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知识系统化:面向网络-物理系统的韧性与容错

系统与控制 2025-12-25 v1 系统与控制

摘要

网络-物理系统(CPS)已支撑起交通、能源、制造、医疗器械和自主机器人等关键基础设施。其定义性特征是数字计算与连续物理动力学之间的紧密耦合,这使得高度非线性的故障模式成为可能。小规模扰动(来自传感器、固件、网络或物理接口)可通过估计和控制管道传播,产生难以通过传统单层推理解释的级联不稳定。本 Systematization of Knowledge(SoK)将近二十年的 CPS 韧性研究统一为结构化的 Origin-Layer-Effect(OLE)分类框架。该分类框架提供了跨层次的视角,用于理解故障如何产生、如何传播,以及为何不相关的 CPS 故障常常共享深层结构相似性。通过将 RockDrone、MAYDAY、M2MON、HACMS、 Byzantine 容错控制以及学习型恢复机制等代表性系统映射到该分类框架,我们揭示了覆盖范围、持久盲区以及故障放大不断重复的路径。我们的分析识别出四个跨越多个 CPS 领域的结构性差距:(1)物理模型操纵,(2)缺乏稳定性保证的 ML 启用控制,(3)形式模型与固件之间的语义不一致,以及(4)网络与物理层之间 forensic 可见性不足。这些见解激发了新型韧性 CPS 设计的方向,集成鲁棒控制、运行时监控、形式化保证和系统级可见性。

关键词

引用

@article{arxiv.2512.20873,
  title  = {Systemization of Knowledge: Resilience and Fault Tolerance in Cyber-Physical Systems},
  author = {Rahul Bulusu},
  journal= {arXiv preprint arXiv:2512.20873},
  year   = {2025}
}

备注

Systemization of knowledge paper. Approximately 13 pages, 3 figures, 3 tables