[論文レビュー] Attack Detection and Isolation for Discrete-Time Nonlinear Systems.

Tianci Yang, Carlos Murguia+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2018

Fault Detection and Control Systems被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、離散時間非線形システムにおける偽のデータインジェクション攻撃の検出および隔離のための2つのアルゴリズムを提案する。入力状態安定性（ISS）の観測器バンクを用いることで、攻撃なしのシステム動作と観測器の一貫性を評価する。この手法により、非有界な攻撃および測定ノイズの下でも、損傷を受けるセンサーを効果的に特定できる。シミュレーション結果により、そのロバスト性が検証された。

ABSTRACT

We address the problem of attack detection and isolation for a class of discrete-time nonlinear systems under (potentially unbounded) sensor attacks and measurement noise. We consider the case when a subset of sensors is subject to additive false data injection attacks. Using a bank of observers, each observer leading to an Input-to-State Stable (ISS) estimation error, we propose two algorithms for detecting and isolating sensor attacks. These algorithms make use of the ISS property of the observers to check whether the trajectories of observers are `consistent' with the attack-free trajectories of the system. Simulations results are presented to illustrate the performance of the proposed algorithms.

研究の動機と目的

• 偽のデータインジェクション攻撃によって損傷する可能性のあるセンサーを有する離散時間非線形システムにおけるセンサー攻撃の検出および隔離の課題に対処すること。
• システムの運用中に非有界なセンサ攻撃および測定ノイズに対してロバストであることを保証すること。
• 観測器の一貫性チェックを通じてシステムの整合性を維持する検出および隔離フレームワークの構築すること。
• 入力状態安定性（ISS）の観測器を活用して、正常な動作と攻撃を受けた動作を区別すること。
• 非線形制御システムにおけるリアルタイム攻撃検出のための実用的で、シミュレーションで検証済みのソリューションを提供すること。

提案手法

• 各観測器が摂動および攻撃に対して推定誤差の入力状態安定性（ISS）を保証するように、観測器バンクを設計する。
• ISS特性を用いて、観測器出力と攻撃なしのシステム軌道との間の一貫性条件を定義する。
• ISSに基づく誤差境界からの逸脱に基づいて検出論理を定式化し、潜在的なセンサ攻撃を示唆する。
• 最も期待される動作から逸脱する観測器を特定することで、攻撃を受けるセンサーを局所化する。
• 測定ノイズに対するロバスト性を確保するために、ノイズ条件下でもISS境界が有効であることを保証する。
• さまざまな攻撃シナリオおよびノイズレベルの下で性能を評価するために、アルゴリズムをシミュレーションに適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非有界な偽のデータインジェクション攻撃下で、離散時間非線形システムにおけるセンサ攻撃を信頼性高く検出する方法は何か？
• RQ2 測定ノイズが存在する中で、入力状態安定性（ISS）がどのようにロバストな攻撃検出を可能にするか？
• RQ3 観測器バンクを用いて、偽のデータインジェクション攻撃を受ける特定のセンサーを隔離できるか？
• RQ4 攻撃が非有界または持続的である場合、提案手法はどのように性能を維持するか？
• RQ5 観測器の一貫性チェックは、攻撃なしの状態と損傷を受けた状態を区別するためにどの程度効果的か？

主な発見

• 提案されたアルゴリズムは、攻撃が非有界であってもセンサ攻撃を効果的に検出でき、極端な攻撃シナリオに対してもロバストであることを示した。
• ISS観測器の使用により、摂動およびノイズの下でも推定誤差が有界に保たれ、信頼性の高い検出が可能になった。
• 攻撃を受けたセンサーの正確な局所化を可能にするために、期待される動作から最も逸脱する観測器を特定することで、攻撃の隔離が達成された。
• シミュレーション結果により、測定ノイズのレベルや攻撃強度が変化しても、検出精度が維持されることを確認した。
• 観測器の一貫性チェックを用いて、正常なシステム動作と攻撃誘発の偏差を効果的に区別できる。
• 計算的に実行可能であり、センサの整合性に懸念を抱える非線形システムにおけるリアルタイム実装に適している。