脆弱网络环境下网络化系统分级安全控制研究

The security control and network communication mechanism of multi-network systems based on industrial network connection have received considerable attentions from both academia and industry. Considering the networked system with limited communication resources, this project will explore the hierarchical security control under the network attack from the perspective of system security level. Specifically, the main content of the project includes: 1) building the model of NCSs security assessment; 2) designing the hierarchical security control based on system security level; 3) studying the co-design of hierarchical security control and event-triggering mechanism under DoS attack in terms of allowing a certain degree packet loss in networked control systems; 4) investigating co-design of hierarchical security control and event-triggered mechanism under deception attack from the perspective of preventing the malicious communication of tampering signals in networked control systems; 5) a simulation platform of micro grid will be set up to verify the hierarchical security control of networked systems under fragile network environment.

基于工业网络连接的多系统网络化安全控制及通讯机制受到工业界和学术界的高度重视。本项目针对脆弱环境下的网络化系统，拟从系统安全等级的视角探究网络攻击下分级安全控制问题。具体研究内容包括：1）脆弱网络环境下NCSs安全评估建模；2）基于系统安全等级的分级安全控制设计；3）从允许一定程度的网络丢包角度，研究DoS攻击下网络化系统的分级安全控制与事件触发协同设计；4）从防止篡改信号的恶意传播出发，研究欺骗攻击下网络化系统的分级安全控制与事件触发协同设计；5）在理论研究的基础上，利用微电网等仿真平台进行理论验证，为脆弱网络环境下网络化系统的分级安全控制奠定理论与应用基础。

理论研究：研究了具有非线性动力学和有向图拓扑的多智能体系统的领导者-跟随一致问题。提出了一种算法来解决符号图的结构平衡问题；利用M矩阵理论，建立了有向图结构平衡下非线性多智能体系统的二分一致、分组一致条件；通过使用结构平衡理论和牵制控制策略，给出了一些充分的条件来确保实现多层符号网络结构平衡下的领导者-跟随一致问题；针对无丢包情况和包丢包两类情况，建立平均丢包率概念来表征网络的服务质量，确定给定平均丢包率下输入到状态稳定条件，提出了一种基于服务质量的控制与通信协同设计新方法；针对脆弱网络环境，设计了一种半自动化的渗透测试攻击流程及渗透测试报告，方便、快捷地实现早期的风险等级评估和漏洞排查。.应用研究：基于交通格点流动力模型，利用喇叭环境下逐次通量差，通过控制理论分析，应用Hurwitz准则和H∞范数，导出了传递函数存在的充分条件；针对直道、弯道并存的混合路段，在格子流体力学模型的基础上设计了一种切换控制器，以确保安全及舒适的驾驶体验，从而有效地减少交通拥堵、稳定交通流；并利用控制理论分析，研究切换控制器对交通流稳定性及安全性的定量分析。