基于改進觀測器的信息物理系統(tǒng)安全狀態(tài)估計和攻擊重建

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用前景，已成為信息物理系統(tǒng)安全領域的研究熱點之一。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)估計和攻擊重建問題。考慮離散時間信息物理系統(tǒng)，引入中間變量參數(shù)，設計具有魯棒性能的改進觀測器，同時估計系統(tǒng)狀態(tài)信息和執(zhí)行器攻擊信息，實現(xiàn)安全狀態(tài)估計和執(zhí)行器攻擊重建。

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

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

伴隨著工業(yè)4.0持續(xù)推進的浪潮，信息物理系統(tǒng)獲得了廣大科技工作者的極大關注，并在制造業(yè)，交通運輸，醫(yī)療健康，城市建設等很多領域獲得了廣泛應用[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)絡攻擊，由于信息物理系統(tǒng)包含各種類型的物理設備，也容易遭受針對物理設備（如傳感器和執(zhí)行器）的攻擊，傳統(tǒng)的信息安全技術手段已顯得不夠[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上引入中間變量參數(shù)，設計具有魯棒性能的改進觀測器，實現(xiàn)安全狀態(tài)估計和執(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（A，B）可觀，（A，C）可控。

假設1：對于任何非負實部的復數(shù)s，成立。

假設2：外部擾動d（t）滿足：。

假設3：執(zhí)行器攻擊fa（t）滿足：。

2? 觀測器構造

2.1 觀測器設計

引入中間變量：

其中為待定標量，構造觀測器如下：

其中，和為待計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 增益矩陣設計

根據(jù)有界實引理、圓盤定理以及文獻[3]的定理1，可得如下結論。

假設1-3成立情況下，給定性能指標和圓盤區(qū)域，當且僅當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，且的特征值位于圓盤內(nèi)。

3? 結語

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

參考文獻

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

[2] 葛輝.網(wǎng)絡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，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.