M.Doostmohammadian。;H.扎拉比。;查拉兰博斯，T。 基于网络估计的传感器故障检测与隔离：秩亏动态系统。 （英语） Zbl 1526.93018号 国际J.控制 96，第11号，2853-2870（2023）. 小结：本文考虑基于模型的大规模（可能缺乏秩）动态系统故障检测。假设传感器网络上只有全局（而非局部）可观测性，我们引入一个单时间尺度网络估计器/观测器。传感器利用部分可观测性对系统状态进行局部输出/测量，并通过通信网络共享其信息（包括估计和/或输出），获得分布式可观测性。我们定义了网络结构上确保分布式可观测性和稳定误差动态的条件。然而，系统输出容易出现故障和不确定性，这会影响所有传感器的状态估计，这是通信（可能）错误数据的结果。从网络物理系统（CPS）的角度来看，此类故障会给从物理层（动态系统）传输到网络层（传感器网络）的数据增加偏差。在这项工作中，我们提出了一种传感器的局部故障检测和隔离（FDI）机制，以确保分布式估计的安全性。该协议使每个传感器能够本地识别传感器测量时可能出现的故障，并通过本地检测和隔离，防止偏差/故障信息在网络上传播。这种分布式故障隔离和定位遵循我们的部分可观测性假设，而不是每个传感器的完全可观测性。然后，其他传感器可以利用可观测性等价的输出信息来估计/跟踪系统，以恢复可能的可观测性损失。特别是，我们研究秩亏系统，因为众所周知，它们需要更多的信息共享，因此更容易在网络上传播可能的故障。一个挑战是在存在系统/输出噪声的情况下检测故障，而不进行（简化且不现实）噪声支持的上限假设。我们通过对残差采用概率阈值设计来解决这个问题。此外，我们还表明，秩亏相关输出的附加错误会影响所有传感器的残差，这就要求对（分布式）FDI战略施加更多约束。我们通过反馈增益矩阵的约束LMI设计来解决这个问题。最后，我们设计了冗余分布式估计器，能够隔离/移除多达（q）个故障传感器，并且进一步考虑在滑动时间窗口上阈值化剩余历史，称为有状态FDI。 引用于1文件 MSC公司： 93英镑 可观察性 93B70型 网络控制 93甲15 大型系统 关键词：分布式可观测性;故障检测和隔离;网络化估计;图形收缩;系统有向图 PDF格式BibTeX公司 XML格式引用 \textit{M.Doostmohammadian}等人，国际期刊控制96，No.11，2853--2870（2023；Zbl 1526.93018） 全文： 内政部 OA许可证 参考文献： [1] Abbaszadeh，M.，风力涡轮机异常和网络威胁检测系统和方法（2019年），谷歌专利 [2] Acemoglu，D.、Nedić，A.和Ozdaglar，A.（2008年12月）。社交网络中常规学习规则的融合。在第47届IEEE决策与控制会议（第1714-1720页）。电气与电子工程师协会。 [3] 阿齐兹，S.M。；Khorasani，K.，使用可重构子观测器集对相对传感多智能体系统进行网络化估计，IEEE控制系统技术汇刊，22，6，2188-2204（2014）·doi:10.1109/TCST.2014.2300198 [4] 巴博尼，A。；Rezaee，H。；Boem，F。；Parisini，T.，《互联系统中隐蔽网络攻击的检测：基于分布式模型的方法》，IEEE自动控制事务，65，9，3728-3741（2020）·Zbl 1533.93258号 ·doi:10.1109/TAC.9 [5] 巴蒂洛蒂，S。；Cacase，F.，离散时间线性系统基于共识的分布式滤波器的稳定性和最优分析，Automatica，129，第109589（2021）条·Zbl 1478.93614号 ·doi:10.1016/j.automatica.2021.109589 [6] Battistelli，G.、Chisci，L.、Mugnai，G、Farina，A.和Graziano，A.（2012年）。分布式过滤的基于一致性的算法第51届IEEE决策与控制会议（第794-799页）·Zbl 1360.93687号 [7] Boukhobza，T。；哈梅林，F。；Martinez-Martinez，S。；Sauter，D.，《结构化线性系统的部分状态和输入可观测性的结构分析：在分布式系统中的应用》，《欧洲控制杂志》，15，5，503-516（2009）·Zbl 1298.93076号 ·doi:10.3166/ejc.15.503-516 [8] Charalambous，T.和Hadjicostis，C.N.（2013）。多智能体系统中平衡和双随机加权有向图的分布式形成。在欧洲控制会议（第1752-1757页）。电气与电子工程师协会。 [9] 陈，Y。；卡尔·S。；Moura，J.M.F.，物联网：安全分布式推理，IEEE信号处理杂志，35，5，64-75（2018）·doi:10.1109/MSP.79 [10] Chong，M.S.