DoS攻击下工业信息物理系统的事件触发稳定控制.pdf

摘要

摘要

工业信息物理系统(IndustrialCyberPhysicalSystems,ICPS)通过无线网络将信息系

统与工业设备结合，实现工业智能计算、通信和控制。但ICPS由于通信网络的开放性

易受到DoS攻击的破坏，使得工业设备发生故障，系统运行性能显著降低，甚至导致系

统崩溃，同时，ICPS在实际的工业环境中，计算和电池设备等资源是有限的，在解决

系统安全问题的同时需要考虑资源有限问题。因此，本文从稳定控制策略和事件触发机

制两方面研究DoS攻击下的安全防御策略，用较少的网络资源，实现对ICPS的安全稳

定控制。主要研究内容如下：

(1)研究存在间隙DoS攻击的ICPS中，测量通道遭受攻击时的事件触发稳定控制

策略。为提高通信资源的利用率，基于输入到状态稳定理论，构建基于事件触发的ICPS

模型，设计事件触发间隔时间的下界，避免发生连续事件触发；构造基于预测器的补偿

策略，实现对DoS攻击活跃期的有效缓解。利用输入到状态稳定理论得到保证ICPS稳

定性能的充分条件。

(2)研究存在间隙DoS攻击的ICPS中，测量通道和控制通道遭受攻击时的自适应

事件触发稳定控制策略。构造一个观测器估计不可测的系统状态，采用一种新的自适应

事件触发通信方案来节约网络资源。通过受频率和持续时间限制的间隙DoS攻击对ICPS

的影响建立了攻击模型，将受到DoS攻击的ICPS划分为DoS攻击活跃期系统和DoS

攻击休眠期系统，并依据过去成功触发状态来重构当前受到攻击的状态，得到一种基于

动态估计器的攻击补偿机制，保证系统在DoS攻击活跃期的渐进稳定。在此基础上提出

自适应事件触发参数、观测器增益和控制器增益的协同设计方案。

(3)研究随机DoS攻击下ICPS的分布式自适应事件触发稳定控制策略。基于分布

式无线传感器网络，引入量化器，构造基于分布式自适应事件触发的量化ICPS模型来

进一步节省网络消耗，减轻网络传输负荷。建立事件触发、攻击、量化和网络延迟的闭

环系统。利用李雅普诺夫函数和线性矩阵不等式理论得到保证系统稳定性的充分条件。

通过解决控制器耦合问题，得出输出反馈控制器增益。

以间隙反应器系统和四容水箱系统作为被控对象，采用MATLAB作为实验仿真工

具。模拟真实工业环境受到DoS攻击的场景，所提出的事件触发稳定控制策略具有有效

性和实用性。仿真结果表明，所设计的事件触发稳定控制策略，能够减少单通道、双通

道和分布式通道下DoS攻击对系统的影响，并且有效降低无线通讯资源的使用率。

DoS

关键词：工业信息物理系统；攻击；事件触发；稳定控制

Abstract

Abstract

IndustrialCyberPhysicalSystems(ICPS)combinesinformationsystemswithindustrial

equipmentthroughwirelessnetworktorealizeindustrialintelligentcomputing,

communicationandcontrol.However,ICPSduetotheopennessofthecommunication

networkisvulnerabletoDoSattacks,sothatindustrialequipmentfailure,systemoperation

performancesignificantlyreduced,andevenleadtosystemcollapse.Atthesametime,ICPS

intheactualindustrialenvironment,computingandbatteryequipmentandotherresourcesare

limited,inthesol