Modeling and Control of Discrete Event Systems under Joint Sensor-Actuator Cyber Attacks
本文研究了离散事件系统中传感器-执行器联合网络攻击问题。我们假设攻击者可以通过改变观测和控制命令来同时攻击一些传感器和执行器。由于网络攻击导致的观测和控制的不确定性，被监督系统的行为变得不确定，并可能偏离安全规范。我们定义了所有可能的语言，可以产生的监督系统，调查网络攻击下的安全监督控制问题的上限。在引入CA-可控性和CA-可观性之后，证明了网络攻击下的监督控制问题是可解的当且仅当给定的规范语言是CA-可控和CA-可观的.此外，我们得到的方法来计算传感器攻击下的状态估计，并合成一个基于状态估计的监督，以实现给定的安全规范下的网络攻击。我们进一步表明，所有的解决方案，建议的状态估计为基础的监督是最大的许可。
2023-01-11 cs.SY eess.SY
Statistics for Building Synthetic Power System Cyber Models
在强调网络与物理相互耦合的电力系统研究中，一个真实的通信系统模型至关重要。在本文中，我们提供的特点，可用于建模的基础网络电网模型。一个真实的公用事业通信网络和一个简化的变电站间的连通性模型进行了研究，和他们的统计可以用来满足不同的建模分辨率的要求。
2021-03-01 cs.SY eess.SY
Hybrid Rebeca: Modeling and Analyzing of Cyber-Physical Systems
提出基于 actor 的 Hybrid Rebeca 语言，通过引入物理 actor 和显式网络建模信息物理系统，并推导混合自动机结合 SpaceEx 框架进行分析验证。
2019-01-09 cs.SY eess.SY
Leveraging Compositional Methods for Modeling and Verification of an Autonomous Taxi System
本文将组合化形式化建模与验证方法应用于自主飞机滑行系统，总结建模经验并指出异构语义、模型库、验证提升、概率契约等六项研究需求。
2023-04-26 cs.SY eess.SY
Fundamental Challenges of Cyber-Physical Systems Security Modeling
系统建模实践缺乏安全分析工具，这些工具可以与建模语言接口，以通过设计来促进安全性。在安全关键的网络物理系统时代，安全设计是必要的，在这个时代，安全违规可能会导致危险。目前，安保和安全之间的重叠很窄。但部署网络物理系统意味着今天的对手可以故意引发事故。通过为建模语言实现安全评估工具，我们能够更好地在系统生命周期的早期解决威胁，从而确保它们在最终部署中的安全行为。我们认为，网络物理系统的安全建模实践不够，因为它仍然是类似于信息技术系统解决。
2020-04-30 cs.CR cs.SY eess.SY
Cyber-physical risk modeling with imperfect cyber-attackers
我们建模的恶意网络攻击者寻求诱导电网不安全的负载重新分配攻击的手段所带来的风险，同时明确承认，这样的演员将合理地基于其决策策略的不完善的信息。更具体地说，我们引入了一种新的制定网络攻击者的决策问题，并分析了随机不准确的数据对电网分支导纳或容量的决定的分布，以及它们各自的影响的分布。我们的研究结果表明，不准确的准入值最常导致次优的网络攻击，仍然危及电网安全，而不准确的容量值导致明显不太有效的攻击。我们还发现，在所有（随机）不完善的网络攻击之间，存在常见的受攻击网络资产和常见的受影响物理资产，可以在预防和/或纠正意义上利用这些资产进行有效的网络物理风险管理。
2021-10-01 cs.CR cs.SY eess.SY
A compositional modeling framework for the optimal energy management of a district network
Politecnico di Milano（米兰理工大学）；Mälardalen University（马尔默大学）
