A Timing-Based Framework for Designing Resilient Cyber-Physical Systems under Safety Constraint
信息物理系统（CPS）需要满足各种应用领域（如机器人、工业制造系统和电力系统）的安全约束。故障和网络攻击已被证明会导致安全违规，这可能会损坏系统并危及人类生命。已经提出了弹性架构，以通过包括冗余和从安全操作条件重启的方法来确保CPS在此类故障和攻击下的安全性。现有的CPS弹性架构利用不同的机制来保证安全性，目前还没有方法来比较它们。此外，对采用一种体系结构的CPS进行的分析和设计不容易扩展到另一种体系结构。在本文中，我们提出了一个基于时间的框架CPS采用各种弹性架构，并开发了一个通用的方法，安全分析和计算的控制策略和设计参数。利用网络子系统在有限数量的状态中的一种状态下运行的洞察力，我们首先开发了一个混杂系统模型，该模型捕获采用任何这些架构的CPS。基于混杂系统，我们制定了联合计算的控制策略和相关的定时参数CPS，以满足给定的安全约束的问题，并获得了解决方案的充分条件。利用推导出的条件，我们提供了一个算法来计算控制策略和时序参数相关的雇用架构。我们还注意到，我们的解决方案可以应用于广泛的一类CPS与多项式动力学，也允许纳入新的架构。我们验证了我们提出的框架进行案例研究，自适应巡航控制的车辆。
2022-09-01 cs.SY eess.SY
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
IF-CPS: Influence Functions for Cyber-Physical Systems -- A Unified Framework for Diagnosis, Curation, and Safety Attribution
The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校）
本文提出IF-CPS框架，通过三种适应 CPS 特性的变体，解决控制器故障溯源问题，在诊断、校准和安全归因任务中提升了性能。
2026-03-23 cs.SY eess.SY
A Data-Driven Safety Preserving Control Architecture for Constrained Cyber-Physical Systems
本文针对未知受约束信息物理系统提出一种数据驱动网络化控制架构，通过鲁棒异常检测与安全验证模块检测虚假数据注入攻击，并在必要时切换至本地集合论模型预测控制器以保障系统安全。
2024-02-21 cs.SY eess.SY
Safe-visor Architecture for Sandboxing (AI-based) Unverified Controllers in Stochastic Cyber-Physical Systems
高性能但未经验证的控制器，例如，基于人工智能的（a.k.a.基于人工智能的控制器被广泛应用于信息物理系统（CPS）中，以完成复杂的控制任务。然而，保证CPS的安全性和可靠性与这种控制器是目前非常具有挑战性的，这是至关重要的，在许多现实生活中的安全关键应用。为了应对这一困难，我们在这项工作中提出了一个安全的遮阳板架构，用于在嘈杂的环境中运行的CPS中对未经验证的控制器进行沙箱化。随机CPS）。建议的架构包含一个基于历史的监督员，它检查来自未经验证的控制器的输入，并在系统的功能和安全性之间做出妥协，以及一个安全顾问，当未经验证的控制器危及系统的安全时，提供回退。基于历史的监督器和安全顾问都是基于原始系统与其有限抽象之间的近似概率关系设计的。通过采用这种体系结构，我们提供了正式的概率保证，保持接受语言的确定性有限自动机（DFA）表示的安全规范。同时，未经验证的控制器仍然可以在控制回路中使用，即使他们是不可靠的。我们证明了我们提出的结果的有效性，将它们应用到两个（物理）的案例研究。
2021-08-19 cs.SY eess.SY
Energy-Efficient Control Adaptation with Safety Guarantees for Learning-Enabled Cyber-Physical Systems
神经网络越来越多地应用于学习型网络物理系统（LE-CPS）的控制，并在提高系统性能和效率以及减少对复杂物理模型的需求方面表现出巨大的潜力。然而，这种基于神经网络的控制器缺乏安全保证，严重阻碍了它们在安全关键型CPS中的采用。在这项工作中，我们提出了一种控制器自适应方法，自动切换多个控制器，包括神经网络控制器，以保证系统的安全性和提高能源效率。我们的方法包括基于形式化方法和机器学习的两个关键组成部分。首先，我们近似每个控制器与Bernstein多项式为基础的混杂系统模型在有界干扰，并计算一个安全不变集的基础上，其相应的混杂系统的每个控制器。直观地说，控制器的不变集定义了系统在其控制下始终保持安全的状态空间。然后，控制器的不变量集的并集定义大于（或等于）每个控制器的安全自适应空间。其次，我们开发了一种深度强化学习方法来学习控制器切换策略，以降低控制/驱动能量成本，同时在安全防护规则的帮助下，确保系统保持在安全空间内。在线性自适应巡航控制系统和非线性范德波尔振荡器上的实验证明了我们的方法在节能和增强安全性方面的有效性。
2020-10-15 cs.SY eess.SY
