信息物理融合系統(tǒng)理論與應(yīng)用?？蜓?/h1>
2019-01-23 02:34管曉宏關(guān)新平郭戈
自動(dòng)化學(xué)報(bào) 2019年1期
管曉宏 關(guān)新平 郭戈
信息物理融合系統(tǒng)(Cyber physical systems,CPS)是集控制、通信與計(jì)算于一體的智能系統(tǒng).CPS在智能感知和信息通信的基礎(chǔ)上,通過信息計(jì)算和物理過程的相互影響實(shí)現(xiàn)計(jì)算、通信和控制的深度融合和實(shí)時(shí)交互,以安全、可靠、高效和實(shí)時(shí)的方式檢測(cè)及控制物理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的自治和協(xié)作.
近年來,CPS及其相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展,推動(dòng)了汽車、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療保健、應(yīng)急響應(yīng)、工業(yè)控制系統(tǒng)、智能建筑、智慧道路、智能交通系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的升級(jí)換代和跨越發(fā)展.與CPS有關(guān)的其他概念包括:物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、智慧電網(wǎng)以及萬物智慧(如:汽車、建筑、家庭、制造、醫(yī)院、家電等).
目前,CPS理論體系尚處于構(gòu)建之中,相關(guān)研究正面臨諸多亟待解決的難題.例如,如何理解信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的相互作用?如何面向物理系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)信息系統(tǒng)?如何保證物理系統(tǒng)在信息缺失或面臨不安全因素時(shí)正常運(yùn)行?與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比,CPS系統(tǒng)構(gòu)成要素多,其通信、控制和計(jì)算開銷較大,而資源通常有限.另外,CPS中的網(wǎng)絡(luò)及信息技術(shù)環(huán)境與物理原件廣泛關(guān)聯(lián),涉及控制、通信、模擬及數(shù)字物理學(xué)、邏輯學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域,信息空間與物理世界的相互作用隨時(shí)間和情況而變化,利用多領(lǐng)域模型捕捉這種變化對(duì)CPS設(shè)計(jì)至關(guān)重要.CPS分析和設(shè)計(jì)中既應(yīng)考慮物理系統(tǒng)的基本功能要求和物理限制,還應(yīng)評(píng)估聯(lián)系物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信層的服務(wù)質(zhì)量及安全性對(duì)兩者的影響,更面臨著信息處理能力、計(jì)算方法及其效率和性能方面的挑戰(zhàn).尤其是網(wǎng)絡(luò)信息安全問題日益突出,CPS的安全性問題也值得重視.上述幾方面的問題處理不當(dāng),會(huì)導(dǎo)致CPS系統(tǒng)性能惡化、效率低下,甚至不穩(wěn)定.
自2006年美國國家科學(xué)基金委員會(huì)將CPS列為重點(diǎn)研究領(lǐng)域以來,CPS一直是學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一,全球范圍內(nèi)舉辦了很多專題國際研討會(huì),一些知名國際期刊也相繼出版CPS方面的?？?歸納起來,CPS領(lǐng)域的研究工作重點(diǎn)關(guān)注的問題主要包括:系統(tǒng)的基本架構(gòu)及建模、系統(tǒng)的測(cè)試驗(yàn)證、信息獲取與處理、通信模式與協(xié)議、智能計(jì)算方法、先進(jìn)控制方法、信息安全與綜合安全分析等方面的理論和方法,以及CPS在工業(yè)控制系統(tǒng)、智能交通系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、醫(yī)療保健設(shè)備等方面的應(yīng)用研究.
CPS中的物理系統(tǒng)與信息空間的高度融合,給信息獲取、通信、計(jì)算和控制帶來諸多挑戰(zhàn),對(duì)相關(guān)領(lǐng)域尤其是控制科學(xué)與工程學(xué)科帶來深刻變革.我們出版信息物理融合系統(tǒng)理論與應(yīng)用?？?一方面是為了展示我國學(xué)者在有關(guān)領(lǐng)域的最新研究成果,更重要的是為了促進(jìn)我國信息物理融合系統(tǒng)相關(guān)理論研究的深入開展,并希望由此帶動(dòng)CPS在交通、能源、醫(yī)療、工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)發(fā)展.經(jīng)推薦和審稿專家?guī)纵喸u(píng)審,最后錄用論文16篇,集中反映了近年來在CPS系統(tǒng)理論與應(yīng)用研究中的最新成果,以供廣大科技工作者了解和研討.
此?？珍浀恼撐纳婕癈PS研究綜述、CPS在智能電網(wǎng)、智能交通、輸油管網(wǎng)中的應(yīng)用研究、CPS信息安全與綜合安全分析等方面,希望這些優(yōu)秀成果可以使讀者受到鼓舞和啟發(fā),也希望能吸引和帶動(dòng)更多的優(yōu)秀學(xué)者投身于CPS研究,從而推動(dòng)我國在CPS相關(guān)理論與應(yīng)用研究中不斷取得新成就.
1 CPS研究綜述
信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的融合在提升系統(tǒng)性能的同時(shí),信息系統(tǒng)的信息安全威脅與物理系統(tǒng)的工程安全問題相互影響,導(dǎo)致新的綜合安全問題.劉烴、管曉宏等的綜述“信息物理融合系統(tǒng)綜合安全威脅與防御研究”,全面介紹了CPS的概念與安全現(xiàn)狀,給出了CPS的綜合安全定義.在對(duì)現(xiàn)有安全事件進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,提出了綜合安全威脅模型.并從時(shí)間關(guān)聯(lián)和空間關(guān)聯(lián)的角度,對(duì)現(xiàn)有CPS攻擊和防御方法進(jìn)行了分類和總結(jié),最后探討了CPS綜合安全領(lǐng)域的研究方向.
