网络化系统的分布式攻击检测和安全控制研究

With the continuous improvement of communication, computer and sensor technology, the analysis and design of large-scale networked control system has drawn great attention of domestic and foreign scholars. However, the lack of security design in the original communication protocols and control systems of networked control systems exposes them to new security threats such as vulnerabilities and cyber attacks from computing and communications. Because of the heterogeneity of local control systems, the strong real-time nature of the system, the limited network resources and the complicated interaction mechanism between the communication and control systems, the design method in the field of computer network security can not guarantee the security performance of the networked control systems. It is urgent to carry out the research on security control based on the characteristics of the control systems. Therefore, this project studies the security control of large-scale networked control systems, and focuses on the attack detection of networked control systems with physical constraints and modeling uncertainties, distributed attack detection and control of heterogeneous networked systems in presence of multi-rate sampling, attack detection and security defense in presence of hybrid attack mode, co-design of communication protocol and control based on the attack diagnosis results, verification of theoretical algorithm through the mobile robot experimental platform. Finally, we aim to propose a set of effective and more secure networked system distributed control theories and methods.

随着通信、计算机和传感器技术的不断提升，大规模网络化控制系统的分析与设计受到了国内外学者的极大关注。然而，网络化控制系统原有通信协议和控制系统中缺乏安全设计，使其面临着来自计算和通信的漏洞和网络攻击等新的安全威胁。由于大规模网络化控制系统中的个体的异构性、系统的强实时性、网络资源受限以及通信和控制系统之间复杂的相互作用机理，单纯采用计算机网络安全领域的设计方法无法保证系统的安全性，亟需从控制系统自身特点出发开展安全控制工作的研究。因此，本项目研究大规模网络化控制系统的安全控制问题，着重解决存在物理约束和模型不确定性的网络化系统攻击检测；异构多速率网络化系统的分布式攻击检测和控制；混杂攻击模态下的攻击检测和安全防御；融合攻击行为检测的网络资源调度与控制的协同设计；通过移动机器人实验平台验证理论算法的有效性。最终形成一套有效的、安全性更高的网络化系统分布式控制理论和方法。

随着通信、计算机和传感器技术的不断提升，大规模网络化控制系统的分析与设计受到了国内外学者的极大关注。然而，网络化控制系统原有通信协议和控制系统中缺乏安全设计，使其面临着来自计算和通信的漏洞和网络攻击等新的安全威胁。由于大规模网络化控制系统中的个体的异构性、系统的强实时性、网络资源受限以及通信和控制系统之间复杂的相互作用机理，单纯采用计算机网络安全领域的设计方法无法保证系统的安全性，亟需从控制系统自身特点出发开展安全控制工作的研究。因此，本项目在国家自然科学基金委资助下，开展了大规模网络化控制系统的安全控制问题研究，提出了包含多参数约束的大规模网络化控制系统分布式检测和安全协同控制方法、建立了异构多速率网络化异构多智能体系统的分布式攻击检测和安全控制理论、得到了混杂攻击行为影响下的控制系统建模、攻击检测和安全防御设计结果、构建了一套融合攻击行为检测的网络资源调度与安全控制的协同设计统一设计框架。最后，项目组通过搭建移动机器人实验平台，验证了安全控制理论算法的有效性，最终形成一套有效的、安全性更高的网络化系统分布式控制理论和方法。所提出的安全协同控制理论建立了网络攻击参数、网络带宽资源和控制性能之间的定量关系，突破了传统控制方法必须要求攻击统计特性精确已知的局限性。研究成果可望为多机器人协同控制、网联车辆协同控制等诸多实际系统的安全设计提供理论指导。.围绕项目研究内容，共发表SCI期刊论文24篇，其中中科院TOP、一区的期刊论文9篇，控制理论顶刊IEEE TAC和Automatica各一篇。授权发明专利4项，出版英文专著1部。申请人依托本项目核心研究成果，以第一完成人获得了2021年度中国人工智能学会自然科学三等奖、2022年度中国自动化学会自然科学二等奖，获得了浙江省自然科学基金委杰出青年基金资助，入选了科睿唯安全球高被引学者（2021、2022）。培养了博士、硕士20余人，形成了一支在网络化安全控制领域具有鲜明研究特色的队伍。