Decentralized Safety-Critical Control of Resilient DC Microgrids with Large-Signal Stability Guarantees
针对直流微电网现有初级控制器缺乏严格安全保证、易牺牲扩展性等问题，提出结合控制屏障函数与端口哈密顿理论的分布式安全关键控制器，实现分散式可扩展安全镇定，经仿真验证在多故障场景下具备优势。
2025-09-04 cs.SY eess.SY
Who is Responsible? Explaining Safety Violations in Multi-Agent Cyber-Physical Systems
针对多智能体信息物理系统安全违规的责任归因难题，提出基于反事实推理和Shapley值的DoR指标，并借助交互结构启发式方法提升可扩展性，在NHTSA案例与CARLA实验中改善可解释性和问责。
2024-10-26 cs.SY eess.SY
Cyber LOPA: An Integrated Approach for the Design of Dependable and Secure Cyber Physical Systems
安全风险评估是确保可靠的信息物理系统（CPS）设计的重要过程。传统的风险评估只考虑物理故障。对于现代CPS，由网络攻击引起的故障正在增加。最新研究工作的重点是安全生命周期集成和风险评估的建模形式主义的扩展，以纳入安全故障。安全和安全生命周期之间的相互作用及其对整个系统设计的影响，以及忽视安全故障导致的可靠性损失是一些被忽视的研究问题。本文提出了一种新的安全设计方法，名为网络保护层分析（CLOPA），扩展现有的LOPA框架，包括网络攻击造成的故障，解决了这些研究问题。所提出的方法提供了一个严格的数学公式，定量地表达了设计一个高度可靠的CPS与高度安全的CPS之间的权衡。我们进一步提出了一个协同设计的生命周期过程，集成了安全和安全风险评估过程。我们评估建议的CLOPA方法和综合生命周期的实际案例研究的过程反应器控制的工业控制试验台，并提供了建议的CLOPA和当前的LOPA风险评估实践之间的比较。
2022-08-17 cs.CR cs.SY eess.SY
Synthesis of Sensor Deception Attacks at the Supervisory Layer of Cyber-Physical Systems
我们研究的安全性的网络物理系统（CPS）的监控层的上下文中。具体来说，我们提出了一个通用的CPS攻击者模型的离散事件系统的框架和调查的问题，合成的攻击策略为一个给定的反馈控制系统。我们的模型捕获了一类欺骗攻击，攻击者有能力劫持传感器读数的子集并误导管理员，其目标是将系统诱导到不期望的状态。我们利用一个类似于游戏的离散过渡结构，称为插入删除攻击结构（IDA），以捕捉监督者和环境（包括系统和攻击者）之间的交互。我们展示了如何使用入侵检测系统来合成三种不同类型的成功隐形攻击，即，避免被管理程序检测到并对系统造成损害的攻击。
2020-08-04 cs.SY eess.SY
Shield Synthesis for Real: Enforcing Safety in Cyber-Physical Systems
Virginia Tech（弗吉尼亚理工大学）；University of Southern California（南加州大学）
网络物理系统通常是安全关键的，因为违反安全属性可能导致灾难。我们提出了一种方法，通过合成一个运行时执行器称为盾牌，以加强系统的安全性与实值信号。当系统违反一个属性时，与系统组成的屏蔽件立即进行校正，以确保组合系统不会产生错误的输出。虽然合成布尔屏蔽的技术已经很好理解，但它们不能处理网络物理系统中普遍存在的实值信号，这意味着在实域中计算校正可能无法实现或效率低下。我们解决的可实现性和效率问题，通过静态分析的兼容性谓词定义的实值信号，并使用分析结果来约束一个两个玩家的安全游戏用于合成的盾牌。我们已经实现了该方法，并证明了其有效性和效率的各种应用，包括汽车动力总成控制系统。
2019-08-15 cs.LO cs.RO cs.SY
Synthesis to Deployment: Cyber-Physical Control Architectures
我们考虑的问题，如何部署一个控制器（联网）的网络物理系统（CPS）。控制CPS是一项复杂的任务，而综合控制器以满足传感、致动和通信约束只是挑战的一部分。除了控制器综合，还应该考虑如何将控制器纳入CPS。换句话说，需要考虑网络层及其与物理层的交互。在这项工作中，我们的目标是弥合理论控制器合成和实际CPS部署之间的差距。我们采用系统级综合（SLS）的框架来合成控制器，无论是状态反馈或输出反馈，并提供部署架构的标准SLS控制器。此外，我们得到新的控制器实现开环稳定系统，并引入不同的状态反馈和输出反馈架构的部署，从完全集中到完全分布式。最后，我们比较他们之间的权衡，在鲁棒性，内存，计算和通信开销。
2021-06-01 cs.SY eess.SY math.OC
AutoRepair: Automated Repair for AI-Enabled Cyber-Physical Systems under Safety-Critical Conditions
AutoRepair框架通过基于优化的迭代搜索自动识别并修复DNN控制器中的不安全行为，在6个工业级CPS实例上验证了其能显著提升系统可靠性。
2023-04-12 cs.SE cs.SY eess.SY
