基于互联CPS考虑攻击信号和未知扰动的攻击检测方法技术

本发明专利技术涉及一种基于互联CPS考虑攻击信号和未知扰动的攻击检测方法，包括：建立用于描述互联信息物理系统的关系模型与连接拓扑图，其中，关系模型中每个子系统均存在随机噪声信号和攻击信号；根据关系模型，对CPS中的传感器设置鲁棒观测器，使用H

【技术实现步骤摘要】
基于互联CPS考虑攻击信号和未知扰动的攻击检测方法


[0001]本专利技术涉及攻击检测
，具体涉及一种基于互联CPS考虑攻击信号和未知扰动的攻击检测方法。

技术介绍

[0002]信息物理系统(CPS)是涉及信息网络和物理过程的复杂多维系统，其子系统相互协调工作，并通过网络连接进行通信。由于技术的快速发展和数据处理的改进，作为一种在网络环境中高度集成和交互的智能系统，其吸引了较多的研究关注。虽然网络连接使得每个子系统能够处理信息和相互通信，但也增加了系统被攻击的可能性。需要对CPS进行进一步研究，以提高其对攻击的敏感性，以满足安全和保护标准。对于未知扰动下的系统，若未对未知输入进行合理的处理，将会影响系统的控制效果。以往对CPS和互联系统的攻击检测研究主要集中在全频域的攻击信号上，而忽略了属于有限频域的恶意攻击检测。考虑单一指标，而没有同时考虑干扰鲁棒性和对攻击的敏感性时，设计方法的应用效果较差。
[0003]基于H
‑
/H
∞
的可行方法已被提出来抑制扰动和攻击信号对残差的影响。在考虑残差鲁棒性的同时考虑对攻击的敏感性，但是该方法具有一定的局限性，不够灵活。当设计检测方法时选择恒定阈值残差评价，但该种方法应用范围并不广泛，且应用性较差。因此亟需设计一种新的技术方案，以综合解决现有技术中存在的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于互联CPS考虑攻击信号和未知扰动的攻击检测方法，能有效解决现有方法存在一定局限性或应用范围不广泛、应用性较差的问题。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用了以下技术方案：
[0006]一种基于互联CPS考虑攻击信号和未知扰动的攻击检测方法，包括以下步骤：
[0007]S1.建立用于描述互联信息物理系统的关系模型与连接拓扑图，其中，所述关系模型中每个子系统存在随机噪声信号和攻击信号；
[0008]S2.根据关系模型，对互联信息物理系统中的传感器设置鲁棒观测器，使用H
‑
和混合L2‑
L
∞
/H
∞
性能并设置最优参数得到增益矩阵，得到该互联信息物理系统的状态估计信息；其中，最优参数是满足线性不等式时的最小参数值；
[0009]S3.根据互联信息物理系统的状态估计信息，设置区间阈值生成方法，比较输出状态和阈值上下限的大小关系，判断是否受到攻击信号。
[0010]其中，步骤S1包括以下步骤：
[0011]定义一个包含N维子系统的互联CPS，每个子系统由一个物理部分和一个网络部分组成，子系统相互耦合，且子系统的构造如下：
[0012][0013]其中，x
i
(k)∈R
m
表示状态向量，u
i
(k)∈R
n
表示控制输入信号，ω
i
(k)∈R
q
表示未知扰动信号；A∈R
m
，B∈R
m
×
n
，C∈R
p
×
m
，D∈R
m
×
q
和K∈R
p
×
r
分别为已知具有一定维度的系数矩阵；标量a表示各子系统之间的耦合强度，Λ是描述子系统之间连接的耦合矩阵，y
i
(k)∈R
p
为输出信号，且K∈R
p
×
r
一个常数矩阵；传感器攻击f
si
(k)∈R
r
发生在低频范围，且满足频率条件其中表示信号频率，表示低频边界；
[0014]整个系统的动态方程表示为：
[0015][0016]其中，f
s
＝[f
s1T
…
f
sNT
]T
，y＝[y
1T
…
y
NT
]T
，Γ1＝ΛC，Γ2＝ΛK；
[0017][0018]当至少有一个子系统受到传感器攻击时，设计一个观测器并描述如下：
[0019][0020]其中，z(k)∈R
Nm
为系统向量，状态估计值，F∈R
Nm
×
Nm
，J∈R
Nm
×
Nm
，L∈R
Nm
×
Np
和H∈R
Nm
×
Np
为需要确定的矩阵；
[0021]定义状态误差误差动态方程可描述为：
[0022]e(k+1)＝Jx(k+1)
