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大连理工夏浩教授等:基于博弈论的信息物理融合系统安全控制 精选

已有 2523 次阅读 2019-5-7 16:23 |系统分类:博客资讯

“将来有一天,当你迈步准备横穿马路时,你的鞋子会提醒你暂时不要过马路,因为正有一辆汽车高速驶来。”中科院院士何积丰在2009中国计算机大会上做主题演讲时表示,“你可能觉得这是天方夜谭,但这确实是美国智能交通系统制定的目标。”


这将是未来的信息物理融合系统。什么是信息物理融合系统?


信息物理融合系统Cyber-Physical SystemCPS是在环境感知的基础上综合计算、网络和物理实体的高效能网络化智能信息系统,通过3C (ComputationCommunicationControl)技术的有机融合与深度协作,实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务信息物理融合系统已经成为第四次工业革命的主要标志,下一代工业将建立在CPS之上,随着CPS技术的发展和普及,使用计算机和网络实现功能扩展的物理设备无处不在,并将推动工业产品和技术的升级换代


未来CPS将广泛应用于重要基础设施的监测与控制、国防武器系统、环境监测、智能家居与生活辅助,航天与空间系统、医疗保健和智能高速公路等诸多领域,CPS的出现将改变人与物理世界交互的方式。

 

信息物理融合系统包含传感器节点,执行器节点、处理器等,它们既是通信网络的一部分,也是控制系统的一部分。作为远程分布式的控制系统,传感器和控制器,控制器和执行器之间通常是通过无线媒介连接,这种网络与物理世界的紧密耦合性增加了系统复杂性的同时,也带来了安全缺陷与隐患。对于CPS,多用在工业系统上,实时性能在CPS控制中比任何以前的系统更为重要。因此,CPS的安全性显得尤为重要,保护系统中物理实体正常操作,使系统不受由于恶意的网络攻击对系统造成干扰或错误运行。 

 

 

博弈又被称为对策论(Game Theory),既是现代数学的一个新分支,也是运筹学的一个重要学科。9501951年,约翰·福布斯·纳什(John Forbes Nash Jr)利用不动点定理证明了均衡点的存在,为博弈论的一般化奠定了坚实的基础。

博弈论主要研究冲突模式,寻求冲突局势下的最优策略,通过对个体行为的预测并对实际行为进行分析把产生利益冲突现象的个体抽象为博弈模型, 利用博弈理论分析问题建立优化策略模型,得到具有次优或最优效用值的博弈策略。

 

 

 

有名的囚徒困境即是博弈论的一个著名案例

该模型用一种特别的方式为我们讲述了一个警察与小偷的故事。假设有两个小偷AB联合犯事、私入民宅被警察抓住。警方将两人分别置于不同的两个房间内进行审讯,对每一个犯罪嫌疑人,警方给出的政策是:如果两个犯罪嫌疑人都坦白了罪行,交出了赃物,于是证据确凿,两人都被判有罪,各被判刑8年;如果只有一个犯罪嫌疑人坦白,另一个人没有坦白而是抵赖,则以妨碍公务罪(因已有证据表明其有罪)再加刑2年,而坦白者有功被减刑8年,立即释放。如果两人都抵赖,则警方因证据不足不能判两人的偷窃罪,但可以私入民宅的罪名将两人各判入狱1年。下表给出了这个博弈的支付矩阵

囚徒困境博弈 [Prisoner's dilemma]

AB

坦白

抵赖

坦白

-8-8

0-10

抵赖

-100

-1-1

A来说,尽管他不知道B作何选择,但他知道无论B选择什么,他选择“坦白”总是最优的。显然,根据对称性,B也会选择“坦白”,结果是两人都被判刑8年。但是,倘若他们都选择“抵赖”,每人只被判刑1年。在上表中的四种行动选择组合中,(抵赖、抵赖)是帕累托最优,因为偏离这个行动选择组合的任何其他行动选择组合都至少会使一个人的境况变差。但是,“坦白”是任一犯罪嫌疑人的占优战略,而(坦白,坦白)是一个占优战略均衡,即纳什均衡

因此,将攻击者和防御系统看成是一个博弈过程,攻击者通过各种手段试图获取自己所需的信息资源或对系统造成直接的破坏,而防御系统则采取相应的防御策略试图最大程度地减小攻击行为带来的损害。在外部攻击者恶意干扰的情况中,系统输入与外部干扰可看成是两人的零和动态博弈。然后寻求最优的参数值使函数存在鞍点解,即均衡点。

信息物理融合系统的安全性问题,是系统决策者与网络攻击者之间的博弈与对抗,随着无线网络的普及及智能系统的发展,无线通讯网络与物理实体之间信息交互的安全性将显得尤为重要。传感、通信技术和控制理论的进一步综合发展,以及物联网研究和开发的成熟化,CPS将成为各国未来科技发展的一个研究热点。采用博弈论的思想进行控制器设计也为控制理论的发展提供了一个新思路,更多的研究还需要进一步的探索。

 


 

引用格式:庞岩, 王娜, 夏浩. 基于博弈论的信息物理融合系统安全控制. 自动化学报, 2019, 45(1): 185-195.


链接:http://html.rhhz.net/ZDHXBZWB/html/2019-1-185.htm


作者简介:

 

庞岩 大连理工大学航空航天学院副教授,主要研究方向为混杂系统与非线性系统控制,信息物理融合系统弹性控制. 

E-mail: ypang@dlut.edu.cn

 

 

王娜 上海飞机设计研究院助理工程师,毕业于大连理工大学航空航天学院(2015-2018),硕士研究生. 主要研究方向为信息物理融合系统的安全控制,航空飞行器控制系统设计. 

E-mail: wangna1@comac.cc.

 

 

夏浩 大连理工大学控制科学与工程学院教授,主要研究方向为控制器评价,过程控制.  E-mail: hao.x.xia@dlut.edu.cn .

 

 




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2 黄永义 zjzhaokeqin

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