A Data-Driven Approach To Preserve Safety and Reference Tracking for Constrained Cyber-Physical Systems Under Network Attacks
Concordia University（康科迪亚大学）
提出一种最坏情况数据驱动控制架构，通过鲁棒异常检测器、跟踪监督模块、安全验证模块和本地应急控制器，在保证系统安全的同时最小化跟踪性能下降。
2026-06-25 cs.SY eess.SY math.OC
Control Synthesis for Cyber-Physical Systems to Satisfy Metric Interval Temporal Logic Objectives under Timing and Actuator Attacks
本文研究的综合控制器的网络物理系统（CPS），需要执行复杂的任务，是时间敏感的，在对手的存在。该任务被指定为度量区间时序逻辑（MITL）中的公式。假设对手有能力篡改CPS的控制输入，并操纵CPS感知的定时信息。为了模拟CPS和对手之间的相互作用，以及这两类攻击的效果，我们定义了一个实体称为持续时间随机博弈（DSG）。DSG以概率方式捕获环境中状态之间的转换，以及这些转换所花费的时间。与防御者表示为有限状态控制器（FSC）的政策，我们提出了一个基于值迭代的算法，计算FSC，最大限度地满足MITL规范下的两类攻击的概率。一个信号控制的交通网络的数值案例研究来说明我们的结果。
2020-01-27 cs.SY 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
Sandboxing Controllers for Stochastic Cyber-Physical Systems
目前的信息物理系统（CPS）预计将完成复杂的任务。为了实现这一目标，应用了高性能但未经验证的控制器（例如深度神经网络，来自第三方的黑盒控制器），这使得保持整个CPS安全变得非常具有挑战性。通过对这些控制器进行沙箱化，我们不仅能够使用它们，而且还可以同时在受控的物理系统上实施安全属性。然而，当前可用的沙箱控制器解决方案仅适用于确定性（即，非随机）系统，可能受到有界扰动的影响。在本文中，我们第一次提出了一种新的解决方案，用于在嘈杂的环境中运行的CPS的沙箱未经验证的复杂控制器（又名。随机CPS）。此外，我们还提供了概率保证其安全性。在这里，在每个时刻观察未经验证的控制输入，并检查它是否违反了到达不安全集合的最大可容忍概率。如果该概率超过给定阈值，则拒绝未经验证的控制输入，并且由最优安全控制器提供的咨询输入将用于维持概率安全保证。实证结果表明，所提出的方法，预期的安全概率得到保证。
2021-09-23 cs.SY eess.SY
Compositional synthesis of almost maximally permissible safety controllers
在这项工作中，我们提出了一种组合安全控制器的合成方法的离散时间线性控制系统的类。在这里，我们利用一个国家的最先进的结果，计算鲁棒控制不变集。针对复杂互联系统控制器综合的复杂性，提出了一种分散控制器综合方法。而不是把互联系统作为一个整体，我们首先分别为每个子系统设计本地安全控制器，以执行本地安全属性，多面体状态和输入约束以及有界干扰集。然后，通过组成局部控制器，保证互联系统满足总体安全性指标。最后，我们提供了一个车辆排队示例，通过计算子系统的不太复杂的局部安全控制器然后组合它们来解决总体安全控制器合成问题，来说明所提出方法的有效性。
2021-09-24 cs.SY eess.SY
Secure-by-Construction Synthesis of Cyber-Physical Systems
构造正确综合是形式化方法和控制理论在安全关键系统设计中融合的基石。而不是遵循经过时间考验的，虽然费力（重新）设计-验证-验证循环，正确的建设方法主张使用不断完善的正式要求-连接的正式证明链-建立一个系统，确保设计的正确性。一个显着的进展已经取得了扩大范围的适用性的正确的建设综合-重点是网络物理系统，连续环境的关系，离散事件控制-扩大控制系统，结合象征性的方法与原则的状态空间减少技术。不幸的是，在安全关键控制系统中，安全属性是事后验证的设计过程中的一种方式，破坏了正确的建设范式。我们认为，为了真正实现安全关键系统的正确构建合成的梦想，安全考虑必须与安全考虑一起占据中心位置。此外，在安全属性的不透明子类和能够将安全与安全属性相结合的超属性概念的最新进展的催化下，我们认为研究界全面瞄准安全构建合成的挑战的时机已经成熟。本文详细介绍了我们的愿景，强调了最近的进展和开放的挑战，可以作为砖块提供一个坚实的基础，安全的网络物理系统的建设合成。
2022-02-14 cs.CR cs.SY eess.SY
A Simplex-Inspired Architecture for Integrating Quantum Capabilities into Cyber-Physical Systems
School of Electrical Engineering；Computer Science Washington State University, WA, USA Emails
提出基于单纯形架构的混合经典-量子系统辨识框架，结合量子辅助希尔伯特空间高斯过程回归与经典高斯过程回归，通过运行时监控实现性能与安全性的可控权衡。
