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信息物理系统融合计算、通信和控制，并依赖网络实现系统构建和运行。网络的开放性使该系统的通信可能处于不可靠的状态，包括随机与恶意的网络通信中断严重影响动态系统的安全性，不可靠网络通信下信息物理系统的弹性控制与状态估计问题是一个长期存在的理论热点与难点。本书系统、全面地总结了不可靠网络通信下动态信息物理系统的弹性控制与状态估计方面的理论研究成果，主要内容包括：第1章介绍信息物理系统安全性研究进展，第2章介绍相关研究方法及预备知识；第3章研究DoS攻击下信息物理系统周期事件触发弹性控制；第4章探讨异步DoS攻击下信息物理系统事件触发弹性控制；第5章介绍DoS攻击下信息物理系统事件触发模型预测控制；第6章介绍独立DoS攻击下多智能体系统事件触发协同控制；第7章考虑独立DoS攻击下多智能体系统事件触发分布式状态估计；第8章针对离散随机系统介绍恶意DoS攻击下的事件触发远程状态估计；第9章给出了衰减通信通道下非线性信息物理系统远程状态估计算法；第10章进行了总结。本书可作为控制理论与控制工程专业及系统工程、运筹学与控制论、机械工程与自动化、计算机科学、信号处理、智能科学等相关专业的研究生教材和教学参考书，也可供从事相关专业教学和科研工作的高校教师、科技工作者和工程技术人员参考。

第1章  信息物理系统安全性研究进展	1
1.1  信息物理系统研究综述	3
1.1.1  信息物理系统概述	3
1.1.2  信息物理系统的网络攻击	5
1.2  信息物理系统安全性研究现状	6
1.2.1  信息物理系统攻击设计的研究现状	7
1.2.2  信息物理系统安全防御的研究现状	7
1.3  信息物理系统DoS  攻击防御的研究现状	8
1.3.1  DoS攻击下的弹性状态估计	9
1.3.2  DoS攻击下的弹性控制	10
1.4  现状分析与本书主要内容	13
参考文献	17
第2章  相关研究方法及预备知识	26
2.1  本书使用的主要符号	26
2.2  图论基础知识	28
2.3  重要引理及不等式	28
参考文献	30
第3章  DoS攻击下信息物理系统周期事件触发弹性控制	31
3.1  引言	31
3.2  系统模型和问题描述	32
3.2.1  系统模型	32
3.2.2  问题描述	34
3.3  PETC策略的稳定性分析	34
3.4  DoS攻击下的弹性控制	37
3.4.1  DoS攻击模型	37
3.4.2  DoS攻击下的控制更新策略	38
3.5  仿真验证	42
3.5.1  数值算例	43
3.5.2  间歇式反应器仿真	46
3.6  本章小结	49
参考文献	50
第4章  异步 DoS 攻击下信息物理系统事件触发弹性控制	51
4.1  引言	51
4.2  系统模型和问题描述	53
4.2.1  过程动态和网络结构	53
4.2.2  DoS攻击模型	54
4.2.3  问题描述	55
4.3  两通道事件触发控制策略设计	55
4.3.1  控制结构	55
4.3.2  事件触发控制策略的稳定性分析	57
4.4  DoS攻击下的弹性控制策略	60
4.5  仿真算例	65
4.6  本章小结	69
参考文献	70
第5章  DoS攻击下信息物理系统事件触发模型预测控制	71
5.1  引言	71
5.2  系统模型和问题描述	72
5.2.1  过程动态和网络	72
5.2.2  DoS攻击模型	73
5.2.3  事件触发策略	74
5.2.4  问题描述	75
5.3  DoS攻击下的事件触发MPC策略	76
5.4  主要结果	79
5.4.1  可行性结果	79
5.4.2  稳定性分析	81
5.5  仿真验证	86
5.6  本章小结	88
参考文献	90
第6章  独立DoS攻击下多智能体系统事件触发协同控制	91
6.1  引言	91
6.2  系统模型和问题描述	93
6.2.1  系统模型和网络	93
6.2.2  独立DoS攻击	94
6.2.3  结合随机传输机制的动态事件触发策略	95
6.2.4  控制目标	97
6.3  主要结果	97
6.3.1  协同控制框架	97
6.3.2  一致性误差系统的衰减分析	98
6.4  仿真结果	106
6.5  本章小结	110
参考文献	111
第7章  独立DoS攻击下多智能体系统事件触发分布式状态估计	112
7.1  引言	112
7.2  系统模型和问题描述	114
7.2.1  系统模型	114
7.2.2  事件触发通信策略	115
7.2.3  问题描述	116
7.3  DoS攻击下的事件触发  状态观测器设计	116
7.3.1  DoS攻击模型	116
7.3.2  DoS攻击下的估计误差动态	118
7.4  主要结果	119
7.5  仿真验证	126
7.6  本章小结	130
参考文献	132
第8章  恶意DoS攻击下信息物理系统事件触发远程状态估计	133
8.1  引言	133
8.2  系统模型和问题描述	135
8.2.1  系统模型	135
8.2.2  DoS攻击模型	136
8.2.3  问题描述	137
8.3  事件触发远程状态估计策略	137
8.4  主要结果	139
8.5  仿真验证	145
8.5.1  估计性能和事件触发通信	146
8.5.2  DoS攻击对状态估计的影响	147
8.6  本章小结	149
参考文献	151
第9章  衰减通信通道下非线性信息物理系统远程状态估计	153
9.1  引言	153
9.2  系统模型和问题描述	155
9.2.1  系统模型	155
9.2.2  衰减通信模型	156
9.2.3  本章目标	157
9.3  非线性风险敏感估计器设计	157
9.3.1  参考概率测度	157
9.3.2  信息状态的递归	158
9.3.3  衰减通信通道下的风险敏感状态估计	160
9.4  稳定性分析	164
9.5  仿真验证	167
9.6  本章小结	171
参考文献	172
第10章  总结	173

