S&S热点文章 | 施开波等：基于网络控制系统的自主地面车辆通信安全：优化的LMI方法 - 新鲜讯息

近日，Security and Safety（S&S，《一体化安全（英文）》）发表了成都大学电子信息与电气工程学院施开波团队的研究成果。该研究团队关注了网络化控制系统在周期性不同强度的拒绝服务攻击下的稳定性问题。该文章被收录在无人系统网络与功能安全专题中（）。

在网络化控制系统中，系统受到周期性不同强度的拒绝服务攻击。采用适当的Lyapunov-Krasovskii泛函有助于降低基本条件的约束，并减少标准的保守性。通过构建带约束的优化问题来选择触发阈值，并使用梯度下降算法解决，以改善资源利用率。设计了智能安全的事件触发控制器，以确保系统在遭受拒绝服务攻击时能够安全运行。通过在基于Simulink平台的自主地面车辆系统上进行实验验证了该方法的有效性。本文的主要贡献总结如下：

（1）本文提出了一个模型，用于研究周期性拒绝服务攻击下不同攻击强度的网络化控制系统。构建了合适的Lyapunov-Krasovskii泛函，并使用优化的线性矩阵不等式分析了网络化控制系统的稳定性。

（2）将触发阈值的选择转化为一个带约束的优化问题，并采用梯度下降算法优化阈值，确保最大化采样资源的利用。

（3）为自主地面车辆的网络通信设计了智能安全的事件触发控制器。

（4）使用智能安全的事件触发控制器分析了系统的安全性和稳定性，并确保数据传输不受恶意攻击的影响。

图1 网络化控制系统

21世纪见证了网络通信技术的显著转变，对各个领域，尤其是工业控制领域产生了革命性的影响。这种转变源自控制理论、控制技术、计算机技术和网络通信的融合，从而催生了网络化控制系统（NCS）。NCS已经广泛应用，通过基于互联网的TCP/IP协议将通信和计算机技术融合到传统的控制系统中，实现了传统控制系统的转变。

图2 网络化控制系统中的安全问题

网络化控制系统的安全领域涵盖了三个主要维度：信息安全、功能安全和物理安全。起初，重点放在功能和物理安全上，以避免设备或系统故障，确保安全运行，但工业控制中广泛集成的互联网通信技术提高了信息安全的重要性。为应对这一转变，研究人员正在积极应对拒绝服务（DoS）攻击，并制定策略以减轻其对网络化控制系统的影响。

图3 自主地面车辆系统的智能交通系统

智能交通系统已经采用了自主地面车辆（AGV），利用了计算机视觉、自主导航和并行处理等先进技术。AGV具有独立做出决策、接受自然语言任务、制定执行方法以及在复杂环境中调整计划的显著能力。网络化控制系统与AGV控制系统之间的协同作用成为一项极其重要的研究领域，推动了两个领域的进化，并在自主交通场景中实现了前所未有的性能、适应性和安全性水平。

图4 对自主地面车辆系统的实验研究

在Simulink联合平台上进行了一系列仿真实验，以验证本文提出的控制算法的有效性。该平台作为测试场地，用于评估算法的性能和实际适用性。通过执行这些仿真实验，在受控环境中对所提出的控制算法的能力和功能进行测试。这些实验的结果作为有价值的实证证据，验证了算法在实际实施中的适用性，并凸显了其对该领域的潜在贡献。

作者简介

蔡肖 广州大学网络空间安全学院博士后，师从广州大学副校长田志宏教授。他目前的研究兴趣包括工业控制系统安全、网络控制系统、信息物理系统、优化控制和网络安全的前沿应用。