、Wakaiki，M.和Hespanha，J.P.（2015）。对抗攻击下线性系统的可观测性。在美国控制会议（第2439-2444页）。IEEE标准。 [11] 康茂特，C。；迪翁，J。；Agha，S.Y.，故障检测和隔离中传感器位置问题的结构分析，Automatica，44，8，2074-2080（2008）·Zbl 1283.94165号 ·doi:10.1016/j.automatica.2007.12.014 [12] Commault，C.、Dion，J.和Yacoub Agha，S.（2006年）。外国直接投资附加传感器的位置。在高级控制和诊断第四次研讨会Semantec学者。 [13] 科尔曼，T.H。；Leiserson，C.E。；Rivest，R.L。；Stein，C.，算法导论（2009），麻省理工学院出版社·Zbl 1187.68679号 [14] 达沃迪，M.R。；Khorasani，K。；Talebi，H.A。；Momeni，H.R.，异构多代理系统网络的分布式故障检测和隔离滤波器设计，IEEE控制系统技术汇刊，22，3，1061-1069（2014）·doi:10.1109/TCST.87 [15] Deghat，M。；乌格里诺夫斯基，V。；羞耻，I。；Langbort，C.，《分布式估计网络偏差攻击的检测与缓解》，Automatica，99，369-381（2019）·Zbl 1406.93048号 ·doi:10.1016/j.automatica.2018.10.052 [16] Dion，J.M。；康茂特，C。；van der Woude，J.，线性结构系统的一般属性和控制：综述，Automatica，39，7，1125-1144（2003）·兹比尔1023.93002 ·doi:10.1016/S0005-1098（03）00104-3 [17] Doostmohammadian，M.，《大型动力系统结构可控性的最小驱动节点：节点分类》，IEEE系统期刊，14，3，4209-4216（2019）·doi:10.1109/JSYST.4267003 [18] Doostmohammadian，M.、Charalambous，T.、Shafie-khah，M.，Meskin，N.和Khan，U.A.（2021年）。社交网络中的同时分布式估计和攻击检测/隔离：结构可观察性、克罗内克乘积网络和卡方检测器。在第一届IEEE自治系统国际会议（ICAS）（第344-348页）。电气与电子工程师协会。 [19] Doostmohammadian，M。；Khan，U.，《分布式估计中的一般性特性：拓扑设计和传感器布置》，IEEE信号处理选定主题期刊，（7，2，195-204（2013））·doi:10.1109/JSTSP.2013.2246135 [20] Doostmohammadian，M.和Khan，U.A.（2013年b月，5月）。关于秩亏动力系统的分布估计：一种通用方法。在IEEE声学、语音和信号处理会议（第4618-4622页）。电气与电子工程师协会。 [21] Doostmohammadian，M.和Khan，美国（2016）。状态估计中的测量划分和观测等价性。在IEEE声学、语音和信号处理国际会议（第4855-4859页）。电气与电子工程师协会。 [22] Doostmohammadian，M。；Khan，U.A.，通过kronecker乘积实现复合网络结构可观测性/可控性的最小充分条件，IEEE网络信号和信息处理汇刊，（678-87（2020））·doi:10.1109/TSIPN.6884276 [23] Doostmohammadian，M。；Khan，美国。；皮拉尼，M。；Charalambous，T.，《存在异质、时间不变延迟时基于一致性的分布式估计》，IEEE控制系统快报（2021） [24] Doostmohammadian，M。；Meskin，N.，《通过网络估计进行传感器故障检测和隔离：全库动态系统》，IEEE网络系统控制事务，（8，2，987-996（2020））·doi:10.1109/TCNS.2020.3029165 [25] Doostmohammadian，M。；拉比，H.R。；Khan，U.A.，分布式估计传感器网络的结构成本优化设计，IEEE信号处理快报，25，6，793-797（2018）·doi:10.1109/LSP.2018.2824761 [26] Doostmohammadian，M。；拉比，H.R。；Khan，U.A.，《网络社会系统：建模、推理和优化设计》，IEEE系统期刊，14，1，73-83（2020）·doi:10.1109/JSYST.4267003 [27] Doostmohammadian，M。；拉比，H.R。