基于改进观测器的信息物理系统安全状态估计和攻击重建

郑孝怡 方晓敏

摘   要：信息物理系统攻击诊断问题的研究具有广阔的应用前景，已成为信息物理系统安全领域的研究热点之一。本文针对信息物理系统遭受执行器攻击且存在外部扰动的情形，研究安全状态估计和攻击重建问题。考虑离散时间信息物理系统，引入中间变量参数，设计具有鲁棒性能的改进观测器，同时估计系统状态信息和执行器攻击信息，实现安全状态估计和执行器攻击重建。

关键词：信息物理系统  执行器攻击  安全状态估计  攻击重建

中图分类号：TP309                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）03（a）-0137-02

伴随着工业4.0持续推进的浪潮，信息物理系统获得了广大科技工作者的极大关注，并在制造业，交通运输，医疗健康，城市建设等很多领域获得了广泛应用[1]。信息物理系统在提高系统效率的同时，也使得系统更容易遭受攻击。除了传统的网络攻击，由于信息物理系统包含各种类型的物理设备，也容易遭受针对物理设备（如传感器和执行器）的攻击，传统的信息安全技术手段已显得不够[2]。

基于上述原因，本文从控制理论角度开展信息物理系统安全状态估计与攻击重建问题研究。考虑信息物理系统遭受执行器攻击，且存在外部扰动的情形，在传统龙伯格观测器的基础上引入中间变量参数，设计具有鲁棒性能的改进观测器，实现安全状态估计和执行器攻击重建。

1  模型

考虑如下离散时间信息物理系统模型：

其中，表示状态向量，表示输入向量，表示输出向量，表示可能存在的执行器攻击向量，表示外部扰动向量，、、和为已知矩阵。不失一般性，假设（A，B）可观，（A，C）可控。

假设1：对于任何非负实部的复数s，成立。

假設2：外部扰动d（t）满足：。

假设3：执行器攻击fa（t）满足：。

2  观测器构造

2.1 观测器设计

引入中间变量：

其中为待定标量，构造观测器如下：

其中，和为待计算的观测器增益矩阵。

引入误差变量ex（t）和，可得误差方程如下：

综合可得增广形式如下：

2.2 增益矩阵设计

根据有界实引理、圆盘定理以及文献[3]的定理1，可得如下结论。

假设1-3成立情况下，给定性能指标和圆盘区域，当且仅当存在两个对称正定矩阵和矩阵使得下列两个条件满足：

则（4）式满足性能指标，且的特征值位于圆盘内。

3  结语

本文通过引入中间变量构造了改进观测器，用于受外部扰动信息物理系统状态信息的估计和执行器攻击重建，最后基于有界实引理、圆盘定理和文献[3]的定理1，给出了观测器增益矩阵的设计方法，对于信息物理系统安全防护具有一定的参考作用。

参考文献

[1] 田竞豪.信息物理系统在工业4.0中的应用探究[J].通讯世界，2019（1）：109-110.

[2] 葛辉.网络攻击下信息物理融合系统的安全控制方法研究[D].南京邮电大学，2019.

[3] Garcia G， Bernussou J. Pole assignment for uncertain systems in a specified disk by state feedback[J]. IEEE Transactions on Automatic Control，1995，40（1）：184–190.