[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种无人机配送供应商与攻击者之间的零和网络破坏博弈，采用前景理论建模网络物理安全，以捕捉相对于目标的主观风险感知和配送时间。结果表明，主观决策导致选择更具风险的路径，使预期配送时间超过目标时间，甚至超过经典博弈论下的纳什均衡。

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.

研究动机与目标

• 为解决无人机配送系统中缺乏全面的网络物理安全分析，特别是针对破坏攻击的问题。
• 将无人机供应商（逃避者）与攻击者（破坏者）之间的战略互动建模为零和网络破坏博弈。
• 将前景理论融入博弈论，以捕捉相对于目标的攻击概率和配送时间的主观感知。
• 分析有限理性与损失厌恶如何影响路径选择与预期配送时间。
• 证明主观行为会导致比经典博弈论预测更长的配送时间。

提出的方法

• 构建一个零和网络破坏博弈，其中供应商选择路径以最小化预期配送时间，攻击者选择节点进行破坏以最大化延迟。
• 证明该博弈的纳什均衡可通过两个线性规划问题求解，其值函数可得出均衡策略下的预期配送时间。
• 通过引入概率权重函数和基于参考点（如目标配送时间）的值函数，将前景理论整合到博弈中，以扭曲客观概率和配送时间结果。
• 使用具有风险敏感度和损失厌恶参数的损失厌恶效用函数，对供应商和攻击者的主观估值进行建模。
• 利用理性参数 γ 控制概率权重的程度，γ 越低表示概率扭曲越严重。
• 在不同 γ 值和损失厌恶参数 λU 下进行模拟，评估其对路径选择和预期配送时间的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 将前景理论融入网络破坏博弈后，对无人机配送系统中的路径选择和预期配送时间有何影响？
• RQ2 与经典博弈论相比，攻击成功概率的主观感知在多大程度上扭曲了最优路径策略？
• RQ3 供应商决策中的损失厌恶如何影响路径选择及最终配送时间？
• RQ4 理性程度（γ）的变化对预期配送时间和攻击者的破坏策略有何影响？
• RQ5 主观决策是否会导致配送时间超过已知的目标配送时间，即使目标明确？

主要发现

• 较低的理性度（γ = 0.1）导致预期配送时间相比较高理性度（γ = 0.9）增加11%，这是由于概率权重被严重扭曲。
• 当 γ = 0.1 时，供应商将所有节点视为同等风险，以94%的概率选择最短路径，尽管关键节点的攻击概率很高。
• 在前景理论下，攻击者将重点转向节点5和8——这些节点是到最短路径的关键节点——而非最可能被攻击的节点，显著改变了破坏策略。
• 随着损失厌恶程度（λU）增加，供应商更倾向于选择最短路径，其选择概率从 λU = 1 时的51%上升至 λU = 10 时的81%。
• 前景理论下的预期配送时间不仅超过经典博弈论的均衡结果，也超过目标配送时间（T⁰ = 30），表明主观行为可能降低系统性能。
• 结果表明，有限理性和主观风险感知可能导致配送延迟超过供应商的目标时间，尤其在医疗配送等时间敏感的应用中。