；扎拉比，H。；Khan，U.，《系统估计中的观测等效性：复杂网络中的收缩》，IEEE网络科学与工程学报，（5，3，212-224（2018））·doi:10.1109/TNSE.2017.2746570 [28] Dulmage，A。；Mendelsohn，N.，二部图的覆盖，加拿大数学杂志，10517-534（1958）·Zbl 0091.37404号 ·doi:10.4153/CJM-1958-052-0 [29] Ghaoui，L.E。；Oustry，F。；Rami，M.A.，用于静态输出反馈和相关问题的锥形互补线性化算法，IEEE自动控制汇刊，42，8，1171-1176（1997）·Zbl 0887.93017号 ·数字对象标识代码：10.1109/9.618250 [30] Giraldo，J。；乌尔维纳，D。；卡德纳斯，A。；瓦伦特，J。；费萨尔，M。；露丝，J。；蒂彭豪尔，N.O。；桑德伯格，H。；Candell，R.，网络物理系统中基于物理的攻击检测调查，ACM计算调查，51，4，1-36（2018）·数字对象标识代码：10.1145/3203245 [31] 格林伍德，体育。；Nikulin，M.S.，《方形测试指南》（1996），John Wiley&Sons·Zbl 0853.62037号 [32] 关，Y。；Ge，X.，《针对虚假数据注入攻击和干扰攻击的网络网络物理系统的分布式攻击检测和安全评估》，《IEEE网络信号和信息处理学报》，（4，1，48-59（2017））·doi:10.1109/TSIPN.6884276 [33] Hadjicostis，C.N。；Charalambous，T.，有向图拓扑中存在延迟的平均一致性，IEEE自动控制事务，59，3，763-768（2014）·Zbl 1360.93027号 ·doi:10.1109/TAC.2013.2275669 [34] Harary，F.，图的邻接矩阵的行列式，SIAM Review，（4，3，202-210（1962））·Zbl 0113.17406号 ·数字对象标识代码：10.1137/104057 [35] 何，X。；胡，C。；Y.Hong。；Shi，L。；Fang，H.，带状态相等约束的分布式卡尔曼滤波器：基于时间和事件触发的通信，IEEE自动控制事务，65，1，28-43（2019）·Zbl 1483.93649号 ·doi:10.1109/TAC.9 [36] He，X.，Ren，X.、Sandberg，H.和Johansson，K.H.（2019年）。针对不稳定动态的安全分布式滤波（在受损观测下）。在IEEE第58届决策与控制会议（第67卷，第5344-5349页）。电气与电子工程师协会。 [37] 何，X。；任，X。；桑德伯格，H。；Johansson，K.H.，如何在传感器攻击下保护分布式过滤器？，IEEE自动控制汇刊（2021） [38] Hellwig，A。；Volkmann，L.，最大边连通和顶点连通图与有向图：一项调查，离散数学，308，15，3265-3296（2008）·Zbl 1160.05038号 ·doi:10.1016/j.disc.2007.06.035 [39] 医学博士伊里奇。；谢林。；Khan，美国。；Moura，J.M.F.，分布式传感和控制的未来网络物理能系统建模，IEEE系统、人类和控制论汇刊第A部分：系统和人类，40，42825-838（2010）·doi:10.1109/TSMCA.2010.2048026 [40] Kalman，R.，线性滤波和预测问题的新方法，美国机械工程师协会汇刊-基础工程杂志，82，2，35-45（1960）·数字对象标识代码：10.1115/1.3662552 [41] 卡尔·S。；Moura，J.M.F.，《绯闻与分布式卡尔曼滤波：弱可检测性下的弱一致性》，《IEEE信号处理学报》，59，4，1766-1784（2011）·Zbl 1391.93243号 ·doi:10.1109/TSP.2010.2100385 [42] 卡尔·S。；莫拉，J.M.F。；Ramanan，K.，《传感器网络中的分布式参数估计：非线性观测模型和不完全通信》，IEEE信息理论汇刊，58，6，3575-3605（2012）·Zbl 1365.94021号 ·doi:10.1109/TIT.2012.2191450 [43] 卡尔·S。；Sinopoli，B。；Moura，J.M.F.，《间歇观测的卡尔曼滤波：弱收敛到平稳分布》，IEEE自动控制汇刊，57，2，405-420（2011）·Zbl 1369.93630号 ·doi:10.1109/TAC.2011.2161834 [44] Khan，U.A.和Doostmohammadian，M.（2011年12月）。未来智能电网的传感器布置和网络设计范例。