工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是融合工業(yè)控制和信息通信的多維動(dòng)態(tài)系統(tǒng),具有維度高、動(dòng)態(tài)性強(qiáng)、工業(yè)通信協(xié)議和配置深入嵌入等特征,如何在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)信息感知分布性、控制適應(yīng)性、整體協(xié)調(diào)性,是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的新挑戰(zhàn).關(guān)新平、陳彩蓮、楊博等的綜述“工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的感知–傳輸–控制一體化:挑戰(zhàn)和進(jìn)展”,概述了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的內(nèi)涵和主要特征,分析了“感知–傳輸–控制一體化”面臨的挑戰(zhàn)和關(guān)鍵問題,綜述了分布式狀態(tài)感知,適變傳輸、協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展,對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的未來研究方向和潛在應(yīng)用前景進(jìn)行了總結(jié)和展望.
加強(qiáng)CPS技術(shù)研究對(duì)“中國制造2025”戰(zhàn)略的實(shí)施具有重大現(xiàn)實(shí)意義.CPS的技術(shù)實(shí)現(xiàn)可分為單元級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)三個(gè)層次,由四大核心技術(shù)要素構(gòu)成,包括:感知和自動(dòng)控制、工業(yè)軟件、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)以及工業(yè)云和智能服務(wù)平臺(tái).CPS在工業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用,形成了工業(yè)信息物理系統(tǒng)iCPS,德國“工業(yè)4.0”即是典型代表,可望使制造過程從“人–物理系統(tǒng)”二元體系向“人–信息–物理系統(tǒng)”三元體系轉(zhuǎn)變.李洪陽、何瀟等的綜述“信息物理系統(tǒng)技術(shù)綜述”,根據(jù)技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)對(duì)CPS當(dāng)前的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述,并給出了系統(tǒng)級(jí)、系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)兩個(gè)層面的CPS的實(shí)際案例,力求使學(xué)術(shù)界與工業(yè)界達(dá)成CPS認(rèn)知共識(shí).
電力系統(tǒng)是CPS的典型應(yīng)用之一,本?？珍浟藘善@方面的綜述文章,對(duì)促進(jìn)我國電力系統(tǒng)CPS研究具有積極促進(jìn)作用.姜兆宇、賈慶山、管曉宏等的綜述“多時(shí)空尺度的風(fēng)力發(fā)電預(yù)測(cè)方法綜述”,首先根據(jù)風(fēng)力發(fā)電預(yù)測(cè)范圍,梳理了單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、單一風(fēng)電場(chǎng)以及風(fēng)電場(chǎng)群三個(gè)空間尺度上的發(fā)電預(yù)測(cè)方法.其次,針對(duì)不同空間尺度,根據(jù)風(fēng)電預(yù)測(cè)是否使用氣象信息將預(yù)測(cè)方法分類,并根據(jù)預(yù)測(cè)時(shí)間尺度將預(yù)測(cè)方法再次分類.在不同時(shí)間尺度上對(duì)風(fēng)電預(yù)測(cè)的研究進(jìn)展和挑戰(zhàn)進(jìn)行了分類綜述.該論文有助于研究人員對(duì)不同的風(fēng)力發(fā)電預(yù)測(cè)任務(wù)采取合適的方法.王琦等的“面向電力信息物理系統(tǒng)的虛假數(shù)據(jù)注入攻擊研究綜述”論文,針對(duì)面向電力CPS的虛假數(shù)據(jù)注入(False data injection,FDI)的攻擊過程和防御手段進(jìn)行了分析與總結(jié),從攻擊者視角分析了FDI的攻擊目標(biāo)、策略及后果,從防御者視角總結(jié)了保護(hù)與檢測(cè)環(huán)節(jié)中的各類方法.
2 CPS在能源電力系統(tǒng)的應(yīng)用研究
隨著電力信息通信技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,電力流與信息流深度融合,共同實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的全景狀態(tài)感知與控制決策,開放的通信環(huán)境與復(fù)雜的信息物理耦合交互,使得電力系統(tǒng)的優(yōu)化管理與控制、信息安全風(fēng)險(xiǎn)成為影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素.針對(duì)能源電力系統(tǒng)的優(yōu)化管理與控制問題,司方遠(yuǎn)、汪晉寬等提出一種信息物理融合的智慧能源系統(tǒng)多級(jí)對(duì)等協(xié)同優(yōu)化方法.在信息物理融合能源系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了智慧能源系統(tǒng)的局域和廣域兩級(jí)協(xié)同優(yōu)化架構(gòu).綜合考慮產(chǎn)消者能源實(shí)體對(duì)等交互過程中的社會(huì)福利、供求平衡和需求意愿等因素,基于Stone-Geary函數(shù)和雙向拍賣機(jī)制構(gòu)建了智慧能源系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化模型,給出了通過收斂判定域引導(dǎo)的全局隨機(jī)尋優(yōu)與區(qū)域定向?qū)?yōu)策略,有效地提高了算法的局部搜索能力.此外,通過雙向拍賣機(jī)制的理性定價(jià)以及智能合約的輔助服務(wù),有效地實(shí)現(xiàn)了用戶友好的對(duì)等交易模式.
李韜等研究了智能電網(wǎng)的系統(tǒng)管理員(防護(hù)者)如何確定攻擊者類型,從而選擇最優(yōu)防護(hù)策略的問題,提出一種貝葉斯序貫博弈模型以確定攻擊者的類型,根據(jù)序貫博弈樹得到博弈雙方的均衡策略.首先,對(duì)類型不確定的攻擊者和防護(hù)者構(gòu)建了靜態(tài)貝葉斯博弈模型,通過海薩尼轉(zhuǎn)換將不完全信息博弈轉(zhuǎn)換成完全信息博弈,得到貝葉斯納什均衡解,進(jìn)而確定攻擊者的類型.其次,考慮了攻擊者和防護(hù)者之間的序貫博弈模型,它能夠有效地幫助防護(hù)者進(jìn)行決策分析.通過逆向歸納法分別對(duì)兩種類型的攻擊者和防護(hù)者之間的博弈樹進(jìn)行分析,得到了博弈樹的均衡路徑,進(jìn)而得到了攻擊者的最優(yōu)攻擊策略和防護(hù)者的最優(yōu)防護(hù)策略.
