RU2749252C1 - Method of determining anomaly sources in a cyber-physical system - Google Patents

Method of determining anomaly sources in a cyber-physical system Download PDF

Info

Publication number
RU2749252C1
RU2749252C1 RU2020108166A RU2020108166A RU2749252C1 RU 2749252 C1 RU2749252 C1 RU 2749252C1 RU 2020108166 A RU2020108166 A RU 2020108166A RU 2020108166 A RU2020108166 A RU 2020108166A RU 2749252 C1 RU2749252 C1 RU 2749252C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cps
forecast
error
fsc
feature
Prior art date
Application number
RU2020108166A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Борисович Лаврентьев
Артем Михайлович Воронцов
Павел Владимирович Филонов
Дмитрий Константинович Шалыга
Вячеслав Игоревич Шкулев
Николай Николаевич Демидов
Дмитрий Александрович Иванов
Original Assignee
Акционерное общество "Лаборатория Касперского"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Лаборатория Касперского" filed Critical Акционерное общество "Лаборатория Касперского"
Priority to RU2020108166A priority Critical patent/RU2749252C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2749252C1 publication Critical patent/RU2749252C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F11/00Error detection; Error correction; Monitoring
    • G06F11/30Monitoring
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F21/00Security arrangements for protecting computers, components thereof, programs or data against unauthorised activity

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Quality & Reliability (AREA)
  • Testing And Monitoring For Control Systems (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to a method and system for determining anomaly sources in a cyber-physical system (CPS). According to the method, the values of the CPS indicators are obtained using a forecasting tool for an input window constituting a time interval and contained within the observation period, wherein the input window is determined by the trained forecasting model, wherein the CPS indicators are numerical characteristics of control subjects; by the forecasting tool, using the trained forecasting model and according to the data on the obtained values of the SPC indicators for the input window, the values of the SPC indicators are forecasted for the forecast window constituting a time interval and contained within the observation period; using an anomaly determination tool for the forecast window the total forecast error is determined for the CPS indicators; using the anomaly determination tool, if the total forecast error exceeds the total error threshold, an anomaly in the CPS is determined; using the anomaly determination tool, at least one CPS indicator constituting the source of the anomaly is determined, if the contribution of the forecast error of said at least one CPS indicator to the total forecast error is higher than the contribution of at least one other CPS indicator to the total forecast error.
EFFECT: technical result is determination of anomaly sources in a cyber-physical system.
11 cl, 21 dwg

Description

Область техникиTechnology area

Изобретение относится к области компьютерной безопасности, а более конкретно к системам и способам определения источников аномалии в кибер-физической системе.The invention relates to the field of computer security, and more specifically to systems and methods for determining the sources of anomalies in a cyber-physical system.

Уровень техникиState of the art

Одной из актуальных проблем промышленной безопасности является проблема безопасного функционирования технологических процессов (ТП). Например, ТП в нефтехимической отрасли характеризуются высокой степенью опасности производства, поскольку оперируют с легковоспламеняющимися и взрывоопасными жидкостями и газами, находящимися при высокой температуре и давлении. К основным угрозам для таких ТП можно отнести непреднамеренные ошибки или злонамеренные действия в операционном управлении, износ и отказ оборудования и агрегатов, компьютерные атаки на системы управления и информационную систему и др.One of the urgent problems of industrial safety is the problem of the safe functioning of technological processes (TP). For example, TP in the petrochemical industry are characterized by a high degree of production hazard, since they operate with flammable and explosive liquids and gases at high temperatures and pressures. The main threats to such TP include unintentional errors or malicious actions in operational management, wear and tear of equipment and units, computer attacks on control systems and information systems, etc.

Для противодействия упомянутым угрозам используют системы безопасности кибер-физических систем (КФС), например, производственных объектов и предприятий. Построение таких систем традиционно проводится в несколько этапов. При проектировании предприятия выстраивается система противоаварийной защиты (ПАЗ), которая затем интегрируется с автоматизированной системой управления технологическим процессом (АСУ ТП), однако допускает и ручное управление. К недостаткам системы ПАЗ можно отнести достаточную инертность процессов и присутствие человеческого фактора в принятии решений. Кроме того, ПАЗ функционирует в предположении корректного функционировании контрольно-измерительных приборов (КИП). Обеспечить выполнение безотказного функционирования КИП в полном объеме на практике не представляется возможным, поскольку КИП периодически выходят из строя, имеют тенденцию к временным сбоям, а дублирование всех КИП крайне затратное и не всегда технически возможно.To counteract these threats, security systems of cyber-physical systems (CPS) are used, for example, production facilities and enterprises. The construction of such systems is traditionally carried out in several stages. When designing an enterprise, an emergency protection system (ESD) is built, which is then integrated with an automated process control system (APCS), but allows manual control. The disadvantages of the ESD system can be attributed to the sufficient inertia of the processes and the presence of the human factor in decision-making. In addition, the ESD operates on the assumption of the correct functioning of instrumentation (instrumentation). In practice, it is not possible to ensure the implementation of the failure-free operation of the instrumentation in full, since the instrumentation periodically fails, tends to temporary failures, and the duplication of all instrumentation is extremely costly and not always technically possible.

К способу контроля корректности ТП можно отнести мониторинг отдельных агрегатов, оборудования, КИП, контуров управления и т.д. встроенными в них системами самодиагностики. В случае обнаруженного сбоя такие системы подают сигнал оператору ТП и, как правило, подразумевают ручное вмешательство в тот или иной агрегат. Несмотря на очевидные достоинства таких систем, например, учет специфики функционирования того или иного агрегата, разработка поставщиком оборудования и т.д., имеется ряд очевидных недостатков. К последним можно отнести упомянутые проблемы КИП, на которых строятся отдельные системы самоконтроля. Другой недостаток таких систем - их локальность и оторванность от мониторинга процессов во всей их полноте. Другими словами, каждая из таких систем «видит» процесс только в рамках того оборудования или агрегата, к которому она привязана, без логической и физической корреляции между взаимосвязанными агрегатами и установками. В результате, обнаружение той или иной аномалии в технологическом процессе, зачастую, происходит уже на стадии ее перехода в состояние угрозы корректного функционирования того или иного оборудования и требует немедленного реагирования. Кроме того, в некоторых случаях, такие системы в силу физических особенностей КИП (например, запарафинивания уровнемера тяжелыми нефтепродуктами) имеют тенденцию к многократным ложным срабатываниям, что приводит к их принудительному отключению персоналом.Monitoring of individual units, equipment, instrumentation, control loops, etc. can be attributed to the method of controlling the correctness of TP. self-diagnostic systems built into them. In the event of a detected failure, such systems send a signal to the TP operator and, as a rule, involve manual intervention in one or another unit. Despite the obvious advantages of such systems, for example, taking into account the specifics of the functioning of a particular unit, development by an equipment supplier, etc., there are a number of obvious disadvantages. The latter include the aforementioned instrumentation problems, on which separate self-control systems are built. Another drawback of such systems is their locality and isolation from monitoring processes in their entirety. In other words, each of these systems "sees" the process only within the framework of the equipment or unit to which it is attached, without logical and physical correlation between interconnected units and installations. As a result, the detection of one or another anomaly in the technological process often occurs already at the stage of its transition into a state of threat of the correct functioning of one or another equipment and requires an immediate response. In addition, in some cases, such systems, due to the physical features of the instrumentation (for example, waxing of the level gauge with heavy oil products) have a tendency to multiple false alarms, which leads to their forced shutdown by personnel.

Нельзя не отметить еще один традиционный способ неразрушающего контроля оборудования и процессов технологических систем (ТС), состоящий в установке дополнительных внешних по отношению к оборудованию и АСУ ТП систем контроля. Фактически при таком способе контроля выстраивается параллельная инфраструктура, включающая КИП, линии связи, сервера сбора и обработки данных и т.д. Такие системы могут быть интегрированы с существующими системами АСУ ТП и ПАЗ, или оставаться внешними по отношению к ним. Несмотря на очевидные плюсы таких систем, как дублирование диагностических КИП, узкоспециальные и эффективные методы диагностики, практически неограниченные мощности по обработке диагностической информации и т.д., основным их недостатком является высокая стоимость и сложность, а порой и невозможность развертывания на реальном производстве.It should be noted another traditional method of non-destructive testing of equipment and processes of technological systems (TS), which consists in installing additional control systems external to the equipment and APCS. In fact, with this method of control, a parallel infrastructure is built, including instrumentation, communication lines, data collection and processing servers, etc. Such systems can be integrated with existing APCS and ESD systems, or remain external to them. Despite the obvious advantages of such systems as duplication of diagnostic instrumentation, highly specialized and effective diagnostic methods, practically unlimited capacities for processing diagnostic information, etc., their main disadvantage is the high cost and complexity, and sometimes the impossibility of deployment in real production.

Аналогичные проблемы актуальны для всех кибер-физических систем (КФС), содержащих датчики и исполнительные механизмы - как для описанных ранее технологических процессов, являющихся частью ТС, так и для интернета вещей и, в частности, для промышленного интернета вещей. Например, из-за компьютерных атак, датчики интернета вещей предоставляют неверные значения, вследствие чего некорректным образом функционируют компьютерные устройства интернета вещей, что может повлечь такие проблемы, как повышение потребления электроэнергии, несанкционированный доступ к информации и др.Similar problems are relevant for all cyber-physical systems (CPS) containing sensors and actuators - both for the previously described technological processes that are part of the TS, and for the Internet of things and, in particular, for the industrial Internet of things. For example, due to computer attacks, IoT sensors provide incorrect values, as a result of which IoT computer devices function incorrectly, which can lead to problems such as increased electricity consumption, unauthorized access to information, etc.

Возникает техническая проблема, заключающаяся в создании системы определения аномалий в кибер-физической системе (КФС), обладающей определенными характеристиками, в которой время, прошедшее с момента возникновения аномалии в КФС до момента ее обнаружения ниже, чем у существующих аналогов.A technical problem arises, which consists in creating a system for determining anomalies in a cyber-physical system (CPS), which has certain characteristics, in which the time elapsed from the moment the anomaly appeared in the CPS to the moment of its detection is lower than that of existing analogs.

Одним из аналогов является технология, предложенная в заявке US 20140189860, которая описывает способы обнаружения компьютерных атак путем обнаружения отклонений функционирования системы от нормы, где для обнаружения отклонений используются различные методы, также определяются вектора компьютерных атак. Также описываются способы отличия аномалий от «шумов», вызывающих отклонения в частном случае установлением пороговых значений. Однако данная технология не решает заявленной технической проблемы.One of the analogs is the technology proposed in the application US 20140189860, which describes methods for detecting computer attacks by detecting deviations in the functioning of the system from the norm, where various methods are used to detect deviations, and vectors of computer attacks are also determined. Methods of distinguishing anomalies from "noises" causing deviations in a particular case by setting threshold values are also described. However, this technology does not solve the stated technical problem.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

Первый технический результат заключается в реализации назначения.The first technical result is the implementation of the destination.

Второй технический результат заключается в снижении ошибки второго рода при обнаружении аномалий в КФС.The second technical result consists in reducing the type II error when detecting anomalies in the CPS.

Согласно варианту реализации используется способ источников аномалии в кибер-физической системе (КФС), в котором: с помощью средства прогнозирования получают значения признаков КФС за входное окно, являющееся интервалом времени и содержащееся внутри периода наблюдений, при этом входное окно определяется обученной моделью прогнозирования, при этом признаки КФС являются численными характеристиками субъектов управления; с помощью средства прогнозирования с использованием обученной модели прогнозирования и по данным полученных значений признаков КФС за входное окно выполняют прогнозирование значений признаков КФС на окно прогноза, являющееся интервалом времени и содержащееся внутри периода наблюдений; с помощью средства определения аномалий для окна прогноза определяют общую ошибку прогноза для признаков КФС; с помощью средства определения аномалий при превышении общей ошибкой прогноза порога общей ошибки, определяют аномалию в КФС; с помощью средства определения аномалий определяют по меньшей мере один признак КФС, являющийся источником аномалии, если вклад ошибки прогноза упомянутого по меньшей мере одного признака КФС в общую ошибку прогноза выше, чем вклад по меньшей мере одного другого признака КФС в общую ошибку прогноза.According to an embodiment, the method of anomaly sources in a cyber-physical system (CPS) is used, in which: using the forecasting tool, the values of the CPS features are obtained for the input window, which is a time interval and contained within the observation period, while the input window is determined by the trained forecasting model, when this, the signs of CPS are the numerical characteristics of control subjects; using the forecasting tool using the trained forecasting model and, according to the obtained values of the FSC attributes, for the input window, predicting the values of the FSC attributes to the forecast window, which is a time interval and is contained within the observation period; using the means for determining anomalies for the forecast window, determine the general forecast error for the attributes of the CPS; using the means for determining anomalies when the total forecast error exceeds the total error threshold, the anomaly in the CPS is determined; using the means for determining the anomalies, at least one indicator of the CPS is determined, which is the source of the anomaly, if the contribution of the forecast error of the mentioned at least one indicator of the CPS to the total forecast error is higher than the contribution of at least one other indicator of the CPS to the total forecast error.

Согласно одному частному варианту реализации в случае, если значения признаков КФС поступают в режиме реального времени, для окна прогноза определяют общую ошибку прогноза спустя время, равное сумме горизонта прогноза и входного окна.According to one particular embodiment, if the values of the FSC features arrive in real time, the total forecast error is determined for the forecast window after a time equal to the sum of the forecast horizon and the input window.

Согласно другому частному варианту реализации в случае, если значения признаков КФС содержатся в исходной выборке за исторический период наблюдения, для окна прогноза определяют общую ошибку прогноза по данным исходной выборки за исторический период наблюдения.According to another particular embodiment, if the values of the FSC features are contained in the initial sample for the historical observation period, the total forecast error is determined for the forecast window based on the data of the initial sample for the historical observation period.

Согласно еще одному частному варианту реализации кибер-физическая система обладает по меньшей мере одной из следующих характеристик: отраслью производства, в которой функционирует кибер-физическая система; типы процессов, которые описывают параметры КФС, в частности, один из: непрерывный, конвейерный, циклический; наличием сезонности и/или трендов в признаках КФС; инертностью процессов КФС; временем реакции КФС на изменения, происходящие в КФС и во внешней среде; уровнем опасности производства для персонала и экологии; стоимостью простоя технологический процессов из-за нештатных ситуаций; типом управления, в частности, выполненный с использованием ПИД-регуляторов, конечных автоматов или комбинированным способом; типом субъекта управления, который характеризуется по меньшей мере одним признаком, при этом тип субъекта управления является одним из: датчиком, исполнительный механизмом или ПИД-регулятором; данными самодиагностики КФС; состоянием субъекта управления: рабочее или нерабочее; взаимосвязью субъектов управления на уровне техпроцесса.According to another particular embodiment, the cyber-physical system has at least one of the following characteristics: the industry in which the cyber-physical system operates; types of processes that describe the parameters of the CPS, in particular, one of: continuous, conveyor, cyclic; the presence of seasonality and / or trends in the signs of the FSC; inertness of FSC processes; the time of the FSC reaction to changes in the FSC and in the external environment; the level of danger of production for personnel and the environment; the cost of downtime of technological processes due to abnormal situations; type of control, in particular, performed using PID controllers, state machines or a combined method; the type of the subject of control, which is characterized by at least one feature, while the type of the subject of control is one of: a sensor, an actuator, or a PID controller; self-diagnostics data of FSC; the state of the subject of management: working or non-working; interconnection of control subjects at the level of the technical process.

Согласно одному из частных вариантов реализации при вычислении общей ошибки прогноза используют ошибки каждого признака КФС, определяющие вклад ошибки прогноза упомянутого по меньшей мере одного признака КФС в общую ошибку прогноза, а для упомянутых ошибок каждого признака КФС используют весовые коэффициенты, при этом: присваивают с помощью средства обучения низкое значение весовому коэффициенту для признака, если субъект управления, характеризующийся этим признаком, предоставляет данные с шумами, или невалидные данные или периодически отключается пользователем КФС; присваивают с помощью средства обучения низкое значение весовому коэффициенту для признака, в котором возникновение аномалии не влияет на работу КФС, и высокое значение весовому коэффициенту для признака, в котором возникновение аномалии влияет на работу КФС.According to one of the particular embodiments, when calculating the total forecast error, the errors of each CPS feature are used, which determine the contribution of the forecast error of the mentioned at least one CPS feature to the total forecast error, and for the mentioned errors of each CPS feature, weighting coefficients are used, while: assigned using teaching means a low value of the weighting factor for the feature, if the subject of management, characterized by this feature, provides data with noisy, or invalid data, or is periodically disabled by the user of the FSC; using the teaching tool, a low value is assigned to the weighting factor for a feature in which the occurrence of an anomaly does not affect the operation of the FSC, and a high value to the weighting factor for the feature in which the occurrence of an anomaly affects the operation of the FSC.

Согласно другому частному варианту реализации выбирают с помощью средства обучения значение весового коэффициента признака, которое зависит от точности прогнозирования признаков КФС.According to another particular embodiment, the value of the weighting coefficient of the feature is selected using the learning tool, which depends on the accuracy of predicting the features of the CPS.

Согласно еще одному из частных вариантов реализации в модели прогнозирования используют нейронную сеть.According to another of the particular implementations, a neural network is used in the forecasting model.

Согласно одному из частных вариантов реализации оптимизируют нейронную сеть с использованием генетических алгоритмов.According to one particular implementation, the neural network is optimized using genetic algorithms.

Согласно другому частному варианту реализации выбирают нейронную сеть по данными размеченной исходной выборки, с использованием одной из метрик качества: NAB-метрика, F1-метрика.According to another particular embodiment, a neural network is selected based on the data of the labeled initial sample, using one of the quality metrics: NAB-metric, F1-metric.

Согласно еще одному частному варианту реализации получают техническую документацию КФС или отчет пользователя по ранее обнаруженным обученной системой аномалиям, при этом весовой коэффициент признака выбирают с помощью средства обучения в зависимости от значимости указанного признака и на основании технической документации КФС или отчета пользователя.According to another particular embodiment, the technical documentation of the FSC or the user's report on the anomalies previously detected by the trained system is obtained, while the weight of the feature is selected using the training tool, depending on the significance of the specified feature and on the basis of the technical documentation of the FSC or the user's report.

Согласно варианту реализации используется система определения источников аномалии в кибер-физической системе (КФС), содержащая: средство прогнозирования, предназначенное для: получения значений признаков КФС за входное окно, являющееся интервалом времени и содержащееся внутри периода наблюдений, при этом входное окно определяется обученной моделью прогнозирования, при этом признаки КФС являются численными характеристиками субъектов управления; прогнозирования значений признаков КФС на окно прогноза, являющееся интервалом времени и содержащееся внутри периода наблюдений, с использованием обученной модели прогнозирования и по данным полученных значений признаков КФС за входное окно; средство определения аномалий, предназначенное для: определения общей ошибки прогноза для окна прогноза для признаков КФС; определения аномалии в КФС при превышении общей ошибкой прогноза порога общей ошибки; определения по меньшей мере одного признака КФС, являющегося источником аномалии, если вклад ошибки прогноза упомянутого по меньшей мере одного признака КФС в общую ошибку прогноза выше, чем вклад по меньшей мере одного другого признака КФС в общую ошибку прогноза.According to an embodiment, a system for determining the sources of anomaly in a cyber-physical system (CPS) is used, comprising: a forecasting tool designed to: obtain the values of CPS features for an input window, which is a time interval and contained within the observation period, while the input window is determined by a trained forecasting model , while the signs of the CPS are the numerical characteristics of the subjects of management; predicting the values of the CPS attributes for the forecast window, which is a time interval and contained within the observation period, using the trained forecasting model and according to the obtained values of the CPS attributes for the input window; anomaly determining means for: determining the total forecast error for the forecast window for the CPS signs; determining the anomaly in the FSC when the total forecast error exceeds the total error threshold; determining at least one CPS feature, which is the source of the anomaly, if the contribution of the forecast error of the mentioned at least one CPS feature to the total forecast error is higher than the contribution of at least one other CPS feature to the total forecast error.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

Дополнительные цели, признаки и преимущества настоящего изобретения будут очевидными из прочтения последующего описания осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:Additional objects, features and advantages of the present invention will become apparent from a reading of the following description of an embodiment of the invention with reference to the accompanying drawings, in which:

На Фиг. 1а схематично изображен пример технологической системы.FIG. 1a schematically shows an example of a technological system.

