[論文レビュー] Prospect Theory for Enhanced Cyber-Physical Security of Drone Delivery Systems: A Network Interdiction Game

Anibal Sanjab, Walid Saad+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2017

Infrastructure Resilience and Vulnerability Analysis参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、ドローン配送ベンダーと攻撃者との間のゼロサムネットワーク遮断ゲームを提案し、標的の配達時間に対するリスクと配達時間の主観的認識を捉えるためにプロスペクト理論を用いたサイバー物理的セキュリティをモデル化する。主観的意思決定が、古典的ゲーム理論におけるナッシュ均衡を上回る配達時間の予想超過を引き起こすリスクの高い経路選択をもたらすことが示された。

ABSTRACT

The use of unmanned aerial vehicles (UAVs) as delivery systems of online goods is rapidly becoming a global norm, as corroborated by Amazon's "Prime Air" and Google's "Project Wing" projects. However, the real-world deployment of such drone delivery systems faces many cyber-physical security challenges. In this paper, a novel mathematical framework for analyzing and enhancing the security of drone delivery systems is introduced. In this regard, a zero-sum network interdiction game is formulated between a vendor, operating a drone delivery system, and a malicious attacker. In this game, the vendor seeks to find the optimal path that its UAV should follow, to deliver a purchase from the vendor's warehouse to a customer location, to minimize the delivery time. Meanwhile, an attacker seeks to choose an optimal location to interdict the potential paths of the UAVs, so as to inflict cyber or physical damage to it, thus, maximizing its delivery time. First, the Nash equilibrium point of this game is characterized. Then, to capture the subjective behavior of both the vendor and attacker, new notions from prospect theory are incorporated into the game. These notions allow capturing the vendor's and attacker's i) subjective perception of attack success probabilities, and ii) their disparate subjective valuations of the achieved delivery times relative to a certain target delivery time. Simulation results have shown that the subjective decision making of the vendor and attacker leads to adopting risky path selection strategies which inflict delays to the delivery, thus, yielding unexpected delivery times which surpass the target delivery time set by the vendor.

研究の動機と目的

• ドローン配送システムにおける包括的なサイバー物理的セキュリティ分析の不足に応えること、特に遮断攻撃に対して。
• ドローンベンダー（回避者）と攻撃者（遮断者）の戦略的相互作用をゼロサムネットワーク遮断ゲームとしてモデル化すること。
• プロスペクト理論をゲームに統合し、攻撃確率および標的に対する配達時間の主観的認識を捉えること。
• 制限された合理性と損失回避が経路選択および期待配達時間に与える影響を分析すること。
• 主観的行動が古典的ゲーム理論による予測を上回る配達時間をもたらすことを実証すること。

提案手法

• ベンダーが期待配達時間を最小化する経路を選択し、攻撃者がノードを遮断して遅延を最大化するゼロサムネットワーク遮断ゲームを定式化する。
• ゲームのナッシュ均衡が2つの線形計画問題を用いて計算可能であることを証明し、価値関数が均衡戦略下での期待配達時間を与えることを示す。
• プロスペクト理論を統合するため、確率重み関数と価値関数を導入し、基準点（例：標的配達時間）に基づいて客観的確率および配達時間の結果を歪曲する。
• リスク感受性と損失回避のパラメータを有する損失回避型ユーティリティ関数を用いて、ベンダーおよび攻撃者の主観的評価をモデル化する。
• 確率重み付けの度合いを制御する合理化パラメータγを用い、γが低いほど確率の歪みが大きくなる。
• γおよび損失回避パラメータλUの異なる値を想定してシミュレーションを行い、経路選択および期待配達時間に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プロスペクト理論をネットワーク遮断ゲームに組み込むと、ドローン配送システムにおける経路選択および期待配達時間にどのような影響を与えるか？
• RQ2 攻撃成功確率の主観的認識が、古典的ゲーム理論と比較して最適経路戦略をどの程度歪曲するか？
• RQ3 ベンダーの意思決定における損失回避が、経路選択および結果としての配達時間にどのように影響を与えるか？
• RQ4 合理化（γ）を変化させた場合、期待配達時間および攻撃者の遮断戦略にどのような影響があるか？
• RQ5 主観的意思決定が、標的配達時間が分かっている場合でも、配達時間を標的を上回ることをもたらすか？

主な発見

• 合理化が低い（γ = 0.1）と、確率重み付けの歪みにより、期待配達時間が高い合理化（γ = 0.9）と比較して11%増加する。
• γ = 0.1の場合、ベンダーはすべてのノードを同等に危険と認識し、主要ノードでの攻撃確率が高いため、短い経路を選択する確率が94%に達する。
• プロスペクト理論下では、攻撃者が最短経路に不可欠なノード5および8に焦点を当てるようになり、最も攻撃確率が高いノードではなくなるため、遮断戦略が顕著に変化する。
• 損失回避（λU）が増加すると、ベンダーはより強く最短経路を好むようになり、λUが1から10に上昇するにつれ、その選択確率は51%から81%に上昇する。
• プロスペクト理論下での期待配達時間は、古典的ゲーム理論の均衡および標的配達時間（T⁰ = 30）を上回るため、主観的行動がシステム性能を低下させうることを示している。
• 結果は、制限された合理性と主観的リスク認識が、医療配送のような時間的に重要な応用分野において、ベンダーの標的を上回る配達遅延を引き起こす可能性があることを示している。