針對(duì)連續(xù)拒絕服務(wù)攻擊導(dǎo)致量測(cè)數(shù)據(jù)丟失使得動(dòng)態(tài)狀態(tài)估計(jì)失效、進(jìn)而破壞智能電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問題,楊飛生、潘泉等針對(duì)受網(wǎng)絡(luò)攻擊的信息物理融合電力系統(tǒng)的事件觸發(fā)控制問題,提出一種彈性事件觸發(fā)機(jī)制,使電力系統(tǒng)能夠容忍攻擊所造成的數(shù)據(jù)丟失,與此同時(shí),實(shí)現(xiàn)PI型靜態(tài)輸出反饋控制器的輸入按需更新,減少了通信負(fù)擔(dān).對(duì)于建立的閉環(huán)時(shí)滯系統(tǒng)模型,構(gòu)造新型李亞普諾夫泛函進(jìn)行穩(wěn)定性分析,得到系統(tǒng)所能承受的最大拒絕服務(wù)攻擊持續(xù)時(shí)間,并對(duì)控制器增益和彈性事件觸發(fā)矩陣進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì).杜大軍、費(fèi)敏銳等研究了拒絕服務(wù)攻擊下基于無跡卡爾曼濾波(Unscented Kalman filter,UKF)的智能電網(wǎng)動(dòng)態(tài)狀態(tài)估計(jì)問題,提出一種用于拒絕服務(wù)攻擊下智能電網(wǎng)動(dòng)態(tài)狀態(tài)估計(jì)的UKF方法.首先,分析拒絕服務(wù)攻擊引起數(shù)據(jù)丟包特性并設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)補(bǔ)償策略,以重構(gòu)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型.然后結(jié)合Holt's雙參數(shù)指數(shù)平滑和無跡卡爾曼濾波方法,構(gòu)造了融合補(bǔ)償信息的新狀態(tài)估計(jì)方程,并進(jìn)一步基于估計(jì)誤差協(xié)方差矩陣得到狀態(tài)增益更新方法,從而獲得UKF動(dòng)態(tài)估計(jì)新方法.
3 CPS在智能交通中的應(yīng)用研究
交通系統(tǒng)是CPS的另一個(gè)典型應(yīng)用領(lǐng)域.本專刊收錄了三篇該領(lǐng)域的研究論文.云計(jì)算和服務(wù)框架為交通信息物理系統(tǒng)(TCPS)提供了強(qiáng)大的計(jì)算及存儲(chǔ)能力,為解決智能交通系統(tǒng)的目標(biāo)實(shí)時(shí)控制等問題提供了有效的方案.夏元清等在“智能交通信息物理融合云控制系統(tǒng)”一文中,針對(duì)現(xiàn)代智能交通信息物理融合路網(wǎng)中的對(duì)象繁雜、數(shù)據(jù)采集、傳輸及計(jì)算需求高以及實(shí)時(shí)調(diào)度控制能力差等問題,基于云控制系統(tǒng)理論,給出了智能交通云控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,包括智能交通邊緣控制技術(shù)和智能交通網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù).基于智能交通流大數(shù)據(jù),在云控制管理中心服務(wù)器上利用深度學(xué)習(xí)和超限學(xué)習(xí)機(jī)等智能學(xué)習(xí)方法對(duì)交通流數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練預(yù)測(cè)計(jì)算,能夠預(yù)測(cè)城市道路的短時(shí)交通流和擁堵狀況.進(jìn)而在云端利用智能優(yōu)化調(diào)度算法得到實(shí)時(shí)交通流調(diào)控策略,用于解決擁堵路段交通流分配難題,提高智能交通控制網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)運(yùn)行性能.
TCPS借助先進(jìn)的環(huán)境感知、實(shí)時(shí)信息獲取和處理技術(shù),可與第三方工具和服務(wù)無縫集成,實(shí)現(xiàn)車輛與車輛、車輛與道路設(shè)施的信息共享和運(yùn)行協(xié)調(diào),從而使車輛的實(shí)時(shí)調(diào)度和協(xié)作優(yōu)化運(yùn)行成為可能.郭戈等研究了基于TCPS的高速公路運(yùn)輸車輛協(xié)同運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度與控制問題,提出基于車–車、車–路實(shí)時(shí)信息感知和共享的大規(guī)模車輛大范圍實(shí)時(shí)協(xié)同調(diào)度及合并編組運(yùn)行思想,目的是將運(yùn)輸車輛根據(jù)任務(wù)路線編組成小距離行駛的車隊(duì)(稱為道路火車),以降低大部分車輛行駛中克服空氣阻力的油耗,從而最大限度地降低營運(yùn)者運(yùn)輸成本和總體溫室氣體排放.首先采用局部調(diào)度策略,結(jié)合領(lǐng)隊(duì)車輛選擇算法及聚類分析,構(gòu)建可合并車輛集合,然后用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法實(shí)現(xiàn)每個(gè)車隊(duì)集合中車輛路徑與速度的精細(xì)優(yōu)化,并通過突發(fā)情況的簡(jiǎn)易處理證明其調(diào)度策略的可擴(kuò)展性.
由于通用計(jì)算機(jī)設(shè)備和通信技術(shù)存在的信息安全漏洞,給基于通信的列車運(yùn)行控制CBTC系統(tǒng)帶來日益嚴(yán)峻的信息安全風(fēng)險(xiǎn),因此,研究CBTC系統(tǒng)的信息安全風(fēng)險(xiǎn)量化和動(dòng)態(tài)評(píng)估具有重要意義.唐濤等針對(duì)城市軌道交通列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的信息安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估問題,根據(jù)設(shè)備及通信鏈路的差異性構(gòu)建了CBTC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?結(jié)合信息安全風(fēng)險(xiǎn)下線路列車運(yùn)行性能變化所導(dǎo)致的運(yùn)能損失,采用綜合表征信息域和物理域特征的二維結(jié)構(gòu)信息熵,實(shí)現(xiàn)對(duì)CBTC系統(tǒng)信息安全風(fēng)險(xiǎn)的建模、量化分析和評(píng)估.
