Study on the cybersecurity in distributed control systems based on MPC

Abstract

Este trabajo se enmarca dentro del campo del control predictivo basado en modelo (MPC, por sus siglas en inglés), con especial enfásis en problemas de control distribuido (DMPC). El proyecto está orientado a sistemas compuestos por múltiples subsistemas con dinámicas acopladas interactuando entre sí, y que a su vez están controlados en base al MPC. El objetivo será la evolución óptima del sistema global operando de manera descentralizada mediante la incorporación del algoritmo de control propuesto en [1]. De esta manera, el comienzo de este trabajo es el estudio e implementación de dicho algoritmo,el cual es analizado en primer lugar en condiciones estándares de funcionamiento. Con ello, se procede a considerar la posible presencia de agentes maliciosos en el sistema dispuestos a inyectar información que pueda comprometer su evolución, lo que genera una importante brecha de seguridad. Es en esta última situación en la que el trabajo hace especial hincapié, de ahí el notable enfoque hacia problemas relacionados con ciberseguridad. El estudio de los ataques que puede sufrir el algoritmo comienza con la presentación de distintas posibilidades con las que cuenta un agente malicioso durante el desarrollo del mismo para introducir información falsa, así como el mecanismo por el cual ésta es extendida por el sistema. Igualmente, se expone cómo un agente dispuesto a atacar puede optimizar algunas de dichas posibilidades para lograr un mayor grado de aprovechamiento. Finalmente, se introduce brevemente la técnica denominada min-max con el fin de desarrollar un mecanismo para la reacción ante dichos ataques, de manera que se mitiguen los problemas derivados de éstos. La exposición teórica de lo aquí comentado está sucedida por una serie de simulaciones que permitirán probar los resultados presentados analíticamente.

This Project falls with in the field of Model Predictive Control(MPC), with particular emphasis in distributed control problems (DMPC). This work is geared towards systems composed of several subsystems with coupled dynamics which interact with each other, and whose control is based on MPC. The goal in the first instance will be the control of the overall system acting on a decentralized basis through the application of the algorithm presented in [1]. Thus, this Project begins with the study and implementation of the mentioned algorithm, which is first analyzed in standard operating conditions. There with, we proceed to consider the posible presence of malicious agents in the system that are willing to inject information which might prejudice its evolution. The latter results in an important security breach which is highlighted in the development of this project, hence its approach to problems related to cybersecurity. The study of the attacks that the algorithm may experience starts with a presentation of different possibilities available to a malicious agent for introducing false information during the development of it. Furthermore, the optimization of some of these possibilities in order to reach a higher level of effectiveness from the point of view of the attacker is also discussed. Finally,the min-max approach is briefly introduced with the purpose of coping with the attacks,in such a way that it mitigates the problems derived from them. The theoretical presentation is followed by the corresponding simulations with a view to prove the analytical results.