網絡攻擊下的工業(yè)信息物理系統(tǒng)彈性控制研究
發(fā)布時間：2021-02-07 11:31
工業(yè)信息物理系統(tǒng)（Industrial-Cyber-Physical-Systems,ICPS）是工業(yè)無線傳感器網絡（Industrial Wireless Sensor Networks,IWSN）與傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)（Industrial Control Systems,ICS）的緊密連接,其中的計算和通信元素相互協(xié)作以控制物理對象。然而由于無線通信網絡的開放環(huán)境使得ICPS極易遭受各類網絡攻擊,使傳輸數據在通信過程中遭受丟包、竊取和篡改等攻擊,進一步造成物理對象出現故障、系統(tǒng)性能顯著下降和穩(wěn)定性受到破壞。為滿足ICPS網絡攻擊下維持良好性能的安全需求,在傳統(tǒng)的信息物理系統(tǒng)模型上構造有效的防御策略是實現ICPS彈性策略的重點與難點。因此,本文從攻擊者角度入手,以減輕攻擊對物理系統(tǒng)的破壞程度為目標,研究了線性時不變離散系統(tǒng)的工業(yè)信息物理系統(tǒng)彈性控制策略。主要的研究內容如下:（1）研究工業(yè)信息物理系統(tǒng)攻擊者的行為特征,對拒絕服務攻擊、重放攻擊、虛假數據注入攻擊三種典型網絡攻擊的表現形式及攻擊策略進行定性定量分析。網絡攻擊可以通過反饋驅動來影響物理過程,因此,在基于模型的分析框架中,用數學...
【文章來源】：江南大學江蘇省 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：80 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
ICPS基于ICPS的模型系統(tǒng)廣泛存在于人們的
?實現數據之間的交互。與此同時數據傳輸層需具有對大量信息進行智能集中處理和安全高效管理的能力。應用層是工業(yè)信息物理系統(tǒng)交互的核心部分，該層在對傳輸層所獲取的信息進行存儲、計算及更新后，通過聚合數據，進行復雜的決策算法來生成正確的控制命令。具體步驟為，利用預假設規(guī)則及高層控制語義規(guī)范對抽象處理后的數據信息進行判斷，從而確定最終的執(zhí)行命令，最后通過傳輸層將最終執(zhí)行命令反饋至底層的物理單元，由執(zhí)行器節(jié)點執(zhí)行相關命令。傳感器節(jié)點控制中心執(zhí)行器節(jié)點被控對象...計算與監(jiān)視網關圖2-1ICPS概念結構基于ICPS的模型系統(tǒng)廣泛存在于人們的日常生活中，其中比較普遍的系統(tǒng)為監(jiān)督控制與數據采集(SupervisoryControlAndDataAcquisition，SCADA)系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)主要由通信基礎設施、人機交互界面（HMI）、智能監(jiān)控計算機、遠程終端單元（RTU）或可編程邏輯控制器（PLC）構成，具有對現場運行設備進行監(jiān)測和控制，數據的采集、參數調節(jié)及異常報警等功能。SCADA的通信基礎設施作為ICPS節(jié)點及網關之間的傳輸協(xié)議；人機界面作為ICPS控制中心的運行窗口，實時顯示模擬被控對象的運行狀態(tài)；監(jiān)控計算機和遠程終端單元就好比ICPS的傳感器與執(zhí)行器節(jié)點，負責監(jiān)視與計算對象狀態(tài)并傳遞數據的作用。2.1.2典型的工業(yè)環(huán)境結構基于SCADA系統(tǒng)模式運行的供熱通風與空氣調節(jié)(Heating,VentilationandAirConditioning,HVAC)系統(tǒng)是一個典型的ICPS系統(tǒng)。HVAC系統(tǒng)是廣泛應用于大型場館樓宇，在周遭環(huán)境持續(xù)波動的情況下檢測環(huán)境狀態(tài)，控制并維持室內溫度、濕度、CO2濃度等指標動態(tài)平衡的智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)結構上大同小異，通過引入韓國樓宇通風調節(jié)的HVAC系統(tǒng)案例來了解ICPS
