典型攻击下工业信息物理融合系统安全理论与关键技术

Industry cyber-physical systems are large-scale industrial systems on the basis of the cyber-physical systems (CPS). With the feedback loop in which the computation process interacts with the physical process, deep integration and real-time interaction can be realized to increase and expand new functions. Consequently, industrial systems are monitored or controlled in a safe, reliable, efficient and real-time way. However, the openness and networked characteristics of industry cyber-physical systems cause more prominent security issues. Based on the control theory, combined with information security methods, and using data integrity attacks and denial of service attacks as breakthroughs, this project studies on the security theory and key technology of industry cyber-physical systems. The research contents include the following aspects. The first one is to establish the mathematical model of industry cyber-physical systems and to consider the optimal attack strategy from the angle of the attacker. The second one is to give the attack-detectable conditions and to propose fast and effective detection methods. The third one is to present the security state estimation and anti-attack control theories for industry cyber-physical systems. The last one is to construct the semi-physical simulation platform on which the proposed theories and methods can be verified. This project will lay a foundation for the safe, stable and efficient operation of industry cyber-physical systems.

工业信息物理融合系统是以信息物理融合系统为基础的大规模工业系统。它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加和扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式监测或者控制一个工业系统。工业信息物理融合系统的开放性与网络化特征导致其安全性问题越来越突出。本项目主要从控制理论角度出发，结合信息安全的相关方法，以数据完整性攻击和拒绝服务攻击两类典型攻击为突破口，开展工业信息物理融合系统的安全理论和关键技术的研究工作。具体研究内容包括：建立工业信息物理融合系统攻击的数学模型并从攻击方的角度考虑最优攻击策略设计问题，提出工业信息物理融合系统攻击可检测性条件与快速、有效检测方法，建立工业信息物理融合系统安全状态估计与抗攻击控制理论，构建半实物仿真平台对所提出的理论与方法进行验证。本项目将为工业信息物理融合系统安全、平稳、高效运行奠定基础。

工业信息物理融合系统是以信息物理融合系统为基础的大规模工业系统。它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加和扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式监测或者控制一个工业系统。工业信息物理融合系统的开放性与网络化特征导致其安全性问题越来越突出。本项目主要从控制理论角度出发，结合信息安全的相关方法，针对工业信息物理融合系统的攻击建模、数据注入攻击设计、拒绝服务攻击调度、攻击检测、抗攻击控制与状态估计以及仿真平台构建等问题开展了深入研究，取得了如下的创新性研究成果。在攻击建模方面，在综合考虑了被控对象、控制器、攻击检测器、攻击策略、资源限制等因素的基础上提出了典型攻击的统一建模框架。针对工业信息物理融合系统的虚假数据注入攻击问题，提出了多个执行器之间的最优切换攻击策略，给出了最优切换条件和攻击信号的解析表达式。针对拒绝服务攻击，提出了基于深度强化学习的最优拒绝服务攻击调度方法。 针对工业信息物理融合系统的攻击检测问题，提出了基于深度信念网络的攻击检测方法和基于随机编码的攻击检测方法。针对抗攻击弹性控制与状态估计问题，提出了用于补偿拒绝服务攻击的预测控制策略，提出了基于随机复合优化的鲁棒状态估计求解算法。当传感器受到秘密攻击时，给出了系统性能降低的上界。提出了面向用户个性化隐私保护的群智感知系统数据收集及真值发现方法。搭建了工业信息物理融合系统安全仿真平台。研究团队共发表学术论文55篇，其中SCI检索35篇，获得IEEE ICCSS 2018国际会议的最佳论文奖，授权或受理发明专利12项。在人才培养方面，培养博士研究生8名，硕士研究生10名。项目负责人入选2016年教育长江学者奖励计划青年项目，获2019年国家杰出青年科学基金。项目骨干成员何建平研究员入选国家青年千人计划，项目成员王钢博士的学位论文获得2019年中国自动化学会优秀博士论文。