[論文レビュー] Analysis and Design of Secured/Resilient Closed-loop Control Systems.

Sérgio Pequito, Farshad Khorrami+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2015

Smart Grid Security and Resilience参考文献 28被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、サイバー物理的攻撃や故障の下でも安定性と性能を保証するため、レジリエント固定モードフリーのシステムを導入する。グラフ理論的表現と凸最適化を活用し、最小限のアクチュエータ・センサ・通信アーキテクチャを設計する。実証は電力系統で行われ、構造的損傷下でも不安定化固定モードがほとんど常に存在しないことを示している。

ABSTRACT

In this paper, structural properties of distributed control systems and pairing of sensors and actuators are considered to generate architectures which are resilient to attacks/hacks for industrial control systems and other complex cyber-physical systems. In particular, we consider inherent structural properties such as internal fixed modes of a dynamical system depending on actuation, sensing, and interconnection/communication structure for linear discrete time-invariant dynamical systems. We aim to attain stability and performance objectives under disruptive scenarios such as attacks by a malicious agent on actuators, sensors, and communication components and natural failures. The main contributions of this paper are fourfold: (i) introduction of the notion of resilient fixed-modes free system that ensures the non-existence of fixed modes when the actuation-sensing-communication structure is compromised; (ii) a graph-theoretical representation that ensures almost always the non-existence of resilient fixed modes; (iii) a solution to the problem of designing the minimum actuation-sensing-communication structure that ensures a system without resilient fixed modes almost always; and (iv) determine, for a parametrized system, the gain satisfying the sparsity of a given information pattern by resorting to convex optimization tools. The different strategies to deploy actuators, sensors, and establishing communication between these are provided such that the system is resilient fixed-modes free; in particular, in order to show to show the efficacy of the proposed methodologies these results are applied in the context of the power electric grid.

研究の動機と目的

• アクチュエータ、センサ、通信リンクに対する悪意ある攻撃に対する分散制御システムの脆弱性に対処すること。
• 構造的故障やサイバー攻撃下でシステム安定性を損なう要因となる構造的性質、特にレジリエント固定モードを同定すること。
• 構造的損傷に対して耐性のある固定モードフリーの最小限のアクチュエータ・センサ・通信トポロジーを設計すること。
• 制御効率を最小限に抑えるために、凸最適化を用いて最適なスパarsな情報パターンを特定すること。
• 電力系統への応用を通じて、実世界の文脈でフレームワークを検証すること。

提案手法

• アクチュエータ、センサ、通信構造が損傷を受けても固定モードが存在しない、レジリエント固定モードフリーのシステムの概念を導入する。
• アクチュエータ、センサ、通信構造をモデル化するためのグラフ理論的表現を開発し、固定モードの存在を分析可能にする。
• このグラフモデルを用いて、一般の構造的摂動下でレジリエント固定モードがほぼ確実に存在しない条件を導出し、構造的レジリエンスを保証する。
• レジリエント固定モードを回避することでレジリエンスを保証する最小限のアクチュエータ・センサ・通信構造を計算するアルゴリズムを提案する。
• 凸最適化技術を用いて、情報構造における所定のスパarsityパターンを満たすゲイン行列を決定し、制御の複雑さを低減する。
• ケーススタディを通じてフレームワークを検証し、攻撃シナリオ下でのレジリエンスを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 線形離散時間不変系がアクチュエータ、センサ、通信リンクへの攻撃を受けた場合、どのような構造的条件下で安定性を保つことができるか？
• RQ2 構造的損傷に起因する固定モードに対して耐性を持つアクチュエータ・センサ・通信アーキテクチャをどのように設計できるか？
• RQ3 センサ、アクチュエータ、通信リンクの最小構成は、どのようなものか？ これにより、レジリエント固定モードがほぼ確実に存在しなくなる。
• RQ4 スパースな情報パターンをどのように最適化すれば、制御の複雑さを最小限に抑えつつも耐性を維持できるか？
• RQ5 提案されたフレームワークは、電力系統のような実世界のサイバー物理システムに効果的に適用可能か？

主な発見

• 提案されたレジリエント固定モードフリーのシステムは、アクチュエータ・センサ・通信構造が損傷を受けても固定モードが存在しないため、破壊的状況下でも安定性が保証される。
• グラフ理論的表現により、一般の構造的摂動下でレジリエント固定モードがほぼ確実に存在しないことが可能となり、システムのレジリエンスが向上する。
• 最小限のアクチュエータ・センサ・通信アーキテクチャを体系的に設計することで、レジリエント固定モードを排除でき、システムの複雑さを減らしながらもレジリエンスを損なわない。
• 凸最適化ツールを用いて、情報構造における所定のスパarsityパターンを満たすゲイン行列を効率的に決定でき、効率的で耐障害性の高い制御設計が可能になる。
• フレームワークは電力系統モデルに対して検証され、センサ、アクチュエータ、通信コンponentへの攻撃に対しても効果的なレジリエンスを示した。
• 結果から、適切なセンサ・アクチュエータ・通信リンクの配置により、追加の制御効率を要せずして構造的レジリエンスを達成できることが示された。