面向安全关键应用中传感器对抗攻击的基于集合的安全状态估计
系统与控制
2025-08-28 v3 系统与控制
最优化与控制
摘要
基于集合的状态估计提供有保证的状态包含证书，对动态系统的安全验证至关重要。然而，当系统传感器遭受网络攻击时，同时维持安全与安全保障成为一项根本挑战，现有基于点的安全状态估计方法因 inherently 无法提供状态包含证书而不能充分应对。本文提出一种新方法，在不对系统运行施加保守限制的前提下，同时通过有保证的状态包含提供安全保证、并抵御传感器攻击提供安全保障。我们提出安全基于集合的状态估计（S3E）算法，在传感器攻击下将真实系统状态维持在估计集合内，前提是初始化集合包含初始状态且系统从未被攻陷的传感器子集仍可观测。该算法将估计集合给出为受限 zonotope（一致集合）的集合，可用作验证系统是否遵守安全约束的鲁棒证书。此外，我们证明估计集合不受足够大幅度攻击信号的影响，并建立了攻击检测、辨识与过滤的充分条件。这迫使攻击者只能注入小幅值信号以规避检测，从而保持估计集合的精度。为应对算法计算复杂度，我们提供了几种复杂度-性能权衡策略。所提算法的有效性通过若干示例（包括其在三层建筑模型上的应用）加以说明。
引用
@article{arxiv.2309.05075,
title = {Secure Set-based State Estimation for Safety-Critical Applications under Adversarial Attacks on Sensors},
author = {M. Umar B. Niazi and Michelle S. Chong and Amr Alanwar and Karl H. Johansson},
journal= {arXiv preprint arXiv:2309.05075},
year = {2025}
}