ENG
РУС
Поиск
Меню
О журнале
Политика открытого доступа
Редакционная коллегия
Редакционная политика
Редакционная этика
Правила рецензирования статей
Требования к оформлению статей
Формы представляемых документов
Рекомендации по оформлению ссылок на наш журнал
Редакция
Информация для подписчиков
Аннотации номера
Список авторов
Выпуски
Лицензионное соглашение
Порядок работы с персональными данными
Публикации
2024
2023
2022
2021
2020
2019
2018
2017
2016
2015
2014
2013
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
Главный редактор

НИКИФОРОВ
Владимир Олегович
д.т.н., профессор
Партнеры













































doi: 10.17586/2226-1494-2022-22-3-480-491

Применение методов детектирования отказов для обнаружения информационных атак на систему управления

Маргун А.А., Юрьева Р.А., Колесникова Д.В.


Читать статью полностью 
Язык статьи - английский

Ссылка для цитирования:
Маргун А.А., Юрьева Р.А., Колесникова Д.В. Применение методов детектирования отказов для обнаружения информационных атак на систему управления // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2022. Т. 22, № 3. С. 480–491 (на англ. яз.). doi: 10.17586/2226-1494-2022-22-3-480-491


Аннотация
Обеспечение безопасности систем управления – важная и актуальная проблема. Она состоит в исключении влияния отказов и атак на объекты управления, окружающую среду и др. Большое значение имеет предотвращение критических отказов. Выполнен анализ сходств последствий атак на сложные технические системы и отказов этих систем. Рассмотрено влияние информационных атак на динамику систем автоматического управления. В ходе работы представлена гипотеза о сходстве влияния отказов и информационных атак на сложную техническую систему. Как информационные атаки, так и отказы вызывают отклонения динамики объекта управления. Анализ отклонения динамики объекта управления от нормального режима функционирования позволит детектировать и изолировать информационные атаки и отказы. Проведено сравнение аномальной динамики объектов управления при атаках и отказах устройств, обнаружены зависимости, и сделаны выводы. Проанализировано сходство последствий информационных атак и отказов системы управления, разработана методика идентификации атак на основе методов, разработанных для детектирования отказов. Выполнено компьютерное моделирование влияния информационных атак и отказов на систему управления двигателем постоянного тока, приведены результаты в виде графиков. Результаты моделирования позволяют сделать вывод о применимости алгоритмов детектирования отказов для обнаружения атак. Показано, что отказы и информационные атаки могут привести к опасным последствиям для системы управления. Актуальным представляется исследование пересечения области информационной безопасности и детектирования отказов.

Ключевые слова: детектирование отказов, изоляция отказов, надежность, опасный отказ, функциональная безопасность, отказоустойчивость, кибератака