2026-07-01 cs.SY eess.SY
Reasoning about Safety of Learning-Enabled Components in Autonomous Cyber-physical Systems
Toyota Research Institute of North America（丰田北美研究院）；University of Southern California（南加州大学）
本文提出基于模拟的方法生成屏障证书函数，用于验证包含神经网络控制器的机电系统安全性。通过线性规划求解器从随机初始状态获得的模拟轨迹中找到候选生成函数，并利用SMT求解器验证其安全性。
2018-04-11 cs.AI cs.SY eess.SY
Towards Developing Safety Assurance Cases for Learning-Enabled Medical Cyber-Physical Systems
University of Virginia（弗吉尼亚大学）
本文为学习型医疗信息物理系统中的机器学习控制器开发安全保障案例，以人工胰腺系统为例，通过深度神经网络和形式化验证确保预测可靠性，并指出开放研究问题。
2022-12-19 cs.AI cs.LG cs.SY
Early-Stage Resource Estimation from Functional Reliability Specification in Embedded Cyber-Physical Systems
可靠性和容错性是嵌入式网络物理系统的关键属性，需要高安全完整性水平。对于此类系统，大多数工业安全标准都强烈提倡使用正式的功能安全规范，但可靠性和容错性传统上被视为平台问题。我们相信，在功能安全级别解决可靠性和容错问题可以扩大资源优化的范围，针对那些安全关键的功能，而不是整个平台。此外，对于基于软件的控制功能，时间冗余已经变得与物理资源的复制一样重要，并且这种冗余可以在功能规范级别建模。在规范级别正式建模功能可靠性的能力，使物理资源和计算带宽需求的早期估计。在本文中，我们提出了，第一次，一个正式的功能安全规范增强可靠性注释的资源估计方法。建议的可靠性规范是覆盖在安全关键的功能规范和我们的方法提取的约束满足问题，以确定最佳的一组资源，以满足安全关键的行为的可靠性目标。我们使用SMT（可满足性模理论）/ILP（线性规划）求解器在后端解决优化问题，并证明我们的方法的可行性卫星运载火箭导航，制导和控制（NGC）系统。
2020-05-03 cs.SE cs.SY eess.SY
Securing Safety in Collaborative Cyber-Physical Systems through Fault Criticality Analysis
协同网络物理系统（CCPS）是包含紧密耦合的物理和网络组件、大规模互连的子系统并协作以实现共同目标的系统。单个信息物理系统（CPS）的安全性可以通过遵循ISO 26262和IEC 61508等安全标准或应用危害分析技术来实现。然而，由于复杂的，高度互连的，异构的，和协作的CCPS的性质，在一个CPS的组件的故障可以触发许多其他故障在其他合作CPS。因此，基于故障危害度分析的安全保证技术将需要确保CCPS的安全性。本文提出了一种在CPSTracer中实现的故障关键度矩阵（Fault Criticality Matrix，FCM），它包含了已识别故障、故障关键度、安全防护等数据。所提出的FCM基于复合危险分析和危险分析工件之间基于内容的关系，并确保安全防护在设计时控制已识别故障;从而可以在设计阶段对故障进行有效的管理和控制，保证CPS的安全开发。为了验证我们的方法，我们介绍了一个案例研究的排队系统（协作CPS）。我们使用FCM在我们开发的工具进行车队系统的关键性分析。在详细的故障严重度分析后，我们调查的结果，以检查两个研究问题的适当性和有效性。此外，通过对排队进行仿真，我们表明，不使用FCM的排队系统的碰撞率是相当高的碰撞率的系统后，使用FCM分析故障的严重性。
2023-03-10 cs.PF cs.SE cs.SY
Software Fault Tolerance for Cyber-Physical Systems via Full System Restart
Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）；Uber（优步）；ABB（ABB集团）
本文提出了一种新的控制器设计方法，旨在保证非线性物理系统的安全性，实现运行时的安全系统重启，并允许使用未经验证的复杂控制器（如神经网络）以驱动物理系统满足复杂规范。通过基于抽象的控制器合成方法，设计了一个形式验证的控制器，提供应用和系统级的容错能力以及安全保证，并且该方法可以使用商用现成（COTS）处理单元实现。通过在倒置摆和三自由度直升机上实现所提出的控制器，验证了该解决方案的有效性以及在各种故障注入情况下系统的安全性。
2018-12-09 cs.SY eess.SY
A Survey of Algorithms for Black-Box Safety Validation of Cyber-Physical Systems
Stanford University（斯坦福大学）；NASA Ames Research Center（美国国家航空航天局埃姆斯研究中心）
