[論文レビュー] A Physics-Based Attack Detection Technique in Cyber-Physical Systems: A Model Predictive Control Co-Design Approach

Mohammadreza Chamanbaz, Fabrizio Dabbene+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2019

Smart Grid Security and Resilience参考文献 23被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、非線形サイバーフィジカルシステムにおけるモデル予測制御（MPC）と物理ベースの攻撃検出を共同で設計する手法を提案する。近接制約により、未来の軌道が基準軌道に近接することを強制し、その乖離が残差として用いられる。この残差を用いて非パrametricなCUSUM検出器により、制御入力またはセンサ測定値に対する偽装データインジェクション（FDI）攻撃を検出する。カップリングタンク系のシミュレーションにおいて、攻撃発生後6.9秒以内に検出を達成した。

ABSTRACT

In this paper a novel approach to co-design controller and attack detector for nonlinear cyber-physical systems affected by false data injection (FDI) attack is proposed. We augment the model predictive controller with an additional constraint requiring the future---in some steps ahead---trajectory of the system to remain in some time-invariant neighborhood of a properly designed reference trajectory. At any sampling time, we compare the real-time trajectory of the system with the designed reference trajectory, and construct a residual. The residual is then used in a nonparametric cumulative sum (CUSUM) anomaly detector to uncover FDI attacks on input and measurement channels. The effectiveness of the proposed approach is tested with a nonlinear model regarding level control of coupled tanks.

研究の動機と目的

• 制御入力およびセンサ測定値に対する偽装データインジェクション（FDI）攻撃に対するサイバーフィジカルシステム（CPS）の脆弱性に対処すること。
• 独立した制御器と検出器の設計に起因する制限を克服するため、モデル予測制御（MPC）を用いて両者を共同で設計すること。
• 物理法則およびシステムダイナミクスを活用して、ITベースの手法に依存せずに攻撃を検出すること。
• リアルタイムで動作し、センサノイズに強く、頑健な物理ベースの検出メカニズムを開発すること。

提案手法

• 標準のMPC最適化に、時間不変な近接制約を追加し、未来のシステム出力を基準軌道の近傍に保つことを要求する。
• 各サンプリングタイムにおいて、MPC解から得られる予測出力軌道を基準軌道として用いる。
• リアルタイムのセンサ測定値と予測された基準軌道との差のユークリッドノルムとして残差を計算する。
• 残差信号に非パrametricなCUSUM異常検出器を適用し、FDI攻撃を示す偏差を検出する。
• 検出閾値（γ = 0.1）を設定し、CUSUM統計量がこの値を超えた場合にアラートを発動する。
• センサ測定値および制御入力の両方に対してFDI攻撃が加えられた非線形カップリングタンク系において、手法を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MPCと攻撃検出の共同設計アプローチが、非線形CPSにおけるFDI攻撃検出を改善できるか？
• RQ2 未来の軌道に対する近接制約が、FDI攻撃の早期検出をどのように可能にするか？
• RQ3 提案手法が、測定値および制御入力チャネルの両方におけるFDI攻撃をリアルタイムで検出できるか？
• RQ4 実用的なCPS応用において、センサノイズに対して検出メカニズムはどれほど頑健か？
• RQ5 MPCコントローラーが内在的に小さな攻撃信号を抑圧できるか、その影響を制限できるか？

主な発見

• 攻撃発生時刻t = 50秒から5.92秒後のt = 5.92秒に、タンク1のセンサ測定値に対するFDI攻撃が検出された。
• CUSUM検出器は、検出閾値γ = 0.1を用いて攻撃を正常に検出できた。攻撃なしの状態では残差値が0.01未満に保たれた。
• システムは安定を保ち、コントローラーは制御入力への小さな攻撃信号を効果的に抑制し、システムの不安定化を防いだ。
• 白色ガウスノイズ（σ = 0.002）の追加によっても検出性能が劣化せず、センサノイズに頑健であることが確認された。
• 制御入力に対するFDI攻撃はt = 6.9秒に検出され、両方の攻撃ベクトルに対して有効性が示された。
• 本手法は、さまざまな攻撃シナリオ下でもタイムリーな検出を達成し、システムの安定性を維持した。実世界のCPSへの適用可能性が検証された。