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        基于改進(jìn)觀測器的信息物理系統(tǒng)安全狀態(tài)估計(jì)和攻擊重建

        2020-06-19 08:20:16鄭孝怡方曉敏

        鄭孝怡 方曉敏

        摘? ?要:信息物理系統(tǒng)攻擊診斷問題的研究具有廣闊的應(yīng)用前景,已成為信息物理系統(tǒng)安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本文針對信息物理系統(tǒng)遭受執(zhí)行器攻擊且存在外部擾動的情形,研究安全狀態(tài)估計(jì)和攻擊重建問題??紤]離散時間信息物理系統(tǒng),引入中間變量參數(shù),設(shè)計(jì)具有魯棒性能的改進(jìn)觀測器,同時估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)信息和執(zhí)行器攻擊信息,實(shí)現(xiàn)安全狀態(tài)估計(jì)和執(zhí)行器攻擊重建。

        關(guān)鍵詞:信息物理系統(tǒng)? 執(zhí)行器攻擊? 安全狀態(tài)估計(jì)? 攻擊重建

        中圖分類號:TP309? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號:1674-098X(2020)03(a)-0137-02

        伴隨著工業(yè)4.0持續(xù)推進(jìn)的浪潮,信息物理系統(tǒng)獲得了廣大科技工作者的極大關(guān)注,并在制造業(yè),交通運(yùn)輸,醫(yī)療健康,城市建設(shè)等很多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[1]。信息物理系統(tǒng)在提高系統(tǒng)效率的同時,也使得系統(tǒng)更容易遭受攻擊。除了傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)攻擊,由于信息物理系統(tǒng)包含各種類型的物理設(shè)備,也容易遭受針對物理設(shè)備(如傳感器和執(zhí)行器)的攻擊,傳統(tǒng)的信息安全技術(shù)手段已顯得不夠[2]。

        基于上述原因,本文從控制理論角度開展信息物理系統(tǒng)安全狀態(tài)估計(jì)與攻擊重建問題研究。考慮信息物理系統(tǒng)遭受執(zhí)行器攻擊,且存在外部擾動的情形,在傳統(tǒng)龍伯格觀測器的基礎(chǔ)上引入中間變量參數(shù),設(shè)計(jì)具有魯棒性能的改進(jìn)觀測器,實(shí)現(xiàn)安全狀態(tài)估計(jì)和執(zhí)行器攻擊重建。

        1? 模型

        考慮如下離散時間信息物理系統(tǒng)模型:

        其中,表示狀態(tài)向量,表示輸入向量,表示輸出向量,表示可能存在的執(zhí)行器攻擊向量,表示外部擾動向量,、、和為已知矩陣。不失一般性,假設(shè)(A,B)可觀,(A,C)可控。

        假設(shè)1:對于任何非負(fù)實(shí)部的復(fù)數(shù)s,成立。

        假設(shè)2:外部擾動d(t)滿足:。

        假設(shè)3:執(zhí)行器攻擊fa(t)滿足:。

        2? 觀測器構(gòu)造

        2.1 觀測器設(shè)計(jì)

        引入中間變量:

        其中為待定標(biāo)量,構(gòu)造觀測器如下:

        其中,和為待計(jì)算的觀測器增益矩陣。

        引入誤差變量ex(t)和,可得誤差方程如下:

        綜合可得增廣形式如下:

        2.2 增益矩陣設(shè)計(jì)

        根據(jù)有界實(shí)引理、圓盤定理以及文獻(xiàn)[3]的定理1,可得如下結(jié)論。

        假設(shè)1-3成立情況下,給定性能指標(biāo)和圓盤區(qū)域,當(dāng)且僅當(dāng)存在兩個對稱正定矩陣和矩陣使得下列兩個條件滿足:

        則(4)式滿足性能指標(biāo),且的特征值位于圓盤內(nèi)。

        3? 結(jié)語

        本文通過引入中間變量構(gòu)造了改進(jìn)觀測器,用于受外部擾動信息物理系統(tǒng)狀態(tài)信息的估計(jì)和執(zhí)行器攻擊重建,最后基于有界實(shí)引理、圓盤定理和文獻(xiàn)[3]的定理1,給出了觀測器增益矩陣的設(shè)計(jì)方法,對于信息物理系統(tǒng)安全防護(hù)具有一定的參考作用。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 田競豪.信息物理系統(tǒng)在工業(yè)4.0中的應(yīng)用探究[J].通訊世界,2019(1):109-110.

        [2] 葛輝.網(wǎng)絡(luò)攻擊下信息物理融合系統(tǒng)的安全控制方法研究[D].南京郵電大學(xué),2019.

        [3] Garcia G, Bernussou J. Pole assignment for uncertain systems in a specified disk by state feedback[J]. IEEE Transactions on Automatic Control,1995,40(1):184–190.

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