4 CPS信息安全與綜合安全研究
由于信息處理與動(dòng)態(tài)過程的緊密關(guān)聯(lián),使得信息物理特別容易受到數(shù)據(jù)傳輸中的錯(cuò)誤或攻擊影響,進(jìn)而造成損失或重大的破壞.CPS面臨的安全威脅主要源于感知層、網(wǎng)絡(luò)層和控制層三個(gè)方面.CPS感知層的傳感器大都無法直接使用跳頻通信及公鑰密碼等現(xiàn)有安全機(jī)制,其網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、異構(gòu)、開放,基于標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議分布式地傳輸和處理信息,易受外部攻擊.而感知層和網(wǎng)絡(luò)層的不足,導(dǎo)致控制層易受入侵攻擊,使控制指令延遲或失真,從而使CPS無法及時(shí)執(zhí)行正確的任務(wù),導(dǎo)致物理系統(tǒng)性能下降甚至失穩(wěn).常見的外部攻擊有阻斷服務(wù)(Denial-of-Service,DoS)、假數(shù)據(jù)注入FDI、重啟及哄騙等.安全性是CPS研究的重要內(nèi)容之一,本?？兴钠撐膶ｉT研究此問題.
馬大中、孫秋野等研究了基于數(shù)據(jù)特征融合的管網(wǎng)信息物理異常診斷方法,針對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大、耦合性強(qiáng)的問題,提出一種基于數(shù)據(jù)特征融合的信息物理異常診斷方法.首先,通過站場(chǎng)信息數(shù)據(jù)構(gòu)建信息增維矩陣并且通過矩陣預(yù)分析實(shí)現(xiàn)信息傳輸中斷異常的判斷.然后,基于不同站場(chǎng)信息構(gòu)建的信息增維協(xié)方差矩陣,通過矩陣特征值分布的變化情況對(duì)物理異常以及信息傳輸錯(cuò)誤異常進(jìn)行區(qū)分.在此基礎(chǔ)上,為了對(duì)管網(wǎng)物理異常分類實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的有效分析,將管網(wǎng)信息增維協(xié)方差矩陣最大特征向量映射的二維圖像作為輸入,采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理異常的準(zhǔn)確判斷.
針對(duì)含有攻擊的相互耦合信息物理系統(tǒng)中的分布式有限時(shí)間狀態(tài)安全估計(jì)以及分布式有限時(shí)間安全控制器設(shè)計(jì)問題,宋永端、溫長(zhǎng)云等通過探索安全估計(jì)問題的可解性與不可分辨攻擊的存在性之間的等價(jià)特性,建立安全估計(jì)可解的充分條件.進(jìn)而提出一種由分布式安全測(cè)量預(yù)選器和有限時(shí)間觀測(cè)器構(gòu)成的分布式有限時(shí)間狀態(tài)安全估計(jì)策略,可確保系統(tǒng)狀態(tài)可在預(yù)設(shè)的有限時(shí)間內(nèi)得到準(zhǔn)確估計(jì).利用獲得的安全狀態(tài)估計(jì)和反步設(shè)計(jì)方法,提出一種分布式有限時(shí)間安全控制器,可保證系統(tǒng)在有限時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)給定信號(hào)的跟蹤.
為了保護(hù)CPS中物理實(shí)體的正常運(yùn)行不因惡意攻擊造成的網(wǎng)絡(luò)空間入侵而受干擾,夏浩等研究了基于博弈論的CPS安全控制問題,目的在于從物理系統(tǒng)入手,將受到數(shù)據(jù)包時(shí)序攻擊的CPS安全性研究抽象為一個(gè)博弈過程,基于非合作博弈的兩人零和博弈模型,設(shè)計(jì)了可變延遲情況下的魯棒輸出反饋的極大極小控制器.并且采用參數(shù)化的軟約束二次型目標(biāo)函數(shù),在控制器設(shè)計(jì)時(shí)引入干擾衰減因子,通過對(duì)干擾衰減因子的取值使得二次型目標(biāo)函數(shù)取極小值,從而保證了最差情況下的穩(wěn)定控制,在滿足干擾衰減因子的約束條件下,本文通過粒子群搜索算法得出干擾衰減因子的值.
彭勤科等研究了FDI攻擊下CPS的穩(wěn)定性,尤其是FDI攻擊對(duì)CPS穩(wěn)定性的影響.建立了從前向通道和反饋通道分別注入控制假數(shù)據(jù)和測(cè)量假數(shù)據(jù)的FDI攻擊模型,然后提出FDI攻擊效力模型用來量化FDI攻擊對(duì)CPS狀態(tài)估計(jì)值和測(cè)量殘差的影響.在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種攻擊向量協(xié)同策略,并通過理論分析獲得操縱CPS穩(wěn)定性的攻擊條件:攻擊矩陣穩(wěn)定性和時(shí)間參數(shù)的選取時(shí)機(jī)及系統(tǒng)矩陣穩(wěn)定性.論文揭示了FDI攻擊的協(xié)同性,對(duì)保護(hù)CPS安全和防御網(wǎng)絡(luò)攻擊提供重要參考.
上述論文都得到了國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等資助,其研究成果豐富了CPS系統(tǒng)理論體系.需要指出的是,由于時(shí)間和篇幅所限,本期信息物理融合系統(tǒng)理論與應(yīng)用?？⒉荒苋娣从吃擃I(lǐng)域的主要研究方向及最新進(jìn)展,所發(fā)表的論文也可能存在一定不足.但我們希望本期專刊能夠?qū)υ擃I(lǐng)域的研究人員有所參考和啟發(fā),以推動(dòng)信息物理系統(tǒng)理論及相關(guān)應(yīng)用技術(shù)研究.我們也借此機(jī)會(huì),對(duì)積極提供稿件的作者表示感謝,也感謝?？撐牡木幬蛯徃迦藢?duì)本?？龅呢暙I(xiàn),感謝《自動(dòng)化學(xué)報(bào)》編輯部對(duì)專刊出版給予的大力支持！
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管曉宏 關(guān)新平 郭戈
信息物理融合系統(tǒng)(Cyber physical systems,CPS)是集控制、通信與計(jì)算于一體的智能系統(tǒng).CPS在智能感知和信息通信的基礎(chǔ)上,通過信息計(jì)算和物理過程的相互影響實(shí)現(xiàn)計(jì)算、通信和控制的深度融合和實(shí)時(shí)交互,以安全、可靠、高效和實(shí)時(shí)的方式檢測(cè)及控制物理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的自治和協(xié)作.