На Фиг. 1б схематично изображен частный пример имплементации технологической системы.FIG. 1b schematically shows a particular example of the implementation of a technological system.

На Фиг. 1в представлен возможный вариант организации интернета вещей на примере носимых устройств.FIG. 1c presents a possible option for organizing the Internet of Things using the example of wearable devices.

На Фиг. 1г представлен возможный набор датчиков устройств.FIG. 1d shows a possible set of device sensors.

На Фиг. 2 представлена система обучения модели прогнозирования значений признаков КФС, обладающей определенными характеристиками, и вычисления порога ошибки для определения аномалии в упомянутой КФС.FIG. 2 shows a system for training a model for predicting the values of CPS features having certain characteristics, and calculating the error threshold to determine the anomaly in the said CPS.

Фиг. 3 представлен способ обучения модели прогнозирования значений признаков КФС и вычисления порога ошибки для определения аномалии в обладающей определенными характеристиками КФС.FIG. 3 shows a method for training a model for predicting the values of CPS features and calculating an error threshold for determining an anomaly in a CPS with certain characteristics.

На Фиг. 4 представлена система определения источника аномалии КФС.FIG. 4 shows the system for determining the source of the CPS anomaly.

На Фиг. 5 представлен пример определения источника аномалии в КФС, обладающей определенными характеристиками.FIG. 5 shows an example of determining the source of an anomaly in a CPS that has certain characteristics.

На Фиг. 6 представлен пример зависимости значений одного признака от времени, а также обозначены входное окно, окно прогноза и горизонт прогноза.FIG. 6 shows an example of the dependence of the values of one feature on time, and also indicates the input window, the forecast window and the forecast horizon.

На Фиг. 7 представлены примеры зависимостей значений признаков, значений прогнозов признаков и общей ошибки прогноза от времени в окрестности времени момента возникновения аномалии.FIG. 7 shows examples of dependencies of feature values, feature prediction values and general forecast error on time in the vicinity of the time of the anomaly occurrence.

На Фиг. 8 представлен пример динамики общей ошибки прогноза до сглаживания и после сглаживания.FIG. 8 shows an example of the dynamics of the total forecast error before smoothing and after smoothing.

На Фиг. 9 представлена система формирования данных для мониторинга кибер-физической системы с целью раннего определения аномалий в системе графического интерфейса пользователя (ГИП), содержащая совокупность элементов ГИП.FIG. 9 shows a data generation system for monitoring a cyber-physical system for the purpose of early detection of anomalies in a graphical user interface (GUI) system, containing a set of GUI elements.

На Фиг. 10а-10в представлены элемент ГИП для выбора режима отображения, элемент ГИП для формирования ошибки прогноза признака и элемент ГИП для выбора порядка отображения.FIG. 10a-10c show a GUI element for selecting a display mode, a GUI element for generating a feature forecast error, and a GUI element for selecting a display order.

На Фиг. 11а представлен элемент ГИП для настроек ошибок прогноза.FIG. 11a shows a GUI element for prediction error settings.

На Фиг. 11б ГИП для изменения ошибок прогноза.FIG. 11b GUI for changing forecast errors.

На Фиг. 12 представлен элемент ГИП для выбора событий.FIG. 12 shows a GUI element for selecting events.

На Фиг. 13 представлен элемент ГИП для выбора моделей.FIG. 13 shows a GUI element for model selection.

На Фиг. 14 представлен способ формирования данных для мониторинга кибер-физической системы с целью раннего определения аномалий в системе графического интерфейса пользователя (ГИП), содержащей совокупность элементов ГИП.FIG. 14 shows a method of generating data for monitoring a cyber-physical system for the purpose of early detection of anomalies in a graphical user interface (GUI) system containing a set of GUI elements.

Фиг. 15 представляет пример компьютерной системы общего назначения, с помощью которой может быть реализовано настоящее изобретение.FIG. 15 is an example of a general purpose computer system with which the present invention may be implemented.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Объекты и признаки настоящего изобретения, способы для достижения этих объектов и признаков станут очевидными посредством отсылки к примерным вариантам осуществления. Однако настоящее изобретение не ограничивается примерными вариантами осуществления, раскрытыми ниже, оно может воплощаться в различных видах. Приведенное описание предназначено для помощи специалисту в области техники для исчерпывающего понимания изобретения, которое определяется только в объеме приложенной формулы.The objects and features of the present invention, methods for achieving these objects and features will become apparent by reference to exemplary embodiments. However, the present invention is not limited to the exemplary embodiments disclosed below, but may be embodied in various forms. The foregoing description is intended to assist a person skilled in the art for a comprehensive understanding of the invention, which is defined only within the scope of the appended claims.

Объект управления - технологический объект, на который направляются внешние воздействия (управляющие и/или возмущающие) с целью изменения его состояния, в частном случае такими объектами являются устройство (например, электродвигатель) или технологический процесс (или его часть).Control object is a technological object to which external influences (controlling and / or disturbing) are directed in order to change its state, in a particular case, such objects are a device (for example, an electric motor) or a technological process (or part of it).

Технологический процесс (ТП) - процесс материального производства, заключающийся в последовательной смене состояний материальной сущности (предмета труда).Technological process (TP) is a process of material production, which consists in a sequential change in the states of a material entity (subject of labor).

Управление технологическим процессом (англ. Process Control) - набор методов, используемых для управления технологическими параметрами при производстве конечного продукта.Process Control is a set of methods used to control technological parameters in the production of the final product.

Контур управления (англ. control loop) - состоит из материальных сущностей и управляющих функций, необходимых для автоматизированной регулировки значений измеренных технологических параметров к значениям желаемых уставок. Контур управления содержит датчики и сенсоры, контроллеры и исполнительные механизмы.The control loop (English control loop) - consists of material entities and control functions necessary for the automated adjustment of the values of the measured technological parameters to the values of the desired settings. The control loop contains sensors and sensors, controllers and actuators.

Технологический параметр (англ. Process Variable, PV) - текущее измеренное значение определенной части ТП, который наблюдается или контролируется. Технологическим параметром может быть, например, измерение датчика.Process Variable (PV) is the current measured value of a certain part of the TP, which is observed or controlled. The process parameter can be, for example, a sensor measurement.

Уставка (англ. Setpoint) - поддерживаемое значение технологического параметра.Setpoint is a supported value of a technological parameter.

Управляемый параметр (англ. Manipulated Variable, MV) - параметр, который регулируется для того чтобы значение технологического параметра поддерживалось на уровне уставки.Manipulated Variable (MV) is a parameter that is adjusted so that the value of a process parameter is maintained at the setpoint level.

Внешнее воздействие - способ изменения состояния элемента, на которое направлено воздействие (например, элемента технологической системы (ТС)), в определенном направлении, воздействие от элемента ТС к другому элементу ТС передается в виде сигнала.External influence is a way of changing the state of an element to which the influence is directed (for example, an element of a technological system (TS)), in a certain direction, the impact from an element of a TS to another element of a TS is transmitted as a signal.

Состояние объекта управления - совокупность его существенных свойств, выраженных параметрами состояний, изменяемых или удерживаемых под влиянием внешних воздействий, в том числе и управляющих воздействий со стороны подсистемы управления. Параметр состояния - одно или несколько числовых значений характеризующих существенное свойство объекта, в частном случае параметр состояния является числовым значением физической величины.The state of a control object is a set of its essential properties, expressed by the parameters of states, changed or held under the influence of external influences, including control actions from the control subsystem. A state parameter is one or several numerical values characterizing an essential property of an object; in a particular case, a state parameter is a numerical value of a physical quantity.

Формальное состояние объекта управления - состояние объекта управления, соответствующее технологической карте и другой технологической документации (если речь идет о ТП) или расписанию движения (если речь идет об устройстве).The formal state of the control object is the state of the control object corresponding to the technological map and other technological documentation (if we are talking about TP) or the timetable (if we are talking about a device).

Управляющее воздействие - целенаправленное (цель воздействия - воздействие на состояние объекта) легитимное (предусмотренное ТП) внешнее воздействие со стороны субъектов управления подсистемы управления на объект управления, приводящее к изменению состояния объекта управления или удержанию состояния объекта управления.Controlling action - purposeful (the purpose of action is to influence the state of the object) legitimate (provided for by TP) external influence from the control subjects of the control subsystem on the control object, leading to a change in the state of the control object or retention of the state of the control object.

Возмущающее воздействие - целенаправленное или нецеленаправленное нелегитимное (непредусмотренное ТП) внешнее воздействие на состояние объекта управления, в том числе и со стороны субъекта управления.Disturbing impact - purposeful or non-purposeful illegitimate (unforeseen by TP) external impact on the state of the control object, including from the side of the control subject.

Субъект управления - устройство, которое направляет управляющее воздействие на объект управления или передает управляющее воздействие другому субъекту управления для преобразования перед непосредственным направлением на объект.The subject of control is a device that directs the control action to the control object or transfers the control action to another control subject for transformation before directing it to the object.

Многоуровневая подсистема управления - включающая несколько уровней совокупность субъектов управления.A multilevel management subsystem is a set of management subjects that includes several levels.

Кибер-физическая система (англ. cyber-physical system) - информационно-технологическая концепция, подразумевающая интеграцию вычислительных ресурсов в физические процессы. В такой системе датчики, оборудование и информационные системы соединены на протяжении всей цепочки создания стоимости, выходящей за рамки одного предприятия или бизнеса. Эти системы взаимодействуют друг с другом с помощью стандартных интернет-протоколов для прогнозирования, самонастройки и адаптации к изменениям. Примерами кибер-физической системы является технологическая система, интернет вещей (в том числе носимые устройства), индустриальный интернет вещей.A cyber-physical system is an information technology concept that implies the integration of computing resources into physical processes. In such a system, sensors, equipment and information systems are connected throughout the entire value chain, which extends beyond a single enterprise or business. These systems interact with each other using standard Internet protocols to predict, self-tune, and adapt to change. Examples of a cyber-physical system are a technological system, the Internet of Things (including wearable devices), and the Industrial Internet of Things.

Интернет вещей (англ. Internet of Things, IoT) - вычислительная сеть физических предметов («вещей»), оснащенных встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней средой. Интернет вещей включает такие технологии, как носимые устройства, электронные системы транспортных средств, умные автомобили, умные города, промышленные системы и пр.The Internet of Things (English Internet of Things, IoT) is a computing network of physical objects ("things") equipped with built-in technologies for interacting with each other or with the external environment. The Internet of Things includes technologies such as wearable devices, electronic vehicle systems, smart cars, smart cities, industrial systems, and more.

Промышленный Интернет вещей (англ. Industrial Internet of Things, IIoT) - это подкатегория Интернета вещей, который также включает приложения, ориентированные на потребителя, например, носимые устройства, технологии «умного дома» и автомобили с автоматическим управлением. Отличительной чертой обеих концепций являются устройства со встроенными датчиками, станки и инфраструктура, которые передают данные через Интернет и управляются с помощью программного обеспечения1 (1 https://www.hpe.com/ru/ru/what-is/industrial-iot.html).The Industrial Internet of Things (IIoT) is a subcategory of the Internet of Things that also includes consumer-facing applications such as wearable devices, smart home technologies, and self-driving cars. The hallmarks of both concepts are devices with integrated sensors, machines and infrastructure that transmit data over the Internet and are controlled by software 1 ( 1 https://www.hpe.com/en/en/what-is/industrial-iot. html).

Технологическая система (ТС) - функционально взаимосвязанная совокупность субъектов управления многоуровневой подсистемы управления и объекта управления (ТП или устройство), реализующая через изменение состояний субъектов управления изменение состояния объекта управления. Структуру технологической системы образуют основные элементы технологической системы (взаимосвязанные субъекты управления многоуровневой подсистемы управления и объект управления), а также связи между этими элементами. В том случае, когда объектом управления в технологической системе является технологический процесс, конечной целью управления является: через изменение состояния объекта управления изменить состояние предмета труда (сырья, заготовки и т.д.). В том случае, когда объектом управления в технологической системе является устройство, конечной целью управления является изменение состояния устройства (транспортное средство, космический объект). Функциональная взаимосвязь элементов ТС подразумевает взаимосвязь состояний этих элементов. При этом непосредственной физической связи между элементами может и не быть, например, физическая связь между исполнительными механизмами и технологической операцией отсутствует, но, например, скорость резания функционально связана с частотой вращения шпинделя, несмотря на то, что физически эти параметры состояний не связаны.A technological system (TS) is a functionally interconnected set of control subjects of a multi-level control subsystem and a control object (TP or device), which implements a change in the state of the control object through a change in the states of control subjects. The structure of the technological system is formed by the main elements of the technological system (interconnected subjects of management of the multilevel subsystem of management and the object of management), as well as the connections between these elements. In the case when the object of control in a technological system is a technological process, the ultimate goal of control is: through a change in the state of the control object, change the state of the object of labor (raw materials, workpieces, etc.). In the case when the object of control in the technological system is a device, the ultimate goal of control is to change the state of the device (vehicle, space object). The functional relationship of vehicle elements implies the relationship between the states of these elements. In this case, there may not be a direct physical connection between the elements, for example, there is no physical connection between the actuators and the technological operation, but, for example, the cutting speed is functionally related to the spindle speed, despite the fact that these state parameters are not physically connected.

Состояние субъекта управления - совокупность его существенных свойств, выраженных параметрами состояний, изменяемых или удерживаемых под влиянием внешних воздействий.The state of the subject of control is a set of its essential properties, expressed by the parameters of states that are changed or held under the influence of external influences.

Существенными свойствами (соответственно и существенными параметрами состояния) субъекта управления являются свойства, оказывающие непосредственное влияние на существенные свойства состояния объекта управления. При этом существенными свойствами объекта управления являются свойства, оказывающие непосредственное влияние на контролируемые факторы (точность, безопасность, эффективность) функционирования ТС. Например, соответствие режимов резания формально заданным режимам, движение поезда в соответствии с расписанием, удержание температуры реактора в допустимых границах. В зависимости от контролируемых факторов выбираются параметры состояния объекта управления и соответственно связанные с ними параметры состояний субъектов управления, оказывающих управляющее воздействие на объект управления.The essential properties (respectively, the essential parameters of the state) of the subject of control are the properties that directly affect the essential properties of the state of the control object. In this case, the essential properties of the control object are properties that have a direct impact on the controlled factors (accuracy, safety, efficiency) of the vehicle functioning. For example, the compliance of the cutting modes with the formally specified modes, the movement of the train in accordance with the schedule, the keeping of the reactor temperature within the permissible limits. Depending on the factors being controlled, the parameters of the state of the control object and, accordingly, the parameters of the states of the control subjects that exert a control effect on the control object are selected.

Состояние элемента технологической системы - состояние субъекта управления, объекта управления.The state of an element of a technological system is the state of the subject of control, the object of control.

Реальное состояние элемента технологической системы - состояние элемента технологической системы в некоторый момент времени воздействия на объект управления, определенное путем измерения параметров состояний и перехвата сигналов (трафика) между элементами ТС. Измерение параметров состояния осуществляется, например, с помощью датчиков, установленных в ТС.The real state of an element of a technological system is the state of an element of a technological system at some point in time of the impact on the control object, determined by measuring the parameters of states and intercepting signals (traffic) between the elements of the vehicle. Condition parameters are measured, for example, using sensors installed in the vehicle.

Реальное состояние технологической системы - совокупность взаимосвязанных реальных состояний элементов технологической системы.The real state of a technological system is a set of interconnected real states of the elements of a technological system.

Кибернетический блок - элемент кибер-физической системы контроля, контролирующий процесс функционирования элемента технологической системы.Cybernetic block is an element of a cyber-physical control system that controls the process of functioning of an element of a technological system.

Пространство состояний - способ формализации изменения состояний динамической системы (технологической системы или кибер-физической системы).The state space is a way of formalizing changes in the states of a dynamic system (technological system or cyber-physical system).

Компьютерная атака (также кибератака, от англ. cyber attack) - целенаправленное воздействие на информационные системы и информационно-телекоммуникационные сети программно-техническими средствами, осуществляемое в целях нарушения безопасности информации в этих системах и сетях (см. «Основные направления государственной политики в области обеспечения безопасности автоматизированных систем управления производственными и технологическими процессами критически важных объектов инфраструктуры Российской Федерации» (утв. Президентом РФ 03.02.2012 N 803).A computer attack (also a cyber attack, from the English cyber attack) is a purposeful impact on information systems and information and telecommunication networks by software and hardware tools, carried out in order to violate the security of information in these systems and networks (see "The main directions of state policy in the field of ensuring safety of automated control systems for production and technological processes of critical infrastructure of the Russian Federation "(approved by the President of the Russian Federation 03.02.2012 N 803).

На Фиг. 1a схематично изображен пример технологической системы 100, которая включает в себя элементы 110а и 110б, где элементы ТС: объект управления 110а; субъекты управления 110б, образующие многоуровневую подсистему управления 120; горизонтальные связи 130а и вертикальные связи 130б. Субъекты управления 110б сгруппированы по уровням 140.FIG. 1a schematically depicts an example of a process system 100 that includes elements 110a and 110b, where the elements of the vehicle are: a control object 110a; control subjects 110b, forming a multi-level control subsystem 120; horizontal ties 130a and vertical ties 130b. The subjects of control 110b are grouped into levels 140.

На Фиг. 1б схематично изображен частный пример имплементации технологической системы 100'. Объектом управления 110а' является ТП или устройство, на объект управления 110а' направляются управляющие воздействия, которые вырабатываются и реализуются автоматизированной системой управления (АСУ) 120', в АСУ различают три уровня 140', состоящих из субъектов управления 110б', взаимосвязанных между собой как по горизонтали горизонтальными связями (связи внутри уровня, на фигуре не указаны), так и по вертикали вертикальные связи 130б' (связи между уровнями). Взаимосвязи являются функциональными, т.е. в общем случае изменение состояния субъекта управления 110б' на одном уровне вызывает изменение состояний связанных с ним субъектов управления 110б' на этом уровне и других уровнях. Информация об изменении состояния субъекта управления передается в виде сигнала по горизонтальным и вертикальным связям, установленным между субъектами управления, т.е. информация об изменении состояния рассматриваемого субъекта управления является внешним воздействием по отношению к другим субъектам управления 110б'. Уровни 140' в АСУ 120' выделяют в соответствии с назначением субъектов управления 110б'. Количество уровней может варьироваться в зависимости от сложности автоматизированной системы управления 120'. Простые системы могут содержать в себе один или несколько нижних уровней. Для физической связи элементов ТС (110а, 110б) и подсистем ТС 100 используются проводные сети, беспроводные сети, интегральные микросхемы, для логической связи между элементами ТС (110а, 110б) и подсистемами ТС 100 используются Ethernet, промышленный Ethernet, я промышленные сети. При этом промышленные сети и протоколы используются различных типов и стандартов: Profibus, FIP, ControlNet, Interbus-S, DeviceNet, P-NET, WorldFIP, LongWork, Modbus и др.FIG. 1b schematically shows a particular example of the implementation of the technological system 100 '. The control object 110a 'is a TP or a device, control actions are sent to the control object 110a', which are generated and implemented by an automated control system (ACS) 120 ', three levels 140' are distinguished in the ACS, consisting of control subjects 110b ', interconnected as horizontally by horizontal ties (ties within a level, not shown in the figure), and vertically by vertical ties 130b '(ties between levels). Relationships are functional, i.e. in general, a change in the state of the subject of control 110b 'at one level causes a change in the states of the associated control subjects 110b' at this level and other levels. Information about a change in the state of the subject of control is transmitted in the form of a signal along horizontal and vertical links established between the subjects of control, i.e. information about a change in the state of the considered subject of management is an external influence in relation to other subjects of management 110b '. Levels 140 'in ACS 120' are allocated in accordance with the assignment of control subjects 110b '. The number of levels can vary depending on the complexity of the 120 'automated control system. Simple systems can contain one or several lower levels. For physical connection of TS elements (110a, 110b) and TS 100 subsystems, wired networks, wireless networks, integrated circuits are used, for logical communication between TS elements (110a, 110b) and TS 100 subsystems, Ethernet, industrial Ethernet, and industrial networks are used. At the same time, industrial networks and protocols are used of various types and standards: Profibus, FIP, ControlNet, Interbus-S, DeviceNet, P-NET, WorldFIP, LongWork, Modbus, etc.