本文提出了一种用于区域能源管理的组合建模框架，重点在于建筑冷却，通过共享资源来降低维护成本并提高设备效率。网络组件通过能量平衡方程结合，考虑了扰动对能量的贡献。可以构建不同的区域配置，模型的维度和复杂性取决于组件的数量和类型以及所采用的扰动描述。控制输入可用于高效操作和协调区域组件，从而实现最小化电力能源成本或跟踪与主电网运营商约定的消费曲线。
2017-07-26 cs.SY eess.SY
Combining Hybrid Input-Output Automaton and Game Theory for Security Modeling of Cyber-Physical Systems
我们考虑一个安全设置，其中的网络物理系统（CPS）是由子网络，每个子网络的所有权下的一个后卫。这样的CPS可以由攻击图表示，其中防御者被要求在图的边缘上投资（受到预算约束），以便保护他们的关键资产（其中每个防御者的关键资产如果受到损害，则对防御者具有一定的价值）。我们这样的CPS模型使用混合输入输出自动机（HIOA），其中每个子网络由一个HIOA模块表示。我们首先建立我们的设置所需的构建块。然后，我们提出了我们的模型，该模型描述了系统内不同状态（每个状态代表不同的条件和/或扰动）之间的投资和离散过渡的连续时间演化。最后，我们提供了一个现实世界的CPS的例子来验证我们的建模。
2020-12-22 cs.SY eess.SY
Towards a formal notion of impact metric for cyber-physical attacks (full version)
工业设施和关键基础设施正在转变为动态适应外部事件的“智能”环境。其结果是，网络物理系统中集成了异构物理和网络组件的生态系统，这些系统越来越容易受到网络物理攻击，即，网络空间的安全漏洞，对系统核心的物理过程产生不利影响。我们提供了一个正式的组成指标，以估计网络物理攻击的影响，针对传感器设备的物联网系统正式在一个简单的扩展轩尼诗和里根的时间处理语言。我们的影响指标依赖于离散时间概括Desharnais等人。的弱互模拟度量。我们证明了我们的定义在两个不同的攻击一个简单的监视系统的充分性。
2018-06-27 cs.CR cs.LO cs.SY
A Component-Based Simplex Architecture for High-Assurance Cyber-Physical Systems
Stony Brook University（石溪大学）；Air Force Research Laboratory（空军研究实验室）；Vienna University of Technology（维也纳工业大学）；Barron Associates Inc.（巴伦协会有限公司）
本文提出了一种基于组件的简单形架构（CBSA），通过结合假设-保证（A-G）推理与简单形控制架构的核心原理，为基于组件的网络物理系统（CPSs）提供运行高级未认证控制器的同时保证运行时安全性的方法。
2017-04-16 cs.SY eess.SY
Categorical Semantics of Cyber-Physical Systems Theory
网络物理系统需要构建和管理各种模型，以确保其正确，安全和可靠的操作。这些不同的模型是必要的，因为耦合的物理和计算动力学存在于网络物理系统。然而，到目前为止，网络物理系统的不同模型视图在很大程度上是非正式相关的，这引起了各种需求，系统行为和系统架构模型之间的形式一致性程度的问题。我们提出了一个范畴理论框架，使不同类型的组成明确的网络物理系统的建模和分析，这可能有助于验证系统作为一个整体。这种网络物理系统的组成框架产生了统一的系统模型，其中系统行为被分层分解，并与使用系统代数范式的系统架构相关。作为这种范式的一部分，我们表明，代数（安全）合同概括了最先进的技术，提供了更统一的数学工具，用于约束行为在一组更丰富的复合网络物理系统模型，这有可能最大限度地减少或消除危险行为。
2021-04-26 cs.LO cs.SY eess.SY
Game Petri Nets: Compositional Modeling and Analysis of Large-Scale Strategic Systems
Department of Electrical and Computer Engineering, Tandon School of Engineering New York University（纽约大学坦登工程学院电气与计算机工程系）
