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建筑环境CPS安全体系构建技术研究

发布时间:2018-11-09 16:05
【摘要】:在信息产业迅速发展的21世纪,层出不穷的技术突破和创新冲击着人们的视野,信息物理融合系统(cyber-physical system CPS)表现尤为突出,赢得了更多的关注。它被喻为是继计算机、互联网以后的又一次IT革命,是近几年才兴起的一个热点前沿性研究领域。目前,开始尝试性应用在医疗、机械、交通、工业等与国民经济息息相关的领域。现代建筑作为支柱产业,得到了人们越来越多的关注,目前,对建筑环境CPS的研究还处于起步阶段,许多概念和技术都不完善,而体系结构和安全性作为建筑环境CPS研究的重点,是所有功能实现的重要保证,尚有很多问题需要研究者们去解决。本文首先介绍了信息物理融合系统的概念、特点、面临的挑战及其与物联网的关系与区别,分析建筑环境CPS体系结构和安全性需求,提出建筑环境下CPS安全体系结构的构建思想。并进一步从结构安全和信息安全的角度上进行CPS体系研究设计。从结构安全的角度上,本文研究出了一种基于改进无尺度(Scale-free)网络的CPS体系结构构建方法,该方法首先通过控制节点度,改善了传统的Scale-free网络的“富者越富”现象,然后通过与分布式计算思想及CPS自身的特点相融合,形成了以CPS节点为最小单元的新型CPS体系结构。在Pajek环境下,采用的复杂网络中的优先收缩算法,进行结构稳健性研究,实验结果表明此结构使系统既拥有了抵抗CPS节点随机性失效事故的能力,同时也明显改善了其面对选择性失效事故的脆弱性,是一种稳健的CPS体系结构,保证了CPS的安全运行。从信息安全的角度上,本文提出了一种基于免疫原理的建筑环境CPS安全监测系统,该方法在构建的建筑环境CPS安全监测系统中,把生物免疫系统的记忆、动态学习、抗体多样性的优势引入到构建过程中来,使CPS系统能够对入侵数据进行准确的识别和快速的响应。在Matlab 2010仿真环境下,采用KDDCUP99 入侵检测评估数据集进行仿真实验,仿真实验结果证明,本文的算法拥有很高检测率和非常低的误检率,在一定程度上保证了CPS系统的安全。最后,以满足CPS的内涵要求为目标,以CPS思想为指导,在实验室搭建了以感知、计算、控制、通信为一体的CPS实验平台。以温度、湿度、烟雾浓度、超声波等传感器实现CPS感知功能,以各种数据处理算法实现CPS计算与控制功能,以机械手臂作为执行器,以蓝牙、RFD5800等通信模块实现通信功能。探索建筑环境CPS的体系构建技术,使CPS更好的为提高建筑智能化水平服务。
[Abstract]:In the 21st century, with the rapid development of information industry, continuous technological breakthroughs and innovations impact people's vision. The information physics fusion system (cyber-physical system CPS) is especially outstanding and has won more attention. It is regarded as another IT revolution after computer and Internet, which is a hot research field in recent years. At present, begin to try to apply in medical treatment, machinery, transportation, industry and other fields closely related to the national economy. As a pillar industry, modern architecture has received more and more attention. At present, the research on architectural environment CPS is still in its infancy, and many concepts and techniques are not perfect. Architecture and security as the focus of architectural environment CPS research is an important guarantee for the realization of all functions, there are still many problems to be solved by researchers. This paper first introduces the concept, characteristics, challenges and the relationship and differences between the information physics fusion system and the Internet of things, and analyzes the architecture and security requirements of the building environment CPS. The idea of constructing CPS security architecture in building environment is put forward. Furthermore, the research and design of CPS system are carried out from the point of view of structure security and information security. From the point of view of structural security, this paper presents a method of constructing CPS architecture based on improved scale-free (Scale-free) network. Firstly, by controlling the degree of nodes, the method improves the phenomenon of "the richer" of the traditional Scale-free network. Then a new CPS architecture with CPS nodes as the minimum unit is formed by merging with the idea of distributed computing and the characteristics of CPS itself. In the Pajek environment, the priority shrinkage algorithm in complex network is used to study the structural robustness. The experimental results show that the system has the ability to resist the random failure of CPS nodes. At the same time, it obviously improves its vulnerability to selective failure, and is a robust CPS architecture, which ensures the safe operation of CPS. From the point of view of information security, this paper presents a building environment CPS security monitoring system based on immune principle. In the building environment CPS security monitoring system, this method can dynamically learn the memory of biological immune system. The advantages of antibody diversity are introduced into the construction process, so that the CPS system can accurately identify and quickly respond to intrusion data. In the Matlab 2010 simulation environment, the KDDCUP99 intrusion detection evaluation data set is used to carry on the simulation experiment. The simulation results show that the algorithm has a very high detection rate and a very low false detection rate, and to a certain extent, the security of the CPS system is guaranteed. Finally, with the aim of satisfying the intension requirement of CPS and the guidance of CPS thought, a CPS experimental platform is set up in the laboratory, which integrates perception, calculation, control and communication. The sensing function of CPS is realized by temperature, humidity, smoke concentration and ultrasonic sensor, the CPS calculation and control function is realized by various data processing algorithms, the communication function is realized by using robot arm as actuator and communication modules such as Bluetooth and RFD5800. This paper explores the system construction technology of CPS in architectural environment, and makes CPS better serve to improve the level of building intelligence.
【学位授予单位】:沈阳建筑大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TU855

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本文编号:2320896

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