异质多网络系统的协调机制与安全控制

Complex industrial system is indeed a cyber-physical system, in which many different kinds of components interact simultaneously. Security control and coordinated functioning of these systems have received considerable attention from both academia and industry. This project aims to provide a network perspective of these two problems. Specifically, the main content of the project includes: 1) building integrated models of networks of heterogeneous networks by considering the node heterogeneity, multilayer network structure, multiscale data, node and link failures caused by network attacks; 2) designing the multiscale coordinated control protocols in terms of states to cope with mismatches of data magnitude, data dimension and so on; 3) designing the multiscale coordinated control protocols in terms of the time to deal with asynchronous sampling or time constraints; 4) studying the ability of attack defense and designing resilient control protocols to guarantee the safe and efficient operation of networks of networks in case of defense failures. In addition, a simulation platform of coordination of multiple networks will be set up and experiment verification will be carried out using groups of mobile robots for formation control. The project will provide the theoretical foundation and application guidance for complex industrial systems.

复杂工业系统是由多个不同性质的子系统构成的信息物理系统，其安全协调稳定运行受到工业界和学术界的高度重视。本项目拟从网络科学的视角探究工业系统的多网络协调机制与安全控制问题。具体研究内容包括：1）考虑子系统的异质性和网络攻击的随机性、隐蔽性等特点，建立包含节点异质、多尺度多层网络以及节点和连边失效的多网络综合模型；2）设计多空间多尺度协调控制协议，为解决子系统间数据量级、数据维度等不匹配问题提供方法支撑；3）设计多时间多尺度协调控制协议，为子系统间由于数据异步更新以及时间约束导致的无法协调运行提供解决方法；4）在安全防御失效的情况下，研究异质多网络系统的抗攻击能力以及安全协调控制策略设计，保证多网络系统的安全协调稳定运行。在理论研究的基础上，搭建异质多网络系统协作仿真平台，并以多组异质移动机器人的编队问题进行实物验证。本项目为复杂工业系统的安全协调稳定运行提供理论与应用基础，具有实际意义。

复杂工业系统是由多个不同性质的子系统构成的信息物理系统，具有开放、共享、异构、互联等特点，其安全协调稳定运行受到工业界和学术界的广泛关注。本项目围绕工业系统的多网络协调机制与安全控制问题，从网络科学的视角系统地进行了研究：1）在多网络系统的建模方面，从时间和空间角度出发刻画复杂系统并建立了包含节点异质、多尺度多层网络、通信受限和多种网络攻击下的网络模型；2）考虑数据量级、数据维度和非线性不配特征，通过引入尺度信息和脉冲调制策略，揭示了网络拓扑与多尺度协调行为之间的关系，设计了设计多空间多尺度协调控制协议；3）考虑数据更新频率不通、数据分时共享等特点，分别在异步采样机制和分时共享机制下设计了多时间多尺度协同控制协议，结合事件触发机制探究了多网络系统同步问题，并确立了实现系统间协调所需的最小采样间隔与使用时间；4）针对系统遭受网络攻击的情况，结合攻击的随机性、隐蔽性等特点，建立网络攻击模型并对网络的抗攻击能力进行了评估，进一步，考虑网络的安全协调稳定运行问题，设计了分布式弹性控制协议与安全控制策略，保障系统的稳定运行；5）以多移动机器人系统为研究对象，搭建了异质多网络系统协作仿真平台与实验平台，通过实验验证对将理论研究进行分析与评价，并进一步将成果应用于群组异质移动机器人的编队问题。项目的研究成果对复杂工业系统的安全协调稳定运行具有重要的理论指导价值与实际意义，助力网络化协同制造基础理论的发展。