本文提出结果驱动型组合博弈佩特里网（OCGPNs），用于建模分析维护工作流等大规模战略系统，给出并发网与顺序网的语义及理论，通过强连通分量分解计算值，以库所融合实现组合，并用实例验证。
2026-10-12 cs.GT cs.SY eess.SY
STRIDE-based Cyber Security Threat Modeling for IoT-enabled Precision Agriculture Systems
随着物联网（IoT）等智能技术的引入，传统农业的概念正在迅速改变。在智能农业的概念下，精准农业越来越受欢迎，以实现基于决策支持系统（DSS）的农业管理，该管理利用广泛的物联网传感器和无线连接来实现自动检测和资源优化。毫无疑问，该系统的成功将影响作物生产力，失败将严重影响作物生产力。与许多其他网络物理系统一样，避免系统逆境的日益增长的挑战之一是确保系统的安全性，隐私和信任。但是，在部署精准农业时，我们应该考虑哪些漏洞、威胁和安全问题？本文使用流行的威胁情报工具STRIDE对精准农业标准基础设施的组件级别进行了整体威胁建模，以识别常见的安全问题。我们的建模确定了需要考虑的58个潜在安全威胁。该报告系统地介绍了这些问题，并提出了一般性的缓解建议，以支持精准农业的网络安全。
2022-01-30 cs.CR cs.SY eess.SY
Exploring the consequences of cyber attacks on Powertrain Cyber Physical Systems
本文提出了一种新的方法来研究针对通用车辆动力系统的网络攻击。所提出的模型是由一个通用的内燃机和速度控制器，通过控制器局域网（CAN）总线进行通信。我们考虑一个威胁模型组成的三个代表性的攻击方案，旨在修改模型的输出，从而影响发动机的转速。两种攻击场景针对车辆传感器系统和CAN通信，而一种攻击场景仅需要注入CAN消息。据我们所知，这是第一次尝试模拟现实网络攻击对现代车辆的后果。
2022-02-01 cs.SY eess.SY
Cyber-Physical Power System Layers: Classification, Characterization, and Interactions
本文提出了一种识别信息物理电力系统（CPPS）的层和子层并描述其相互作用和内部作用的策略。物理层通常由电网和保护设备组成，而网络层由通信、计算和控制组件组成。将网络层的组件组合在一个层中会使建模内部动作的过程复杂化，因为每个组件都有不同的故障模式。另一方面，将网络层划分为大量子层可能不必要地增加系统状态的数量并增加计算负担。在本文中，我们分类系统层的基础上，他们共同的，耦合和共享的功能。此外，分类层之间的相互作用被识别，特征化，并基于它们对系统的影响进行聚类。此外，基于每个层的整体功能和其组件的类型，层内的动作的特点。本文提出的系统层综合分类策略及其相互作用和内部作用的表征有助于实现CPPS中状态转换、故障和攻击传播的准确和详细建模的目标，可用于各种可靠性评估研究。
2023-02-14 cs.SY eess.SY
A Notion of Robustness for Cyber-Physical Systems
University of California at Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）
本文提出一种面向物理系统的鲁棒性概念，结合连续和离散系统的鲁棒性，通过抽象和细化过程设计鲁棒 CPS，引入新的模拟关系确保方法正确性。
2014-02-20 cs.SY eess.SY math.OC
Cyber-Physical Energy Systems Security: Threat Modeling, Risk Assessment, Resources, Metrics, and Case Studies
信息物理系统（CPS）是一种互连的体系结构，它采用模拟、数字和通信资源与物理环境进行交互。CPS是企业、工业和关键基础设施的支柱。因此，它们的极端重要性使其成为恶意攻击的突出目标，目的是破坏其业务。针对网络物理能源系统（CPES）的攻击，鉴于其关键任务的性质，可能会造成灾难性的后果。CPES的安全性可以利用测试平台功能来增强，以复制电力系统操作，发现漏洞，制定安全对策，并在故障引发或恶意构建的情况下评估电网运行。在本文中，我们提供了一个全面的概述CPS的安全格局，重点是CPES。具体来说，我们展示了一种威胁建模方法，以准确地表示CPS元素，它们的相互依赖性，以及可能的攻击入口点和系统漏洞。利用威胁模型的制定，我们提出了一个CPS框架，旨在描绘的硬件，软件和建模所需的资源来模拟CPS和构建高保真模型，可用于评估系统的性能在不利的情况下。系统性能是使用特定于CIO的指标进行评估的，而风险评估则支持系统漏洞优先级排序，将对系统操作的影响考虑在内。总体框架建模，模拟，评估和缓解CPS中的攻击说明使用四个有代表性的攻击场景针对CPES。本文的主要目标是展示一个循序渐进的过程，可用于制定深入的网络安全分析，从而实现更具弹性和安全性的CPS。
