论文总字数：24893字

目 录

1. 绪论 1

1.1引言 1

1.2 信息物理系统 1

1.2.1 信息物理系统的概念 1

1.2.2 信息物理系统的特点 2

1.2.3 信息物理系统发展现状及挑战 2

1.2.4 信息物理系统未来趋势 3

2.课题理论基础 4

2.1 引理 4

2.1.1 信息物理系统的状态空间以及控制性能描述 4

2.1.2 攻击模型 5

2.1.3 系统安全级别 6

2.1.4 实现平台的模型 7

3. MATLAB 8

3.1 MATLAB的使用 8

3.1.1 MATLAB简介 8

3.1.2 MATLAB功能和特点 9

3.2 Simulink的使用 9

3.2.1 Simulink的特点 9

3.2.2 Simulink的功能 10

3.2.3 Simulink的基础知识 10

3.2.4 Simulink的启动 10

3.2.5 Simulink的模块库简介 10

3.2.6 Simulink模型基本构造 13

3.2.7 Simulink仿真实例演示 13

3.2.8 S-函数的编写及应用 16

4. 信息物理系统理论与仿真 18

4.1 系统描述理论与假设 18

4.1.1 常规Simulink仿真工具 18

4.1.2 S-函数系统模型的仿真与理论描述 22

4.2 系统攻击模型理论与仿真 29

4.2.1 传感器状态反馈攻击 30

4.2.2 执行器状态反馈攻击 36

5.总结 42

参考文献 44

致谢 46

信息物理系统理论与仿真

崔逸尘

Abstract: With the rapid development of science and technology, artificial intelligence has gradually entered the vision of the public. People enjoy the great convenience brought by intelligent control to life, and the information physical system behind it plays a key role. Computation, control and communication are the most remarkable characteristics of information physics system. But this system generally has the characteristics of complex structure, high security requirements, and difficult to study. This graduation thesis studies the theory and Simulation of information physical system, and uses the Simulink simulation toolbox of MATLAB to design a simple information physical system model to simulate the effect under the security mode. Then we use the Simulink toolbox to design a simple attack model, and simulate the effects of the information physical system under the attack, to verify the validity of the theory proposed in this paper.

Keywords: Information physical system; Security; Attack model; MATLAB; Simulink

1. 绪论

1.1引言

在科技飞速发展的今天，尤其是互联网的飞速发展,网络已经遍布我们周围的方方面面。人工智能这一概念逐渐进入人们的视野并且发展已初具规模，而信息物理系统的分支物联网是其中最为关键的一环，信息物理系统概念的提出始于06年美国发布的《美国竞争力计划》报告。

近年来，科研技术人员正致力于研究信息物理系统（CPS），对于科研工作者来说，信息物理系统的提出、建立、改进完善，都见证着他们的辛勤劳动的果实。这些年来，信息物理系统的发展不断地推动人工智能、机器控制等方面的快速发展。CPS所具有的市场无比庞大，涵盖范围很大，既能大到国家电网、国家智能交通系统、国家医疗保障系统等，也能小到每个人生活的智能家居系统。信息物理系统不仅仅将物与物联系起来，而且让更多的智能设备带有计算、通信、控制等特点来服务于信息物理系统。故信息物理系统所面临的挑战和问题是物联网所无法比拟的，有多问题根源出在直面物理实物的控制系统要求与现今计算机要求大不相同。

控制方面利用自控和线控常用处理方法如微分方程和连续系统解决方案来处理问题，而计算则建立在离散数学的基础上，连续与离散有着在处理问题上有着本质上的区别，只有解决这本质上的差异才能让信息物理系统彻底发展起来。但信息物理系统所面临的最大挑战是安全问题，若安全问题无法得以保障，物与物，物与计算、控制各方面做的再完美也是一纸空谈。目前，虽然科研工作者正在努力解决这些问题，但对于安全仍需要砥砺前行，因此促使了本次论文的研究进行。

本次论文围绕上述问题做了一些准备工作，如了解信息物理系统、控制与计算之间联系与差异以及安全问题，尤其是安全问题对于信息物理系统的重要性，并且我学习了MATLAB和系统仿真工具Simulink工具箱。在Simulink仿真工具箱中，我设计了一个简化的没有攻击模型的信息物理系统，然后进行模拟仿真，得出仿真图像以及各类参数变化时的仿真图像。随后，设计一个简易的攻击模型作为信息物理系统的安全威胁，模拟仿真得出仿真图像结果，作出结论。

1.2 信息物理系统

1.2.1 信息物理系统的概念

信息物理系统，具有控制、计算、通信等特点的下一代智能系统，它将物理和计算机进程进行融合，将物理、信息系统过程互为反馈，与之物联网大不同的是物联网只有计算机对于实物的控制并无反馈，而CPS则是信息与物理过程的双向反馈，如此就可以对物理实体进行高效、安全、实时地监测和控制。信息物理系统最终目的就是实现虚拟信息与物理实体进行有机结合，将计算资源与物理资源协调联结起来，将其在更多的应用领域广泛使用，不仅仅像航空航天，智能电网这些高端的科研和国家级项目，像智能交通、远程医疗、工业机器这种民用级别的项目又可以令信息物理系统有着用武之地。

1.2.2 信息物理系统的特点

在过去数字控制技术进入人类社会对人类生产起到了巨大的影响，现如今嵌入式计算系统的工业控制系统早已深入人类生产生活的方方面面，对于人们日常生活也可见智能控制系统，但是这些工业或者民用的控制系统多数是独立不开放的系统，就如同一台计算机在不联网的情况下只是单纯地进行主机中所设计的程序进行操作，没有通信的系统就是过去甚至现今大多数系统现状。信息物理系统的诞生标志着过去这些系统通信能力较弱甚至没有情况将得以改变，信息物理系统是把实时通讯放在计算、控制在同一个水平上，其强调将系统与物理实体设备进行通信协调，强调系统不能只注重控制与计算。

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