Верхний уровень (уровень supervisory control and data acquisition, SCADA) - это уровень диспетчерско-операторского управления, включает в себя, по меньшей мере, следующие субъекты управления 110б': контроллеры, управляющие компьютеры, человеко-машинные интерфейсы (англ. human-machine interface, HMI) (на Фиг. 1б изображены в рамках одного субъекта управления SCADA). Уровень предназначен для отслеживания состояний элементов ТС (110а', 110б'), получения и накопления информации о состоянии элементов ТС (110а', 110б') и при необходимости их корректировки.The upper level (the level of supervisory control and data acquisition, SCADA) is the level of dispatch and operator control, includes at least the following control subjects 110b ': controllers, control computers, human-machine interfaces , HMI) (in Fig. 1b are depicted within the framework of one subject of SCADA control). The level is designed to track the states of the vehicle elements (110a ', 110b'), obtain and accumulate information about the state of the vehicle elements (110a ', 110b') and, if necessary, correct them.

Средний уровень (уровень CONTROL) - это уровень контроллеров, включает, по меньшей мере, следующие субъекты управления: программируемые логические контроллеры (англ. programmable Logic Controller, PLC), счетчики, реле, регуляторы. Субъекты управления 110б' типа «PLC» получают информацию с субъектов управления типа «контрольно-измерительное оборудование» и субъектов управления 110б' типа «датчики» о состоянии объекта управления 110а'. Субъекты управления типа «PLC» вырабатывают (создают) управляющее воздействие в соответствии с запрограммированным алгоритмом управления на субъекты управления типа «исполнительные механизмы». Исполнительные механизмы его непосредственно реализуют (применяют к объекту управления) на нижнем уровне. Исполнительный механизм (англ. actuator) - часть исполнительного устройства (оборудования). Регуляторы, например, ПИД-регуляторы (Пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор, англ. proportional-integral-derivative controller - PID controller) являются устройством в контуре управления с обратной связью.The middle level (CONTROL level) is the level of controllers, includes at least the following control subjects: programmable logic controllers (PLC), counters, relays, regulators. Control subjects 110b 'of the "PLC" type receive information from control subjects of the "control and measuring equipment" type and control subjects 110b' of the "sensors" type about the state of the control object 110a '. Control subjects of the "PLC" type develop (create) a control action in accordance with the programmed control algorithm on the control subjects of the "executive mechanisms" type. The executive mechanisms directly implement it (applied to the control object) at the lower level. An actuator is a part of an executive device (equipment). Controllers such as PID controllers (proportional-integral-derivative controller - PID controller) are devices in a closed-loop control loop.

Нижний уровень (уровень Input/Output) - это уровень таких субъектов управления как: датчики и сенсоры (англ. sensors), контрольно-измерительные приборы (КИП), контролирующих состояние объекта управления 110а', а также исполнительные механизмы (actuators). Исполнительные механизмы непосредственно воздействуют на состояние объекта управления 110а', для приведения его в соответствие с формальным состоянием, т.е. состоянием, соответствующим технологическому заданию, технологической карте или другой технологической документации (если речь идет о ТП) или расписанию движения (если речь идет об устройстве). На этом уровне осуществляется согласование сигналов от субъектов управления 110б' типа «датчики» с входами субъектов управления среднего уровня, и согласование вырабатываемых субъектами управления 110б' типа «PLC» управляющих воздействий с субъектами управления 110б' типа «исполнительные механизмы», которые их реализуют. Исполнительный механизм - это часть исполнительного устройства. Исполнительное устройство осуществляет перемещение регулирующего органа в соответствии с сигналами, поступающими от регулятора или управляющего устройства. Исполнительные устройства являются последним звеном цепи автоматического управления и в общем случае состоят из блоков:The lower level (Input / Output level) is the level of such control subjects as: sensors and sensors, instrumentation (instrumentation) that control the state of the control object 110a ', as well as actuators. The actuators directly affect the state of the control object 110a 'to bring it into conformity with the formal state, i.e. a state corresponding to a technological assignment, a technological map or other technological documentation (if we are talking about a TP) or a movement schedule (if we are talking about a device). At this level, the signals from the control subjects 110b 'of the "sensors" type are coordinated with the inputs of the control subjects of the middle level, and the control actions generated by the control subjects 110b' of the "PLC" type are coordinated with the control subjects 110b 'of the "actuators" type, which implement them. An actuator is a part of an actuator. The actuator moves the regulator in accordance with the signals from the regulator or control device. Actuators are the last link in the automatic control chain and generally consist of blocks:

• устройства усиления (контактор, частотный преобразователь, усилитель, и т.п.);• amplification devices (contactor, frequency converter, amplifier, etc.);

• исполнительного механизма (электро-, пневмо-, гидропривод) с элементами обратной связи (датчики положения выходного вала, сигнализации конечных положений, ручного привода и т.п.);• an actuator (electric, pneumatic, hydraulic drive) with feedback elements (position sensors of the output shaft, signaling of end positions, manual drive, etc.);

• регулирующего органа (вентили, клапаны, заслонки, шиберы и т.п.).• regulating body (valves, valves, dampers, dampers, etc.).

В зависимости от условий применения исполнительные устройства конструктивно могут различаться между собой. К основным блокам исполнительных устройств обычно относят исполнительные механизмы и регулирующие органы.Depending on the conditions of use, the actuators may be structurally different from each other. The main blocks of executive devices usually include executive mechanisms and regulatory bodies.

В частном примере исполнительное устройство в целом называют исполнительным механизмом.In a particular example, the actuator is generally referred to as an actuator.

АСУП 120а' - автоматическая система управления предприятием.ACS 120a 'is an automatic enterprise management system.

На Фиг. 1в представлен возможный вариант организации интернета вещей на примере носимых устройств. Система содержит множество различных компьютерных устройств пользователя 151. Среди устройств пользователя 151 могут быть, например: смартфон 152, планшет 153, ноутбук 154, носимые устройства, такие, как очки дополненной реальности 155, фитнес-трекер, «умные» часы 156 (англ. smart watch) и др. Устройства пользователя 151 содержат множество различных датчиков 157а-157n, например, монитор сердечного ритма 2001 и шагомер 2003.FIG. 1c presents a possible option for organizing the Internet of Things using the example of wearable devices. The system contains many different computer devices of the user 151. Among the devices of the user 151 may be, for example: smartphone 152, tablet 153, laptop 154, wearable devices such as augmented reality glasses 155, fitness tracker, smart watch 156 (eng. smart watch) and others. User devices 151 contain many different sensors 157a-157n, such as heart rate monitor 2001 and pedometer 2003.

Стоит отметить, что датчики 157а-157n могут находиться как на одном устройстве пользователя 151, так и на нескольких. Более того, некоторые датчики могут находиться на нескольких устройствах одновременно. Часть датчиков может быть представлена в нескольких экземплярах. Например, модуль Bluetooth может находиться на всех устройствах, а смартфон может содержать два и более микрофона, необходимых для шумоподавления и определения расстояния до источника звука.It is worth noting that the sensors 157a-157n may reside on one user device 151 or on several. Moreover, some sensors can be located on several devices at the same time. Some of the sensors can be presented in several copies. For example, a Bluetooth module can be found on all devices, and a smartphone can contain two or more microphones required for noise cancellation and determining the distance to the sound source.

На Фиг. 1г представлен возможный набор датчиков устройств 151. Среди датчиков 157а-157n могут быть, например, следующие:FIG. 1d shows a possible set of device sensors 151. Among the sensors 157a-157n there may be, for example, the following:

• монитор сердечного ритма (датчик сердцебиения) 2001 для определения частоты пульса пользователя. В одном примере реализации монитор сердечного ритма может содержать электроды и измерять электрокардиограмму;• heart rate monitor (heart rate sensor) 2001 to determine the user's pulse rate. In one embodiment, a heart rate monitor may include electrodes and measure an electrocardiogram;

• датчик насыщения крови кислородом 2002;oxygen saturation sensor 2002;

• шагомер 2003;pedometer 2003;

• датчик определения отпечатков пальцев 2004;• 2004 fingerprint sensor;

• датчик жестов 2005, служащий для распознавания жестов пользователя;• 2005 gesture sensor, used to recognize user gestures;

• камера, направленная на глаза пользователя 2006, служащая для определения движения глаз пользователя, а также аутентификации личности пользователя по радужной оболочке или сетчатке глаза;• camera aimed at the user's eyes 2006, which serves to determine the user's eye movement, as well as to authenticate the user's identity by the iris or retina of the eye;

• датчик температуры тела пользователя 2007 (например, имеющий непосредственный контакт с телом пользователя или бесконтактный);• 2007 user's body temperature sensor (for example, having direct contact with the user's body or non-contact);

• микрофон 2008;microphone 2008;

• датчик ультрафиолетового излучения 2009;• ultraviolet radiation sensor 2009;

• приемник системы геолокации 2010, например, приемник GPS, ГЛОНАСС, BeiDou, Galileo, DORIS, IRNSS, QZSS и др.;• receiver of geolocation system 2010, for example, receiver GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo, DORIS, IRNSS, QZSS, etc .;

• О8М-модуль2011;• O8M-module2011;

• модуль Bluetooth 2012;Bluetooth module 2012;

• модуль Wi-Fi 2013;• Wi-Fi 2013 module;

• камера 2014, направленная на окружающую устройство пользователя среду;• camera 2014 aimed at the environment surrounding the user's device;

• датчик температуры окружающей среды 2015;• ambient temperature sensor 2015;

• барометр 2016, необходимый для измерения атмосферного давления и определения высоты над уровнем моря в соответствии с атмосферным давлением;barometer 2016, required to measure atmospheric pressure and determine the altitude above sea level in accordance with atmospheric pressure;

• геомагнитный датчик 2017 (электронный компас), необходимый для определения сторон света и азимута;• geomagnetic sensor 2017 (electronic compass), required to determine the cardinal points and azimuth;

• датчик определения влажности воздуха 2018;• sensor for determining air humidity 2018;

• датчик уровня освещения 2019, необходимый для определения цветовой температуры и освещенности;• 2019 illumination level sensor, required to determine the color temperature and illumination;

• датчик приближения 2020, служащий для определения расстояния до различных предметов, находящихся поблизости;proximity sensor 2020, used to determine the distance to various objects in the vicinity;

• датчик глубины изображения 2021, служащий для получения трехмерного изображения пространства;image depth sensor 2021, used to obtain a three-dimensional image of space;

• акселерометр 2022, служащий для измерения ускорения в пространстве;• accelerometer 2022, used to measure acceleration in space;

• гироскоп 2023, необходимый для определения положения в пространстве;gyroscope 2023, required to determine the position in space;

• датчик Холла 2024 (магнитного поля), для определения напряженности магнитного поля;• Hall sensor 2024 (magnetic field), to determine the strength of the magnetic field;

• дозиметр-радиометр 2025, для определения уровня радиации;• dosimeter-radiometer 2025, to determine the level of radiation;

• модуль NFC 2026;NFC 2026 module;

• LTE-модуль 2027.LTE module 2027.

На Фиг. 2 представлена система обучения модели прогнозирования значений признаков кибер-физической системы (КФС), обладающей определенными характеристиками (то есть при обучении модели прогнозирования учитываются характеристики КФС), и вычисления порога ошибки для определения аномалии в упомянутой КФС 201. Кибер-физическая система 200 представлена в упрощенном варианте. Примерами кибер-физической системы 200 являются описанные ранее технологическая система 100 (см. Фиг. 1а-1б), интернет вещей (см. Фиг. 1в-1г), индустриальный интернет вещей. Для определенности далее в заявке в качестве основного примера КФС 200 будет рассматриваться ТС.FIG. 2 shows a system for training a model for predicting the values of features of a cyber-physical system (CPS) with certain characteristics (that is, when training a forecasting model, the characteristics of a CPS are taken into account), and calculating an error threshold to determine an anomaly in the said CPS 201. Cyber-physical system 200 is presented in simplified version. Examples of the cyber-physical system 200 are the previously described technological system 100 (see Fig. 1a-1b), the Internet of things (see Fig. 1c-1d), the industrial Internet of things. For definiteness, further in the application, the TS will be considered as the main example of the FSC 200.

Система 201 содержит средство обучения 211 и связанное с ним средство вычисления 212. Как уже упоминалось ранее при описании Фиг. 1а-1б КФС содержит множество субъектов управления, таких как датчики, исполнительные механизмы, ПИД-регуляторы. Данные упомянутых субъектов в необработанном виде передаются на PLC. При этом может использоваться аналоговый сигнал. Затем PLC выполняет обработку данных и преобразовывает данные в цифровой вид, после чего передает системе SCADA 110б' и рассматриваемой системе 201. Таким образом, средство обучения 211 получает исходную выборку, содержащую значения признаков КФС 200 за исторический период наблюдения за КФС (то есть данные телеметрии КФС), в которой доля аномалий не превышает заданное значение (например, не более 1%). Признаки КФС являются численными характеристиками субъектов управления - датчиков, исполнительных механизмов, ПИД-регуляторов. Средство обучения 211 на основании исходной выборки и с учетом характеристик КФС формирует обучающую выборку, включающую значения по меньшей мере одного из полученных признаков КФС за период наблюдения не превосходящий исторический период наблюдения. При этом, в частном примере реализации включают в обучающую выборку по меньшей мере один момент времени, в котором произошла аномалия. Формирование обучающей выборки может включать этапы очистки данных исходной выборки от шумов, пропусков в данных, выбросах в значениях признаков, невалидных наборов данных, перевод на равномерную временную сетку, исключения из исходной выборки признаков вызывающих ложные срабатывания (например, показания неисправного датчика). В частном примере реализации формирование обучающей выборки может происходить с использованием технической документации КФС (например, описывающей возможные состояния и технические характеристики датчиков и исполнительных механизмов), а также на основании предоставленных данных пользователями КФС (например, об известных неисправных датчиках).System 201 comprises teaching means 211 and an associated calculator 212. As previously mentioned in connection with FIG. 1a-1b FSC contains many subjects of control, such as sensors, actuators, PID controllers. The data of the aforementioned subjects is transmitted in raw form to the PLC. In this case, an analog signal can be used. Then the PLC performs data processing and converts the data into digital form, after which it transmits the SCADA system 110b 'and the considered system 201. Thus, the training tool 211 receives an initial sample containing the values of the FSC 200 features for the historical observation period of the FSC (that is, telemetry data FSC), in which the proportion of anomalies does not exceed the specified value (for example, no more than 1%). FSC signs are the numerical characteristics of control subjects - sensors, actuators, PID controllers. The training tool 211, based on the initial sample and taking into account the characteristics of the CPS, forms a training sample that includes the values of at least one of the received CPS signs for the observation period not exceeding the historical observation period. In this case, in a particular implementation example, at least one moment of time is included in the training sample at which the anomaly occurs. The formation of a training sample can include the stages of clearing the data of the original sample from noise, gaps in data, outliers in the values of features, invalid data sets, transfer to a uniform time grid, exclusion from the original sample of features that cause false alarms (for example, readings of a faulty sensor). In a particular example of implementation, the formation of a training sample can occur using the technical documentation of the FSC (for example, describing the possible states and technical characteristics of sensors and actuators), as well as on the basis of data provided by the users of the FSC (for example, about known faulty sensors).

Затем средство обучения 211 выполняет построение модели прогнозирования значений признаков КФС в каждый момент времени окна прогноза по данным значений признаков КФС в каждый момент времени входного окна. То есть, входное окно и окно прогноза являются интервалами времени, которые находятся внутри периода наблюдений и выбраны в соответствии с характеристиками КФС. А значения признаков КФС сохранены с заданной периодичностью в пределах периода наблюдения. Например, если значения признаков КФС сохраняются каждую секунду, то и упомянутые выше моменты времени также отличаются через каждую секунду. Расстояние между входным окном и окном прогноза является горизонтом прогноза (например, от конца входного окна до начала окна прогноза), который также зависит от характеристик КФС. В частном примере реализации входное окно и окно прогноза могут пересекаться. В другом частном примере реализации входное окно и окно прогноза не пересекаются. Горизонт прогноза может принимать как неотрицательные значения (прогноз на будущее), так и отрицательные значения (например, анализ типа кодирование-декодирование).Then the training tool 211 builds a model for predicting the values of the CPS attributes at each time point of the forecast window according to the data on the values of the CPS attributes at each time point of the input window. That is, the input window and the forecast window are time intervals that are within the observation period and are selected in accordance with the characteristics of the CPS. And the values of the FSC features are stored at a specified frequency within the observation period. For example, if the values of the FSC features are saved every second, then the times mentioned above also differ every second. The distance between the input window and the forecast window is the forecast horizon (for example, from the end of the input window to the beginning of the forecast window), which also depends on the characteristics of the CPS. In a particular example of implementation, the input window and the forecast window may overlap. In another particular example of implementation, the input window and the forecast window do not intersect. The forecast horizon can take both non-negative values (forecast for the future) and negative values (for example, codec analysis).

Средство обучения 211 затем выполняет обучение модели прогнозирования на данных обучающей выборки. Затем средство вычисления 212 с использованием обученной модели прогнозирования выполняет прогнозирование значений признаков КФС в каждый момент времени периода наблюдения. Средство вычисления 212 определяет общую ошибку прогноза (то есть для спрогнозированных значений признаков КФС), например, как среднюю ошибку или средневзвешенную ошибку между наблюдаемыми значениями признаков и прогнозными значениями признаков, вычисленную в каждый момент времени окна прогноза. Затем вычисляют с помощью средства обучения 211 порог общей ошибки в зависимости от характеристик КФС, таким образом, что превышение вычисленного порога общей ошибкой прогноза означает аномалию в КФС. В частном примере реализации - как квантиль заданной точности от общей ошибки прогноза, например, на уровне значимости 99%.The trainer 211 then trains the prediction model on the training set data. Then, the calculator 212, using the trained prediction model, predicts the values of the CFC features at each time point of the observation period. The calculator 212 determines the overall forecast error (that is, for the predicted values of the CPS features), for example, as the average error or the weighted average error between the observed feature values and the predicted feature values, calculated at each time point in the forecast window. Then, using the training tool 211, the total error threshold is calculated depending on the characteristics of the FSC, so that the excess of the calculated threshold by the total prediction error means an anomaly in the FSC. In a particular example of implementation - as a quantile of a given accuracy of the total forecast error, for example, at a 99% significance level.

Аномалия в КФС может возникнуть, например, из-за компьютерной атаки, из-за вмешательства в работу ТС или ТП человека, из-за сбоя или отклонения технологического процесса, связанного с периодами смены режимов, из-за перевода контуров управления в ручной режим или из-за некорректных показаний датчиков, а также по другим причинам, известным из уровня техники.An anomaly in the FSC may arise, for example, due to a computer attack, due to interference in the operation of a vehicle or TP of a person, due to a failure or deviation of the technological process associated with periods of mode change, due to the transfer of control loops to manual mode, or due to incorrect readings of the sensors, as well as for other reasons known from the prior art.

В частном примере реализации система 201 дополнительно содержит удаленный сервер 213, который может выполнять часть функций средства обучения 211 и средства вычисления 212: построение модели прогнозирования и обучение модели прогнозирования, а также прогнозирование значений признаков КФС на период наблюдения, определение общей ошибки прогноза и вычисление порога общей ошибки прогноза. В еще одном частном примере реализации средство обучения 211 и средство вычисления 212 могут быть размещены на удаленном сервере 213. Ввиду того, что удаленный сервер 213 может обладать существенно большими вычислительными возможностями, чем средство обучения 211 и средство вычисления 212, выполнение указанных функций удаленным сервером 213 позволит повысить скорость и качество работы системы 201.In a particular implementation example, the system 201 additionally contains a remote server 213, which can perform part of the functions of the training tool 211 and the calculation tool 212: building the forecasting model and training the forecasting model, as well as predicting the values of the CPS attributes for the observation period, determining the total forecast error and calculating the threshold total forecast error. In another particular example of implementation, the training tool 211 and the calculator 212 can be located on the remote server 213. Since the remote server 213 can have significantly greater computing capabilities than the training tool 211 and the calculator 212, the execution of these functions by the remote server 213 will improve the speed and quality of system 201.