自主网络物理系统（CPS）可以提高安全关键型应用的安全性和效率，但在部署前需要进行严格的测试。这些系统的复杂性通常排除了形式化验证的使用，并且在开发期间，真实世界的测试可能太危险。因此，已经开发了基于仿真的技术，将被测系统视为在仿真环境中运行的黑盒。安全验证任务包括发现环境中导致系统故障（伪造）的干扰，发现最可能的故障，并估计系统故障的概率。出于安全关键的人工智能的流行，这项工作提供了一个国家的最先进的CPS安全验证技术的调查，重点是应用算法和修改的安全验证问题。我们提出并讨论了优化，路径规划，强化学习和重要性采样领域的算法。问题分解技术，以帮助规模的算法，以大的状态空间，这是常见的CPS。简要概述了安全关键应用，包括自动驾驶汽车和飞机防撞系统。最后，我们提出了现有的学术和商业上可用的安全验证工具的调查。
2021-10-14 cs.AI cs.LG cs.SY
Mist and Edge Computing Cyber-Physical Human-Centered Systems for Industry 5.0: A Cost-Effective IoT Thermal Imaging Safety System
虽然全球许多公司仍在努力适应工业4.0原则，但向工业5.0的过渡已经开始。在这种范式下，以人为中心的网络物理系统（CPHS）已经出现，以利用运营商的能力，以满足复杂制造系统对以人为中心，弹性和可持续性的目标。本文首先介绍了工业5.0 CPHS开发的基本概念，然后分析了最新的CPHS，确定了其主要设计要求和关键实施组件。此外，这种CPHS的发展的主要挑战进行了概述。接下来，为了说明先前描述的概念，呈现了真实世界的工业5.0 CPHS。这样的CPHS能够在依赖协作机器人和重型机械的制造过程中提高操作员的安全性和操作跟踪。具体来说，拟议的用例包括一个需要更智能地使用资源的车间，人类接近检测确定机器何时应该工作或不工作，以避免涉及此类机器的事件或事故。拟议的CPHS使用混合边缘计算架构，具有智能雾计算节点，可处理热图像并做出反应以防止工业安全问题。实验表明，在选定的现实场景中，开发的CPHS算法能够以快速准确的方式（不到10 ms，准确率为97.04%）检测低功耗设备（使用Raspberry Pi 3B）的人类存在，因此是一种有效的解决方案，可以集成到许多工业5.0应用中。最后，本文提供了具体的指导方针，帮助未来的开发人员和管理人员克服在部署下一代CPHS以实现智能和可持续制造时所面临的挑战。
2022-12-13 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
Minimum Violation Control Synthesis on Cyber-Physical Systems under Attacks
Worcester Polytechnic Institute（伍斯特理工学院）
本文研究了在存在攻击的情况下，如何在线性时序逻辑约束下综合出最小违规控制器，通过构建Stackelberg博弈模型并提出非线性规划问题来解决最优控制策略，最后通过数值案例验证了方法的有效性。
2018-08-31 cs.RO cs.SY eess.SY
Safety-Critical Control Synthesis for Unknown Sampled-Data Systems via Control Barrier Functions
随着控制系统复杂性的增加，安全性成为越来越重要的属性，因为违反安全性会损坏设备并将系统操作员置于危险之中。当系统动力学未知时，安全关键综合变得更具挑战性。此外，现代系统是数字控制的，因此表现为采样数据系统，即，当以离散的时间步长施加控制输入时，系统动态连续地演变。本文研究了动态未知的安全临界采样系统的控制综合问题。我们克服了采样数据的实现和未知的动态所带来的挑战，通过构建一组控制障碍函数（CBF）为基础的约束。通过在每个采样时刻满足所构造的CBF约束，保证了未知采样数据系统在任何时刻都是安全的。我们制定了一个非凸的程序来解决在每个采样时间的控制信号。我们将非凸规划分解为两个凸子问题。我们说明了所提出的方法，使用数值案例研究。
2021-09-28 cs.SY eess.SY
Achieving Performance and Safety in Large Scale Systems with Saturation using a Nonlinear System Level Synthesis Approach
我们提出了一类新的非线性控制器，插值不同行为的线性控制器作为最近提出的线性和非线性系统水平综合框架的案例研究。的非线性控制器的结构允许同时满足小扰动和大扰动制度所定义的性能和安全目标。所提出的控制器是分布式的，处理延迟，稀疏致动，并本地化干扰。我们表明，我们的非线性控制器总是优于其线性对应的约束LQR问题。通过仿真，我们进一步证明了基于所提出的饱和系统控制器的增广控制策略的抗饱和特性。
2020-06-23 cs.SY eess.SY
Ensuring Resilience Against Stealthy Attacks on Cyber-Physical Systems
本文提供了一种工具，用于分析旨在实现对网络物理系统（CPS）的隐形或不可检测攻击的弹性机制。我们认为攻击者能够破坏系统的所有输入和输出。为了对抗这样的攻击者，必须实现一个响应方案，使攻击者在一定的时间内不会破坏系统的输入和输出。为了帮助设计这样的响应方案，我们的工具为这些时间段提供了足够的长度，以确保特定概率的安全性。我们提供了一个保守的上限多久，系统可以保持在隐形攻击之前的安全约束被违反。此外，我们展示了检测器如何限制攻击者可以对系统施加的偏见，同时仍然保持隐身，帮助系统操作员设计检测器。我们的贡献证明了一个说明性的例子。