近年來,CPS及其相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展,推動(dòng)了汽車、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療保健、應(yīng)急響應(yīng)、工業(yè)控制系統(tǒng)、智能建筑、智慧道路、智能交通系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的升級(jí)換代和跨越發(fā)展.與CPS有關(guān)的其他概念包括:物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、智慧電網(wǎng)以及萬物智慧(如:汽車、建筑、家庭、制造、醫(yī)院、家電等).
目前,CPS理論體系尚處于構(gòu)建之中,相關(guān)研究正面臨諸多亟待解決的難題.例如,如何理解信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的相互作用?如何面向物理系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)信息系統(tǒng)?如何保證物理系統(tǒng)在信息缺失或面臨不安全因素時(shí)正常運(yùn)行?與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比,CPS系統(tǒng)構(gòu)成要素多,其通信、控制和計(jì)算開銷較大,而資源通常有限.另外,CPS中的網(wǎng)絡(luò)及信息技術(shù)環(huán)境與物理原件廣泛關(guān)聯(lián),涉及控制、通信、模擬及數(shù)字物理學(xué)、邏輯學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域,信息空間與物理世界的相互作用隨時(shí)間和情況而變化,利用多領(lǐng)域模型捕捉這種變化對(duì)CPS設(shè)計(jì)至關(guān)重要.CPS分析和設(shè)計(jì)中既應(yīng)考慮物理系統(tǒng)的基本功能要求和物理限制,還應(yīng)評(píng)估聯(lián)系物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信層的服務(wù)質(zhì)量及安全性對(duì)兩者的影響,更面臨著信息處理能力、計(jì)算方法及其效率和性能方面的挑戰(zhàn).尤其是網(wǎng)絡(luò)信息安全問題日益突出,CPS的安全性問題也值得重視.上述幾方面的問題處理不當(dāng),會(huì)導(dǎo)致CPS系統(tǒng)性能惡化、效率低下,甚至不穩(wěn)定.
自2006年美國國家科學(xué)基金委員會(huì)將CPS列為重點(diǎn)研究領(lǐng)域以來,CPS一直是學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一,全球范圍內(nèi)舉辦了很多專題國際研討會(huì),一些知名國際期刊也相繼出版CPS方面的?？?歸納起來,CPS領(lǐng)域的研究工作重點(diǎn)關(guān)注的問題主要包括:系統(tǒng)的基本架構(gòu)及建模、系統(tǒng)的測(cè)試驗(yàn)證、信息獲取與處理、通信模式與協(xié)議、智能計(jì)算方法、先進(jìn)控制方法、信息安全與綜合安全分析等方面的理論和方法,以及CPS在工業(yè)控制系統(tǒng)、智能交通系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、醫(yī)療保健設(shè)備等方面的應(yīng)用研究.
CPS中的物理系統(tǒng)與信息空間的高度融合,給信息獲取、通信、計(jì)算和控制帶來諸多挑戰(zhàn),對(duì)相關(guān)領(lǐng)域尤其是控制科學(xué)與工程學(xué)科帶來深刻變革.我們出版信息物理融合系統(tǒng)理論與應(yīng)用?？?一方面是為了展示我國學(xué)者在有關(guān)領(lǐng)域的最新研究成果,更重要的是為了促進(jìn)我國信息物理融合系統(tǒng)相關(guān)理論研究的深入開展,并希望由此帶動(dòng)CPS在交通、能源、醫(yī)療、工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)發(fā)展.經(jīng)推薦和審稿專家?guī)纵喸u(píng)審,最后錄用論文16篇,集中反映了近年來在CPS系統(tǒng)理論與應(yīng)用研究中的最新成果,以供廣大科技工作者了解和研討.
此?？珍浀恼撐纳婕癈PS研究綜述、CPS在智能電網(wǎng)、智能交通、輸油管網(wǎng)中的應(yīng)用研究、CPS信息安全與綜合安全分析等方面,希望這些優(yōu)秀成果可以使讀者受到鼓舞和啟發(fā),也希望能吸引和帶動(dòng)更多的優(yōu)秀學(xué)者投身于CPS研究,從而推動(dòng)我國在CPS相關(guān)理論與應(yīng)用研究中不斷取得新成就.
1 CPS研究綜述
信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的融合在提升系統(tǒng)性能的同時(shí),信息系統(tǒng)的信息安全威脅與物理系統(tǒng)的工程安全問題相互影響,導(dǎo)致新的綜合安全問題.劉烴、管曉宏等的綜述“信息物理融合系統(tǒng)綜合安全威脅與防御研究”,全面介紹了CPS的概念與安全現(xiàn)狀,給出了CPS的綜合安全定義.在對(duì)現(xiàn)有安全事件進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,提出了綜合安全威脅模型.并從時(shí)間關(guān)聯(lián)和空間關(guān)聯(lián)的角度,對(duì)現(xiàn)有CPS攻擊和防御方法進(jìn)行了分類和總結(jié),最后探討了CPS綜合安全領(lǐng)域的研究方向.