第三章工業(yè)信息物理系統(tǒng)的攻擊建模研究25圖3-4ICPS攻擊仿真框圖假設被控對象相關參數1011PA，10.5PB，11PC，0PD，其滿足可控可觀，通過控制器的調節(jié)使被控對象輸出能跟蹤設定值。將被控對象的采樣周期設為0.001s，并將初始狀態(tài)值x0設為0。在不設置攻擊節(jié)點的情況下通過PID調節(jié)，狀態(tài)方程轉換，得到在控制器參數為10.004500.5488FA，00.0045FB，0.000010.0799999FC，0.0009FD時，仿真結果圖如圖3-5所示。0123456789-1.5-1-0.500.511.5仿真時間/s幅值3.13.153.2-0.02-0.0100.010.02yyr|r(k)||a仿真結果
【參考文獻】：
期刊論文
[1]針對工業(yè)信息物理系統(tǒng)中的拒絕服務攻擊建立檢測模型[J]. 莊康熙,孫子文. 控制理論與應用. 2020(03)
[2]帶有隨機測量數據丟失及切換拓撲的傳感器網絡分布式l2-l∞濾波器設計[J]. 朱鳳增,聞繼偉,彭力,楊瑞田. 控制與決策. 2020(08)
[3]受攻擊信息物理系統(tǒng)的分布式安全狀態(tài)估計與控制——一種有限時間方法[J]. 敖偉,宋永端,溫長云. 自動化學報. 2019(01)
[4]基于博弈論的信息物理融合系統(tǒng)安全控制[J]. 龐巖,王娜,夏浩. 自動化學報. 2019(01)
[5]DoS攻擊下的一類信息物理系統(tǒng)的保性能控制[J]. 汪慕峰,胥布工. 華南理工大學學報(自然科學版). 2018(08)
[6]異構工業(yè)無線傳感器網絡的雙層Sybil攻擊檢測方案[J]. 朱穎,孫子文. 信息與控制. 2018(01)
[7]電力信息物理系統(tǒng)中惡性數據定義、構建與防御挑戰(zhàn)[J]. 衛(wèi)志農,陳和升,倪明,孫國強,孫永輝,厲超. 電力系統(tǒng)自動化. 2016(17)
[8]基于擴展Kalman濾波的工業(yè)控制系統(tǒng)DDoS攻擊檢測[J]. 李俊,郭嫻,孫軍. 電子技術應用. 2016(04)
[9]帶有無窮分布時滯的不確定系統(tǒng)的魯棒H∞濾波器設計[J]. 馬大中,王占山,馮健,張化光. 控制理論與應用. 2010(02)
[10]分布式網絡化控制系統(tǒng)故障診斷方法的研究[J]. 宗群,劉文靜,竇立謙,孫連坤. 控制與決策. 2008(06)
博士論文
[1]信息物理系統(tǒng)中攻擊檢測與安全狀態(tài)估計問題研究[D]. 敖偉.重慶大學 2017
碩士論文
[1]網絡化控制系統(tǒng)虛假數據注入攻擊的檢測方法研究[D]. 楊儒航.北方工業(yè)大學 2017
[2]CPS系統(tǒng)控制層攻擊檢測算法研究[D]. 孟慶雪.華東理工大學 2015
本文編號：3022159
【文章來源】：江南大學江蘇省 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：80 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
ICPS基于ICPS的模型系統(tǒng)廣泛存在于人們的
?實現數據之間的交互。與此同時數據傳輸層需具有對大量信息進行智能集中處理和安全高效管理的能力。應用層是工業(yè)信息物理系統(tǒng)交互的核心部分，該層在對傳輸層所獲取的信息進行存儲、計算及更新后，通過聚合數據，進行復雜的決策算法來生成正確的控制命令。具體步驟為，利用預假設規(guī)則及高層控制語義規(guī)范對抽象處理后的數據信息進行判斷，從而確定最終的執(zhí)行命令，最后通過傳輸層將最終執(zhí)行命令反饋至底層的物理單元，由執(zhí)行器節(jié)點執(zhí)行相關命令。傳感器節(jié)點控制中心執(zhí)行器節(jié)點被控對象...計算與監(jiān)視網關圖2-1ICPS概念結構基于ICPS的模型系統(tǒng)廣泛存在于人們的日常生活中，其中比較普遍的系統(tǒng)為監(jiān)督控制與數據采集(SupervisoryControlAndDataAcquisition，SCADA)系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)主要由通信基礎設施、人機交互界面（HMI）、智能監(jiān)控計算機、遠程終端單元（RTU）或可編程邏輯控制器（PLC）構成，具有對現場運行設備進行監(jiān)測和控制，數據的采集、參數調節(jié)及異常報警等功能。