基于逻辑动态网络的信息物理系统的信息安全问题

The cyber-security problem of cyber-physical system (CPS) is a frontier subject and an import basic research in the fields of automatic control and information science. Currently, the modeling of CPS is mostly use quantitative system and the use of qualitative system is rarely reported. Furthermore, most of cyber-security problems of CPS are about how an invader attacks. As to the result of how to defend is not enough. Hence, this project models CPS by using a logical network and systematically studies cyber-security problems for CPS by using the analysis method of matrix analysis, the theory of semi-tensor product of matrices, graph theory and the preliminary work of the reporter. The contents include: modeling CPS by using a logical network; studying false data injection attacks for our model; investigating resilient control for our model under false data injection attacks; the application of the proposed results in the cyber-security problem of smart building and evaluating the effectiveness of the obtained algorithms. The study of this project not only enriches and develops the theory of logical systems and cyber-security problems of CPS but also presents new approach to solving practical problems. This project is a new, exploratory research and is undoubtedly essential in theoretical research and engineering practice.

信息物理系统(CPS)的信息安全问题是控制和信息领域的前沿性课题，是非常重要的基础研究。目前CPS大多采用定量系统建模，定性系统建模很少见到报道，并且当前对CPS信息安全问题研究多集中在攻击问题的研究，如何进行防御因其研究难度大，结果远远不够。因此，本项目利用逻辑动态网络这一定性系统对CPS进行建模，以矩阵的半张量积、图论以及申报者的前期工作为基础，发展并综合运用矩阵分析等分析方法，对基于逻辑动态网络的信息物理系统的信息安全问题进行系统研究。内容包括：利用逻辑动态网络对CPS建模；对所建模型进行错误数据注入攻击的研究；在错误数据注入攻击下给出弹性控制算法设计等防御方案；所得结果应用于智能建筑的信息安全中并对所设计的算法给出解释和评价。本项目的研究将不仅丰富和发展逻辑系统、CPS信息安全理论，而且提供解决实际问题的新途径与新方法，是一个新的、探索性的研究，无疑在理论研究和工程实际十分有意义。

信息物理系统(CPS)深度融合通信、计算和控制，实现了大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务，具有重要而广泛的应用前景，包括工业过程控制、智能机器人等，服务于我国智能制造等国家重大战略需求。CPS的数据通过无保护的无线网络进行传输，很容易遭受网络攻击，给系统造成巨大损失。因此其安全性以及可靠性就显得极为重要。然而研究中还存在着一些挑战问题，比如，攻击的智能化、多样化，给分析攻击行为带来了难题。如何对潜在的智能攻击提出有效的防御措施，目前仍然存在挑战。. 针对上述挑战问题，本项目在CPS的信息安全方面取得了一定的进展。主要如下：.(1) CPS最优攻击的传感器调度和水印加密算法：我们给出了CPS最优攻击的传感器调度，并提出一种水印加密防御策略，可以检测到原本不被检测到的隐身攻击，提升系统的估计和控制性能。我们对卡方、KL散度等不同检测器下都设计了水印加密防御策略，并且将结果推广到多源信息融合滤波的情况以证明我们方法的有效性和普适性。.(2) 随机攻击下或者扰动存在的CPS的估计和控制方案：我们用随机布尔网络等逻辑动态网络建模CPS，并研究了其多源信息融合滤波问题，得到了系统状态的最优估计，为后续的决策与控制提供理论基础。随后，我们给出了随机攻击或干扰下的CPS的几种鲁棒估计器和控制器的设计方案，使得系统即使在遭受攻击时，对系统的状态估计和控制仍然具有一定的鲁棒性。.(3) CPS的牵制控制和状态反馈控制:我们提出了以“牵制控制节点选择算法”为特色的逻辑动态网络的精准控制的新理论，揭示了控制节点的选择规律，实现任意给定的逻辑动态网络的可控性等，显著提升了系统的控制性能，降低了控制成本。.本项目不仅执行了研究计划，还在逻辑动态网络的牵制控制方面做了拓展。我们在项目实施期间标注本项目所发SCI期刊论文15篇，其中Automatica 论文2篇（长文1篇），IEEE Trans. Automatic Control论文1篇，其他的IEEE汇刊论文8篇。在同济大学出版社以第一作者出版专著一部。部分成果获得2019年上海市自然科学二等奖（项目负责人为第二完成人）。