Таким образом, система 201 позволяет обучить модель прогнозирования, определить размеры входного окна и окна прогноза, а также порог общей ошибки прогноза, которые могут быть использованы в системе и способе определения источника аномалии в КФС (см. Фиг. 4-5).Thus, the system 201 allows you to train the forecasting model, determine the size of the input window and the forecast window, as well as the threshold of the total forecast error, which can be used in the system and method for determining the source of the anomaly in the CPS (see Fig. 4-5).

В частном примере реализации признаки КФС включают по меньшей мере один из:In a particular implementation example, the FSC features include at least one of:

• измерение датчика (технологический параметр датчика);• sensor measurement (sensor technological parameter);

• управляемый параметр исполнительного механизма;• controlled parameter of the actuator;

• уставка исполнительного механизма;• setting of the actuator;

• входные сигналы или выходной сигнал ПИД-регулятора, внутренние параметры ПИД-регулятора.• input signals or output signal of the PID controller, internal parameters of the PID controller.

В еще одном частном примере реализации в исходной выборке размечены моменты времени с известными аномалиями КФС, при этом упомянутые моменты времени с известными аномалиями КФС включают в обучающую выборку. То есть исходная выборка будет также содержать информацию о моментах времени возникновения известных аномалий в КФС (разметку). Это позволит обучить модель прогнозирования и определить порог общей ошибки точнее.In another particular example of implementation, the initial sample contains time points with known FSC anomalies, while the mentioned time points with known FSC anomalies are included in the training sample. That is, the initial sample will also contain information about the times of occurrence of known anomalies in the FSC (marking). This will train the forecasting model and determine the total error threshold more accurately.

В другом частном примере реализации при формировании обучающей выборки выполняют разметку моментов времени возникновения аномалий КФС. В еще одном частном примере реализации из исходной выборки формируют тестовую выборку, по данным которой оценивают качество прогноза и, если оценка качества прогноза не удовлетворяет заданным критериям, повторяют обучение модели прогнозирования до тех пор, пока оценка качества прогноза не удовлетворит заданным критериям (так, чтобы не было переобучения). Если же оценка качества прогноза не удовлетворит заданным критериям, может быть выбрана другая модель прогнозирования. В частном примере качество прогноза определяется, например, одной из метрик качества: NAB-метрика (англ. Numenta Anomaly Benchmark)2 (2 Lavin and S. Ahmad, "Evaluating Real-time Anomaly Detection Algorithms - the Numenta Anomaly Benchmark," in 14th International Conference on Machine Learning and Applications (IEEE ICMLA'15), 2015. http://arxiv.org/abs/1510.03336), F1 -метрика.In another particular example of implementation, when forming a training sample, the time points of the occurrence of CPS anomalies are marked. In another particular example of implementation, a test sample is formed from the initial sample, according to which the forecast quality is estimated and, if the forecast quality assessment does not satisfy the specified criteria, the forecasting model is trained again until the forecast quality assessment satisfies the specified criteria (so that there was no retraining). If the assessment of the forecast quality does not satisfy the given criteria, another forecasting model can be chosen. In a particular example, the forecast quality is determined, for example, by one of the quality metrics: NAB-metric (eng. Numenta Anomaly Benchmark) 2 ( 2 Lavin and S. Ahmad, "Evaluating Real-time Anomaly Detection Algorithms - the Numenta Anomaly Benchmark," in 14th International Conference on Machine Learning and Applications (IEEE ICMLA'15), 2015.http: //arxiv.org/abs/1510.03336), F1 metrics.

В частном примере реализации кибер-физическая система обладает по меньшей мере одной из следующих характеристик:In a particular implementation example, a cyber-physical system has at least one of the following characteristics:

• отраслью производства, в которой функционирует кибер-физическая система;• the industry in which the cyber-physical system operates;

• типами процессов, которые описывают параметры КФС, в частности, один из: непрерывный, конвейерный, циклический (например, для циклических процессов может быть выбран период наблюдения, кратный периоду одного цикла);• types of processes that describe the parameters of the CPS, in particular, one of: continuous, conveyor, cyclic (for example, for cyclic processes, an observation period can be selected that is a multiple of the period of one cycle);

• наличием сезонности и/или трендов в признаках КФС;• the presence of seasonality and / or trends in the signs of the FSC;

• инертностью процессов КФС;• inertness of FSC processes;

• временем реакции КФС на изменения, происходящие в КФС и во внешней среде;• time of the FSC reaction to changes in the FSC and in the external environment;

• уровнем опасности производства для персонала и экологии;• the level of danger of production for personnel and the environment;

• стоимостью простоя технологических процессов из-за нештатных ситуаций;• cost of downtime of technological processes due to abnormal situations;

• типом управления, в частности, выполненным с использованием ПИД-регуляторов, конечных автоматов или комбинированным способом;• type of control, in particular, performed using PID controllers, state machines or a combined method;

• типом субъекта управления, который характеризуется по меньшей мере одним признаком, при этом тип субъекта управления является одним из: датчиком, исполнительный механизмом или ПИД-регулятором;• the type of the subject of control, which is characterized by at least one feature, while the type of the subject of control is one of: a sensor, an actuator or a PID controller;

• данными самодиагностики КФС;• data of self-diagnostics of FSC;

• статусом исправности субъекта управления (исправный или неисправный);• serviceable status of the subject of management (serviceable or defective);

• взаимосвязью субъектов управления на уровне техпроцесса.• the interconnection of the subjects of management at the level of the technical process.

В качестве примера КФС можно привести предприятия нефтехимической отрасли, их отдельные блоки и установки. КФС таких предприятий может обладать одной или несколькими из следующих характеристик КФС:As an example of FSC, one can cite enterprises of the petrochemical industry, their individual units and installations. The FSC of such enterprises may have one or more of the following characteristics of the FSC:

• высоким значением периода времени непрерывного функционирования технологических процессов (например, от года);• high value of the period of time of continuous operation of technological processes (for example, from a year);

• высоким временем реакции ТП (например, более одной минуты), поэтому при построении модели прогнозирования, выбирают больший период наблюдения для типа КФС, характеризующегося большим временем реакции параметров КФС на изменения других параметров КФС и внешних факторов;• high response time of TP (for example, more than one minute), therefore, when building a forecasting model, choose a longer observation period for the type of CPS, characterized by a long response time of the CPS parameters to changes in other CPS parameters and external factors;

• наличием сезонности ТП;• availability of seasonality of TP;

• высоким уровнем опасности производства для персонала и экологии. Соответственно при построении модели прогнозирования, выбирают низкий порог общей ошибки для КФС, характеризующегося высоким уровнем опасности производства, с целью обнаружения большего числа аномалий. То есть порог общей ошибки может быть вычислен как квантиль заданной точности от общей ошибки прогноза квантиль более низкого порядка (например, 0,90). При этом, вероятно, возникнут ложные срабатывания, однако, это никак не повлияет на производственный процесс, но позволит на этапе анализа типа кодирование-декодирование данных с помощью построенной модели выявить больше аномалий и с участием пользователя КФС уточнить значение порога ошибки таким образом, чтобы отсеять ложные срабатывания и оставить все важные проанализированные аномалии;• high level of hazard of production for personnel and the environment. Accordingly, when constructing a forecasting model, a low threshold of the total error for the CPS, characterized by a high level of production hazard, is selected in order to detect a larger number of anomalies. That is, the total error threshold can be calculated as a quantile of a given accuracy of the total forecast error, a quantile of a lower order (for example, 0.90). In this case, false positives are likely to occur, however, this will not affect the production process in any way, but will allow at the stage of analysis of the type of encoding-decoding of data using the constructed model to identify more anomalies and, with the participation of the CPS user, refine the value of the error threshold in such a way as to filter out false positives and leave all important analyzed anomalies;

• высокой стоимостью простоя в ТП.• high cost of downtime in the TP.

Для технологических процессов первичной нефтепереработки характерно наличие систем управления, выполненных на принципах ПИД-регулирования (каскадного) и содержащих большое количество (обычно более ста) саморегулирующихся контуров управления, взаимосвязанных как спроектированной и заложенной логикой управления, так и физикой процесса, и контролирующих такие величины как температура, давление, уровни жидкости и др. Специфика такого дизайна системы управления позволяет реализовать целый спектр методов мониторинга процесса, включая нейронные сети, методы анализа целостности прошивок ПИД-регуляторов и анализа корректности их уставок и др. Наличие таких специфических факторов нефтепереработки, как высокое парафиносодержание жидких компонент процесса, высокие температуры переработки (обычно порядка 350 градусов Цельсия), коксообразование и коксозабивка в агрегатах и другие, обуславливает такие особенности данных параметров, как присутствие сильных шумов, пропусков, выбросов в данных КИП, наличие трендовых составляющих в данных регулирования, невалидность некоторых наборов данных КИП и т.д. Кроме того, к особенностям системы управления на основе ПИД-регуляторов надо отнести такие факторы, как периодический перевод ПИД-регуляторов в ручной режим, применяющийся как для штатного управления установками, так и в нештатных ситуациях (оказывающих существенное влияние на данные параметров). Таким образом, в приведенном примере характеристики КФС влияют на значения признаков КФС, построение модели прогнозирования и определение общей ошибки прогноза.Primary oil refining technological processes are characterized by the presence of control systems made on the principles of PID control (cascade) and containing a large number (usually more than a hundred) self-regulating control loops, interconnected both by the designed and embedded control logic and by the physics of the process, and controlling such quantities as temperature, pressure, liquid levels, etc. The specificity of such a design of the control system makes it possible to implement a whole range of methods for monitoring the process, including neural networks, methods for analyzing the integrity of firmware of PID regulators and analyzing the correctness of their settings, etc. The presence of such specific factors of oil refining as high paraffin content liquid components of the process, high processing temperatures (usually about 350 degrees Celsius), coke formation and coking in units and others, cause such features of these parameters as the presence of strong noise, gaps, emissions in the instrumentation data, filling lack of trend components in regulation data, invalidity of some instrumentation data sets, etc. In addition, the features of the control system based on PID controllers include such factors as the periodic transfer of PID controllers to manual mode, which is used both for normal control of installations and in emergency situations (which have a significant impact on these parameters). Thus, in the given example, the characteristics of the FSC affect the values of the characteristics of the FSC, the construction of a forecasting model, and the determination of the general forecast error.

Поэтому описанный метод позволяет достичь заявленные технические результаты, снизить ошибку второго рода при обнаружении аномалий в КФС. Кроме того, будет решена заявленная техническая проблема, заключающаяся в создании системы определения аномалий в КФС, обладающей определенными характеристиками, в которой время, прошедшее с момента возникновения аномалии в КФС до момента ее обнаружения, ниже, чем у существующих аналогов.Therefore, the described method makes it possible to achieve the stated technical results, to reduce the error of the second kind when detecting anomalies in the FSC. In addition, the stated technical problem will be solved, which consists in creating a system for determining anomalies in the CPS, which has certain characteristics, in which the time elapsed from the moment the anomaly in the CPS appears until the moment of its detection is lower than that of existing analogues.

Таким образом, в одном частном примере реализации выбирают низкий порог общей ошибки для типа КФС, характеризующегося высоким уровнем опасности производства для персонала и экологии. В другом частном примере реализации выбирают больший период наблюдения для КФС, характеризующегося большим временем реакции признаков КФС на изменения других признаков КФС и внешних факторов.Thus, in one particular example of implementation, a low threshold of the total error is chosen for the type of FSC, characterized by a high level of production hazard for personnel and the environment. In another particular example of implementation, a longer observation period is chosen for the CPS, which is characterized by a long reaction time of the CPS signs to changes in other CPS signs and external factors.

В еще одном частном примере реализации при расчете общей ошибки прогноза для ошибок каждого признака КФС используют весовые коэффициенты, при этом:In another particular example of implementation, when calculating the total forecast error for the errors of each CPS feature, weights are used, while:

а) присваивают низкое значение весовому коэффициенту для признака, если субъект управления, характеризующийся этим признаком, предоставляет данные с шумами или невалидные данные или периодически отключается пользователем КФС;a) assign a low value to the weighting factor for the feature if the subject of management, characterized by this feature, provides data with noisy or invalid data or is periodically disabled by the user of the FSC;

б) присваивают низкое значение весовому коэффициенту для признака, в котором возникновение аномалии не влияет на работу КФС, и высокое значение весовому коэффициенту для признака, в котором возникновение аномалии влияет на работу КФС.b) assign a low value to the weighting factor for a feature in which the occurrence of an anomaly does not affect the operation of the FSC, and a high value to the weighting factor for a feature in which the occurrence of an anomaly affects the operation of the FSC.

Значения весовых коэффициентов признаков равных единице характерны для основного варианта реализации (равносильно отсутствию весовых коэффициентов).The values of the weighting coefficients of features equal to one are characteristic for the main implementation option (equivalent to the absence of weighting coefficients).

В еще одном частном примере реализации обучающая выборка дополнительно содержит признаки по меньшей мере одной другой КФС, которая обладает по меньшей мере заранее определенным количеством таких же характеристик как текущая КФС. Таким образом, система 201 сможет более точно обучить модель прогнозирования и определить порог ошибки по данным нескольких КФС, обладающих такими же характеристиками.In another particular example of implementation, the training sample additionally contains features of at least one other FSC, which has at least a predetermined number of the same characteristics as the current FSC. Thus, the system 201 will be able to more accurately train the forecasting model and determine the error threshold from data from several QPSs with the same characteristics.

В одном частном примере реализации применяют экспоненциальное сглаживание к общей ошибке прогноза. Это необходимо, чтобы снизить значение ошибки первого рода.In one particular implementation, exponential smoothing is applied to the overall prediction error. This is necessary in order to reduce the value of the type I error.

В частном примере реализации моделью прогнозирования является нейронная сеть. В еще одном частном примере реализации модель прогнозирования содержит в себе набор моделей, то есть ансамбль, принимающий решение путем усреднения результатов работы отдельных моделей из набора. В еще одном частном примере реализации оптимизируют нейронную сеть с использованием генетических алгоритмов. В другом частном примере реализации выбирают нейронную сеть с использованием одной из метрик качества: NAB-метрика, F1-метрика.In a particular implementation example, the forecasting model is a neural network. In another particular example of implementation, the forecasting model contains a set of models, that is, an ensemble that makes a decision by averaging the results of individual models from the set. In another particular implementation example, a neural network is optimized using genetic algorithms. In another particular implementation example, a neural network is selected using one of the quality metrics: NAB metric, F1 metric.

В еще одном частном примере реализации при расчете общей ошибки прогноза для ошибок каждого признака КФС используют весовые коэффициенты, при этом значение весового коэффициента признака определяется тем, насколько точно прогнозируемы значения данного признака КФС (например, по предыдущим результатам прогнозирования модели). В этом случае в качестве ошибки прогноза могут считать взвешенную ошибку с определенными весовыми коэффициентами.In another particular example of implementation, when calculating the total forecast error for the errors of each CPS feature, weights are used, and the value of the weighting coefficient of the feature is determined by how accurately the values of this CPS feature are predicted (for example, according to the previous model forecasting results). In this case, the weighted error with certain weighting factors can be considered as the forecast error.

В частном примере реализации при формировании обучающей выборки используют техническую документацию КФС (априорная информация, в которой описаны возможные состояния и технические характеристики датчиков и исполнительных механизмов). Это позволит построить более качественную модель за счет использования технической документации КФС для настройки параметров модели (выбор весовых коэффициентов при расчете общей ошибки прогноза, выбор периода наблюдения, изменение порога общей ошибки и пр.).In a particular example of implementation, when forming a training sample, the technical documentation of the FSC is used (a priori information, which describes the possible states and technical characteristics of sensors and actuators). This will make it possible to build a better model by using the technical documentation of the CFS to adjust the parameters of the model (the choice of weight coefficients when calculating the total forecast error, the choice of the observation period, changing the threshold of the total error, etc.).

В другом частном примере реализации могут использовать отчет пользователя (также - оператора, отчет пользователя является апостериорной информацией) для улучшения качества модели или для построения новой модели в будущем за счет использования отчета пользователя для настройки параметров модели.In another particular example, the implementation can use the user report (also - the operator, the user report is a posteriori information) to improve the quality of the model or to build a new model in the future by using the user report to adjust the model parameters.

Значение весового коэффициента признака может быть присвоено средством обучения 211 в зависимости от значимости указанного признака и на основании технической документации КФС или отчета пользователя. Например, если определенный датчик часто выходит из строя или дает ложные показания, ему может быть присвоено низкое значение весового коэффициента или вовсе нулевое, в результате чего его показания не будут влиять на модель прогнозирования и значение порога ошибки для определения аномалии в КФС.The value of the weighting coefficient of the attribute can be assigned by the training tool 211, depending on the significance of the indicated attribute and on the basis of the technical documentation of the FSC or the user's report. For example, if a certain sensor often fails or gives false readings, it can be assigned a low value of the weighting factor or even zero, as a result of which its readings will not affect the prediction model and the value of the error threshold for determining the anomaly in the FSC.

В частном примере реализации строят с использование средства обучения 211 реестр признаков КФС с использованием технической документации КФС или отчета пользователя, при этом реестр содержит, в частности, описание признака, физическую размерность признака, если признак описывает физическую величину объекта КФС, паспортная точность измерения признака, весовой коэффициент признака и наименование объекта, который описывается упомянутым признаком. При этом выполняют построение модели прогнозирования с учетом реестра признаков КФС, используя его для настройки параметров модели.In a particular example of implementation, a register of FSC attributes is built using the training tool 211 using the technical documentation of the FSC or a user report, while the register contains, in particular, a description of the attribute, the physical dimension of the attribute, if the attribute describes the physical size of the CFS object, the passport measurement accuracy of the attribute, the weighting factor of the feature and the name of the object, which is described by the mentioned feature. At the same time, a forecasting model is built taking into account the register of CPS signs, using it to adjust the parameters of the model.

В другом частном примере реализации при построении обучающей выборки не включают в период наблюдения значения признаков КФС в моменты времени, в которые известно, что значения признаков КФС аномальные, в частности, периоды времени в которые проводятся пуско-наладочные или диагностические мероприятия на КФС, периоды времени ручного управления КФС.In another particular example of implementation, when constructing a training sample, the values of the FSC attributes are not included in the observation period at the points in time at which it is known that the values of the FSC attributes are abnormal, in particular, the time periods in which commissioning or diagnostic measures are carried out at the FSC, time periods manual control of the FSC.

В частном примере реализации построение модели прогнозирования средством обучения 211 происходит следующем образом. Вначале выбирают шаблон архитектуры нейронной сети. Например, многослойный перцептрон, сверточную нейронную сеть, рекуррентную нейронную сеть или другие. Далее формируют описание выбранной архитектуры:In a particular example of implementation, the construction of the forecasting model by the training tool 211 occurs as follows. First, a neural network architecture template is selected. For example, multilayer perceptron, convolutional neural network, recurrent neural network, or others. Next, a description of the selected architecture is formed:

• оптимизатор и его параметры;• optimizer and its parameters;

• начальные значения весовых коэффициентов и сдвигов;• initial values of weights and shifts;

• максимальное количество слоев;• maximum number of layers;

• для каждого слоя:• for each layer:

Figure 00000001
список возможных типов слоя, состоящий по меньшей мере из подмножества следующих слоев: Dense, Convolutional, GRU, LSTM, Dropout;
Figure 00000001
a list of possible layer types, consisting of at least a subset of the following layers: Dense, Convolutional, GRU, LSTM, Dropout;

Figure 00000001
функция активации: линейная, ReLU, Tanh, сигмоида, Softmax и др.;
Figure 00000001
activation function: linear, ReLU, Tanh, sigmoid, Softmax, etc .;

Figure 00000001
возможный размер слоя (число нейронов в слое).
Figure 00000001
the possible size of the layer (the number of neurons in the layer).

