列为美国未来八大关键技术之首^[3]。在德国提出的工业4.0中，其核心之一是利用信息物理系统技术，改革生产制造方式，实现“智慧工厂”。在中国，在很多的报告和重要会议中到了发展信息技术的重要性，例如提出“以信息化推动工业化”等促进工业改革的发展方针。科学家以及相关的工程技术人员认为CPS相关技术能提高工业生产效率，并极有可能成为第四次工业革命的关键技术^[1]。

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