在第四届IEEE多传感器自适应处理计算进展国际研讨会（第137-140页）。电气与电子工程师协会。 [45] Khan，U.A.和Jadbabaie，A.（2011年12月）。使用结构化系统理论协调网络化评估策略。在第四十九届IEEE决策与控制会议（第2112-2117页）。电气与电子工程师协会。 [46] Khan，美国。；Jadbabaie，A.，《通信有限的潜在不稳定社会动态的协同标量收益估计》，Automatica，50，7，1909-1914（2014）·Zbl 1296.93183号 ·doi:10.1016/j.automatica.2014.05.008 [47] Khan，U.A.和Stanković，A.M.（2013）。网络物理系统中的安全分布式估计。在IEEE声学、语音和信号处理国际会议（第5209-5213页）。电气与电子工程师协会。 [48] Kodakkadan，A.R。；Pourasghar先生。；Puig，V。；奥拉鲁，S。；奥坎波·马丁内斯，C。；Reppa，V.，《基于观测器的传感器故障检测能力：关于稳健正不变性方法和剩余灵敏度》，IFAC-PapersOnLine，50，1，5041-5046（2017）·doi:10.1016/j.ifacol.2017年8月26日 [49] Kurt，M.N。；Y'lmaz，Y。；Wang，X.，智能电网中网络攻击的分布式快速检测，IEEE信息取证和安全事务，2015年8月13日至2030年（2018年）·doi:10.1109/TIFS.2018.2800908 [50] Lau，L.C。；Naor，J。；Salavatipour，M.R。；Singh，M.，具有度或阶数约束的可生存网络设计，SIAM计算杂志，39，3，1062-1087（2009）·Zbl 1192.68911号 ·doi:10.1137/070700620 [51] Lee，C.、Shim，H.和Eun，Y.（2015）。传感器攻击、测量噪声和过程干扰下的安全和鲁棒状态估计：基于观测器的组合方法。在欧洲控制会议（第1872-1877页）。电气与电子工程师协会。 [52] Lee，C。；垫片H。；Eun，Y.，《冗余可观测性：从安全指数到攻击检测和弹性状态估计》，IEEE自动控制事务，64，2775-782（2019）·Zbl 1482.93351号 ·doi:10.1109/TAC.2018.2837107 [53] 李，Z。；Jaimoukha，I.M.，线性时不变系统基于观测器的故障检测和隔离滤波器设计，国际控制杂志，82，1，171-182（2009）·Zbl 1154.93436号 ·网址：10.1080/00207170802031528 [54] 李，Z。；Mazars，E。；张，Z。；Jaimoukha，I.M.，“（####/####）故障检测问题的状态空间解决方案”，《鲁棒与非线性控制国际期刊》，22，3，282-299（2012）·Zbl 1261.93084号 ·doi:10.1002/rnc.1690 [55] Lin，C.，结构可控性，IEEE自动控制汇刊，19，3，201-208（1974）·Zbl 0282.93011号 ·doi:10.1109/TAC.1974.1100557 [56] Liu，Y.Y。；斯隆廷，J.J。；Barabási，A.L.，《复杂网络的可控性》，《自然》，473，7346，167-173（2011）·doi:10.1038/nature10011 [57] Lopes，C.G。；Sayed，A.H.，自适应网络上的扩散最小均方：公式化和性能分析，IEEE信号处理汇刊，56，7，3122-3136（2008）·Zbl 1390.94283号 ·doi:10.1109/TSP.2008.917383 [58] Micali，S.和Vazirani，V.V.（1980）。在一般图中寻找最大匹配的\（####\）算法。在第21届计算机科学基础年度研讨会（第17-27页）。电气与电子工程师协会。 [59] Mitra，A。；加瓦什，F。；Sundaram，S。；Abbas，W.，《弹性分布式状态估计中冗余、多样性和信任的影响》，《IEEE网络系统控制事务》，（8，2，713-724（2021））·doi:10.1109/TCNS.2021.3050032 [60] Mitra，A.和Sundaram，S.（2018年）。时变网络和模拟擦除信道上LTI系统的安全分布式状态估计。在美国控制会议（第6578-6583页）。IEEE标准。 [61] Murota，K.，系统分析的矩阵和拟阵（2000），Springer·Zbl 0948.05001号 [62] Nasrolahi，S.S。；Abdollahi，F.