Затем производят оптимизацию архитектуры нейронной сети с использованием оптимизатора. В частном примере реализации оптимизация архитектуры нейронной сети производится с использованием генетических алгоритмов. Для выбора лучшей архитектуры также используется метрика качества. В частном примере реализации используется одна из следующих метрик качества: NAB-метрика, F1-метрика.Then the neural network architecture is optimized using the optimizer. In a particular implementation example, the neural network architecture is optimized using genetic algorithms. A quality metric is also used to select the best architecture. In a particular implementation example, one of the following quality metrics is used: NAB metric, F1 metric.

На Фиг. 3 представлен способ обучения модели прогнозирования значений признаков кибер-физической системы (КФС) и вычисления порога ошибки для определения аномалии в обладающей определенными характеристиками КФС. На шаге 310 получают исходную выборку, содержащую значения признаков КФС за исторический период наблюдения за КФС. В частном примере реализации в исходной выборке доля аномалий не превышает заданное значение. Затем, на шаге 320 на основании исходной выборки и с учетом характеристик КФС формируют обучающую выборку, включающую значения по меньшей мере одного из упомянутых признаков КФС, за период наблюдения не превосходящий исторический период наблюдения. В частном примере реализации включают в обучающую выборку по меньшей мере один момент времени, в котором произошла аномалия. На шаге 330 выполняют построение модели прогнозирования значений признаков КФС в каждый момент времени окна прогноза по данным значений упомянутых признаков КФС в каждый момент времени входного окна, при этом входное окно и окно прогноза находятся внутри периода наблюдений и выбраны в зависимости от характеристик КФС, а расстояние между входным окном и окном прогноза равно горизонту прогноза, который выбирают в зависимости от характеристик КФС. Затем, на шаге 340 выполняют обучение модели прогнозирования на данных обучающей выборки.FIG. 3 shows a method for training a model for predicting the values of features of a cyber-physical system (CPS) and calculating the error threshold for determining an anomaly in a CPS with certain characteristics. At step 310, an initial sample is obtained containing the values of the FSC features for the historical observation period of the FSC. In a particular example of implementation in the original sample, the proportion of anomalies does not exceed a given value. Then, at step 320, based on the initial sample and taking into account the characteristics of the CPS, a training sample is formed, including the values of at least one of the mentioned CPS signs, for the observation period not exceeding the historical observation period. In a particular example of implementation, the training sample includes at least one point in time at which the anomaly occurs. At step 330, a model is built for predicting the values of the CPS attributes at each time point of the forecast window based on the data of the values of the mentioned CPS attributes at each time point of the input window, while the input window and the forecast window are within the observation period and are selected depending on the characteristics of the CPS, and the distance between the input window and the forecast window is equal to the forecast horizon, which is selected depending on the characteristics of the CPS. Then, at step 340, the prediction model is trained on the training set data.

На шаге 350 с использованием обученной модели прогнозирования выполняют прогнозирование значений признаков КФС в каждый момент времени периода наблюдения. После чего, на шаге 360 определяют общую ошибку прогноза, полученного с использованием построенной модели прогнозирования в каждый момент времени периода наблюдения. На шаге 370 вычисляют порог общей ошибки в зависимости от характеристик КФС, таким образом, что превышение вычисленного порога общей ошибкой прогноза означает аномалию в КФС. Стоит отметить, что частные примеры реализации, раскрытые ранее применительно к системе 201, представленной на Фиг. 2, также применимы и к описанному на Фиг. 3 способу. Например, в одном из частных примеров реализации на шаге 320а получают техническую документацию КФС или отчет пользователя по ранее обнаруженным аномалиям. Затем, на шаге 330а строят с использованием средства обучения 211 реестр признаков КФС с использованием технической документации КФС или отчета пользователя, при этом реестр содержит, в частности, описание признака, физическую размерность признака, если признак описывает физическую величину объекта КФС, паспортная точность измерения признака, весовой коэффициент признака и наименование объекта, который описывается упомянутым признаком, при этом выполняют построение модели прогнозирования (шаг 330) с учетом реестра признаков КФС. Другие частные примеры реализации были перечислены ранее, на Фиг. 2.At step 350, using the trained prediction model, predicting the values of the CPS features at each time point of the observation period is performed. Then, at step 360, the total forecast error obtained using the constructed forecasting model at each point in time of the observation period is determined. At step 370, a total error threshold is calculated depending on the characteristics of the FSC, such that exceeding the calculated threshold by the total prediction error indicates an anomaly in the FSC. It should be noted that particular examples of implementation previously disclosed in relation to the system 201 shown in FIG. 2 are also applicable to that described in FIG. 3 way. For example, in one of the particular examples of implementation, at step 320a, a technical documentation of the FSC or a user report on previously detected anomalies is obtained. Then, at step 330a, using the training tool 211, a register of FSC features is built using the technical documentation of the FSC or a user report, while the register contains, in particular, a description of the feature, the physical dimension of the feature, if the feature describes the physical size of the KPS object, the passport measurement accuracy of the feature , the weighting coefficient of the feature and the name of the object, which is described by the mentioned feature, while building a forecasting model (step 330) taking into account the register of CPS features. Other particular examples of implementation have been listed earlier, in FIG. 2.

На Фиг. 4 представлена система определения источника аномалии в кибер-физической системе. Система определения источника аномалии 220 содержит средство прогнозирования 221 и средство определения аномалии 222. Средство прогнозирования 221 предназначено для получения значений признаков КФС за входное окно, которое определяется обученной моделью прогнозирования, а также выполняет прогнозирование значений признаков КФС на окно прогноза с использованием обученной модели прогнозирования и по данным полученных значений признаков КФС за входное окно. Признаки КФС являются численными характеристиками датчиков, исполнительных механизмов, ПИД-регуляторов. Входное окно и окно прогноза - это заданные в обученной модели прогнозирования интервалы времени, при этом входное окно содержит значения признаков, по значениям которых выполняют прогнозирование значений признаков для окна прогноза. То есть они определяются системой и способом, описанными на Фиг. 2-3. Входное окно и окно прогноза находятся внутри периода наблюдений и выбраны в соответствии с характеристиками КФС. Расстояние между входным и окном прогноза является горизонтом прогноза (например, от конца входного окна до начала окна прогноза), который также зависит от характеристик КФС. Горизонт прогноза может принимать как неотрицательные значения (прогноз на будущее), так и отрицательные значения. В частном примере реализации входное окно и окно прогноза могут пересекаться (горизонт прогноза отрицателен). В другом частном примере реализации входное окно и окно прогноза не пересекаются (горизонт прогноза положителен).FIG. 4 shows a system for determining the source of an anomaly in a cyber-physical system. The system for determining the source of the anomaly 220 comprises a predictor 221 and a means for determining an anomaly 222. The predictor 221 is designed to obtain the values of the CPS attributes for the input window, which is determined by the trained forecasting model, and also predicts the values of the CPS indicators for the forecast window using the trained forecasting model and according to the obtained values of the FSC features for the input window. FSC signs are the numerical characteristics of sensors, actuators, PID controllers. The input window and the forecast window are the time intervals specified in the trained forecasting model, while the input window contains the feature values, which are used to predict the feature values for the forecast window. That is, they are determined by the system and method described in FIG. 2-3. The input window and the forecast window are within the observation period and are selected in accordance with the characteristics of the CPS. The distance between the input and the forecast window is the forecast horizon (for example, from the end of the input window to the beginning of the forecast window), which also depends on the characteristics of the CPS. The forecast horizon can take both non-negative values (forecast for the future) and negative values. In a particular example of implementation, the input window and the forecast window can intersect (the forecast horizon is negative). In another particular example of implementation, the input window and the forecast window do not intersect (the forecast horizon is positive).

Средство определения аномалии 222 предназначено для определения общей ошибки прогноза для признаков КФС для окна прогноза, определения аномалии в КФС при превышении общей ошибкой прогноза порога общей ошибки (то есть порогового значения общей ошибки), а также для определения по меньшей мере одного признака КФС, являющегося источником аномалии, если вклад ошибки прогноза упомянутого по меньшей мере одного признака КФС (из числа всех признаков КФС из упомянутого списка признаков) в общую ошибку прогноза выше, чем вклад других признаков КФС (из числа всех признаков КФС из упомянутого списка признаков) в общую ошибку прогноза. Например, определяют 5 признаков КФС с наибольшей ошибкой прогноза среди всех признаков КФС из упомянутого списка признаков. В частном примере реализации порог общей ошибки является квантилем заданной точности от общей ошибки прогноза, например, на уровне значимости 99%.Anomaly detection tool 222 is designed to determine the total forecast error for the CPS features for the forecast window, determine the anomaly in the CPS when the total forecast error exceeds the total error threshold (that is, the total error threshold value), and also to determine at least one CPS feature, which is the source of the anomaly if the contribution of the forecast error of the mentioned at least one CPS feature (from among all the CPS features from the mentioned list of features) to the total forecast error is higher than the contribution of other CPS features (from all the CPS features from the mentioned list of features) to the total error forecast. For example, 5 CPS features are determined with the largest forecast error among all the CPS features from the mentioned list of features. In a particular implementation example, the common error threshold is a quantile of a given accuracy of the total forecast error, for example, at a 99% significance level.

В частном примере реализации значения признаков КФС поступают в режиме реального времени, поэтому для окна прогноза определяют общую ошибку прогноза спустя время, равное сумме горизонта прогноза и входного окна, то есть когда будут получены реальные значения признаков КФС в каждый момент времени окна прогноза.In a particular example of implementation, the values of the CPS attributes are received in real time, therefore, for the forecast window, the total forecast error is determined after a time equal to the sum of the forecast horizon and the input window, that is, when the real values of the CPS attributes are obtained at each time of the forecast window.

В другом частном случае, если значения признаков КФС содержатся в исходной выборке за исторический период наблюдения (то есть за весь период времени, в течение которого проводилось наблюдение), для окна прогноза определяют общую ошибку прогноза по данным исходной выборки за исторический период наблюдения.In another special case, if the values of the CPS features are contained in the initial sample for the historical observation period (that is, for the entire period of time during which the observation was carried out), the total forecast error is determined for the forecast window based on the data of the initial sample for the historical observation period.

В частном примере реализации признаки КФС включают по меньшей мере один из: измерение датчика (технологический параметр датчика); управляемый параметр исполнительного механизма; уставку исполнительного механизма; входные сигналы или выходной сигнал ПИД-регулятора.In a particular implementation example, the FSC features include at least one of: sensor measurement (sensor technological parameter); controlled parameter of the actuator; setting of the actuator; input signals or output signal of the PID controller.

В частном примере реализации кибер-физическая система обладает по меньшей мере одной из следующих характеристик:In a particular implementation example, a cyber-physical system has at least one of the following characteristics:

• отраслью производства, в которой функционирует кибер-физическая система;• the industry in which the cyber-physical system operates;

• типами процессов, которые описывают параметры КФС, в частности, один из: непрерывный, конвейерный, циклический;• types of processes that describe the parameters of the CPS, in particular, one of: continuous, conveyor, cyclic;

• наличием сезонности и/или трендов в признаках КФС;• the presence of seasonality and / or trends in the signs of the FSC;

• инертностью процессов КФС;• inertness of FSC processes;

• временем реакции КФС на изменения, происходящие в КФС и во внешней среде;• time of the FSC reaction to changes in the FSC and in the external environment;

• уровнем опасности производства для персонала и экологии;• the level of danger of production for personnel and the environment;

• стоимостью простоя технологический процессов из-за нештатных ситуаций;• cost of downtime of technological processes due to abnormal situations;

• типом управления, в частности, выполненный с использованием ПИД-регуляторов, конечных автоматов или комбинированным способом;• type of control, in particular, performed using PID controllers, state machines or a combined method;

• типом субъекта управления, который характеризуется по меньшей мере одним признаком, при этом тип субъекта управления является одним из: датчиком, исполнительный механизмом или ПИД-регулятором;• the type of the subject of control, which is characterized by at least one feature, while the type of the subject of control is one of: a sensor, an actuator or a PID controller;

• данными самодиагностики КФС;• data of self-diagnostics of FSC;

• статусом исправности субъекта управления;• health status of the subject of management;

• взаимосвязью субъектов управления на уровне техпроцесса.• the interconnection of the subjects of management at the level of the technical process.

В частном примере реализации моделью прогнозирования является нейронная сеть. В еще одном частном примере реализации модель прогнозирования содержит в себе набор моделей, то есть ансамбль - принимающий решение путем усреднения результатов работы отдельных моделей из набора. В еще одном частном примере реализации оптимизируют нейронную сеть с использованием генетических алгоритмов. В другом частном примере реализации выбирают нейронную сеть с использованием одной из метрик качества: NAB-метрика, F1 -метрика.In a particular implementation example, the forecasting model is a neural network. In another particular example of implementation, the forecasting model contains a set of models, that is, an ensemble that makes a decision by averaging the results of individual models from the set. In another particular implementation example, a neural network is optimized using genetic algorithms. In another particular implementation example, a neural network is selected using one of the quality metrics: NAB metric, F1 metric.

В еще одном частном примере реализации при расчете общей ошибки прогноза для ошибок каждого признака КФС используют весовые коэффициенты, при этом:In another particular example of implementation, when calculating the total forecast error for the errors of each CPS feature, weights are used, while:

а) присваивают низкое значение весовому коэффициенту для признака, если субъект управления, характеризующийся этим признаком, предоставляет данные с шумами, или невалидные данные или периодически отключается пользователем КФС;a) assign a low value to the weighting factor for the feature if the subject of management, characterized by this feature, provides data with noisy, or invalid data, or is periodically disabled by the user of the FSC;

б) присваивают низкое значение весовому коэффициенту для признака, в котором возникновение аномалии не влияет на работу КФС, и высокое значение весовому коэффициенту для признака, в котором возникновение аномалии влияет на работу КФС.b) assign a low value to the weighting factor for a feature in which the occurrence of an anomaly does not affect the operation of the FSC, and a high value to the weighting factor for a feature in which the occurrence of an anomaly affects the operation of the FSC.

В одном частном примере реализации применяют экспоненциальное сглаживание к общей ошибке прогноза. Это необходимо, чтобы снизить ошибку первого рода.In one particular implementation, exponential smoothing is applied to the overall prediction error. This is necessary to reduce the Type I error.

В другом частном примере реализации при расчете общей ошибки прогноза для ошибок каждого признака КФС используют весовые коэффициенты, при этом значение весового коэффициента признака определяется тем, насколько точно прогнозируемы значения данного признака КФС. В этом случае в качестве ошибки прогноза могут считать взвешенную с определенными весовыми коэффициентами ошибку.In another particular example of implementation, when calculating the total forecast error for the errors of each CPS attribute, weighting coefficients are used, and the value of the weighting coefficient of the attribute is determined by how accurately the values of this CPS attribute are predicted. In this case, the error weighted with certain weighting factors can be considered as the forecast error.

В еще одном частном примере реализации получают техническую документацию КФС или отчет пользователя по ранее обнаруженным обученной системой аномалиям, при этом весовой коэффициент признака выбирают с помощью средства обучения 211 в зависимости от значимости указанного признака и на основании технической документации КФС или отчета пользователя.In another particular example of implementation, the technical documentation of the FSC or the user's report on the anomalies previously detected by the trained system is obtained, while the weight of the feature is selected using the training tool 211 depending on the significance of the specified attribute and on the basis of the technical documentation of the FSC or the user's report.

На Фиг. 5 представлен пример способа определения источника аномалии в кибер-физической системе, обладающей определенными характеристиками. На шаге 510 получают значения признаков КФС за входное окно, которое определяется обученной моделью прогнозирования (использующейся в системе и способе, которые представлены на Фиг. 3-4). Затем на шаге 520 с использованием обученной модели прогнозирования и по данным полученных значений признаков КФС за входное окно выполняют прогнозирование значений признаков КФС за окно прогноза. После чего на шаге 530 для окна прогноза определяют общую ошибку прогноза для признаков КФС и, при превышении общей ошибкой прогноза порога общей ошибки на шаге 540 определяют аномалию в КФС. В итоге на шаге 550 определяют по меньшей мере один признак КФС, являющийся источником аномалии, если вклад ошибки прогноза упомянутого по меньшей мере одного признака КФС в общую ошибку прогноза выше чем вклад других признаков КФС в общую ошибку прогноза. Например, определяют 5 признаков КФС с наибольшей ошибкой прогноза среди всех признаков КФС из упомянутого списка признаков.FIG. 5 shows an example of a method for determining the source of an anomaly in a cyber-physical system with certain characteristics. At step 510, the values of the FSC features are obtained for the input window, which is determined by the trained prediction model (used in the system and method, which are presented in Fig. 3-4). Then, at step 520, using the trained forecasting model and according to the data of the obtained values of the FSC attributes for the input window, the values of the FSC attributes for the forecast window are predicted. Then, at step 530, for the forecast window, the total forecast error for the CFC features is determined and, if the total forecast error exceeds the total error threshold, at step 540, an anomaly in the CFC is determined. As a result, at step 550, at least one CFC feature is determined, which is the source of the anomaly, if the contribution of the forecast error of the mentioned at least one CFC feature to the total forecast error is higher than the contribution of other CFC features to the total forecast error. For example, 5 CPS features are determined with the largest forecast error among all the CPS features from the mentioned list of features.

В частном примере реализации значения признаков КФС поступают в режиме реального времени, поэтому для окна прогноза определяют общую ошибку прогноза спустя время, равное сумме горизонта прогноза и входного окна, то есть когда будут получены реальные значения признаков КФС в каждый момент времени окна прогноза.In a particular example of implementation, the values of the CPS attributes are received in real time, therefore, for the forecast window, the total forecast error is determined after a time equal to the sum of the forecast horizon and the input window, that is, when the real values of the CPS attributes are obtained at each time of the forecast window.

В другом частном случае, если значения признаков КФС содержатся в исходной выборке за исторический период наблюдения, для окна прогноза определяют общую ошибку прогноза по данным исходной выборки за исторический период наблюдения.In another particular case, if the values of the CPS attributes are contained in the initial sample for the historical observation period, the total forecast error is determined for the forecast window based on the data of the initial sample for the historical observation period.

В частном примере реализации признаки КФС включают по меньшей мере один из: измерение датчика (технологический параметр датчика); управляемый параметр исполнительного механизма; уставка исполнительного механизма; входные сигналы или выходной сигнал ПИД-регулятора.In a particular implementation example, the FSC features include at least one of: sensor measurement (sensor technological parameter); controlled parameter of the actuator; setting of the actuator; input signals or output signal of the PID controller.

В частном примере реализации кибер-физическая система обладает по меньшей мере одной из следующих характеристик:In a particular implementation example, a cyber-physical system has at least one of the following characteristics:

• отраслью производства, в которой функционирует кибер-физическая система;• the industry in which the cyber-physical system operates;

• типами процессов, которые описывают параметры КФС, в частности, один из: непрерывный, конвейерный, циклический;• types of processes that describe the parameters of the CPS, in particular, one of: continuous, conveyor, cyclic;

• наличием сезонности и/или трендов в признаках КФС;• the presence of seasonality and / or trends in the signs of the FSC;

• инертностью процессов КФС;• inertness of FSC processes;

• временем реакции КФС на изменения, происходящие в КФС и во внешней среде;• time of the FSC reaction to changes in the FSC and in the external environment;

• уровнем опасности производства для персонала и экологии;• the level of danger of production for personnel and the environment;

• стоимостью простоя технологических процессов из-за нештатных ситуаций;• cost of downtime of technological processes due to abnormal situations;

• типом управления, в частности, выполненный с использованием ПИД-регуляторов, конечных автоматов или комбинированным способом;• type of control, in particular, performed using PID controllers, state machines or a combined method;

• типом субъекта управления, который характеризуется по меньшей мере одним признаком, при этом тип субъекта управления является одним из: датчиком, исполнительный механизмом или ПИД-регулятором;• the type of the subject of control, which is characterized by at least one feature, while the type of the subject of control is one of: a sensor, an actuator or a PID controller;

• данными самодиагностики КФС;• data of self-diagnostics of FSC;

• статусом исправности субъекта управления;• health status of the subject of management;

• взаимосвязью субъектов управления на уровне техпроцесса.• the interconnection of the subjects of management at the level of the technical process.