2022-05-01 cs.SY eess.SY
Safety Controller Synthesis for Stochastic Polynomial Time-Delayed Systems
School of Computing, Newcastle University（纽卡斯尔大学计算机学院）
本文提出了一种基于Krasovsky控制屏障证书的方法，用于具有时间延迟的随机多项式系统的安全控制器综合，通过求和平方优化程序实现概率安全保证。
2026-02-06 cs.SY eess.SY
Trajectory-based Safety of Monotone Systems: Verification and Control Synthesis
University of Colorado at Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）
本文提出一种数据驱动框架，用于验证未知单调离散时间系统的鲁棒安全性及安全控制综合。利用单调性结构减少数据需求并确保形式安全性。通过构建直接从收集轨迹中获得的主导函数，实现系统安全证书的系统构造。
2026-05-15 cs.SY eess.SY
Deployment Architectures for Cyber-Physical Control Systems
我们考虑的问题，如何部署一个控制器（联网）的网络物理系统（CPS）。控制CPS是一项复杂的任务，而综合控制器以满足传感、致动和通信约束只是挑战的一部分。除了控制器综合，还应该考虑控制器如何在CPS中工作。换句话说，需要考虑网络层及其与物理层的交互。在这项工作中，我们的目标是弥合理论控制器合成和实际CPS部署之间的差距。我们采用系统级综合（SLS）的框架来综合状态反馈控制器，并提供了一个部署架构的标准SLS控制器。此外，我们推导出一个新的控制器实现开环稳定系统，并介绍了四种不同的架构部署，从完全集中到完全分布式。最后，我们比较他们之间的权衡，在鲁棒性，内存，计算和通信开销。
2020-09-29 cs.SY eess.SY math.OC
Safety Index Synthesis with State-dependent Control Space
针对状态依赖控制空间下安全指标综合存在无穷多约束、需保证全状态可行控制输入的难题，提出基于正点定理将其转化为非线性规划问题的方法，证明解具备安全区域前向不变性和有限时间收敛性，经数值验证有效。
2025-01-17 cs.SY eess.SY
Adversarial Learning of Robust and Safe Controllers for Cyber-Physical Systems
我们引入了一种新的基于学习的方法来合成安全和鲁棒的控制器的自主网络物理系统，并在同一时间，产生具有挑战性的测试。该过程将模型验证的形式化方法与生成对抗网络相结合。该方法学习两个神经网络：第一个旨在为控制器生成令人不安的场景，而第二个旨在执行安全约束。我们测试所提出的方法在各种案例研究。
2021-03-26 cs.SY eess.SY
Predictive safety filter using system level synthesis
本研究提出融入系统级综合技术的改进模型预测安全滤波器SL-MPSF，可在扩大安全集内为受扰线性系统保安全，修改控制输入更少，还提出显式变体降低在线计算量，经数值算例验证优于现有方案。
2023-06-09 cs.SY eess.SY
Compositional abstraction and safety synthesis using overlapping symbolic models
KTH Royal Institute of Technology（皇家理工学院）；Laboratoire des signaux et systèmes (L2S), CNRS, CentraleSupélec, Université Paris-Sud, Université Paris-Saclay（信号与系统实验室，法国国家科学研究中心，中央苏佩莱克高等学院，巴黎第十一大学，巴黎萨克雷大学）；Univ. Grenoble Alpes/CNRS, GIPSA-Lab（格勒诺布尔阿尔卑斯大学/法国国家科学研究中心，GIPSA实验室）
本文提出了一种组合方法，用于离散时间非线性系统的抽象和安全合成。通过组合一组重叠的符号子系统来定义符号抽象，这些子系统可以共享一些共同的状态变量。利用这种重叠的符号子系统开发了组合安全合成技术，并比较了不同系统分解方式下抽象和控制器的保守性和计算复杂性。数值实验表明，所提出的符号控制合成方法在减少计算复杂性方面优于集中方法，并在减少保守性方面优于使用非重叠子系统的组合方法。
2017-07-19 cs.SY eess.SY
Automated Malware Design for Cyber Physical Systems