，卫星姿态控制中的传感器故障检测和恢复，《宇航学报》，145，275-283（2018）·doi:10.1016/j.actaastro.2018.01.002 [63] 内斯特罗夫，Y。；Nemirovskii，A.，凸规划中的内点多项式算法（1994），SIAM·Zbl 0824.90112号 [64] 路易斯安那州Nweke。；Weldehawaryat，G.K。；Wolthusen，S.D.，《使用应用（π）-演算对网络物理系统进行威胁建模》，《关键基础设施保护国际期刊》，35，第100466（2021）条·doi:10.1016/j.ijcip.2021.100466 [65] Olfati-Saber，R.（2009年12月）。卡尔曼-康塞斯滤波器：最佳性、稳定性和性能。在第48届IEEE决策与控制会议（第7036-7042页）。电气与电子工程师协会。 [66] Pajic，M.、Tabuada，P.、Lee，I.和Pappas，G.J.（2015）。噪声存在下的抗攻击状态估计。在第54届IEEE决策与控制会议（第5827-5832页）。IEEE标准。 [67] Park，S.和Martins，N.（2012年）。一类LTI分布观测器可镇定的充要条件。在第51届IEEE决策与控制会议（第7431-7436页）。IEEE标准。 [68] Rahimian，医学硕士。；Preciado，V.M.，LTI系统定向网络故障的检测和隔离，IEEE网络系统控制事务，（2，2，183-192（2015））·Zbl 1370.94617号 ·doi:10.1109/TCNS.2014.2378873 [69] Rank，M.L。；Niemann，H.，基于规范的故障检测器设计，国际控制杂志，72，9，773-783（1999）·Zbl 0938.93529号 ·doi:10.1080/002071799220704 [70] Reinschke，K.J.，多变量控制，图论方法（1988），Springer·兹比尔0682.93006 [71] Ren，W。；Al-Saggaf，U.M.，带嵌入式动态平均算法的分布式卡尔曼-布基滤波器，IEEE系统期刊，12，2，1722-1730（2017）·doi:10.10109/JSYST.2017.2565765 [72] Renganathan，V.、Hashemi，N.、Ruth，J.和Summers，T.H.（2020年）。具有隐身攻击的网络物理系统中异常检测器的分布鲁棒调整。在美国控制会议（第1247-1252页）。电气与电子工程师协会。 [73] Sadeghi，E。；Fan，N.，《关于具有混合连接要求的可生存网络设计问题》，《运筹学年鉴》，1-13（2019） [74] Sundaram，S.（2012）。容错和安全控制系统。滑铁卢大学讲稿. [75] Umsonst，D.（2019年）。传感器攻击时异常检测器的调整【未发表的博士论文】。KTH皇家理工学院。 [76] Weerakkody，S.、Liu，X.和Sinopoli，B.（2017）。分布式控制系统的稳健结构分析和设计，以防止零动态攻击。在第56届IEEE决策与控制会议（第1356-1361页）。电气与电子工程师协会。 [77] 肖，L。；博伊德，S。；Kim，S.，具有最小均方偏差的分布式平均一致性，《并行与分布式计算杂志》，67，1，33-46（2005）·Zbl 1109.68019号 ·doi:10.1016/j.jpdc.2006.08.010 [78] Yan，W。；梅斯塔，L.K。；Abbaszadeh，M.，用于保护网络物理系统的攻击检测，IEEE物联网杂志，\（6，5，8471-8481（2019）\）·doi:10.1109/JIoT.6488907 [79] Ye，Y.，计算一般线性互补问题驻点的完全多项式时间近似算法，运筹学数学，18，2，334-345（1993）·Zbl 0791.90060号 ·doi:10.1287/门18.2.334 [80] Y'lmaz，Y。；李，S。；Wang，X.，《顺序联合检测和估计：最佳测试和应用》，IEEE信号处理汇刊，64，20，5311-5326（2016）·Zbl 1414.94710号 ·doi:10.1109/TSP.2016.2582469 [81] 张，D。；陈，Y。；郭，F。；卡里米，H.R。；Dong，H。；Xuan，Q.，滚动轴承故障诊断的一种新的可解释学习方法，IEEE仪器与测量学报，70，1-10（2021） 此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配，可能包含数据转换错误。在某些情况下，zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献，而不要求完整或完全匹配。