Nuevo método de estimación de estado resiliente para el control de procesos en sistemas ciberfísicos

Un nuevo método de control de procesos desarrollado por investigadores del Instituto de Ciencia y Tecnología de Daegu Gyeongbuk utiliza una estructura matemática especial para estimar con precisión las variables internas del proceso de un sistema, incluso cuando los sensores externos están dañados.

Ya sean plantas de energía nuclear, equipos de monitoreo de pacientes en hospitales o automóviles autónomos, las integraciones de procesos físicos con computadoras y control de procesos, o sistemas ciberfísicos (CPS), están en todas partes. Sin embargo, la aplicación generalizada de CPS también los convierte en los principales objetivos de los piratas informáticos. Un simple cambio en el valor de un sensor puede causar estragos. La vulnerabilidad a los ataques malintencionados ha creado la necesidad de sistemas que puedan resistir la corrupción de los sensores y seguir proporcionando un control de procesos seguro y eficiente.

En un estudio reciente publicado en Transacciones IEEE en control automático, El profesor Yongsoon Eun del Instituto de Ciencia y Tecnología de Daegu Gyeongbuk, y su colega de Hyundai Motor Company, Yechan Jeong, han desarrollado un método para la estimación del estado resiliente (RSE) para sistemas que están bajo ataque. La estimación del estado se refiere al uso de variables externas, es decir, lecturas de sensores, para determinar el estado interno del sistema utilizando modelos matemáticos llamados «observadores». Este es un paso crítico en el control de procesos. Cuando se puede determinar el estado interno de un sistema a pesar de la corrupción de los sensores, se denomina RSE.

«¿Viajaría en un vehículo autónomo o viviría cerca de una planta de energía controlada por computadora si no se consideraran la seguridad en su diseño? La importancia de la resistencia en los sistemas de control ha sido reconocida durante más de una década». explica el profesor Eun.

Todos los sistemas de control están sujetos a variaciones o «perturbaciones» en el proceso, que provocan errores en la estimación del estado. Sin embargo, a medida que aumenta la perturbación, también lo hace el error, lo que provoca una falla en la resistencia del sistema. Haciendo uso de una especie de observador conocido como «Observador de entrada desconocida (UIO)», el nuevo método RSE supera esta limitación y proporciona una forma de estimación del estado que puede resistir tanto ataques maliciosos como perturbaciones externas.

En este método, se diseña una UIO para cada sensor, se combinan las estimaciones de cada UIO y se procesa el error para proporcionar el valor real del estado interno del sistema. La ventaja de utilizar un UIO es que su error de estimación siempre converge a cero, independientemente de las perturbaciones externas del proceso. Esto es diferente a otros observadores, que solo pueden proporcionar un rango para el error de estimación. Otra novedad de este método es que implementa una ‘UIO de estado parcial’, una técnica recientemente desarrollada por el equipo del Prof. Eun, mediante la cual se extrae de cada sensor la mayor cantidad posible de información parcial sobre los estados internos cuando la extracción completa de información de estado no es factible. Esto amplía enormemente la aplicabilidad del nuevo método RSE basado en UIO.

«El método propuesto le da a un sistema un nivel de tolerancia a fallas y ataques y, en los casos en los que es inevitable, permite una degradación elegante de la funcionalidad del sistema. Esto lo hace crucial para el diseño de CPS», concluye el Prof. Eun.

Proporcionado por el Instituto de Ciencia y Tecnología de Daegu Gyeongbuk (DGIST)