В частном примере реализации моделью прогнозирования является нейронная сеть. В еще одном частном примере реализации модель прогнозирования содержит в себе набор моделей, то есть ансамбль - принимающий решение путем усреднения результатов работы отдельных моделей из набора. В еще одном частном примере реализации оптимизируют нейронную сеть с использованием генетических алгоритмов. В другом частном примере реализации выбирают нейронную сеть с использованием одной из метрик качества: NAB-метрика, F1-метрика.In a particular implementation example, the forecasting model is a neural network. In another particular example of implementation, the forecasting model contains a set of models, that is, an ensemble that makes a decision by averaging the results of individual models from the set. In another particular implementation example, a neural network is optimized using genetic algorithms. In another particular implementation example, a neural network is selected using one of the quality metrics: NAB metric, F1 metric.

В еще одном частном примере реализации при расчете общей ошибки прогноза для ошибок каждого признака КФС используют весовые коэффициенты, при этом:In another particular example of implementation, when calculating the total forecast error for the errors of each CPS feature, weights are used, while:

а) присваивают низкое значение весовому коэффициенту для признака, если субъект управления, характеризующийся этим признаком, предоставляет данные с шумами, или невалидные данные или периодически отключается пользователем КФС;a) assign a low value to the weighting factor for the feature if the subject of management, characterized by this feature, provides data with noisy, or invalid data, or is periodically disabled by the user of the FSC;

б) присваивают низкое значение весовому коэффициенту для признака, в котором возникновение аномалии не влияет на работу КФС, и высокое значение весовому коэффициенту для признака, в котором возникновение аномалии влияет на работу КФС.b) assign a low value to the weighting factor for a feature in which the occurrence of an anomaly does not affect the operation of the FSC, and a high value to the weighting factor for a feature in which the occurrence of an anomaly affects the operation of the FSC.

В одном частном примере реализации применяют экспоненциальное сглаживание к общей ошибке прогноза. Это необходимо, чтобы снизить ошибку первого рода.In one particular implementation, exponential smoothing is applied to the overall prediction error. This is necessary to reduce the Type I error.

В одном частном примере реализации при расчете общей ошибки прогноза для ошибок каждого признака КФС используют весовые коэффициенты, при этом значение весового коэффициента признака определяется тем, насколько точно прогнозируемы значения данного признака КФС. В этом случае в качестве ошибки прогноза могут считать взвешенную с определенными весовыми коэффициентами ошибку.In one particular implementation example, when calculating the total forecast error for the errors of each FSC attribute, weighting coefficients are used, and the value of the weighting coefficient of the attribute is determined by how accurately the values of this FSC attribute are predictable. In this case, the error weighted with certain weighting factors can be considered as the forecast error.

В еще одном частном примере реализации получают техническую документацию КФС или отчет пользователя по ранее обнаруженным обученной системой аномалиям, при этом весовой коэффициент признака выбирают с помощью средства обучения 211 в зависимости от значимости указанного признака и на основании технической документации КФС или отчета пользователя.In another particular example of implementation, the technical documentation of the FSC or the user's report on the anomalies previously detected by the trained system is obtained, while the weight of the feature is selected using the training tool 211 depending on the significance of the specified attribute and on the basis of the technical documentation of the FSC or the user's report.

Ниже рассматривается пример работы описанных систем и способов по Фиг. 2-5. После получения исходной выборки, содержащей значения признаков КФС за исторический период наблюдения за КФС - Т0, формируют обучающую выборку - за период наблюдения Т1⊆Т0 (то есть период наблюдения Т1 является подмножеством Т0). Обучающая выборка состоит из m признаков КФС в каждый момент времени наблюдения xt (вектор значений признаков КФС) периода наблюдения Т1:An example of the operation of the described systems and methods of FIG. 2-5. After receiving the initial sample containing the values of the CPS features for the historical observation period of the CPS - T 0 , a training sample is formed - for the observation period T 1 ⊆T 0 (that is, the observation period T 1 is a subset of T 0 ). The training set consists of m CPS features at each observation time point x t (vector of CPS feature values) of the observation period T 1 :

Figure 00000002
Figure 00000002

t≥0 - время, а m>0 - число признаков.t≥0 is time, and m> 0 is the number of features.

Входное окно времени для упомянутых признаков - L (так, что длина окна положительна), h - горизонт прогноза,

Figure 00000003
- окно прогноза (так, что длина окна положительна), т.е. период времени, на который прогнозируют значения признаков по данным значений признаков за период времени L. При этом L,
Figure 00000004
.The input time window for the mentioned features is L (so that the window length is positive), h is the forecast horizon,
Figure 00000003
- forecast window (so that the window length is positive), i.e. the period of time for which the values of the characteristics are predicted according to the data of the values of the characteristics for the period L.
Figure 00000004
...

На Фиг. 6 представлен пример зависимости значений одного признака от времени, а также обозначены входное окно L, окно прогноза

Figure 00000005
и горизонт прогноза h. В общем случае, входное окно L и окно прогноза
Figure 00000006
могут как пересекаться, так и не пересекаться. Применительно к представленному примеру далее рассматривается работа системы и способа обучения модели прогнозирования значений признаков КФС и вычисления порога ошибки R для определения аномалии и обладающей определенными характеристиками КФС по Фиг. 2-3. Обучающая выборка, сформированная на основании исходной выборки и с учетом характеристик КФС, включает значения признаков КФС за период наблюдения (например, весь интервал с 16:00 до 16:08). С использованием обучающей выборки выполняют построение модели прогнозирования значений параметров КФС, в каждый момент времени окна прогноза
Figure 00000007
по данным значений признаков КФС в каждый момент времени входного окна L. Входное окно L и окно прогноза
Figure 00000007
находятся внутри периода наблюдения и выбираются в зависимости от характеристик КФС. Горизонт прогноза h также выбирают в зависимости от характеристик КФС. Прогнозные значения признаков вычисляются по формуле:FIG. 6 shows an example of the dependence of the values of one feature on time, as well as the input window L, the forecast window
Figure 00000005
and forecast horizon h. In general, the input window L and the forecast window
Figure 00000006
may or may not intersect. With regard to the presented example, the operation of the system and the method of training the predictive model of the values of the CPS attributes and calculating the error threshold R to determine the anomaly and having certain characteristics of the CPS according to FIG. 2-3. The training sample, formed on the basis of the initial sample and taking into account the characteristics of the CPS, includes the values of the CPS signs for the observation period (for example, the entire interval from 16:00 to 16:08). Using the training sample, a model for predicting the values of the CPS parameters is built, at each time point of the forecast window
Figure 00000007
according to the values of the CPS attributes at each time point of the input window L. The input window L and the forecast window
Figure 00000007
are within the observation period and are selected depending on the characteristics of the CPS. The forecast horizon h is also chosen depending on the characteristics of the CPS. The predicted values of the characteristics are calculated using the formula:

Figure 00000008
Figure 00000008

F(⋅) - модель прогнозирования.F (⋅) - forecasting model.

Обучение модели прогнозирования происходит на данных всей обучающей выборки. Затем выполняют прогнозирование значений признаков КФС в каждый момент времени периода наблюдения. Это может происходить путем передвижения входного окна и горизонта прогноза таким образом, чтобы в конечном итоге получить прогнозные значения признаков КФС в каждый момент времени периода наблюдения. После чего определяют общую ошибку прогноза для параметров КФС в каждый момент времени окна прогноза. В частном примере реализации общая ошибка прогноза в момент времени t является средней ошибкой:The forecasting model is trained on the data of the entire training set. Then predict the values of the FSC attributes at each time point of the observation period. This can be done by moving the input window and the forecast horizon in such a way as to ultimately obtain the predicted values of the CPS attributes at each time point of the observation period. After that, the total forecast error for the CPS parameters is determined at each time point of the forecast window. In a particular example of implementation, the total forecast error at time t is the average error:

Figure 00000009
Figure 00000009

Разница

Figure 00000010
может быть определена как ошибка прогноза признака с номером
Figure 00000011
в момент времени t≥0. В еще одном частном примере реализации порог общей ошибки прогноза R может быть вычислен как квантиль заданной точности от общей ошибки прогноза
Figure 00000012
(например, квантиль порядка 0,95). Таким образом, аномалия возникнет при
Figure 00000013
. Кроме того, к общей ошибке прогноза может быть применено экспоненциальное сглаживание.Difference
Figure 00000010
can be defined as a forecast error for characteristic number
Figure 00000011
at time t≥0. In another particular example of implementation, the threshold of the total forecast error R can be calculated as a quantile of a given accuracy of the total forecast error
Figure 00000012
(for example, the quantile is of the order of 0.95). Thus, an anomaly occurs when
Figure 00000013
... In addition, exponential smoothing can be applied to the overall forecast error.

Применительно к представленному примеру далее рассматривается работа системы и способа определения источника аномалии в КФС, обладающей определенными характеристиками по Фиг. 4-5. В зависимости от примера реализации значения признаков КФС поступают либо в режиме реального времени для определения источника аномалии в КФС в текущий момент времени, либо за исторический период наблюдения для ретроспективного определения источника аномалии в КФС. Для иллюстрации далее рассматривается пример реализации, в котором значения признаков КФС поступают в режиме реального времени. Таким образом, значения признаков КФС поступают за входное окно L (которое определяется обученной моделью прогнозирования, см. Фиг. 2-3). Затем с использованием обученной модели прогнозирования и по данным полученных значений признаков КФС за входное окно L выполняют прогнозирование значений признаков КФС на окно прогноза

Figure 00000014
. Для окна прогноза определяют общую ошибку прогноза для признаков КФС и при превышении общей ошибкой прогноза порога общей ошибки, определяют аномалию в КФС. После чего определяют по меньшей мере один признак КФС, являющийся источником аномалии, если вклад этого признака КФС в общую ошибку прогноза выше чем вклад других признаков КФС в общую ошибку прогноза.With reference to the presented example, the operation of a system and a method for determining the source of an anomaly in a CPS having certain characteristics according to FIG. 4-5. Depending on the implementation example, the values of the FSC signs are received either in real time to determine the source of the anomaly in the FSC at the current time, or for the historical observation period for retrospective determination of the source of the anomaly in the FSC. For illustration, an example of an implementation is considered below, in which the values of the CPS features are received in real time. Thus, the values of the CPS features come out of the input window L (which is determined by the trained forecasting model, see Figs. 2-3). Then, using the trained forecasting model and according to the obtained values of the CPS features for the input window L, the values of the CPS features are predicted for the forecast window
Figure 00000014
... For the forecast window, the general forecast error for the CPS signs is determined, and when the total forecast error exceeds the total error threshold, the anomaly in the CPS is determined. After that, at least one CPS indicator is determined, which is the source of the anomaly, if the contribution of this CPS indicator to the total forecast error is higher than the contribution of other CPS indicators to the total forecast error.

На Фиг. 7 представлены примеры зависимостей значений признаков, значений прогнозов признаков и общей ошибки прогноза от времени в окрестности времени момента возникновения аномалии. На первых двух графиках представлена динамика изменения значений признаков, т.е. реальных значений, полученных от соответствующих субъектов управления (датчики, исполнительные механизмы и ПИД-регуляторы), а также динамика их прогнозных значений, полученных с использованием систем и способов, описанных на Фиг. 2-5. На нижнем графике представлена динамика общей ошибки прогноза (для обоих признаков) и момент превышения ею порога общей ошибки, что означает возникновение аномалии.FIG. 7 shows examples of dependencies of feature values, feature prediction values and general forecast error on time in the vicinity of the time of the anomaly occurrence. The first two graphs show the dynamics of changes in the values of features, i.e. real values obtained from the respective control subjects (sensors, actuators and PID controllers), as well as the dynamics of their predicted values obtained using the systems and methods described in FIG. 2-5. The lower graph shows the dynamics of the total forecast error (for both signs) and the moment it exceeds the total error threshold, which means the occurrence of an anomaly.

В одном частном примере реализации применяют экспоненциальное сглаживание к общей ошибке прогноза. Это необходимо, чтобы снизить ошибку первого рода.In one particular implementation, exponential smoothing is applied to the overall prediction error. This is necessary to reduce the Type I error.

На Фиг. 8 представлен пример динамики общей ошибки прогноза до сглаживания и после сглаживания. Из графика видно, что в первом случае с помощью системы и способа по Фиг. 4-5 средство определения аномалии 222 определило бы аномалию из-за превышения общей ошибкой порога общей ошибки, а во втором случае аномалию не определяют, что в большей мере соответствует действительности ввиду снижения кратковременных отклонений ошибки. То есть сглаживание общей ошибки прогноза позволяет снизить возможность многократного определения одной аномалии, а также шумы в упомянутой ошибке. После обнаружения аномалии определяют признаки КФС, являющиеся источником аномалии, с наибольшим вкладом в общую ошибку прогноза.FIG. 8 shows an example of the dynamics of the total forecast error before smoothing and after smoothing. The graph shows that in the first case, using the system and method according to FIG. 4-5, the anomaly detection means 222 would determine the anomaly due to the total error exceeding the total error threshold, and in the second case, the anomaly is not determined, which is more true due to the reduction of short-term error deviations. That is, the smoothing of the general forecast error makes it possible to reduce the possibility of multiple detection of one anomaly, as well as noise in the mentioned error. After detecting the anomaly, the CPS signs are determined, which are the source of the anomaly, with the greatest contribution to the overall forecast error.

В частном примере реализации в качестве общей ошибки прогноза может быть использована средняя ошибка степени р>0 (например, среднеквадратическая ошибка). В еще одном частном примере реализации общая ошибка прогноза может быть взвешенной средней ошибкой степени р.In a particular example of implementation, the mean error of degree p> 0 (for example, the root-mean-square error) can be used as the general forecast error. In another particular implementation example, the total forecast error can be a weighted mean error of degree p.

В частном примере реализации в системе и способе, описанным на Фиг. 4-5, при определении аномалии, пользователю (оператору) КФС может быть отображена сопутствующая информация об обнаруженной аномалии. Например, графики изменения значений параметров в период, охватывающий момент времени обнаружения аномалии. Кроме того, на графике могут быть отображены прогнозные значения параметров, порог общей ошибки и порог ошибки соответствующего параметра, а также указание на момент времени обнаружения аномалии и на параметры, являющиеся источниками аномалии. После дополнительного анализа, пользователь КФС может подтвердить или опровергнуть обнаружение аномалии, параметров, являющихся источником аномалии. Это позволит снизить ошибку первого рода и повысить точность определения аномалий и идентификации параметров, являющихся источником данной аномалии. Более подробно система формирования данных для мониторинга кибер-физической системы с целью раннего определения аномалий в системе графического интерфейса пользователя (ГИП) будет представлена далее, на Фиг. 9.In a particular example of implementation in the system and method described in FIG. 4-5, when detecting an anomaly, the user (operator) of the FSC can be displayed related information about the detected anomaly. For example, graphs of changes in parameter values in a period covering the time point of anomaly detection. In addition, the graph can display the predicted values of the parameters, the total error threshold and the error threshold of the corresponding parameter, as well as an indication at the time of detection of the anomaly and the parameters that are the sources of the anomaly. After additional analysis, the user of the FSC can confirm or deny the detection of the anomaly, the parameters that are the source of the anomaly. This will reduce the error of the first kind and improve the accuracy of determining anomalies and identifying the parameters that are the source of this anomaly. In more detail, a data generation system for monitoring a cyber-physical system for the purpose of early detection of anomalies in a graphical user interface (GUI) system will be presented below, in Fig. nine.

На Фиг. 9 представлена система формирования данных для мониторинга кибер-физической системы с целью раннего определения аномалий в системе графического интерфейса пользователя (далее - система графического интерфейса пользователя, сокр. ГИП). Система ГИП содержит по меньшей мере один элемент ГИП для выбора признака 910, содержащий, в частности, список признаков кибер-физической системы (далее - список признаков), и предназначенный для приема информации о выбранном пользователем (также - оператором) КФС по меньшей мере одном признаке КФС из упомянутого списка признаков. Выбор списка признаков осуществляется с использованием ГИП для выбора списка признаков 911. Кроме того, по меньшей мере один элемент ГИП для выбора периода времени 920 предназначен для приема информации о выбранном пользователем периоде времени для мониторинга за выбранными признаками КФС. Система также содержит средство прогнозирования 221, предназначенное для формирования прогноза для признаков КФС за указанный период времени мониторинга и средство определения аномалии 222, предназначенное для формирования общей ошибки прогноза для выбранных признаков КФС и ошибки прогноза для каждого из выбранных признаков КФС за указанный период времени мониторинга. При этом средство прогнозирования 221 и средство определения аномалии 222 могут функционировать согласно описанным ранее системе и способу по Фиг. 4-5 и в соответствующих частных вариантах реализации. Кроме того, к системе ГИП также применимы варианты реализации, описанные к Фиг. 2-5.FIG. 9 shows a data generation system for monitoring a cyber-physical system for the purpose of early detection of anomalies in the graphical user interface system (hereinafter referred to as the graphical user interface system, abbreviated GUI). The GUI system contains at least one GUI element for selecting a feature 910, containing, in particular, a list of features of a cyber-physical system (hereinafter referred to as a list of features), and designed to receive information about the selected user (also - operator) FSC at least one the FSC sign from the mentioned list of signs. Feature list selection is performed using the GUI to select feature list 911. In addition, at least one GUI element for time period selection 920 is configured to receive information about a user-selected time period for monitoring selected CFC features. The system also contains a predictor 221 designed to generate a forecast for the CPS signs for a specified monitoring time period and an anomaly detection tool 222 designed to generate a general forecast error for the selected CPS signs and a forecast error for each of the selected CPS signs for a specified monitoring time period. Meanwhile, the predicting means 221 and the anomaly detecting means 222 may operate according to the previously described system and method of FIG. 4-5 and in the corresponding private implementations. In addition, the embodiments described with respect to FIGS are also applicable to the GUI system. 2-5.

По меньшей мере один элемент ГИП для формирования графиков 930 предназначен для формирования за указанный период времени мониторинга для значений данных, сформированных средством прогнозирования 221 и средством определения аномалий 222. В частном примере реализации, упомянутые значения данных включают, в частности следующие:At least one GUI element for generating graphs 930 is intended to generate, over a specified period of time, monitoring for the data values generated by the prediction means 221 and the anomaly detection means 222. In a particular embodiment, said data values include, in particular, the following:

• каждого выбранного признака КФС;• each selected attribute of the FSC;

• прогноза для каждого выбранного признака КФС;• forecast for each selected CPS attribute;

• общей ошибки прогноза для признаков КФС;• general forecast error for CPS signs;

• ошибки прогноза для каждого выбранного признака КФС;• forecast errors for each selected CPS attribute;

• порога общей ошибки прогноза.• the threshold of the total forecast error.

Средство определения аномалии 222 дополнительно предназначено для определения аномалии в КФС при превышении общей ошибкой прогноза порога общей ошибки, при этом элемент ГИП для формирования графиков 930 дополнительно предназначен для формирования данных об аномалии в КФС и формирования графика значений по меньшей мере для одного из всех признаков КФС (то есть из упомянутого ранее списка признаков), если вклад ошибки прогноза упомянутого по меньшей мере одного признака КФС в общую ошибку прогноза выше чем вклад по меньшей мере одного другого признака КФС (также из числа всех признаков КФС из списка признаков) в общую ошибку прогноза.The means for determining anomaly 222 is additionally designed to determine an anomaly in the CPS when the total forecast error exceeds the threshold of the total error, while the GUI element for generating graphs 930 is additionally designed to generate data on the anomaly in the CPS and generate a graph of values for at least one of all signs of the CPS (that is, from the previously mentioned list of features), if the contribution of the forecast error of the mentioned at least one CPS feature to the total forecast error is higher than the contribution of at least one other CPS feature (also from among all the CPS features from the feature list) to the total forecast error ...

На Фиг. 9 и на Фиг. 10а-10б также представлен иллюстративный пример работы описанной системы. А именно, с использованием элемента ГИП для выбора признака 910 пользователем выбраны признаки, для которых сформированы (построены) графики с использованием ГИП для формирования графиков 930 за указанный период времени мониторинга 920.FIG. 9 and FIG. 10a-10b also provide an illustrative example of the operation of the described system. Namely, using the GUI element to select the feature 910 by the user, the features are selected for which the graphs are generated (built) using the GUI to generate the graphs 930 for the specified monitoring time period 920.