2021-02-19 cs.CR cs.SY eess.SY
Compositional Average Velocity Modeling for Efficient Diffusion Offline Reinforcement Learning
School of Electrical Engineering, KAIST（韩国科学技术院电气工程学院）
本研究提出InsQL框架，以组合平均速度建模替代扩散策略的多步去噪，实现单步动作生成，在离线RL基准及机器人任务上性能相当或优于现有扩散方法，且训练推理时间大幅减少。
2026-10-14 cs.LG cs.SY eess.SY
Cyber-Social Systems: Modeling, Inference, and Optimal Design
Semnan University（塞姆南大学）；School of Computer Engineering, Sharif University of Technology（谢里夫理工大学计算机工程学院）；Tufts University（塔夫茨大学）
本文研究了网络-社会系统的建模、推断和最优设计问题，提出了一种无需假设底层社会系统秩的分布式推断协议，开发了新型代理分类以确定不同类型的连接需求，并解决了具有分布式可观测性的网络约束的最优设计问题。
2019-03-29 cs.SI cs.SY eess.SY
Modeling and Verifying Cyber-Physical Systems with Hybrid Active Objects
网络物理系统（CPS）的正式建模很困难，因为它们提出了离散-连续动态和并发行为相结合的双重挑战。现有的CPS形式化规范和验证语言都是在其底层证明搜索技术之上设计的。它们缺乏高层次的结构要素。此外，它们不能有效地执行。这使得正式的CPS模型难以理解和验证，从而削弱了它们的可用性。相反，我们建议在一个活动对象（AO）语言设计的并发系统的简洁，直观的建模CPS模型。为此，我们扩展了AO语言ABS和混合主动对象（HAO）的运行时环境。在HAO中形式化的CPS模型和需求必须遵循某些通信模式，这些模式允许自动转换为差分动态逻辑，即顺序混合程序逻辑。验证是通过使用定理证明器KeYmaera X释放结果公式来实现的。我们证明了我们的方法与案例研究的实用性。
2019-06-13 cs.LO cs.PL cs.SY
Modeling Method for the Coupling Relations of Microgrid Cyber-Physical Systems Driven by Hybrid Spatiotemporal Events
微电网信息物理系统（CPS）的本质在于信息流和能量流的循环转换。现有的耦合模型大多采用静态网络和接口结构建模，没有充分考虑数据流的闭环特性。这些模型难以准确描述微电网CPS攻击识别、风险传播、安全评估、防御控制、连锁故障等时空推演过程。针对这一问题，提出了一种混合时空事件驱动的微电网CPS耦合关系建模方法。首先，根据微电网CPS的拓扑关联和耦合逻辑，分析了信息流和能量流的循环转换机制，构建了以多Agent为核心的微电网CPS体系结构。其次，采用混合自动机描述CPS的时空演化特性，设计了多Agent CPS终端的任务协调机制。在此基础上，提出了一种基于异构多组的CPS离散-连续关联和终端结构特征表示方法。最后定义了状态感知、网络通信、智能决策和动作控制四个时空事件。在考虑信息流和能量流时间转换约束的基础上，建立了微电网CPS耦合模型，并通过仿真虚假数据注入攻击（FDIA）场景验证了模型的有效性。
2021-02-01 cs.SY eess.SP eess.SY
An Ontological Metamodel for Cyber-Physical System Safety, Security, and Resilience Coengineering