Список литературы
  1. Lee J., Bagheri B., Kao H.A. A cyber-physical systems architecture for industry 4.0-based manufacturing systems // Manufacturing Letters. 2015. V. 3. P. 18–23. https://doi.org/10.1016/j.mfglet.2014.12.001
  2. Lasi H., Fettke P., Kemper H.G., Feld T., Hoffmann M. Industry 4.0 // Business & Information Systems Engineering. 2014. V. 6. N 4. P. 239–242. https://doi.org/10.1007/s12599-014-0334-4
  3. Hwang I., Kim S., Kim Y., Seah C.E. A survey of fault detection, isolation, and reconfiguration methods // IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2010. V. 18. N 3. P. 636–653. https://doi.org/10.1109/TCST.2009.2026285
  4. Patton R.J., Chen J. On eigenstructure assignment for robust fault diagnosis // International Journal of Robust and Nonlinear Control. 2000. V. 10. N 14. P. 1193–1208. https://doi.org/10.1002/1099-1239(20001215)10:14<1193::AID-RNC523>3.0.CO;2-R
  5. Wünnenberg J., Frank P.M. Sensor fault detection via robust observers // System Fault Diagnostics, Reliability and Related Knowledge-Based Approaches. V. 1. Springer, Dordrecht, 1987. P. 147–160. https://doi.org/10.1007/978-94-009-3929-5_5
  6. Watanabe K., Himmelblau D.M. Instrument fault detection in systems with uncertainties // International Journal of Systems Science. 1982. V. 13. N 2. P. 137–158. https://doi.org/10.1080/00207728208926337
  7. Frank P.M., Wünnenberg J. Robust fault diagnosis using unknown input observers schemes // Fault Diagnosis in Dynamic Systems: Theory and Application. New York: Prentice-Hall, 1989. P. 47–98.
  8. Gertler J. Fault detection and isolation using parity relations // Control Engineering Practice. 1997. V. 5. N 5. P. 653–661. https://doi.org/10.1016/S0967-0661(97)00047-6
  9. Patton R.J., Chen J. Robust fault detection using eigenstructure assignment: A tutorial consideration and some new results // Proc. of the 30th IEEE Conference on Decision and Control. 1991. P. 2242–2247. https://doi.org/10.1109/CDC.1991.261546
  10. Patton R.J., Chen J. Review of parity space approaches to fault diagnosis for aerospace systems // Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 1994. V. 17. N 2. P. 278–285. https://doi.org/10.2514/3.21194
  11. Stoustrup J., Niemann H.H. Fault estimation – a standard problem approach // International Journal of Robust and Nonlinear Control. 2002. V. 12. N 8. P. 649–673. https://doi.org/10.1002/rnc.716
  12. Maqill D.T. Optimal adaptive estimation of sampled stochastic processes // IEEE Transactions on Automatic Control. 1965. V. 10. N 4. P. 434–439. https://doi.org/10.1109/TAC.1965.1098191
  13. Maybeck P.S. Stochastic Models, Estimation and Control. V. 1. Arlington, VA: Navtech Press, 1994.
  14. Maybeck P.S. Stochastic Models, Estimation and Control. V. 2. Arlington, VA: Navtech Press, 1994.
  15. Wang H., Lin W. Applying observer based FDI techniques to detect faults in dynamic and bounded stochastic distributions // International Journal of Control. 2000. V. 73. N 15. P. 1424–1436. https://doi.org/10.1080/002071700445433
  16. Simani S., Fantuzzi C., Patton R.J. Model-Based Fault Diagnosis in Dynamic Systems Using Identification Techniques. London, U.K.: Springer, 2003. XV, 282 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4471-3829-7
  17. Chen R.H., Ng H.K., Speyer J.L., Guntur L.S., Carpenter R. Health monitoring of a satellite system // Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 2006. V. 29. N 3. P. 593–605. https://doi.org/10.2514/1.15012
  18. Pertew M., Marquez H.J., Zhao Q. Design of unknown input observers for Lipschitz nonlinear systems // Proceedings of the American Control Conference. 2005. V. 6. P. 4198–4203. https://doi.org/10.1109/ACC.2005.1470637
  19. Baroni P., Lamperti G., Pogliano P., Zanella M. Diagnosis of a class of distributed discrete-event systems // IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics Part A: Systems and Humans. 2000. V. 30. N 6. P. 731–752. https://doi.org/10.1109/3468.895897
  20. Lunze J., Schröder J. Sensor and actuator fault diagnosis of systems with discrete inputs and outputs // IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Part B: Cybernetics. 2004. V. 34. N 2. P. 1096–1107. https://doi.org/10.1109/TSMCB.2003.820593
  21. Cordier M.O., Dugue P., Dumas M., Lévy F., Montmain J., Staroswiecki M., Travé Massuyès L. AI and automatic control approaches of model-based diagnosis: Links and underlying hypotheses // IFAC Proceedings Volumes. 2000. V. 33. N 11. P. 279–284. https://doi.org/10.1016/S1474-6670(17)37373-1
  22. Cordier M.O., Dague P., Lévy F., Mountmain J., Staroswiecki M., Travé-Massuyès L. Conflicts versus analytical redundancy relations: A comparative analysis of the model based diagnosis approach from the artificial intelligence and automatic control perspectives // IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Part B: Cybernetics. 2004. V. 34. N 5. P. 2163–2177. https://doi.org/10.1109/TSMCB.2004.835010
  23. Blanke M., Kinnaert M., Lunze J., Staroswiecki M. Diagnosis and Fault-Tolerant Control. Berlin: Springer, 2006. XIX, 672 p. https://doi.org/10.1007/978-3-540-35653-0
  24. Zhang Y., Jiang J. Bibliographical review on reconfigurable fault-tolerant control systems // Annual Reviews in Control. 2008. V. 32. N 2. P. 229–252. https://doi.org/10.1016/j.arcontrol.2008.03.008
  25. Zhang X., Parisini T., Polycarpou M.M. Adaptive fault-tolerant control of nonlinear uncertain systems: an information-based diagnostic approach // IEEE Transactions on Automatic Control. 2004. V. 49. N 8. P. 1259–1274. https://doi.org/10.1109/TAC.2004.832201