Например, на Фиг. 10а верхние два графика являются графиками реальных значений и прогнозных значений для выбранных признаков («A_feed_stream1» и «A_reactor_feed»). На нижнем третьем графике представлена общая ошибка прогноза для всех признаков КФС (то есть вычисленная на основании реальных и прогнозных значений всех признаков КФС из упомянутого списка признаков) и порог общей ошибки прогноза (горизонтальная линия). При этом, также отображен момент возникновения аномалии в КФС (вертикальная пунктирная линия по центру на каждом из графиков), - момент времени, когда общая ошибка прогноза превышает порог общей ошибки. Т.к. общая ошибка прогноза складывается из ошибок прогноза признаков, то ошибка прогноза каждого признака может быть незначительной, в то время как общая ошибка прогноза может превышать порог общей ошибки, в результате чего возникнет аномалия. Поэтому такую аномалию проблематично обнаружить пользователю КФС. Однако использование заявленной на Фиг. 9 системы позволяет упросить этот процесс, а именно определить момент возникновения аномалии и сформировать графики значений признаков КФС и прогнозных значений упомянутых признаков (с последующем предоставлением их пользователю). Упомянутые графики, сформированные ГИП для формирования графиков 930, могут быть сформированы (и отображены пользователю) как для выбранных пользователем признаков, так и для признаков (из числа всех признаков КФС) из упомянутого списка признаков, у которых наибольшая ошибка прогноза (то есть вклад в общую ошибку прогноза у этих признаков выше, чем вклад других выбранных признаков). Именно такие признаки являются наиболее вероятными источниками аномалии.For example, in FIG. 10a, the top two plots are plots of real values and predicted values for the selected features ("A_feed_stream1" and "A_reactor_feed"). The lower third graph shows the total forecast error for all CPS features (that is, calculated based on the real and predicted values of all CPS features from the mentioned list of features) and the total forecast error threshold (horizontal line). At the same time, the moment of occurrence of the anomaly in the FSC is also displayed (vertical dashed line in the center on each of the graphs), - the moment in time when the total forecast error exceeds the threshold of the total error. Because the total forecast error is the sum of the forecast errors of features, then the forecast error of each feature may be insignificant, while the total forecast error may exceed the threshold of the general error, resulting in an anomaly. Therefore, such an anomaly is problematic for the user of the CFS. However, the use of the FIG. 9 of the system makes it possible to simplify this process, namely, to determine the moment of occurrence of the anomaly and generate graphs of the values of the CPS attributes and the predicted values of the mentioned attributes (with their subsequent provision to the user). The mentioned plots, generated by the GUI for the formation of plots 930, can be generated (and displayed to the user) both for the features selected by the user and for the features (from among all the CPS features) from the mentioned list of features that have the largest forecast error (that is, the contribution to the overall prediction error for these features is higher than the contribution of the other selected features). It is these signs that are the most likely sources of the anomaly.

В частном примере реализации описанная на Фиг. 9 система ГИП дополнительно содержит элемент ГИП для выбора режима отображения 940, предназначенный для приема информации о выбранном пользователем режиме мониторинга за выбранными признаками КФС: в режиме реального времени, в режиме кодирование-декодирование, при этом если выбран режим реального времени, упомянутый элемент ГИП для формирования графиков 930 формирует графики упомянутых значений в текущий момент времени, (см. Фиг. 10а-10в).In a particular example of the implementation described in FIG. 9, the GUI system additionally contains a GUI element for selecting the display mode 940, designed to receive information about the monitoring mode selected by the user for the selected CPS features: in real time, in the encoding-decoding mode, while if the real-time mode is selected, the said GUI element for generating graphs 930 generates graphs of these values at the current time, (see Fig. 10a-10c).

Описанная система также содержит элемент ГИП для формирования ошибки прогноза признака 921, предназначенный для приема информации о выбранном пользователем режиме формирования или не формирования ошибки прогноза для выбранных признаков в элемент ГИП для формирования графиков 930. В данном примере среднеквадратичную ошибку (англ. - mean squared error, MSE). Например, на Фиг. 10а и Фиг. 10в не выбрано отображение ошибки прогноза признака. В то же время на Фиг. 10б выбрано отображение ошибки прогноза признака - в результате такого выбора, в элемент ГИП для формирования графиков 930, после графика для каждого признака отображается график для ошибки прогноза этого признака. Например, первый график для признака «A_feed_stream1», второй график содержит ошибку прогноза этого признака. Самый нижний график отображает общую ошибку прогноза для признаков.The described system also contains a GUI element for generating the forecast error of feature 921, designed to receive information about the user-selected mode of formation or not to generate a forecast error for the selected features into the GUI element to generate graphs 930. In this example, the mean squared error , MSE). For example, in FIG. 10a and FIG. 10c, the display of the characteristic forecast error is not selected. At the same time, in FIG. 10b, the display of the forecast error of the attribute is selected - as a result of this choice, in the GUI element for generating graphs 930, after the graph for each attribute, a graph is displayed for the forecast error of this attribute. For example, the first schedule is for characteristic "A_feed_stream1", the second schedule contains a forecast error for this characteristic. The bottom-most graph displays the overall forecast error for the features.

Элемент ГИП для выбора порядка отображения 922 предназначен для приема информации о выбранном пользователем способе сортировки и отображения выбранных признаков на элемент ГИП для формирования графиков 930. Например, может быть выбран режим сортировки (англ. sorted tags, выбран на Фиг. 10а-10б), когда графики значений признаков будут отсортированы по наибольшей ошибке прогноза - от наибольшей ошибки прогноза для признака на первом графике до наименьшей ошибки прогноза для признака на последнем графике. Данный режим отображения может являться режимом отображения, выбранным по умолчанию. И позволяет системе автоматически формировать и предоставлять пользователю КФС информацию о наиболее вероятном месте возникновения аномалии и нарушении ТП. Может быть также выбран режим отображения в том порядке, в котором выбранные признаки содержатся в упомянутом ранее списке признаков КФС (выбран на Фиг. 10в).The GUI element for selecting the display order 922 is intended to receive information about the user-selected sorting method and display the selected features on the GUI element to generate graphs 930. For example, the sorting mode (English sorted tags, selected in FIGS. 10a-10b) can be selected, when the graphs of characteristic values will be sorted by the largest forecast error - from the largest forecast error for a characteristic in the first graph to the smallest forecast error for a characteristic in the last graph. This display mode may be the default display mode. And it allows the system to automatically generate and provide the FSC user with information about the most probable place of anomaly and TP violation. The display mode can also be selected in the order in which the selected features are contained in the previously mentioned list of FSC features (selected in Fig. 10c).

В другом частном примере реализации система ГИП дополнительно содержит по меньшей мере один элемент ГИП для выбора событий 950 (см. Фиг. 12) предназначенный для формирования списка событий КФС, в которых произошла аномалия и, при выборе пользователем одного из упомянутых событий, упомянутый по меньшей мере один элемент ГИП для выбора событий 950 предназначен для формирования для выбранного события графика значений упомянутых данных в момент возникновения аномалии и за указанный период времени мониторинга.In another particular example of implementation, the GUI system additionally contains at least one GUI element for selecting events 950 (see Fig. 12) intended for generating a list of FSC events in which an anomaly occurred and, when the user selects one of the mentioned events, said at least At least one GUI element for selecting events 950 is designed to generate for the selected event a graph of the values of said data at the time of the anomaly and for the specified monitoring time period.

В одном частном примере реализации упомянутый список 910 для каждого из признаков КФС дополнительно содержит:In one particular example of implementation, the mentioned list 910 for each of the features of the CPS additionally contains:

а) идентификатор признака;a) attribute identifier;

б) описание признака;b) description of the feature;

в) ошибки прогноза для признака;c) forecast errors for the feature;

г) наблюдаемое значение признака;d) the observed value of the feature;

д) предсказанное значение признака;e) the predicted value of the feature;

е) единицы измерения признака;f) units of measure of the attribute;

ж) допустимые пределы изменения признака;g) permissible limits of change of the attribute;

з) привязку признака к оборудованию (PLC и пр.).h) linking the feature to the equipment (PLC, etc.).

На Фиг. 11а представлен элемент ГИП для настроек ошибок прогноза 970, предназначенный для приема информации о выборе пользователя для отображения ГИП для изменения ошибок прогноза 971, который в свою очередь служит для отображения текущего значения порога общей ошибки прогноза и предназначен для приема информации об изменениях, внесенных пользователем в значения упомянутого порога общей ошибки прогноза. В результате ГИП для изменения ошибок прогноза 971 изменит значение упомянутого порога общей ошибки прогноза. Например, пользователь может повысить порог общей ошибки прогноза при большом количестве ложных срабатываний. Очевидно, измененное значение порога общей ошибки прогноза также повлечет соответствующие изменения при определении аномалии в КФС (на Фиг. 4 - Фиг. 5).FIG. 11a shows a GUI element for settings of forecast errors 970, designed to receive information about the user's choice to display the GUI for changing forecast errors 971, which in turn serves to display the current value of the threshold of the total forecast error and is intended to receive information about changes made by the user to the values of the mentioned threshold of the total forecast error. As a result, the GUI for changing forecast errors 971 will change the value of the said threshold of the total forecast error. For example, the user can raise the threshold for the overall prediction error when there are a lot of false positives. Obviously, the changed value of the threshold of the general forecast error will also entail corresponding changes in determining the anomaly in the FSC (in Fig. 4 - Fig. 5).

На Фиг. 11б ГИП для изменения ошибок прогноза 971 дополнительно предназначен для отображения значений весовых коэффициентов для ошибок прогноза каждого выбранного признака КФС и служит для приема произведенных пользователем изменений значений указанных весовых коэффициентов. В этом случае общая ошибка прогноза будет пересчитана, например, средством прогнозирования 221 с использованием измененных значений указанных весовых коэффициентов.FIG. 11b GUI for changing forecast errors 971 is additionally designed to display the values of the weighting coefficients for the forecast errors of each selected CPS attribute and serves to receive the changes made by the user in the values of the indicated weighting coefficients. In this case, the overall prediction error will be recalculated, for example, by the predictor 221 using the modified values of the indicated weights.

В еще одном частном примере реализации по меньшей мере один из элементов ГИП для группировки признаков 912 предназначен для приема информации о выбранной пользователем группе признаков, в частности, относящихся к одному ПИД-регулятору, при этом элемент ГИП для формирования графиков 930 формирует графики упомянутых значений за указанный период времени мониторинга для признаков КФС из выбранной группы признаков, позволяя пользователю быстро переключаться между различными созданными группами, которые могут быть привязаны к важным с точки зрения пользователя участкам ТП.In another particular example of implementation, at least one of the elements of the GUI for grouping features 912 is designed to receive information about the group of features selected by the user, in particular, related to one PID controller, while the GUI element for generating graphs 930 generates graphs of said values for the specified monitoring time period for the CPS signs from the selected group of signs, allowing the user to quickly switch between the various created groups, which can be tied to the TP areas that are important from the user's point of view.

В одном частном примере реализации по меньшей мере один элемент ГИП для отображения групп признаков 913 предназначенный для отображения признаков КФС из сформированных групп признаков. То есть в результате группировки признаков посредством ГИП 912 будут сформированы группы признаков, отображаемые в ГИП 913, при этом пользователь имеет возможность выбирать, редактировать указанные группы, а также отображать графики значений для признаков КФС из указанных групп посредством ГИП 930.In one particular implementation example, at least one GUI element for displaying feature groups 913 is intended for displaying CPS features from the generated feature groups. That is, as a result of the grouping of features by means of the GUI 912, feature groups displayed in the GUI 913 will be formed, while the user has the opportunity to select, edit the indicated groups, and also display graphs of values for the CPS features from the specified groups using the GUI 930.

В еще одном частном примере реализации по меньшей мере один элемент ГИП функционально способен формировать подсписки из выбранных пользователем признаков КФС и при выборе пользователем упомянутого подсписка - формировать графики значений для признаков из упомянутого подсписка (на фигурах не отображен).In another particular example of implementation, at least one GUI element is functionally capable of forming sublists from the user-selected FSC features and, when the user selects said sublist, to generate graphs of values for features from said sublist (not shown in the figures).

На Фиг. 13 представлен элемент ГИП для выбора моделей 960, предназначенный для осуществления выбора модели прогнозирования значений признаков КФС.FIG. 13 shows an element of the GUI for selecting models 960, designed to select a model for predicting the values of CPS attributes.

На Фиг. 14 представлен способ формирования данных для мониторинга кибер-физической системы с целью раннего определения аномалий в системе графического интерфейса пользователя (ГИП). На шаге 1410 с помощью по меньшей мере одного элемента ГИП для выбора признака 910, содержащего, в частности, список признаков кибер-физической системы (КФС), принимают информацию о выбранном пользователем по меньшей мере одном признаке КФС из упомянутого списка признаков. Далее на шаге 1420 с помощью по меньшей мере одного элемента ГИП для выбора периода времени 920, принимают информацию о выбранном пользователем периоде времени для мониторинга за выбранными признаками КФС. Затем, на шаге 1430 с помощью средства прогнозирования 221 формируют за указанный период времени мониторинга прогноз значений признаков КФС с помощью модели прогнозирования значений выбранных признаков КФС. После чего, на шаге 1440 с помощью средства определения аномалии 222 определяют за указанный период времени мониторинга общую ошибку прогноза для выбранных признаков КФС и ошибки прогноза для каждого выбранного признака КФС. В итоге, на шаге 1450 с помощью по меньшей мере одного элемента ГИП для формирования графиков 930, формируют за указанный период времени мониторинга графики для каждого из следующих значений, которые необходимы для мониторинга за КФС:FIG. 14 shows a method of generating data for monitoring a cyber-physical system for the purpose of early detection of anomalies in a graphical user interface (GUI) system. At step 1410, using at least one GUI element to select a feature 910 containing, in particular, a list of features of a cyber-physical system (CPS), information about a user-selected at least one feature of a CPS from said list of features is received. Next, at step 1420, using at least one GUI element to select a time period 920, information is received about the user-selected time period for monitoring the selected FSC features. Then, at step 1430, using the predictor 221, a forecast of the values of the FSC features is generated for the specified monitoring time period using the forecasting model of the values of the selected FSC features. Then, at step 1440, using the anomaly determination means 222, for the specified monitoring time period, the total forecast error for the selected FSC features and the forecast error for each selected FSC feature are determined. As a result, at step 1450, using at least one GUI element to generate graphs 930, graphs are generated for the indicated monitoring time period for each of the following values that are necessary for monitoring the CPS:

• каждого выбранного признака КФС;• each selected attribute of the FSC;

• прогноза для каждого выбранного признака КФС;• forecast for each selected CPS attribute;

• общей ошибки прогноза для признаков КФС;• general forecast error for CPS signs;

• ошибки прогноза для каждого выбранного признака КФС;• forecast errors for each selected CPS attribute;

• порога общей ошибки прогноза.• the threshold of the total forecast error.

Частные примеры реализации, описанные ранее на Фиг. 9-13 к системе ГИП также применимы и к способу по Фиг. 14.Particular examples of implementation described earlier in FIG. 9-13 are also applicable to the GUI system and the method of FIG. fourteen.

Очевидно, что система и способ по Фиг. 9-14 обеспечивают графический интерфейс пользователя, который позволяет пользователю выполнять мониторинг кибер-физической системы с целью раннего определения аномалий, а также выполняют реализацию автоматизированного контроля пользователем кибер-физической системы для раннего определения аномалий. Кроме того, будет решена техническая проблема, заключающаяся в отсутствии системы и способа формирования данных для мониторинга кибер-физической системы, для выполнения определения аномалий в системе графического интерфейса пользователя, в которой время, прошедшее с момента возникновения аномалии в КФС до момента ее обнаружения, было бы ниже, чем у существующих аналогов.Obviously, the system and method of FIG. 9-14 provide a graphical user interface that allows a user to monitor a cyber physical system for early detection of anomalies, and implement automated user control of a cyber physical system for early detection of anomalies. In addition, a technical problem will be solved, which consists in the absence of a system and a method for generating data for monitoring a cyber-physical system, for performing anomaly detection in a graphical user interface system, in which the time elapsed from the moment the anomaly occurred in the CFS until the moment of its detection was would be lower than that of existing analogues.

Фиг. 15 представляет пример компьютерной системы общего назначения, с помощью которой может быть реализовано настоящее изобретение. В одном частном примере реализации с использованием компьютерной системы может быть реализовано средство обучения 211, средство вычисления 212, удаленный сервер 213, а также средство прогнозирования 221 и средство определения аномалии 222. В другом частном примере реализации упомянутые средства могут быть реализованы также с использованием специализированных интегральных схем (в т.ч. центрального процессора и/или графического процессора). Возвращаясь к компьютерной системе общего назначения, представленной на Фиг. 15, персональный компьютер или сервер 20, содержит центральный процессор 21, системную память 22 и системную шину 23, которая содержит разные системные компоненты, в том числе память, связанную с центральным процессором 21. Системная шина 23 реализована, как любая известная из уровня техники шинная структура, содержащая в свою очередь память шины или контроллер памяти шины, периферийную шину и локальную шину, которая способна взаимодействовать с любой другой шинной архитектурой. Системная память содержит постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 24, память с произвольным доступом (ОЗУ) 25. Основная система ввода/вывода (BIOS) 26, содержит основные процедуры, которые обеспечивают передачу информации между элементами персонального компьютера 20, например, в момент загрузки операционной системы с использованием ПЗУ 24.FIG. 15 is an example of a general purpose computer system with which the present invention may be implemented. In one particular example of implementation using a computer system, a learning tool 211, a calculator 212, a remote server 213, as well as a predictor 221 and an anomaly detection tool 222 can be implemented. circuits (including the central processor and / or graphics processor). Returning to the general purpose computer system shown in FIG. 15, a personal computer or server 20, contains a central processor 21, a system memory 22 and a system bus 23, which contains various system components, including memory associated with the central processor 21. The system bus 23 is implemented as any known from the prior art bus a structure that in turn contains a bus memory or a bus memory controller, a peripheral bus and a local bus that can interact with any other bus architecture. System memory contains read-only memory (ROM) 24, random access memory (RAM) 25. The main input / output system (BIOS) 26 contains basic procedures that transfer information between the elements of the personal computer 20, for example, at the time of loading the operating room. systems using ROM 24.

Персональный компьютер 20 в свою очередь содержит жесткий диск 27 для чтения и записи данных, привод магнитных дисков 28 для чтения и записи на сменные магнитные диски 29 и оптический привод 30 для чтения и записи на сменные оптические диски 31, такие как CD-ROM, DVD-ROM и иные оптические носители информации. Жесткий диск 27, привод магнитных дисков 28, оптический привод 30 соединены с системной шиной 23 через интерфейс жесткого диска 32, интерфейс магнитных дисков 33 и интерфейс оптического привода 34 соответственно. Приводы и соответствующие компьютерные носители информации представляют собой энергонезависимые средства хранения компьютерных инструкций, структур данных, программных модулей и прочих данных персонального компьютера 20.The personal computer 20, in turn, contains a hard disk 27 for reading and writing data, a magnetic disk drive 28 for reading and writing to removable magnetic disks 29 and an optical drive 30 for reading and writing to removable optical disks 31, such as CD-ROM, DVD -ROM and other optical media. The hard disk 27, the magnetic disk drive 28, and the optical drive 30 are connected to the system bus 23 via the hard disk interface 32, the magnetic disk interface 33, and the optical drive interface 34, respectively. Drives and corresponding computer storage media are non-volatile storage media for computer instructions, data structures, program modules and other data of a personal computer 20.

Настоящее описание раскрывает реализацию системы, которая использует жесткий диск 27, сменный магнитный диск 29 и сменный оптический диск 31, но следует понимать, что возможно применение иных типов компьютерных носителей информации 56, которые способны хранить данные в доступной для чтения компьютером форме (твердотельные накопители, флеш карты памяти, цифровые диски, память с произвольным доступом (ОЗУ) и т.п.), которые подключены к системной шине 23 через контроллер 55.The present description discloses an implementation of a system that uses a hard disk 27, a removable magnetic disk 29 and a removable optical disk 31, but it should be understood that other types of computer storage media 56 are possible that are capable of storing data in a computer readable form (solid state drives, flash memory cards, digital disks, random access memory (RAM), etc.), which are connected to the system bus 23 through the controller 55.