SCADA的通信基礎設施作為ICPS節(jié)點及網關之間的傳輸協(xié)議；人機界面作為ICPS控制中心的運行窗口，實時顯示模擬被控對象的運行狀態(tài)；監(jiān)控計算機和遠程終端單元就好比ICPS的傳感器與執(zhí)行器節(jié)點，負責監(jiān)視與計算對象狀態(tài)并傳遞數據的作用。2.1.2典型的工業(yè)環(huán)境結構基于SCADA系統(tǒng)模式運行的供熱通風與空氣調節(jié)(Heating,VentilationandAirConditioning,HVAC)系統(tǒng)是一個典型的ICPS系統(tǒng)。HVAC系統(tǒng)是廣泛應用于大型場館樓宇，在周遭環(huán)境持續(xù)波動的情況下檢測環(huán)境狀態(tài)，控制并維持室內溫度、濕度、CO2濃度等指標動態(tài)平衡的智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)結構上大同小異，通過引入韓國樓宇通風調節(jié)的HVAC系統(tǒng)案例來了解ICPS
第三章工業(yè)信息物理系統(tǒng)的攻擊建模研究25圖3-4ICPS攻擊仿真框圖假設被控對象相關參數1011PA，10.5PB，11PC，0PD，其滿足可控可觀，通過控制器的調節(jié)使被控對象輸出能跟蹤設定值。將被控對象的采樣周期設為0.001s，并將初始狀態(tài)值x0設為0。在不設置攻擊節(jié)點的情況下通過PID調節(jié)，狀態(tài)方程轉換，得到在控制器參數為10.004500.5488FA，00.0045FB，0.000010.0799999FC，0.0009FD時，仿真結果圖如圖3-5所示。0123456789-1.5-1-0.500.511.5仿真時間/s幅值3.13.153.2-0.02-0.0100.010.02yyr|r(k)||a仿真結果
【參考文獻】：
期刊論文
[1]針對工業(yè)信息物理系統(tǒng)中的拒絕服務攻擊建立檢測模型[J]. 莊康熙,孫子文. 控制理論與應用. 2020(03)
[2]帶有隨機測量數據丟失及切換拓撲的傳感器網絡分布式l2-l∞濾波器設計[J]. 朱鳳增,聞繼偉,彭力,楊瑞田. 控制與決策. 2020(08)
[3]受攻擊信息物理系統(tǒng)的分布式安全狀態(tài)估計與控制——一種有限時間方法[J]. 敖偉,宋永端,溫長云. 自動化學報. 2019(01)
[4]基于博弈論的信息物理融合系統(tǒng)安全控制[J]. 龐巖,王娜,夏浩. 自動化學報. 2019(01)
[5]DoS攻擊下的一類信息物理系統(tǒng)的保性能控制[J]. 汪慕峰,胥布工. 華南理工大學學報(自然科學版). 2018(08)
[6]異構工業(yè)無線傳感器網絡的雙層Sybil攻擊檢測方案[J]. 朱穎,孫子文. 信息與控制. 2018(01)
[7]電力信息物理系統(tǒng)中惡性數據定義、構建與防御挑戰(zhàn)[J]. 衛(wèi)志農,陳和升,倪明,孫國強,孫永輝,厲超. 電力系統(tǒng)自動化. 2016(17)
[8]基于擴展Kalman濾波的工業(yè)控制系統(tǒng)DDoS攻擊檢測[J]. 李俊,郭嫻,孫軍. 電子技術應用. 2016(04)
[9]帶有無窮分布時滯的不確定系統(tǒng)的魯棒H∞濾波器設計[J]. 馬大中,王占山,馮健,張化光. 控制理論與應用. 2010(02)
[10]分布式網絡化控制系統(tǒng)故障診斷方法的研究[J]. 宗群,劉文靜,竇立謙,孫連坤. 控制與決策. 2008(06)
博士論文
[1]信息物理系統(tǒng)中攻擊檢測與安全狀態(tài)估計問題研究[D]. 敖偉.重慶大學 2017
碩士論文
[1]網絡化控制系統(tǒng)虛假數據注入攻擊的檢測方法研究[D]. 楊儒航.北方工業(yè)大學 2017
[2]CPS系統(tǒng)控制層攻擊檢測算法研究[D]. 孟慶雪.華東理工大學 2015
本文編號：3022159
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