[논문 리뷰] Analysis and Design of Secured/Resilient Closed-loop Control Systems.

Sérgio Pequito, Farshad Khorrami외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 10.

Smart Grid Security and Resilience참고 문헌 28인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 사이버-물리적 공격이나 고장 상황에서도 안정성과 성능을 보장하기 위해 내성 고정모드가 없는 내성적이고 저항력 있는 시스템을 제안한다. 그래프 이론적 표현과 볼록 최적화를 활용하여, 최소한의 액추에이터-센서-통신 아키텍처를 설계하며, 전력망에서의 적용을 통해, 구조적 손상 상황에서도 거의 항상 불안정성을 유발하는 고정모드가 존재하지 않음을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 액추에이터, 센서, 통신 링크에 대한 악성 공격으로부터 분산 제어 시스템의 취약성을 해결하기 위해.
• 구조적 고장 또는 사이버공격 상황에서 안정성에 악영향을 미치는 특정한 구조적 성질인 내성 고정모드를 규명하기 위해.
• 내성 고정모드가 없는 최소한의 액추에이터-센서-통신 구조를 설계하여, 구조적 손상에 대한 저항력을 확보하기 위해.
• 최소한의 제어 노력으로도 저항력을 확보하기 위해, 볼록 최적화를 통해 최적의 희박한 정보 패턴을 결정하기 위해.
• 실제 전력망에 적용하여 실세계 환경에서의 프레임워크 유효성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 액추에이터, 센서, 또는 통신 구조가 손상된 상황에서도 고정모드가 존재하지 않는 내성 고정모드가 없는 시스템의 개념을 도입한다.
• 액추에이터, 센서, 통신 구조를 모델링하기 위해 그래프 이론적 표현을 개발하여 고정모드 존재 여부를 분석할 수 있도록 한다.
• 이 그래프 모델을 활용해 내성 고정모드가 거의 확실히 존재하지 않는 조건을 유도함으로써, 구조적 저항력을 보장한다.
• 내성 고정모드를 피하는 방식으로 저항력 있는 구조를 보장하는 최소한의 액추에이터-센서-통신 구조를 계산하기 위한 알고리즘을 제안한다.
• 정보 구조에서 주어진 희박성 패턴을 만족하는 이득 행렬을 결정하기 위해 볼록 최적화 기법을 적용하여 제어 복잡도를 최소화한다.
• 사례 연구를 통해 전력 전기망에 적용하여, 공격 상황에서도 저항력이 유지됨을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 선형 이산시간 불변 시스템이 액추에이터, 센서, 또는 통신 링크에 대한 공격을 받을 경우, 어떤 구조적 조건에서 안정성을 유지하는가?
• RQ2 어떻게 하면 구조적 손상으로 인한 고정모드에 저항할 수 있는 액추에이터-센서-통신 아키텍처를 설계할 수 있는가?
• RQ3 센서, 액추에이터, 통신 링크의 최소 구성은 무엇이어야 하며, 이는 거의 항상 내성 고정모드가 존재하지 않음을 보장하는가?
• RQ4 희박한 정보 패턴을 어떻게 최적화하여 제어 복잡도를 최소화하면서도 저항력을 유지할 수 있는가?
• RQ5 제안된 프레임워크는 전력망과 같은 실제 사이버-물리 시스템에 효과적으로 적용될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 내성 고정모드가 없는 시스템은 액추에이터-센서-통신 구조가 손상된 상황에서도 고정모드가 존재하지 않음을 보장하여, 파괴적인 상황에서도 안정성을 보장한다.
• 그래프 이론적 표현을 통해 일반적인 구조적 변형 상황에서도 내성 고정모드가 거의 확실히 존재하지 않음을 보장하여, 시스템의 강건성을 향상시킨다.
• 내성 고정모드를 제거할 수 있도록 최소한의 액추에이터-센서-통신 아키텍처를 체계적으로 설계할 수 있으며, 복잡도를 감소시키되 저항력을 손상시키지 않는다.
• 볼록 최적화 도구를 통해 주어진 정보 구조의 희박성 패턴을 만족하는 이득 행렬을 성공적으로 결정하여, 효율적이고 저항력 있는 제어 설계를 가능하게 한다.
• 프레임워크는 전력 전기망 모델에 적용되어, 센서, 액추에이터, 통신 구성 요소에 대한 공격 상황에서도 효과적인 저항력을 입증하였다.
• 결과적으로, 적절한 센서, 액추에이터 및 통신 링크의 배치를 통해 추가 제어 노력 없이도 구조적 저항력을 달성할 수 있음을 보여준다.