施开波 成都大学电子信息与电气工程学院教授。他目前的研究兴趣包括神经网络、智能电网、信息物理系统、网络化控制系统、无人系统与多智能体系统的控制理论及其应用。

佘堃 中国成都的电子科技大学教授。他的研究兴趣包括智能计算、云计算、大数据和网络安全。

钟守铭 中国成都的电子科技大学教授。他目前的研究兴趣包括稳定性定理、鲁棒控制和神经网络。

温世平 澳大利亚悉尼科技大学的澳大利亚动脉智能研究所（AAII）教授。他的研究兴趣包括基于忆阻器的神经网络、深度学习和计算机视觉。

谢远伦 成都大学电子信息与电气工程学院特聘副研究员。他的研究兴趣包括机器学习的算法理论和低光图像处理。

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引用信息：Cai X, Shi K and She K et al. Communication security of autonomous ground vehicles based on networked control systems: The optimized LMI approach. Security and Safety 2023; 2: 2023016.

https://doi.org/10.1051/sands/2023016

关于S&S

中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊

主编：邬江兴中国工程院院士

创刊词

专注一体化安全

邬江兴

随着数字、智能、网络技术的泛在化应用，功能安全的内涵与外延已经突破了应对机电与电气时代随机性失效引发功能或系统故障的传统可靠性范畴。在信息时代的网络空间（Cyberspace）中，欲要确保信息物理系统CPS（Cyber Physical Systems）功能安全水平，就无法回避网络空间安全（Cyber Security）问题的挑战。特别是针对CPS系统或软硬件设施设计脆弱性或漏洞后门等问题的“未知的未知”网络威胁和攻击事件，具有恐怖幽灵般的性质和无法用数学模型刻画的属性。这些挑战不仅超越了经典功能安全理论随机性假设前提及其可用概率工具表达的数学性质，而且彻底动摇了传统可靠性理论、技术方法和实践规范的基础。

当前，数字社会关键基础设施中的网络安全与功能安全问题已呈相互交织或纠缠态势且越来越难以分离，而“两张皮”的功能安全与网络安全治理模式，由于在前提条件和基本假设方面存在“无法闭合”的逻辑问题乃至悖论，所以无法指望这两种性质迥异的功能失效问题可以通过“分而治之”的构造和机制获得可量化设计与验证度量的广义功能安全特性[1]。亟需提出和发明一种能够一体化处理广义功能安全问题的科学理论、技术方法与实践规范，由此科技界也需要一个专注于网络安全和功能安全交叉领域理论研究与技术开发的高水平学术交流平台。

我们在中国科学院的支持下创办了国际同行评议期刊Security and Safety（简称 S&S，中文刊名《一体化安全（英文）》）。该期刊将以开放获取的形式出版，作为一个开放的交流平台，供世界各地的学者分享和讨论网络安全和功能安全交叉领域各个方面的创新研究、技术实践与工程应用。

本刊致力于快速报道相关科技领域中涉及广义功能安全范畴的具有创新性和应用性的高水平研究成果，以及针对前沿及发展方向的观点与争鸣。旨在引导和推动智能时代多领域网络安全与功能安全的交融与进步。

本刊发展愿景是成为专注于网络安全和功能安全交叉科技领域的世界一流期刊，促进“交叉创新”、造福“国际社会”、赋能“数字经济”、守护“智能时代”!

热忱欢迎全球专家学者不吝赐稿，积极交流分享想法和成果，共同助力一体化安全的发展，感谢您的支持!

References

[1] WU JX. Problems and solutions regarding generalized functional safety in cyberspace. Security and Safety 2022; 1: 2022001.

引用格式：Wu JX. On integrated security and safety. Security and Safety 2022; 1: E2022002. https://doi.org/10.1051/sands/2022002

Security and Safety (S&S，《一体化安全（英文）》)致力于快速报道信息网络、集成电路、软件工程、工业控制、智能交通、人工智能、医疗健康、数字金融、社会治理等多个领域中涉及网络安全与功能安全共性交叉的具有创新性和应用性的高水平研究成果，以及针对前沿及发展方向的观点与争鸣，旨在引导和推动智能时代多领域网络安全与功能安全的交融与进步。

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