网络攻击和通信受限情形下的几类随机非线性系统的安全控制与滤波

The security problem of industrial control system is an interdisciplinary and extensively concerned research area. From the viewpoint of such a fact, the design and synthesis issues of security controller/ filter are discussed. In networked environment, considering the diversity, randomness and elusiveness of types and objectives for cyber attacks, some more general models for mixed cyber attacks are modeled with hope to approximate the engineering practice. Then, some novel definition and performance indexes in probability sense are designed to propose the framework of system analysis and performance evaluation. By improving some existing approaches on stochastic nonlinear analysis, the relationships are revealed among the strength of cyber attacks, the statistical properties of network-induced phenomena, the system parameters and the network topology for distributed stochastic nonlinear systems. Such relationships obtained show the impact among the various parameters listed above, the desired performance in probability sense and the design method. Furthermore, the existence condition and the design algorithm of security controller/filter are provided, and the robustness and convergence of filter algorithm are discussed. This project will greatly enrich and expand the existing research, will try to improve and complete the theory framework on security control and filtering, and therefore, the results obtained have high theoretical value and wide application prospects.

工业系统安全是当前国际上备受关注的、多学科高度交叉的前沿研究热点。项目以此为背景，提炼出随机非线性系统的安全控制器/滤波器的设计与综合这一科学问题。首先，综合考虑攻击行为方式和目的的多样性、隐蔽性及随机性等诸多特征，建立更为一般的、切合工程实际的网络攻击模型；其次，定义并设计符合工业系统需求的各种概率意义下的安全性性能指标，为理论分析与系统性能评价奠定基础；再者，改进和完善现有的随机非线性分析工具，刻画网络攻击强度、网络诱导现象的统计特征、系统参数及分布式系统的网络拓扑结构等众多要素之间互相关联，揭露“要素-性能-设计”影响的耦合方式。于此同时，获得满足给定安全性能指标的控制器/滤波器的存在性条件及其设计算法，定量分析滤波算法的收敛性和鲁棒性等综合问题。本项目将致力于丰富、拓展现有的研究成果，力图从理论与技术层面上完善安全控制与滤波的理论体系，其研究成果具有较高的理论价值和广泛的应用前景。

工业系统安全是当前国际上备受关注的、多学科高度交叉的前沿研究热点。项目以此为背景，提炼出随机非线性系统的安全控制器/滤波器的设计与综合这一科学问题。首先，针对攻击行为方式和目的的多样性、隐蔽性及随机性等诸多特征，借助于一组随机变量以及未知但有界的噪声信号，建立更为一般的、切合工程实际的网络攻击模型；然后，定义、设计符合工业控制系统需求的概率意义下的安全性性能指标以及均方意义下安全容许性性能指标，为理论分析与系统性能评价奠定基础。项目取得的研究成为具体如下。..针对一般的网络化随机非线性系统，借助于随机分析技术获得用于分析系统依概率安全以及二次效用函数有界的充分条件，并基于该条件提出了安全动态输出反馈控制器设计方案；针对一类双线性系统，同时考虑事件触发与欺骗攻击现象，提出了用于判定系统状态是否落入给定的安全域的充分条件；针对带有卡方诊断的随机线性系统，获得了适用于连续欺骗攻击的最小连续攻击次数和适用于随机执行欺骗攻击的最小攻击概率的迭代计算公式。..研究成果被进一步拓展到的分布式随机系统的安全控制与滤波问题。首先，针对一类时滞随机双线性系统，构造了一种新颖的双新息结构的滤波器模型。在力求滤波误差协方差上界最小的原则下，建立了滤波器增益的迭代计算公式，并从理论上分析了递推滤波算法的收敛性；针对一类受网络攻击和信号丢失影响的多智能体系统，借助于拓扑矩阵第二和第N特征值，建立了不受智能体个体增加的协议设计方案。最后，针对具有异常值和能量约束的传感器网络可靠融合估计，提出了带有野值检测和信息补偿的融合估计算法，并揭示了融合性能是优于局部估计性能。..在本项目的资助下，共发表高水平SCI学术论文21 篇，出版英文专著1部。项目的成果从理论与技术层面上完善安全控制与滤波的理论体系，进一步推动了随机非线性控制系统性能分析体系的发展，其研究成果具有较高的理论价值和广泛的应用前景。

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