サイバー物理システムの安全性認証のための汎用的な安全フィルタ

Core Concepts

本論文では、サイバー攻撃に対してシステムの安全性を確保するための汎用的な安全フィルタを提案する。このフィルタは、既存の制御アルゴリズムや異常検知手法と組み合わせて使用でき、安全性と性能を分離することができる。提案手法は、攻撃の種類に依存せず、システムの安全性を常に保証する。

Abstract

本論文では、サイバー物理システム(CPS)の安全性を確保するための汎用的な安全フィルタを提案している。CPSは通信・計算機能と物理システムが密接に統合されているため、サイバー攻撃に対して脆弱である。
提案する安全フィルタは以下の特徴を持つ:

既存の制御アルゴリズムや異常検知手法と組み合わせて使用できる。安全性と性能を分離することで、高性能な制御性能と安全性を両立できる。
攻撃の種類に依存せず、システムの安全性を常に保証する。攻撃者の能力や攻撃手法に関する仮定を置かない。
非線形高次元システムにも適用可能な予測ベースのアプローチを採用している。
20台のモバイルロボットを用いた数値シミュレーションにより、提案手法の有効性を示している。

安全フィルタは、受信した制御入力が安全かどうかに関わらず、システムの安全性を常に保証する。これにより、高性能な制御性能と安全性を両立できる。提案手法は、従来の手法に比べて保守的ではなく、非線形高次元システムにも適用可能である。

Stats

20台のモバイルロボットを用いた数値シミュレーションを実施した。
各ロボットの最小速度は-2 m/sで、最大速度は+2 m/sである。
各ロボットの最小角速度は-2 rad/sで、最大角速度は+2 rad/sである。
ロボット間の最小距離は0.2 mとし、ロボットと壁の最小距離も0.2 mとした。

Quotes

該当なし

Key Insights Distilled From

A Modular Safety Filter for Safety-Certified Cyber-Physical Systems

by Mohammad Baj... at arxiv.org 03-26-2024

https://arxiv.org/pdf/2403.15854.pdf

Deeper Inquiries

サイバー攻撃に対する安全性確保と、システムの高性能化を両立させるためには、制御アルゴリズムとセキュリティ対策をどのように統合すべきか

提案手法では、制御アルゴリズムとセキュリティ対策を統合する際に、モジュラーな安全フィルターを導入することが重要です。この安全フィルターは、受信した制御信号が安全であるか攻撃によって改ざんされた場合でも、安全性を確保します。これにより、システムの安全性と性能を分離して考えることができます。安全フィルターは既存の制御アルゴリズムや検出アルゴリズムと組み合わせて使用でき、システムの安全性を確保するだけでなく、高性能な制御を実現することが可能です。

提案手法では、攻撃の種類に依存せずに安全性を確保できるが、その一方で保守的な解を導出する可能性がある

提案手法における保守性を低減するためには、いくつかのアプローチが考えられます。まず、システムのモデルが正確でない場合や遅延がある場合には、予測ホライズンを短くし、最終安全セットを小さくすることで保守性を低減できます。また、保守的な解が出やすい状況では、安全フィルターが攻撃を検知するという性質を考慮して、保守性が安全性検出器に影響を与えないようにする必要があります。さらに、モジュール間の通信を最適化し、情報共有を改善することで、保守性を低減することができます。

この保守性をどのように低減できるか

提案手法を分散型のCPSに拡張する際には、各エージェントが隣接エージェントと通信し、互いの振る舞いを予測できるようにすることが重要です。分散型シナリオでは、各エージェントが自身の安全性を確保しつつ、他のエージェントとの協調制御を実現する必要があります。情報共有や協調制御を両立させるためには、適切な通信プロトコルやデータ共有の仕組みを導入し、各エージェントが安全性確保と協調制御を同時に行えるようにすることが重要です。