工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是融合工業(yè)控制和信息通信的多維動(dòng)態(tài)系統(tǒng),具有維度高、動(dòng)態(tài)性強(qiáng)、工業(yè)通信協(xié)議和配置深入嵌入等特征,如何在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)信息感知分布性、控制適應(yīng)性、整體協(xié)調(diào)性,是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的新挑戰(zhàn).關(guān)新平、陳彩蓮、楊博等的綜述“工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的感知–傳輸–控制一體化:挑戰(zhàn)和進(jìn)展”,概述了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的內(nèi)涵和主要特征,分析了“感知–傳輸–控制一體化”面臨的挑戰(zhàn)和關(guān)鍵問題,綜述了分布式狀態(tài)感知,適變傳輸、協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展,對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的未來研究方向和潛在應(yīng)用前景進(jìn)行了總結(jié)和展望.
加強(qiáng)CPS技術(shù)研究對(duì)“中國制造2025”戰(zhàn)略的實(shí)施具有重大現(xiàn)實(shí)意義.CPS的技術(shù)實(shí)現(xiàn)可分為單元級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)三個(gè)層次,由四大核心技術(shù)要素構(gòu)成,包括:感知和自動(dòng)控制、工業(yè)軟件、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)以及工業(yè)云和智能服務(wù)平臺(tái).CPS在工業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用,形成了工業(yè)信息物理系統(tǒng)iCPS,德國“工業(yè)4.0”即是典型代表,可望使制造過程從“人–物理系統(tǒng)”二元體系向“人–信息–物理系統(tǒng)”三元體系轉(zhuǎn)變.李洪陽、何瀟等的綜述“信息物理系統(tǒng)技術(shù)綜述”,根據(jù)技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)對(duì)CPS當(dāng)前的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述,并給出了系統(tǒng)級(jí)、系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)兩個(gè)層面的CPS的實(shí)際案例,力求使學(xué)術(shù)界與工業(yè)界達(dá)成CPS認(rèn)知共識(shí).
電力系統(tǒng)是CPS的典型應(yīng)用之一,本?？珍浟藘善@方面的綜述文章,對(duì)促進(jìn)我國電力系統(tǒng)CPS研究具有積極促進(jìn)作用.姜兆宇、賈慶山、管曉宏等的綜述“多時(shí)空尺度的風(fēng)力發(fā)電預(yù)測(cè)方法綜述”,首先根據(jù)風(fēng)力發(fā)電預(yù)測(cè)范圍,梳理了單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、單一風(fēng)電場(chǎng)以及風(fēng)電場(chǎng)群三個(gè)空間尺度上的發(fā)電預(yù)測(cè)方法.其次,針對(duì)不同空間尺度,根據(jù)風(fēng)電預(yù)測(cè)是否使用氣象信息將預(yù)測(cè)方法分類,并根據(jù)預(yù)測(cè)時(shí)間尺度將預(yù)測(cè)方法再次分類.在不同時(shí)間尺度上對(duì)風(fēng)電預(yù)測(cè)的研究進(jìn)展和挑戰(zhàn)進(jìn)行了分類綜述.該論文有助于研究人員對(duì)不同的風(fēng)力發(fā)電預(yù)測(cè)任務(wù)采取合適的方法.王琦等的“面向電力信息物理系統(tǒng)的虛假數(shù)據(jù)注入攻擊研究綜述”論文,針對(duì)面向電力CPS的虛假數(shù)據(jù)注入(False data injection,FDI)的攻擊過程和防御手段進(jìn)行了分析與總結(jié),從攻擊者視角分析了FDI的攻擊目標(biāo)、策略及后果,從防御者視角總結(jié)了保護(hù)與檢測(cè)環(huán)節(jié)中的各類方法.
2 CPS在能源電力系統(tǒng)的應(yīng)用研究
隨著電力信息通信技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,電力流與信息流深度融合,共同實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的全景狀態(tài)感知與控制決策,開放的通信環(huán)境與復(fù)雜的信息物理耦合交互,使得電力系統(tǒng)的優(yōu)化管理與控制、信息安全風(fēng)險(xiǎn)成為影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素.針對(duì)能源電力系統(tǒng)的優(yōu)化管理與控制問題,司方遠(yuǎn)、汪晉寬等提出一種信息物理融合的智慧能源系統(tǒng)多級(jí)對(duì)等協(xié)同優(yōu)化方法.在信息物理融合能源系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了智慧能源系統(tǒng)的局域和廣域兩級(jí)協(xié)同優(yōu)化架構(gòu).綜合考慮產(chǎn)消者能源實(shí)體對(duì)等交互過程中的社會(huì)福利、供求平衡和需求意愿等因素,基于Stone-Geary函數(shù)和雙向拍賣機(jī)制構(gòu)建了智慧能源系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化模型,給出了通過收斂判定域引導(dǎo)的全局隨機(jī)尋優(yōu)與區(qū)域定向?qū)?yōu)策略,有效地提高了算法的局部搜索能力.此外,通過雙向拍賣機(jī)制的理性定價(jià)以及智能合約的輔助服務(wù),有效地實(shí)現(xiàn)了用戶友好的對(duì)等交易模式.
李韜等研究了智能電網(wǎng)的系統(tǒng)管理員(防護(hù)者)如何確定攻擊者類型,從而選擇最優(yōu)防護(hù)策略的問題,提出一種貝葉斯序貫博弈模型以確定攻擊者的類型,根據(jù)序貫博弈樹得到博弈雙方的均衡策略.首先,對(duì)類型不確定的攻擊者和防護(hù)者構(gòu)建了靜態(tài)貝葉斯博弈模型,通過海薩尼轉(zhuǎn)換將不完全信息博弈轉(zhuǎn)換成完全信息博弈,得到貝葉斯納什均衡解,進(jìn)而確定攻擊者的類型.其次,考慮了攻擊者和防護(hù)者之間的序貫博弈模型,它能夠有效地幫助防護(hù)者進(jìn)行決策分析.通過逆向歸納法分別對(duì)兩種類型的攻擊者和防護(hù)者之間的博弈樹進(jìn)行分析,得到了博弈樹的均衡路徑,進(jìn)而得到了攻擊者的最優(yōu)攻擊策略和防護(hù)者的最優(yōu)防護(hù)策略.