网络物理系统的攻击设计对于在设计时和运行时评估CPS弹性以及从测试平台生成丰富的数据集以供研究至关重要。针对网络物理系统的攻击与IT攻击的区别在于，其主要目标是损害物理系统。因此，设计此类攻击需要网络和物理系统知识。当前生成攻击的做法要么集中在使用IT网络安全现有知识体系的系统的网络部分，要么使用黑客攻击来注入可能损害物理过程的攻击。在本文中，我们提出了一种系统的方法，可以根据CPS安全和控制规范自动生成完整性攻击，而无需了解物理系统或其动态。生成的攻击违反了系统的操作和安全要求，因此对系统的弹性提出了真正的测试。我们提出了一种算法来自动化的恶意软件有效载荷的发展。文中给出了几个例子来说明所提出的方法。
2021-07-06 cs.CR cs.SY eess.SY
S3A: Secure System Simplex Architecture for Enhanced Security of Cyber-Physical Systems
University of Illinois at Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）
提出一种利用控制系统确定性执行行为在0.6微秒内检测入侵并保证物理系统安全的架构，即使操作系统权限被攻破也能保护系统免受伤害。
2012-02-26 cs.CR cs.SY eess.SY
Numerical LTL Synthesis for Cyber-Physical Systems
fortiss GmbH（fortiss有限公司）；EECS, UC Berkeley（加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学系）
本文提出数值LTL合成方法，用于在物理系统中合成控制器，通过扩展LTL合成以支持实数输入和多项式约束谓词，解决传统LTL合成在离散输入上的限制。
2013-07-14 cs.LO cs.SE cs.SY
Distributionally Robust Control Synthesis for Stochastic Systems with Safety and Reach-Avoid Specifications
本文研究在安全性与避达规约下随机系统的分布鲁棒控制策略综合问题，利用博弈论框架和Wasserstein距离定义模糊集，通过动态规划和对偶优化证明最优策略存在性并高效求解，同时引入分布鲁棒控制障碍证书结合平方和规划技术实现控制器综合，实验证明该方法显著提升了在线执行时的满足概率。
2025-11-01 cs.SY eess.SY
Cyber-Physical Security and Safety of Autonomous Connected Vehicles: Optimal Control Meets Multi-Armed Bandit Learning
Centre for Wireless Communications (CWC), University of Oulu, Finland（奥卢大学无线通信中心（CWC））；WINLAB, Dept. of ECE, Rutgers University, New Brunswick, NJ, USA（罗格斯大学WINLAB，电子与计算机工程系，新泽西州新布朗斯维尔，美国）
本文提出了一种综合框架，用于防止自动驾驶联网车辆网络中的网络和物理攻击。首先，推导出一个最优安全控制器，通过优化自动驾驶车辆的速度和车辆间间距，最大化街道交通流量并最小化事故风险。其次，提出数据注入攻击检测方法，以应对传感器的网络攻击及其对自动驾驶系统的影响。
2018-12-13 cs.LG cs.SY eess.SY
From a Single Trajectory to Safety Controller Synthesis of Discrete-Time Nonlinear Polynomial Systems
针对模型未知的离散时间非线性多项式系统，提出基于单条轨迹数据的平方和优化方法，无需辨识系统即可直接设计控制屏障证书与安全控制器，经两个物理案例验证了有效性。
2024-09-16 cs.SY eess.SY
Stability Margins of CBF-QP Safety Filters: Analysis and Synthesis
California Institute of Technology（加州理工学院）
本文研究了CBF-QP安全过滤器的稳定性边距，通过线性系统单个仿射安全约束的精确标量回路表示，提出基于LMI的稳定性边距认证方法，展示了安全过滤器系统稳定性增强的数值示例。
2026-04-05 cs.SY eess.SY math.OC
Stabilization of cyber-physical systems: a foundational theory of computer-mediated control systems
本文提出了一个计算机介导的控制系统，是一个无缝的，完全协同集成的物理系统和赛博系统，它提供了一个系统的框架综合的赛博物理系统（CPS）的赛博物理模型。在我们提出的框架中，我们建立了一个李雅普诺夫稳定性理论的CPS的合成，并将其应用到采样数据控制系统，这是典型的同义词与计算机介导的控制系统。我们的CPS方法，我们不仅开发采样数据控制系统的稳定性准则，但也揭示了两个主要的设计方法（即控制器仿真和离散时间近似）在文献中的等价性和内在联系。作为我们所建立的理论的应用，我们研究了线性采样随机系统的反馈镇定，并提出了一种控制设计方法。说明性的例子表明，我们提出的方法改进了现有的结果。我们建立的综合CPS理论为计算机中介的控制系统奠定了理论基础，并引发了许多开放和有趣的问题，为未来的工作。