  26. Iureva R.A., Margun A.A., Maltseva N.K., Vedernikov K. Electromechanical drive fault detection // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. V. 643. N 1. P. 012114. https://doi.org/10.1088/1757-899X/643/1/012114
  27. Zhang Y.M., Jiang J. Active fault-tolerant control system against partial actuator failures // IEE Proceedings: Control Theory and Applications. 2002. V. 149. N 1. P. 95–104. https://doi.org/10.1049/ip-cta:20020110
  28. Khurana H., Hadley M., Lu N., Frincke D.A. Smart-grid security issues // IEEE Security and Privacy. 2010. V. 8. N 1. P. 81–85. https://doi.org/10.1109/MSP.2010.49
  29. Desnitsky V.A., Levshun D.S., Chechulin A.A., Kotenko I.V. Design technique for secure embedded devices: Application for creation of integrated cyber-physical security system // Journal of Wireless Mobile Networks, Ubiquitous Computing, and Dependable Applications. 2016. V. 7. N 2. P. 60–80. https://doi.org/10.22667/JOWUA.2016.06.31.060
  30. Alguliyev R., Imamverdiyev Y., Sukhostat L. Cyber-physical systems and their security issues // Computers in Industry. 2018. V. 100. P. 212–223. https://doi.org/10.1016/j.compind.2018.04.017
  31. Wang E.K., Ye Y., Xu X., Yiu S.M., Hui L.C.K., Chow K.P. Security issues and challenges for cyber physical system // Proc. of the IEEE/ACM International Conference on Green Computing and Communications (GreenCom), 2010 IEEE/ACM International Conference on Cyber, Physical and Social Computing, (CPSCom). 2010. P. 733–738. https://doi.org/10.1109/GreenCom-CPSCom.2010.36
  32. Sicari S., Rizzardi A., Grieco L.A., Coen-Porisini A. Security, privacy and trust in Internet of Things: the road ahead // Computer Networks. 2015. V. 76. P. 146–164. https://doi.org/10.1016/j.comnet.2014.11.008
  33. Sridhar S., Hahn A., Govindarasu M. Cyber-physical system security for the electric power grid // Proceedings of the IEEE. 2012. V. 100. N 1. P. 210–224. https://doi.org/10.1109/JPROC.2011.2165269
  34. Gifty R., Bharathi R., Krishnakumar P. Privacy and security of big data in cyber physical systems using Weibull distribution-based intrusion detection // Neural Computing and Applications. 2019. V. 31. N 1. P. 23–34. https://doi.org/10.1007/s00521-018-3635-6
  35. Iureva R.A., Kremlev A.S., Margun A.A., Vlasov S.M., Timko A.S. Measures to design secure cyber-physical things // Smart Innovation, Systems and Technologies. 2019. V. 142. P. 315–322. https://doi.org/10.1007/978-981-13-8311-3_27
  36. Iureva R.A., Danenkov I.S., Timko A.S., Vlasov S.M., Vasilkov S.D. Optical sensors in IoT // Proceedings of SPIE. 2019. V. 11028. P. 1102816. https://doi.org/10.1117/12.2517076
  37. Iureva R.A., Belov A.A., Margun A.A., Kremlev A.S. Electric drive attack detection based on state observers // Proc. of the 20th International Carpathian Control Conference (ICCC). 2019. P. 8766015. https://doi.org/10.1109/carpathiancc.2019.8766015
  38. Iureva R., Margun A., Maltseva N., Vedernikov K. Electromechanical drive fault detection // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. V. 643. N 1. P. 012114. https://doi.org/10.1088/1757-899X/643/1/012114
  39. Dobriborsci D., Margun A., Kolyubin S. Theoretical and experimental research of the discrete output robust controller for uncertain plant // Proc. of the 16th European Control Conference (ECC). 2018. P. 533–538. https://doi.org/10.23919/ECC.2018.8550138
  40. Chen J., Patton R.J. Robust Model-Based Fault Diagnosis for Dynamic Systems. Boston, MA, U.S.A.: Kluwer Academic Publishers, 1999. P. 354.
  41. Patton R.J., Chen J. Observer-based fault detection and isolation: Robustness and applications // Control Engineering Practice. 1997. V. 5. N 5. P. 671–682. https://doi.org/10.1016/S0967-0661(97)00049-X
  42. Isermann R. Supervision, fault-detection and fault-diagnosis methods - An introduction // Control Engineering Practice. 1997. V. 5. N 5. P. 639–652. https://doi.org/10.1016/S0967-0661(97)00046-4
  43. Behzad H., Casavola A., Tedesco F., Sadrnia M.A. Fault-tolerant sensor reconciliation schemes based on unknown input observers // International Journal of Control. 2020. V. 93. N 3. P. 669–679. https://doi.org/10.1080/00207179.2018.1484568
  44. Morris T., Gao W. Industrial control system cyber attacks // Proc. of the 1st International Symposium for ICS & SCADA Cyber Security Research. 2013. P. 22–29. https://doi.org/10.14236/ewic/icscsr2013.3
  45. Yılmaza E.N., Gönenb S. Attack detection/prevention system against cyber-attack in industrial control systems // Computers and Security. 2018. V. 77. P. 94–105. https://doi.org/10.1016/j.cose.2018.04.004
  46. Rathika R.K., Marimuthu A. An improved detection and prevention of DDoS attacks in nuclear power plants machine monitoring // Proc. of the Second International Conference on Electrical, Computer and Communication Technologies (ICECCT). 2017. P. 1–7. https://doi.org/10.1109/ICECCT.2017.8117897
  47. Pasqualetti F., Dorfler F., Bullo F. Attack detection and identification in cyber-physical systems // IEEE Transactions on Automatic Control. 2013. V. 58. N 11. P. 2715–2729. https://doi.org/10.1109/TAC.2013.2266831
  48. Danenkov I., Kolesnikova D., Babikov A., Iureva R. Security by design development methodology for file hosting case // Smart Innovation, Systems and Technologies. 2020. V. 188. P. 383–390. https://doi.org/10.1007/978-981-15-5584-8_33
  49. Belov А.А., Aranovskiy S., Ortega R., Barabanov N., Bobtsov А.А. Enhanced parameter convergence for linear systems identification: The DREM approach // Proc. of the 16th European Control Conference (ECC). 2018. P. 2794–2799. https://doi.org/10.23919/ECC.2018.8550338


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2024 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика