Neuartiges Verfahren zur Resilienz-Zustandsschätzung zur Prozesssteuerung in Cyber-Physical Systems

Resiliente Zustandsschätzungsmethoden für die Prozesssteuerung könnten weitreichende Anwendungen haben, von der chemischen Prozesssteuerung über die Produktion und Fertigung bis hin zu selbstfahrenden Fahrzeugen Quelle: Shutterstock

Eine neue Prozesssteuerungsmethode, die von Forschern des Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology entwickelt wurde, verwendet eine spezielle mathematische Struktur, um die internen Prozessvariablen eines Systems selbst bei beschädigten externen Sensoren genau abzuschätzen.

Ob Kernkraftwerke, Patientenüberwachungsgeräte in Krankenhäusern oder selbstfahrende Autos – Integrationen von physikalischen Prozessen mit Computer und Prozesssteuerung oder Cyber-Physical Systems (CPS) sind allgegenwärtig. Die weit verbreitete Anwendung von CPS macht sie jedoch auch zu Hauptzielen für Hacker. Eine einfache Änderung des Werts eines Sensors kann verheerende Folgen haben. Die Anfälligkeit für böswillige Angriffe hat den Bedarf an Systemen geschaffen, die der Beschädigung von Sensoren standhalten und dennoch eine sichere und effiziente Prozesssteuerung bieten.

In einer kürzlich veröffentlichten Studie in IEEE-Transaktionen zur automatischen Steuerung, Professor Yongsoon Eun vom Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology und sein Kollege von der Hyundai Motor Company, Yechan Jeong, haben eine Methode zur Resilienz-Zustandsschätzung (RSE) für angegriffene Systeme entwickelt. Die Zustandsschätzung bezieht sich auf die Verwendung externer Variablen, dh Sensormesswerte, um den internen Zustand des Systems unter Verwendung mathematischer Modelle, die als “Beobachter” bezeichnet werden, zu bestimmen. Dies ist ein kritischer Schritt in der Prozesssteuerung. Wenn der interne Zustand eines Systems trotz der Verfälschung von Sensoren ermittelt werden kann, wird dies RSE genannt.

„Würden Sie ein autonomes Fahrzeug fahren oder in der Nähe eines computergesteuerten Kraftwerks leben, wenn Sicherheit und Schutz bei deren Design nicht berücksichtigt würden? Die Bedeutung der Ausfallsicherheit von Steuerungssystemen ist seit über einem Jahrzehnt bekannt.“ erklärt Prof. Eun.

Alle Regelsysteme unterliegen Schwankungen oder „Störungen“ im Prozess, die zu Fehlern bei der Zustandsschätzung führen. Mit zunehmender Störung nimmt jedoch auch der Fehler zu, was zu einem Ausfall der Systemstabilität führt. Mit einer Art Beobachter namens “Unknown Input Observer (UIO)” überwindet die neue RSE-Methode diese Einschränkung und bietet eine Möglichkeit zur Zustandsschätzung, die sowohl böswilligen Angriffen als auch externen Störungen standhält.

Bei dieser Methode wird für jeden Sensor ein UIO entworfen, die Schätzungen von jedem UIO werden kombiniert und der Fehler wird verarbeitet, um den wahren Wert des internen Zustands des Systems zu liefern. Der Vorteil der Verwendung einer UIO besteht darin, dass ihr Schätzfehler immer gegen Null konvergiert, unabhängig von externen Störungen des Prozesses. Dies ist anders als bei anderen Beobachtern, die nur einen Bereich für den Schätzfehler angeben können. Eine weitere Neuheit dieser Methode besteht darin, dass sie eine “Partial State UIO” einsetzt, eine von Prof. Euns Team neu entwickelte Technik, mit der so viele Teilinformationen über interne Zustände wie möglich von jedem Sensor extrahiert werden, wenn eine vollständige Extraktion der Zustandsinformationen nicht möglich ist Dies erweitert die Anwendbarkeit der neuen RSE-Methode auf Basis von UIO erheblich.

„Die vorgeschlagene Methode verleiht einem System ein Maß an Toleranz gegenüber Fehlern und Angriffen und ermöglicht in Fällen, in denen dies unvermeidlich ist, eine anmutige Verschlechterung der Systemfunktionalität. Dies macht sie für das Design von CPS von entscheidender Bedeutung“, schließt Prof. Eun.


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