2023-03-03 cs.SY eess.SY math.OC
Compositional Thinking in Cyberphysical Systems Theory
工程安全和可靠的网络物理系统需要系统工程师开发和维护一些模型视图，包括动态和静态的，这些视图可以被视为代数。我们认为，使用范畴理论验证需求，行为和体系结构模型的组成，产生了严格的组成解释的网络物理系统理论，它可以帮助安全关键的网络物理系统的建模和分析。
2021-10-09 cs.LO cs.SY eess.SY
Mitigating Timing-Based Attacks in Real-Time Cyber-Physical Systems
Indian Institute of Technology, Kharagpur（印度理工学院，卡拉格普尔分校）
本文提出了一种基于调度的缓解方法，通过有界时间扰动减少基于时间的攻击风险，同时保证实时性和控制性能。
2026-02-03 cs.OS cs.SY eess.SY
Formal Synthesis of Controllers for Safety-Critical Autonomous Systems: Developments and Challenges
Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学）；Tongji University（同济大学）；Xiamen University（厦门大学）
本文系统综述了安全关键自主系统的形式化控制器综合技术，涵盖不同系统模型、安全规范、抽象与无抽象方法、数据驱动方法及多智能体系统可扩展性挑战，并展望了未来研究方向。
2024-02-20 cs.RO cs.SY eess.SY
NNV: The Neural Network Verification Tool for Deep Neural Networks and Learning-Enabled Cyber-Physical Systems
Vanderbilt University（范德堡大学）；University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）
本文介绍了神经网络验证（NNV）软件工具，这是一个基于集合的验证框架，用于深度神经网络（DNN）和支持学习的网络物理系统（CPS）。NNV的核心是一系列可达性算法，这些算法使用了各种集合表示，如多面体、星集、zonotopes和抽象域表示。NNV支持精确（健全和完整）和过近似（健全）可达性算法，用于验证具有各种激活函数的前馈神经网络（FFNN）的安全性和鲁棒性。对于具有学习能力的CPS，例如包含神经网络的闭环控制系统，NNV为线性对象模型和具有分段线性激活函数（例如ReLU）的FFNN控制器提供精确和过近似的可达性分析方案。对于类似的神经网络控制系统（NNCS），而不是具有非线性的植物模型，NNV支持过近似分析相结合的星集分析用于FFNN控制器与zonotope-based分析的非线性植物动态CORA建设。我们使用两个真实案例研究来评估NNV：第一个是ACAS Xu网络的安全性验证，第二个是基于深度学习的自适应巡航控制系统的安全性验证。
2020-04-12 cs.LG cs.SY eess.SY
Safety Controller Synthesis for Collaborative Robots
University of York（约克大学）
针对人机协作中自动安全控制器需在弱假设下保证正确性的挑战，提出一种有工具支撑、结合制造与法规、经形式化验证且满足最优性的控制器综合方法，可实现危险检测、安全切换与任务恢复。
2020-07-07 cs.RO cs.SY eess.SY
A Model-Based Approach to Security Analysis for Cyber-Physical Systems
在整个生存周期中评估网络物理系统的安全性是必要的，以确保它们可以在安全关键应用中部署和运行，例如基础设施，军事和运输。大多数安全和安保决策可能会对部署后的缓解战略选择产生重大影响，这些决策是在系统生存周期的早期作出的。为了在部署之前进行漏洞分析，必须构建足够的格式良好的模型。为了构造这样一个模型，我们产生了一个属性分类法，也就是系统属性的通用模式。该模式捕获了表征可能的真实系统的必要特性，并且还可以映射到与模型属性相关联的攻击向量空间。通过这种方式，我们可以匹配可能的攻击向量，并在设计阶段提供架构缓解。我们提出了一个模型的飞行控制系统编码的系统建模语言，通常被称为SysML，但也显示不可知论相对于所使用的建模语言或工具。
2018-06-10 cs.CR cs.SY eess.SY
Scalable synthesis of safety certificates from data with application to learning-based control
Institute for Dynamic Systems and Control, ETH Zurich（动态系统与控制研究所，苏黎世联邦理工学院）
本文提出了一种高效的方法来合成安全集和控制律，通过基于凸优化问题的近似方法，提高了可扩展性，同时利用高斯过程先验减少保守性，应用于自动驾驶车队等场景。
2020-05-24 cs.LG cs.SY eess.SY