系统复杂性在设计、评估和实现实用的信息物理系统中无处不在。这种日益增加的复杂性正在影响设计网络物理系统所需模型的管理，这些系统能够考虑到一些“能力”，使它们安全可靠，并最终能够抵御服务中断。我们提出了一个本体论元模型的系统设计，增强了现有的行业元模型，以捕捉各种模型元素和安全性，安全性和弹性的考虑因素之间的关系。使用这个元模型会导致更紧密和结构化的建模工作，并在可伸缩性、可用性和现有模型的统一性方面得到全面提高。反过来，这导致在设计安全防御和弹性机制以打击不良行为时采用面向任务的视角。我们在一个开源的GraphQL实现中说明了这个元模型，它可以与许多建模语言接口。我们支持我们提出的元模型，使用石油和天然气管道模型的详细演示。
2020-06-09 cs.SE cs.SY eess.SY
A Novel Mutual Insurance Model for Hedging Against Cyber Risks in Power Systems Deploying Smart Technologies
针对采用智能技术的电力系统，提出基于随机流行病网络模型评估网络风险的互助保险模型，采用沙普利原则公平分配赔偿，兼顾高赔偿水平与低破产概率。
2024-03-17 cs.GT cs.SY eess.SY
Modeling and Control of Smart Standalone Microgrids within Cyber Physical System Frameworks
并网微网（MG）的孤岛运行能力使其成为提高电能质量和可靠性的有效解决方案。MG的这一特性对进步国家的偏远和不发达地区非常有益。此外，ICT技术还导致了智能独立微电网（SSMG）的发展，这些微电网充斥着大量的传感器。这允许以协调的方式控制多个微电网，以实现电力自给自足。在这样的系统中，在各种功率、控制和通信参数之间存在很多相互依赖性。由于这些发展，物理变量（如电压）的控制受到网络参数（如通信结构、延迟和链路损耗）的影响。此外，由于与主电网的隔离以及太阳能光伏等可再生能源发电机组的丰富性，这些独立电网的惯性大大降低，需要使用大量传感器的先进控制算法。因此，这些系统的稳定性很大程度上受到传感器故障的影响，除了许多物理参数，如负载和环境条件。在这篇论文中，一个通用的交直流混合微电网的结构被认为是细分为各种交流和直流同行。分别对交流和直流SSMG进行建模，并提出了控制方案以提高其稳定性。前两个贡献提出了混合微电网中的初级控制的自适应控制方案。它们的功能是在DCSSMG中当受到大气变化以及传感器读数故障时提供快速和稳定的参数调节。第三和第四个贡献迎合ACSSMG协调控制网络物理框架的发展，以处理来自网络/物理域的同时干扰的存在。
2022-03-02 cs.MA cs.NI cs.SY
A Compositional Sheaf-Theoretic Framework for Event-Based Systems (Extended Version)
ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
提出了一种用于复杂事件系统建模的组合层理论框架。我们表明，基于事件的系统是机器，输入和输出，它们可以组成与机器的不同类型，所有在一个统一的，层理论的形式主义。我们把机器人系统作为复杂系统的一个范例，并使用这个框架严格描述执行器，传感器和算法。
2020-06-22 cs.RO cs.SY eess.SP
Switching and Data Injection Attacks on Stochastic Cyber-Physical Systems: Modeling, Resilient Estimation and Attack Mitigation
Arizona State University（亚利桑那州立大学）；Pennsylvania State University（宾夕法尼亚州立大学）；Swiss Federal Institute of Technology (ETH)（瑞士联邦理工学院（苏黎世联邦理工学院））
本文研究在随机过程中和测量噪声存在下，如何通过多模型推理算法实现鲁棒状态估计，以应对切换机制攻击和传感器信号注入攻击，并讨论攻击检测与缓解方法。
2017-07-22 cs.CR cs.SY eess.SY