針對(duì)連續(xù)拒絕服務(wù)攻擊導(dǎo)致量測(cè)數(shù)據(jù)丟失使得動(dòng)態(tài)狀態(tài)估計(jì)失效、進(jìn)而破壞智能電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問題,楊飛生、潘泉等針對(duì)受網(wǎng)絡(luò)攻擊的信息物理融合電力系統(tǒng)的事件觸發(fā)控制問題,提出一種彈性事件觸發(fā)機(jī)制,使電力系統(tǒng)能夠容忍攻擊所造成的數(shù)據(jù)丟失,與此同時(shí),實(shí)現(xiàn)PI型靜態(tài)輸出反饋控制器的輸入按需更新,減少了通信負(fù)擔(dān).對(duì)于建立的閉環(huán)時(shí)滯系統(tǒng)模型,構(gòu)造新型李亞普諾夫泛函進(jìn)行穩(wěn)定性分析,得到系統(tǒng)所能承受的最大拒絕服務(wù)攻擊持續(xù)時(shí)間,并對(duì)控制器增益和彈性事件觸發(fā)矩陣進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì).杜大軍、費(fèi)敏銳等研究了拒絕服務(wù)攻擊下基于無跡卡爾曼濾波(Unscented Kalman filter,UKF)的智能電網(wǎng)動(dòng)態(tài)狀態(tài)估計(jì)問題,提出一種用于拒絕服務(wù)攻擊下智能電網(wǎng)動(dòng)態(tài)狀態(tài)估計(jì)的UKF方法.首先,分析拒絕服務(wù)攻擊引起數(shù)據(jù)丟包特性并設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)補(bǔ)償策略,以重構(gòu)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型.然后結(jié)合Holt's雙參數(shù)指數(shù)平滑和無跡卡爾曼濾波方法,構(gòu)造了融合補(bǔ)償信息的新狀態(tài)估計(jì)方程,并進(jìn)一步基于估計(jì)誤差協(xié)方差矩陣得到狀態(tài)增益更新方法,從而獲得UKF動(dòng)態(tài)估計(jì)新方法.
3 CPS在智能交通中的應(yīng)用研究
交通系統(tǒng)是CPS的另一個(gè)典型應(yīng)用領(lǐng)域.本專刊收錄了三篇該領(lǐng)域的研究論文.云計(jì)算和服務(wù)框架為交通信息物理系統(tǒng)(TCPS)提供了強(qiáng)大的計(jì)算及存儲(chǔ)能力,為解決智能交通系統(tǒng)的目標(biāo)實(shí)時(shí)控制等問題提供了有效的方案.夏元清等在“智能交通信息物理融合云控制系統(tǒng)”一文中,針對(duì)現(xiàn)代智能交通信息物理融合路網(wǎng)中的對(duì)象繁雜、數(shù)據(jù)采集、傳輸及計(jì)算需求高以及實(shí)時(shí)調(diào)度控制能力差等問題,基于云控制系統(tǒng)理論,給出了智能交通云控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,包括智能交通邊緣控制技術(shù)和智能交通網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù).基于智能交通流大數(shù)據(jù),在云控制管理中心服務(wù)器上利用深度學(xué)習(xí)和超限學(xué)習(xí)機(jī)等智能學(xué)習(xí)方法對(duì)交通流數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練預(yù)測(cè)計(jì)算,能夠預(yù)測(cè)城市道路的短時(shí)交通流和擁堵狀況.進(jìn)而在云端利用智能優(yōu)化調(diào)度算法得到實(shí)時(shí)交通流調(diào)控策略,用于解決擁堵路段交通流分配難題,提高智能交通控制網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)運(yùn)行性能.
TCPS借助先進(jìn)的環(huán)境感知、實(shí)時(shí)信息獲取和處理技術(shù),可與第三方工具和服務(wù)無縫集成,實(shí)現(xiàn)車輛與車輛、車輛與道路設(shè)施的信息共享和運(yùn)行協(xié)調(diào),從而使車輛的實(shí)時(shí)調(diào)度和協(xié)作優(yōu)化運(yùn)行成為可能.郭戈等研究了基于TCPS的高速公路運(yùn)輸車輛協(xié)同運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度與控制問題,提出基于車–車、車–路實(shí)時(shí)信息感知和共享的大規(guī)模車輛大范圍實(shí)時(shí)協(xié)同調(diào)度及合并編組運(yùn)行思想,目的是將運(yùn)輸車輛根據(jù)任務(wù)路線編組成小距離行駛的車隊(duì)(稱為道路火車),以降低大部分車輛行駛中克服空氣阻力的油耗,從而最大限度地降低營運(yùn)者運(yùn)輸成本和總體溫室氣體排放.首先采用局部調(diào)度策略,結(jié)合領(lǐng)隊(duì)車輛選擇算法及聚類分析,構(gòu)建可合并車輛集合,然后用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法實(shí)現(xiàn)每個(gè)車隊(duì)集合中車輛路徑與速度的精細(xì)優(yōu)化,并通過突發(fā)情況的簡(jiǎn)易處理證明其調(diào)度策略的可擴(kuò)展性.
由于通用計(jì)算機(jī)設(shè)備和通信技術(shù)存在的信息安全漏洞,給基于通信的列車運(yùn)行控制CBTC系統(tǒng)帶來日益嚴(yán)峻的信息安全風(fēng)險(xiǎn),因此,研究CBTC系統(tǒng)的信息安全風(fēng)險(xiǎn)量化和動(dòng)態(tài)評(píng)估具有重要意義.唐濤等針對(duì)城市軌道交通列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的信息安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估問題,根據(jù)設(shè)備及通信鏈路的差異性構(gòu)建了CBTC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?結(jié)合信息安全風(fēng)險(xiǎn)下線路列車運(yùn)行性能變化所導(dǎo)致的運(yùn)能損失,采用綜合表征信息域和物理域特征的二維結(jié)構(gòu)信息熵,實(shí)現(xiàn)對(duì)CBTC系統(tǒng)信息安全風(fēng)險(xiǎn)的建模、量化分析和評(píng)估.
