【摘要】：在信息產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的21世紀(jì),層出不窮的技術(shù)突破和創(chuàng)新沖擊著人們的視野,信息物理融合系統(tǒng)(cyber-physical system CPS)表現(xiàn)尤為突出,贏得了更多的關(guān)注。它被喻為是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)以后的又一次IT革命,是近幾年才興起的一個(gè)熱點(diǎn)前沿性研究領(lǐng)域。目前,開(kāi)始嘗試性應(yīng)用在醫(yī)療、機(jī)械、交通、工業(yè)等與國(guó)民經(jīng)濟(jì)息息相關(guān)的領(lǐng)域。現(xiàn)代建筑作為支柱產(chǎn)業(yè),得到了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注,目前,對(duì)建筑環(huán)境CPS的研究還處于起步階段,許多概念和技術(shù)都不完善,而體系結(jié)構(gòu)和安全性作為建筑環(huán)境CPS研究的重點(diǎn),是所有功能實(shí)現(xiàn)的重要保證,尚有很多問(wèn)題需要研究者們?nèi)ソ鉀Q。本文首先介紹了信息物理融合系統(tǒng)的概念、特點(diǎn)、面臨的挑戰(zhàn)及其與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系與區(qū)別,分析建筑環(huán)境CPS體系結(jié)構(gòu)和安全性需求,提出建筑環(huán)境下CPS安全體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)建思想。并進(jìn)一步從結(jié)構(gòu)安全和信息安全的角度上進(jìn)行CPS體系研究設(shè)計(jì)。從結(jié)構(gòu)安全的角度上,本文研究出了一種基于改進(jìn)無(wú)尺度(Scale-free)網(wǎng)絡(luò)的CPS體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法,該方法首先通過(guò)控制節(jié)點(diǎn)度,改善了傳統(tǒng)的Scale-free網(wǎng)絡(luò)的“富者越富”現(xiàn)象,然后通過(guò)與分布式計(jì)算思想及CPS自身的特點(diǎn)相融合,形成了以CPS節(jié)點(diǎn)為最小單元的新型CPS體系結(jié)構(gòu)。在Pajek環(huán)境下,采用的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)先收縮算法,進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)既擁有了抵抗CPS節(jié)點(diǎn)隨機(jī)性失效事故的能力,同時(shí)也明顯改善了其面對(duì)選擇性失效事故的脆弱性,是一種穩(wěn)健的CPS體系結(jié)構(gòu),保證了CPS的安全運(yùn)行。從信息安全的角度上,本文提出了一種基于免疫原理的建筑環(huán)境CPS安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng),該方法在構(gòu)建的建筑環(huán)境CPS安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,把生物免疫系統(tǒng)的記憶、動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)、抗體多樣性的優(yōu)勢(shì)引入到構(gòu)建過(guò)程中來(lái),使CPS系統(tǒng)能夠?qū)θ肭謹(jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)別和快速的響應(yīng)。在Matlab 2010仿真環(huán)境下,采用KDDCUP99 入侵檢測(cè)評(píng)估數(shù)據(jù)集進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,本文的算法擁有很高檢測(cè)率和非常低的誤檢率,在一定程度上保證了CPS系統(tǒng)的安全。最后,以滿足CPS的內(nèi)涵要求為目標(biāo),以CPS思想為指導(dǎo),在實(shí)驗(yàn)室搭建了以感知、計(jì)算、控制、通信為一體的CPS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。以溫度、濕度、煙霧濃度、超聲波等傳感器實(shí)現(xiàn)CPS感知功能,以各種數(shù)據(jù)處理算法實(shí)現(xiàn)CPS計(jì)算與控制功能,以機(jī)械手臂作為執(zhí)行器,以藍(lán)牙、RFD5800等通信模塊實(shí)現(xiàn)通信功能。探索建筑環(huán)境CPS的體系構(gòu)建技術(shù),使CPS更好的為提高建筑智能化水平服務(wù)。
[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.
【學(xué)位授予單位】：沈陽(yáng)建筑大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TU855

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本文編號(hào)：2320896