面向气体管道运营的对抗性控制的双层优化框架
系统与控制
2025-10-06 v1 密码学与安全
系统与控制
摘要
针对管道运营技术系统的网络攻击正日益增加，对能源基础设施构成 Growing 风险。本研究发展了针对石油管道网络中网络-物理威胁的物理信息仿真和优化框架。该模型集成了网络涉 hydraulic 动力学、SCADA 基于状态估计、模型预测控制 (MPC)，以及用于 stealthy 虚假数据注入 (FDI) 攻击的双层 formulation。管道流量和压力动力学在有向图上进行建模，使用节点压力演化和基于边的 Weymouth 关系，包括控制感知设备如阀门和压缩机。扩展卡尔曼滤波器从部分 SCADA 遥测数据中估计整个网络状态。控制器通过 MPC 在执行约束和预测需求的条件下计算压力安全控制输入。对抗性操纵形式化为双层优化问题，其中攻击者扰动传感器数据以降低吞吐量，同时不被坏数据检测器发现。通过 Karush-Kuhn-Tucker (KKT) 重构求解，这种攻击-控制相互作用导致可处理的混合整数二次规划。管道案例研究表明，在攻击下可以实现隐蔽地降低服务交付。结果表明，即使在最小瞬时偏差下，也能造成持续的吞吐量损失。这揭示了网络-物理基础设施中需要集成检测和控制策略。
引用
@article{arxiv.2510.02503,
title = {A Bilevel Optimization Framework for Adversarial Control of Gas Pipeline Operations},
author = {Tejaswini Sanjay Katale and Lu Gao and Yunpeng Zhang and Alaa Senouci},
journal= {arXiv preprint arXiv:2510.02503},
year = {2025}
}