‑
z(k+1)+HK
y
f
s
(k+1)
[0023]＝J(Ax(k)+Bu(k)+Dω(k)+K
x
f
s
(k))
[0024]‑
(Fz(k)+JBu(k)+Ly(k))+HK
y
f
s
(k+1)
[0025]＝Fe(k)+(JA
‑
F
‑
(FH+L)C)x(k)+JK
x
f
s
(k)
[0026]‑
(FH+L)K
y
f
s
(k)+HK
y
f
s
(k+1)+JDω(k)
[0027]当满足条件JA
‑
F
‑
(FH+L)C＝0时，可知：
[0028]e(k+1)＝Fe(k)+JK
x
f
s
(k)
‑
(FH+L)K
y
f
s
(k)+HK
y
f
s
(k+1)+JDω(k)
[0029]假设矩阵M为满秩矩阵，M
T
M为非奇异矩阵，M的伪逆矩阵表述为M
*
＝(M
T
M)
‑1M
T
，Z∈R
(Nm)
×
(Nm+NP)
为任意矩阵。可知，J和H描述为：
[0030][0031][0032]步骤S2包括以下步骤：
[0033]令残差信号为误差动态方程可描述为：
[0034][0035]其中，K1＝[K
x 0]，K2＝[K
y 0]，K3＝[0 K
y
]，
[0036]a.令V1(k)＝e
T
(k)P
ω
e(k)，当考虑系统稳定性时，满足李雅普诺夫稳定条件：
[0037]ΔV1(k)＝V1(k+1)
‑
V1(k)＜0
[0038]如下不等式成立：
[0039][0040]b.当残本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于互联CPS考虑攻击信号和未知扰动的攻击检测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.建立用于描述互联信息物理系统的关系模型与连接拓扑图，其中，所述关系模型中每个子系统均存在随机噪声信号和攻击信号；S2.根据关系模型，对互联信息物理系统中的传感器设置鲁棒观测器，使用H_和混合L2‑
L
∞
/H
∞
性能并设置最优参数计算增益矩阵，得到该互联信息物理系统的状态估计信息；其中，最优参数是满足线性不等式条件时的最小参数值；S3.根据互联信息物理系统的状态估计信息，设置区间阈值生成方法，比较输出状态和阈值上下限的大小关系，判断是否受到攻击信号。2.根据权利要求1所述的基于互联CPS考虑攻击信号和未知扰动的攻击检测方法，其特征在于，步骤S1包括以下步骤：定义一个包含N维子系统的互联信息物理系统，每个子系统由一个物理部分和一个网络部分组成，子系统相互耦合，且子系统的构造如下：其中，x
i
(k)∈R
m
表示状态向量，u
i
(k)∈R
n
表示控制输入信号，ω
i
(k)∈R
q
表示未知扰动信号；A∈R
m
，B∈R
m
×
n
，C∈R
p
×
m
，D∈R
m
×
q
和K∈R
p
×
r
分别为已知具有一定维度的系数矩阵；标量a表示各子系统之间的耦合强度，Λ是描述子系统之间连接的耦合矩阵，y
i
(k)∈R
p
为输出信号，且K∈R
p
×
r
一个常数矩阵；传感器攻击f
si
(k)∈R
r
发生在低频范围，且满足频率条件其中表示信号频率，表示低频边界；整个系统的动态方程表示为：其中，f
s
＝[f
s1T
…
f
sNT
]
T
，y＝[y
1T
…
y
NT
]
T
，Γ1＝ΛC，Γ2＝ΛK；当至少有一个子系统受到传感器攻击时，设计一个观测器并描述如下：其中，z(k)∈R
Nm
为系统向量，状态估计值，F∈R
Nm
×
Nm
，J∈R
Nm
×
Nm
，L∈R
Nm
×
Np
和H∈R
Nm
×
Np
为需要确定的矩阵；
定义状态误差误差动态方程可描述为：e(k+1)＝Jx(k+1)
‑
z(k+1)+HK
y
f
s
(k+1)＝J(Ax(k)+Bu(k)+Dω(k)+K
x
f
s
(k))
‑
(Fz(k)+JBu(k)+Ly(k))+HK
y
f
s
(k+1)＝Fe(k)+(JA
‑
F
‑
(FH+L)C)x(k)+JK
x
f
s
(k)
‑
(FH+L)K
y
f...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭胜辉，唐明珠，
申请(专利权)人：苏州科技大学，
类型：发明
国别省市：