近年来，计算与通信技术的发展扩展了人类影响和利用信息和物理空间的能力。信息物理系统（Cyber-Physical System，CPS）作为将包含计算和通信的信息世界与直接同人交互的物理世界相融合的下一代工程系统，其理论研究和工程应用得到广泛的关注。
CPS 是将计算、通信和控制有机融合的复杂系统，其构建与运行建立在网络通信的基础之上。网络的开放性在为实现CPS设计目标带来便利的同时，也使得CPS 暴露在各类网络攻击的威胁之下。CPS 的安全性问题成为其相关研究中的热点领域，这也是CPS相关研究区别于传统的网络化系统的关键特征之一。在涉及网络的安全性研究中，传统的信息安全策略不能从物理动态角度给予安全保障，这使得从系统控制角度针对CPS安全性的研究具有了理论与现实意义。
尽管针对网络攻击下CPS的安全性研究已经取得了一些成果，然而，考虑不可靠网络通信的CPS安全防御研究中，还存在诸多不足之处，仍有许多理论问题未曾考虑或有待更深入解决完善。考虑网络资源受限时，主动（事件触发或自触发等）与被动（不可靠网络通信中的随机与恶意通信中断）的通信不连续对动态系统性能产生相互耦合的影响，这就使得系统性能的分析具有挑战性，主要的难点在于：①如何在存在扰动和噪声时，设计事件触发控制算法，实现对DoS攻击的弹性；②在多通道或分布式框架下，如何处理对不同通信通道的异步DoS攻击，或是攻击者可任意选取通信通道进行时变攻击的情况；③对于离散随机系统，如何基于卡尔曼滤波框架分析不可靠网络通信下动态系统状态估计的稳定性，且不依赖已知的概率信息。针对上述问题，作者及其团队近年来对不可靠网络通信下动态CPS的弹性控制与状态估计问题进行了深入探讨，系统地提出了一套弹性机制设计和弹性性能提升的研究框架。主要内容如下。
1．不可靠通信下动态CPS弹性控制
考虑网络通道遭受DoS攻击而导致不可靠通信，针对单系统和分布式的多智能体系统，对事件触发弹性控制方案进行了深入讨论，分别针对受扰和系统受限、不同网络通道的异步DoS攻击和智能体节点间通信拓扑遭受独立DoS攻击等场景，利用持续时间和攻击次数等特征对DoS进行建模，设计事件触发弹性控制方案并给出稳定性条件和可容许攻击强度指标间的量化关系。
2．不可靠通信下动态CPS弹性状态估计
分别针对确定性多智能体系统和离散随机系统，设计基于分布式观测器和卡尔曼滤波框架的弹性状态估计方案，分别给出估计误差系统稳定性和估计误差协方差有界性的可量化边界条件。
本书总结了作者近年来在不可靠通信下动态CPS安全性方面的原创性研究。在完成本书的过程中，先后得到国家自然科学基金（62303425）和中国博士后科学基金（2023M733223）等项目的资助，在此对国家自然科学基金委员会和中国博士后科学基金会的支持深表感谢。
由于水平有限，书中的缺点和疏漏在所难免，欢迎广大读者批评指正。

作　者     
2025年8月

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