4 CPS信息安全與綜合安全研究
由于信息處理與動(dòng)態(tài)過程的緊密關(guān)聯(lián),使得信息物理特別容易受到數(shù)據(jù)傳輸中的錯(cuò)誤或攻擊影響,進(jìn)而造成損失或重大的破壞.CPS面臨的安全威脅主要源于感知層、網(wǎng)絡(luò)層和控制層三個(gè)方面.CPS感知層的傳感器大都無法直接使用跳頻通信及公鑰密碼等現(xiàn)有安全機(jī)制,其網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、異構(gòu)、開放,基于標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議分布式地傳輸和處理信息,易受外部攻擊.而感知層和網(wǎng)絡(luò)層的不足,導(dǎo)致控制層易受入侵攻擊,使控制指令延遲或失真,從而使CPS無法及時(shí)執(zhí)行正確的任務(wù),導(dǎo)致物理系統(tǒng)性能下降甚至失穩(wěn).常見的外部攻擊有阻斷服務(wù)(Denial-of-Service,DoS)、假數(shù)據(jù)注入FDI、重啟及哄騙等.安全性是CPS研究的重要內(nèi)容之一,本?？兴钠撐膶ｉT研究此問題.
馬大中、孫秋野等研究了基于數(shù)據(jù)特征融合的管網(wǎng)信息物理異常診斷方法,針對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大、耦合性強(qiáng)的問題,提出一種基于數(shù)據(jù)特征融合的信息物理異常診斷方法.首先,通過站場(chǎng)信息數(shù)據(jù)構(gòu)建信息增維矩陣并且通過矩陣預(yù)分析實(shí)現(xiàn)信息傳輸中斷異常的判斷.然后,基于不同站場(chǎng)信息構(gòu)建的信息增維協(xié)方差矩陣,通過矩陣特征值分布的變化情況對(duì)物理異常以及信息傳輸錯(cuò)誤異常進(jìn)行區(qū)分.在此基礎(chǔ)上,為了對(duì)管網(wǎng)物理異常分類實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的有效分析,將管網(wǎng)信息增維協(xié)方差矩陣最大特征向量映射的二維圖像作為輸入,采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理異常的準(zhǔn)確判斷.
針對(duì)含有攻擊的相互耦合信息物理系統(tǒng)中的分布式有限時(shí)間狀態(tài)安全估計(jì)以及分布式有限時(shí)間安全控制器設(shè)計(jì)問題,宋永端、溫長(zhǎng)云等通過探索安全估計(jì)問題的可解性與不可分辨攻擊的存在性之間的等價(jià)特性,建立安全估計(jì)可解的充分條件.進(jìn)而提出一種由分布式安全測(cè)量預(yù)選器和有限時(shí)間觀測(cè)器構(gòu)成的分布式有限時(shí)間狀態(tài)安全估計(jì)策略,可確保系統(tǒng)狀態(tài)可在預(yù)設(shè)的有限時(shí)間內(nèi)得到準(zhǔn)確估計(jì).利用獲得的安全狀態(tài)估計(jì)和反步設(shè)計(jì)方法,提出一種分布式有限時(shí)間安全控制器,可保證系統(tǒng)在有限時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)給定信號(hào)的跟蹤.
為了保護(hù)CPS中物理實(shí)體的正常運(yùn)行不因惡意攻擊造成的網(wǎng)絡(luò)空間入侵而受干擾,夏浩等研究了基于博弈論的CPS安全控制問題,目的在于從物理系統(tǒng)入手,將受到數(shù)據(jù)包時(shí)序攻擊的CPS安全性研究抽象為一個(gè)博弈過程,基于非合作博弈的兩人零和博弈模型,設(shè)計(jì)了可變延遲情況下的魯棒輸出反饋的極大極小控制器.并且采用參數(shù)化的軟約束二次型目標(biāo)函數(shù),在控制器設(shè)計(jì)時(shí)引入干擾衰減因子,通過對(duì)干擾衰減因子的取值使得二次型目標(biāo)函數(shù)取極小值,從而保證了最差情況下的穩(wěn)定控制,在滿足干擾衰減因子的約束條件下,本文通過粒子群搜索算法得出干擾衰減因子的值.
彭勤科等研究了FDI攻擊下CPS的穩(wěn)定性,尤其是FDI攻擊對(duì)CPS穩(wěn)定性的影響.建立了從前向通道和反饋通道分別注入控制假數(shù)據(jù)和測(cè)量假數(shù)據(jù)的FDI攻擊模型,然后提出FDI攻擊效力模型用來量化FDI攻擊對(duì)CPS狀態(tài)估計(jì)值和測(cè)量殘差的影響.在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種攻擊向量協(xié)同策略,并通過理論分析獲得操縱CPS穩(wěn)定性的攻擊條件:攻擊矩陣穩(wěn)定性和時(shí)間參數(shù)的選取時(shí)機(jī)及系統(tǒng)矩陣穩(wěn)定性.論文揭示了FDI攻擊的協(xié)同性,對(duì)保護(hù)CPS安全和防御網(wǎng)絡(luò)攻擊提供重要參考.
上述論文都得到了國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等資助,其研究成果豐富了CPS系統(tǒng)理論體系.需要指出的是,由于時(shí)間和篇幅所限,本期信息物理融合系統(tǒng)理論與應(yīng)用?？⒉荒苋娣从吃擃I(lǐng)域的主要研究方向及最新進(jìn)展,所發(fā)表的論文也可能存在一定不足.但我們希望本期專刊能夠?qū)υ擃I(lǐng)域的研究人員有所參考和啟發(fā),以推動(dòng)信息物理系統(tǒng)理論及相關(guān)應(yīng)用技術(shù)研究.我們也借此機(jī)會(huì),對(duì)積極提供稿件的作者表示感謝,也感謝?？撐牡木幬蛯徃迦藢?duì)本?？龅呢暙I(xiàn),感謝《自動(dòng)化學(xué)報(bào)》編輯部對(duì)專刊出版給予的大力支持！
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