[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种抗干扰固定模式自由系统，以确保在遭受网络物理攻击或故障时，工业控制系统仍能保持稳定性和性能。通过利用图论表示和凸优化，设计了最小化、抗干扰的执行-感知-通信架构——在电力系统上进行了验证——几乎在所有情况下都能确保在结构受损时不存在导致不稳定的固定模式。

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.

研究动机与目标

• 解决分布式控制系统在执行器、传感器和通信链路遭受恶意攻击时的脆弱性问题。
• 识别出在组件故障或网络攻击下损害系统稳定性的结构性特征——特别是抗干扰固定模式。
• 设计最小化的执行-感知-通信拓扑结构，使其具备抗干扰固定模式自由特性，从而在结构受损时仍保持鲁棒性。
• 通过凸优化确定最优稀疏信息模式，以在最小控制努力下实现系统抗干扰性。
• 通过在电力系统上的应用，在真实场景中验证该框架的有效性。

提出的方法

• 提出抗干扰固定模式自由系统概念，即使执行、感知或通信结构受损，系统中也不存在固定模式。
• 建立图论表示方法，用于建模执行、感知和通信结构，从而支持对固定模式存在性的分析。
• 利用该图模型推导出抗干扰固定模式几乎必然不存在的条件，从而确保系统的结构性鲁棒性。
• 提出一种算法，用于计算最小化的执行-感知-通信结构，通过避免抗干扰固定模式来保证系统抗干扰性。
• 应用凸优化技术，确定满足给定信息结构稀疏模式的增益矩阵，以最小化控制复杂度。
• 通过电力系统案例研究验证该框架，展示在攻击场景下的系统抗干扰能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在线性离散时不变系统遭受执行器、传感器或通信链路攻击时，其在何种结构条件下仍能保持稳定？
• RQ2 如何设计一种执行-感知-通信架构，使其对由结构受损引发的固定模式具有抗干扰能力？
• RQ3 传感器、执行器和通信链路的最小配置应如何设计，才能几乎必然地确保抗干扰固定模式不存在？
• RQ4 如何对稀疏信息模式进行优化，以在最小化控制复杂度的同时保持系统抗干扰性？
• RQ5 所提出的框架能否有效应用于电力系统等真实世界的网络物理系统？

主要发现

• 所提出的抗干扰固定模式自由系统可确保在执行-感知-通信结构受损时不存在固定模式，从而在破坏性场景下保证系统稳定性。
• 图论表示方法可几乎必然地避免抗干扰固定模式的存在，从而在一般结构扰动下增强系统鲁棒性。
• 可通过系统化方法设计最小化的执行-感知-通信架构，以消除抗干扰固定模式，从而在不牺牲抗干扰性的同时降低系统复杂度。
• 凸优化工具成功确定了满足给定信息结构稀疏模式的增益矩阵，从而实现高效且抗干扰的控制设计。
• 该框架在电力系统模型上得到验证，展示了对传感器、执行器和通信组件攻击的有效抗干扰能力。
• 结果表明，通过合理布置传感器、执行器和通信链路，可在不增加额外控制努力的前提下实现结构抗干扰性。