[論文レビュー] Attack-Resilient H2, H-infinity, and L1 State Estimator

Yorie Nakahira, Yilin Mo|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2018

Fault Detection and Control Systems参考文献 32被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、スパースなセンサ統合的攻撃下におけるノイズのある線形システムに対して、攻撃に強い状態推定器を提案する。局所的ルネッジャー観測器、残差検出器、およびグローバル推定の融合を用い、推定誤差が有界であるための必要十分条件として2ρ-検出可能性を確立する。これは先行研究で用いられていたより強い2ρ-可観測性仮定を緩和したものであり、ℋ₂、ℋ∞、ℓ₁システムにおいて低計算コストで性能保証を提供する。

ABSTRACT

This paper considers the secure state estimation problem for noisy systems in the presence of sparse sensor integrity attacks. We show a fundamental limitation: that is, 2r-detectability is necessary for achieving bounded estimation errors, where r is the number of attacks. This condition is weaker than the 2r-observability condition typically assumed in the literature. Conversely, we propose a real-time state estimator that achieves the fundamental limitation. The proposed state estimator is inspired by robust control and FDI: that is, it consists of local Luenberger estimators, local residual detectors, and a global fusion process. We show its performance guarantees for H2, H-infinity, and L1 systems. Finally, numerical examples show that it has relatively low estimation errors among existing algorithms and average computation time for systems with a sufficiently small number of compromised sensors.

研究の動機と目的

• サイバー物理システムにおけるスパースで有界でないセンサ攻撃下での安全な状態推定を扱う。
• このような攻撃下で推定誤差が有界であるために必要な基本的条件を同定する。
• 先行研究よりも弱い仮定のもとで、推定誤差が有界であることを保証するリアルタイムで計算効率の良い状態推定器を開発する。
• ℓ₁からℋ₂およびℋ∞システムへの性能保証の拡張を図り、混合された有界な擾乱とスパースな不規則な摂動に対してロバスト性を確保する。

提案手法

• 各センサに対して局所的ルネッジャー観測器を用いて状態推定値を生成する。
• 局所的残差検出器を用いて予測値と実測値の乖離を特定し、攻撃の兆候を示す。
• グローバル統合処理により、局所的推定値と残差を統合し、最終的な攻撃に強い状態推定値を生成する。
• 未有界な攻撃信号に対処できるよう、ロバスト制御および故障検出・隔離（FDI）の原則に基づいた設計を採用する。
• 理論的分析により、2ρ-検出可能性が推定誤差の最悪ケースが有界であるために必要かつ十分であることを証明する。
• ℋ₂、ℋ∞、ℓ₁システムにおける性能バウンドを導出しており、混合ノルム摂動が有界出力をもたらすことを示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ノイズのあるシステムにおいて、ρスパースなセンサ攻撃下で推定誤差が有界であるために必要な最小のシステム条件は何か？
• RQ2 2ρ-可観測性よりも弱い仮定のもとで、推定誤差が有界であるリアルタイムで低複雑性の状態推定器を設計可能か？
• RQ3 ℋ₂、ℋ∞、ℓ₁推定フレームワークは、有界なノイズとスパースな無限大摂動の組み合わせに対してどのように動作するか？
• RQ4 2ノルム有界とℓ₀無限大入力の混合を持つシステムで、出力が有界になることは可能か？
• RQ5 従来の組み合わせ的またはSMTベースの手法と比較して、提案手法の計算コストと推定性能のトレードオフは何か？

主な発見

• ρスパースなセンサ攻撃下で推定誤差が有界であるための必要十分条件として2ρ-検出可能性が成立し、これは先行研究で仮定されていた2ρ-可観測性よりも弱い条件である。
• 2ρ-検出可能性の下で、ℋ₂、ℋ∞、ℓ₁システムにおいて、推定誤差が有界であることを保証する。
• 特に損傷を受けるセンサ数が少ない場合に、既存のアルゴリズムと比較して推定誤差が小さく、平均計算時間が低い。
• システム入力に2ノルム有界な擾乱とℓ₀無限大攻撃の両方が含まれる場合に、出力が有界であることを示している。
• 数値例により理論的な性能バウンドが確認され、優れた推定精度と計算効率が示された。
• 局所的観測器、残差検出器、グローバル統合の構造により、低計算コストのリアルタイム動作が可能である。