Компьютер 20 имеет файловую систему 36, где хранится записанная операционная система 35, а также дополнительные программные приложения 37, другие программные модули 38 и данные программ 39. Пользователь (оператор) имеет возможность вводить команды и информацию в персональный компьютер 20 посредством устройств ввода (клавиатуры 40, манипулятора «мышь» 42). Могут использоваться другие устройства ввода (не отображены): микрофон, джойстик, игровая консоль, сканер и т.п. Подобные устройства ввода по своему обычаю подключают к компьютерной системе 20 через последовательный порт 46, который в свою очередь подсоединен к системной шине, но могут быть подключены иным способом, например, при помощи параллельного порта, игрового порта или универсальной последовательной шины (USB). Монитор 47 или иной тип устройства отображения также подсоединен к системной шине 23 через интерфейс, такой как видеоадаптер 48. В дополнение к монитору 47, персональный компьютер может быть оснащен другими периферийными устройствами вывода (не отображены), например, колонками, принтером и т.п.The computer 20 has a file system 36, where the recorded operating system 35 is stored, as well as additional software applications 37, other program modules 38 and program data 39. The user (operator) has the ability to enter commands and information into the personal computer 20 through input devices (keyboards 40 , manipulator "mouse" 42). Other input devices may be used (not shown): microphone, joystick, game console, scanner, etc. Such input devices are conventionally connected to the computer system 20 through a serial port 46, which in turn is connected to the system bus, but can be connected in another way, for example, using a parallel port, a game port, or a universal serial bus (USB). A monitor 47 or other type of display device is also connected to the system bus 23 via an interface such as a video adapter 48. In addition to the monitor 47, the personal computer may be equipped with other peripheral output devices (not displayed), such as speakers, a printer, etc. ...

Персональный компьютер 20 способен работать в сетевом окружении, при этом используется сетевое соединение с другим или несколькими удаленными компьютерами 49. Удаленный компьютер (или компьютеры) 49 являются такими же персональными компьютерами или серверами, которые имеют большинство или все упомянутые элементы, отмеченные ранее при описании существа персонального компьютера 20, представленного на Фиг. 15. В вычислительной сети могут присутствовать также и другие устройства, например, маршрутизаторы, сетевые станции, пиринговые устройства или иные сетевые узлы.The personal computer 20 is capable of operating in a networked environment using a network connection with other or more remote computers 49. The remote computer (or computers) 49 are the same personal computers or servers that have most or all of the elements mentioned earlier in the description of the entity. the personal computer 20 shown in FIG. 15. In a computer network, there may also be other devices, such as routers, network stations, peer-to-peer devices or other network nodes.

Сетевые соединения могут образовывать локальную вычислительную сеть (LAN) 50 и глобальную вычислительную сеть (WAN). Такие сети применяются в корпоративных компьютерных сетях (также - информационных системах), внутренних сетях компаний и, как правило, имеют доступ к сети Интернет. В LAN- или WAN-сетях персональный компьютер 20 подключен к локальной сети 50 через сетевой адаптер или сетевой интерфейс 51. При использовании сетей персональный компьютер 20 может использовать модем 54 или иные средства обеспечения связи с глобальной вычислительной сетью, такой как Интернет. Модем 54, который является внутренним или внешним устройством, подключен к системной шине 23 посредством последовательного порта 46. Следует уточнить, что сетевые соединения являются лишь примерными и не обязаны отображать точную конфигурацию сети, т.е. в действительности существуют иные способы установления соединения техническими средствами связи одного компьютера с другим.Network connections can form a local area network (LAN) 50 and a wide area network (WAN). Such networks are used in corporate computer networks (also information systems), internal networks of companies and, as a rule, have access to the Internet. In LAN or WAN networks, personal computer 20 is connected to local network 50 via a network adapter or network interface 51. When using networks, personal computer 20 may use a modem 54 or other means of providing communication with a wide area network, such as the Internet. Modem 54, which is an internal or external device, is connected to the system bus 23 via a serial port 46. It should be noted that the network connections are only exemplary and are not required to reflect the exact configuration of the network, i. E. in fact, there are other ways of establishing a connection by technical means of communication of one computer with another.

В соответствии с описанием, компоненты, этапы исполнения, структура данных, описанные выше, могут быть выполнены, используя различные типы операционных систем, компьютерных платформ, программ.In accordance with the description, the components, stages of execution, data structure described above can be performed using various types of operating systems, computer platforms, programs.

В заключение следует отметить, что приведенные в описании сведения являются примерами, которые не ограничивают объем настоящего изобретения, определенного формулой.In conclusion, it should be noted that the information given in the description are examples, which do not limit the scope of the present invention defined by the claims.

Claims (37)

1. Способ определения источников аномалии в кибер-физической системе (КФС), в котором:1. A method for determining the sources of anomalies in a cyber-physical system (CPS), in which: а) с помощью средства прогнозирования получают значения признаков КФС за входное окно, являющееся интервалом времени и содержащееся внутри периода наблюдений, при этом входное окно определяется обученной моделью прогнозирования, при этом признаки КФС являются численными характеристиками субъектов управления;a) using the forecasting tool, the values of the CPS signs are obtained for the input window, which is a time interval and contained within the observation period, while the input window is determined by the trained forecasting model, while the CPS signs are the numerical characteristics of control subjects; б) с помощью средства прогнозирования с использованием обученной модели прогнозирования и по данным полученных значений признаков КФС за входное окно выполняют прогнозирование значений признаков КФС на окно прогноза, являющееся интервалом времени и содержащееся внутри периода наблюдений;b) using a forecasting tool using a trained forecasting model and according to the obtained values of the CPS attributes for the input window, forecasting the values of the CPS attributes for the forecast window, which is a time interval and is contained within the observation period; в) с помощью средства определения аномалий для окна прогноза определяют общую ошибку прогноза для признаков КФС;c) using the means for determining anomalies for the forecast window, determine the total forecast error for the CPS signs; г) с помощью средства определения аномалий при превышении общей ошибкой прогноза порога общей ошибки, определяют аномалию в КФС;d) using the means for determining anomalies when the total forecast error exceeds the total error threshold, determine the anomaly in the CPS; д) с помощью средства определения аномалий определяют по меньшей мере один признак КФС, являющийся источником аномалии, если вклад ошибки прогноза упомянутого по меньшей мере одного признака КФС в общую ошибку прогноза выше, чем вклад по меньшей мере одного другого признака КФС в общую ошибку прогноза.e) using the means for determining the anomalies, at least one CPS indicator is determined, which is the source of the anomaly, if the contribution of the forecast error of the mentioned at least one CPS indicator to the total forecast error is higher than the contribution of at least one other CPS indicator to the total forecast error. 2. Способ по п. 1, в котором в случае, если значения признаков КФС поступают в режиме реального времени, для окна прогноза определяют общую ошибку прогноза спустя время, равное сумме горизонта прогноза и входного окна.2. The method according to claim 1, in which, if the values of the CPS attributes are received in real time, the total forecast error is determined for the forecast window after a time equal to the sum of the forecast horizon and the input window. 3. Способ по п. 1, в котором в случае, если значения признаков КФС содержатся в исходной выборке за исторический период наблюдения, для окна прогноза определяют общую ошибку прогноза по данным исходной выборки за исторический период наблюдения.3. The method according to claim 1, in which, if the values of the CPS attributes are contained in the initial sample for the historical observation period, the total forecast error is determined for the forecast window according to the data of the initial sample for the historical observation period. 4. Способ по п. 1, в котором кибер-физическая система обладает по меньшей мере одной из следующих характеристик:4. The method of claim 1, wherein the cyber-physical system has at least one of the following characteristics: • отраслью производства, в которой функционирует кибер-физическая система;• the industry in which the cyber-physical system operates; • типы процессов, которые описывают параметры КФС, в частности, один из: непрерывный, конвейерный, циклический;• types of processes that describe the parameters of the CPS, in particular, one of: continuous, conveyor, cyclic; • наличием сезонности и/или трендов в признаках КФС;• the presence of seasonality and / or trends in the signs of the FSC; • инертностью процессов КФС;• inertness of FSC processes; • временем реакции КФС на изменения, происходящие в КФС и во внешней среде;• time of the FSC reaction to changes in the FSC and in the external environment; • уровнем опасности производства для персонала и экологии;• the level of danger of production for personnel and the environment; • стоимостью простоя технологических процессов из-за нештатных ситуаций;• cost of downtime of technological processes due to abnormal situations; • типом управления, в частности, выполненный с использованием ПИД-регуляторов, конечных автоматов или комбинированным способом;• type of control, in particular, performed using PID controllers, state machines or a combined method; • типом субъекта управления, который характеризуется по меньшей мере одним признаком, при этом тип субъекта управления является одним из: датчиком, исполнительным механизмом или ПИД-регулятором;• the type of the subject of control, which is characterized by at least one feature, while the type of the subject of control is one of: a sensor, an actuator or a PID controller; • данными самодиагностики КФС;• data of self-diagnostics of FSC; • состоянием субъекта управления: рабочее или нерабочее;• the state of the subject of management: working or non-working; • взаимосвязью субъектов управления на уровне техпроцесса.• the interconnection of the subjects of management at the level of the technical process. 5. Способ по п. 1, в котором при вычислении общей ошибки прогноза используют ошибки каждого признака КФС, определяющие вклад ошибки прогноза упомянутого по меньшей мере одного признака КФС в общую ошибку прогноза, а для упомянутых ошибок каждого признака КФС используют весовые коэффициенты, при этом:5. The method according to claim 1, in which when calculating the total forecast error, the errors of each CPS feature are used, which determine the contribution of the forecast error of the said at least one CPS feature to the total forecast error, and for the said errors of each CPS feature, weighting coefficients are used, while : а) присваивают с помощью средства обучения низкое значение весовому коэффициенту для признака, если субъект управления, характеризующийся этим признаком, предоставляет данные с шумами, или невалидные данные или периодически отключается пользователем КФС;a) using the training tool, a low value is assigned to the weighting factor for the feature, if the control subject, characterized by this feature, provides data with noisy, or invalid data, or is periodically disabled by the user of the FSC; б) присваивают с помощью средства обучения низкое значение весовому коэффициенту для признака, в котором возникновение аномалии не влияет на работу КФС, и высокое значение весовому коэффициенту для признака, в котором возникновение аномалии влияет на работу КФС.b) using the teaching tool, a low value is assigned to the weighting coefficient for a feature in which the occurrence of an anomaly does not affect the operation of the CPS, and a high value is assigned to the weighting coefficient for a feature in which the occurrence of an anomaly affects the operation of the CPS. 6. Способ по п. 5, в котором выбирают с помощью средства обучения значение весового коэффициента признака, которое зависит от точности прогнозирования признаков КФС.6. The method according to claim 5, in which the value of the weighting coefficient of the feature is selected using the training tool, which depends on the accuracy of predicting the CPS features. 7. Способ по п. 1, в котором в модели прогнозирования используют нейронную сеть.7. The method of claim 1, wherein the prediction model uses a neural network. 8. Способ по п. 7, в котором оптимизируют нейронную сеть с использованием генетических алгоритмов.8. The method according to claim 7, wherein the neural network is optimized using genetic algorithms. 9. Способ по п. 8, в котором выбирают нейронную сеть по данными размеченной исходной выборки, с использованием одной из метрик качества: NAB-метрика, F1-метрика.9. The method according to claim. 8, in which the neural network is selected according to the data of the labeled initial sample, using one of the quality metrics: NAB-metric, F1-metric. 10. Способ по п. 1, в котором получают техническую документацию КФС или отчет пользователя по ранее обнаруженным обученной системой аномалиям, при этом весовой коэффициент признака выбирают с помощью средства обучения в зависимости от значимости указанного признака и на основании технической документации КФС или отчета пользователя.10. The method according to claim 1, in which the technical documentation of the FSC or the user report is obtained on the anomalies previously detected by the trained system, while the weight of the feature is selected using the training tool depending on the significance of the specified feature and on the basis of the technical documentation of the FSC or the user's report. 11. Система определения источников аномалии в кибер-физической системе (КФС), содержащая:11. The system for determining the sources of anomalies in the cyber-physical system (CPS), containing: а) средство прогнозирования, предназначенное для:a) a forecasting tool designed for: • получения значений признаков КФС за входное окно, являющееся интервалом времени и содержащееся внутри периода наблюдений, при этом входное окно определяется обученной моделью прогнозирования, при этом признаки КФС являются численными характеристиками субъектов управления;• obtaining the values of the CPS signs for the input window, which is a time interval and contained within the observation period, while the input window is determined by the trained forecasting model, while the CPS signs are the numerical characteristics of control subjects; • прогнозирования значений признаков КФС на окно прогноза, являющееся интервалом времени и содержащееся внутри периода наблюдений, с использованием обученной модели прогнозирования и по данным полученных значений признаков КФС за входное окно;• predicting the values of the CPS attributes for the forecast window, which is a time interval and contained within the observation period, using the trained forecasting model and according to the data of the obtained values of the CPS attributes for the input window; б) средство определения аномалий, предназначенное для:b) an anomaly detection tool designed for: • определения общей ошибки прогноза для окна прогноза для признаков КФС;• determination of the total forecast error for the forecast window for the CPS attributes; • определения аномалии в КФС при превышении общей ошибкой прогноза порога общей ошибки;• determination of the anomaly in the CPS when the total forecast error exceeds the total error threshold; • определения по меньшей мере одного признака КФС, являющегося источником аномалии, если вклад ошибки прогноза упомянутого по меньшей мере одного признака КФС в общую ошибку прогноза выше, чем вклад по меньшей мере одного другого признака КФС в общую ошибку прогноза.• determination of at least one CPS feature, which is the source of the anomaly, if the contribution of the forecast error of the mentioned at least one CPS feature to the total forecast error is higher than the contribution of at least one other CPS feature to the total forecast error.
RU2020108166A 2020-02-26 2020-02-26 Method of determining anomaly sources in a cyber-physical system RU2749252C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020108166A RU2749252C1 (en) 2020-02-26 2020-02-26 Method of determining anomaly sources in a cyber-physical system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020108166A RU2749252C1 (en) 2020-02-26 2020-02-26 Method of determining anomaly sources in a cyber-physical system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2749252C1 true RU2749252C1 (en) 2021-06-07

Family

ID=76301563

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020108166A RU2749252C1 (en) 2020-02-26 2020-02-26 Method of determining anomaly sources in a cyber-physical system

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2749252C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2773010C1 (en) * 2021-09-08 2022-05-30 Акционерное Общество "Информационные Технологии И Коммуникационные Системы" Method for detecting anomalies in multidimensional data
US20220350309A1 (en) * 2021-04-30 2022-11-03 SK Incheon Petrochem Co., Ltd. Method and Apparatus for Controlling Reactor in Reformer

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070028219A1 (en) * 2004-10-15 2007-02-01 Miller William L Method and system for anomaly detection
US7808916B1 (en) * 2005-12-28 2010-10-05 At&T Intellectual Property Ii, L.P. Anomaly detection systems for a computer network
US20120131674A1 (en) * 2010-11-18 2012-05-24 Raptor Networks Technology, Inc. Vector-Based Anomaly Detection
US20120284790A1 (en) * 2006-09-11 2012-11-08 Decision-Zone Inc. Live service anomaly detection system for providing cyber protection for the electric grid
US20140189860A1 (en) * 2012-12-30 2014-07-03 Honeywell International Inc. Control system cyber security
US9349103B2 (en) * 2012-01-09 2016-05-24 DecisionQ Corporation Application of machine learned Bayesian networks to detection of anomalies in complex systems
RU2601148C1 (en) * 2015-06-30 2016-10-27 Закрытое акционерное общество "Лаборатория Касперского" System and method for detecting anomalies when connecting devices
US20160330225A1 (en) * 2014-01-13 2016-11-10 Brightsource Industries (Israel) Ltd. Systems, Methods, and Devices for Detecting Anomalies in an Industrial Control System
US9843596B1 (en) * 2007-11-02 2017-12-12 ThetaRay Ltd. Anomaly detection in dynamically evolving data and systems
RU188794U1 (en) * 2018-12-11 2019-04-23 Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий" DEVICE BASED ON ENSEMBLE ALGORITHMS FOR DETECTING ANOMALIES IN THE PROBLEM OF FORECASTING PARAMETERS AND ESTIMATING THE CONDITION OF THE ROAD COVERING
US20190327251A1 (en) * 2015-08-31 2019-10-24 Splunk Inc. Anomaly detection based on communication between entities over a network

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070028219A1 (en) * 2004-10-15 2007-02-01 Miller William L Method and system for anomaly detection
US7808916B1 (en) * 2005-12-28 2010-10-05 At&T Intellectual Property Ii, L.P. Anomaly detection systems for a computer network
US20120284790A1 (en) * 2006-09-11 2012-11-08 Decision-Zone Inc. Live service anomaly detection system for providing cyber protection for the electric grid
US9843596B1 (en) * 2007-11-02 2017-12-12 ThetaRay Ltd. Anomaly detection in dynamically evolving data and systems
US20120131674A1 (en) * 2010-11-18 2012-05-24 Raptor Networks Technology, Inc. Vector-Based Anomaly Detection
US9349103B2 (en) * 2012-01-09 2016-05-24 DecisionQ Corporation Application of machine learned Bayesian networks to detection of anomalies in complex systems
US20140189860A1 (en) * 2012-12-30 2014-07-03 Honeywell International Inc. Control system cyber security
US20160330225A1 (en) * 2014-01-13 2016-11-10 Brightsource Industries (Israel) Ltd. Systems, Methods, and Devices for Detecting Anomalies in an Industrial Control System
RU2601148C1 (en) * 2015-06-30 2016-10-27 Закрытое акционерное общество "Лаборатория Касперского" System and method for detecting anomalies when connecting devices
US20190327251A1 (en) * 2015-08-31 2019-10-24 Splunk Inc. Anomaly detection based on communication between entities over a network
RU188794U1 (en) * 2018-12-11 2019-04-23 Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий" DEVICE BASED ON ENSEMBLE ALGORITHMS FOR DETECTING ANOMALIES IN THE PROBLEM OF FORECASTING PARAMETERS AND ESTIMATING THE CONDITION OF THE ROAD COVERING

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220350309A1 (en) * 2021-04-30 2022-11-03 SK Incheon Petrochem Co., Ltd. Method and Apparatus for Controlling Reactor in Reformer
RU2773010C1 (en) * 2021-09-08 2022-05-30 Акционерное Общество "Информационные Технологии И Коммуникационные Системы" Method for detecting anomalies in multidimensional data
RU2790331C1 (en) * 2022-03-16 2023-02-16 Акционерное общество "Лаборатория Касперского" Method for determining an anomaly in a cyber-physical system
RU2800740C1 (en) * 2022-09-09 2023-07-27 Акционерное общество "Лаборатория Касперского" System and method for detecting anomalies in a cyber-physical system
RU2825558C1 (en) * 2023-03-27 2024-08-27 Акционерное общество "Лаборатория Касперского" Method of reducing stream of observations of parameters of cyberphysical system coming in real time to equal-interval time grid

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2724075C1 (en) System and method for determining anomaly source in cyber-physical system having certain characteristics
RU2724716C1 (en) System and method of generating data for monitoring cyber-physical system for purpose of early detection of anomalies in graphical user interface
CA3104482C (en) Deep-learning-based fault detection in building automation systems
US11853049B2 (en) Integrity monitoring in automation systems
Camci et al. Feature evaluation for effective bearing prognostics
US20180365089A1 (en) Abnormality detection system, abnormality detection method, abnormality detection program, and method for generating learned model
JP2009053938A (en) Equipment diagnosing system and equipment-diagnosing method on the basis of multiple model
EP3674946B1 (en) System and method for detecting anomalies in cyber-physical system with determined characteristics
US20180174694A1 (en) Abnormality diagnosis system and abnormality diagnosis method
RU2766106C1 (en) Detection of emergency situations
US20230205193A1 (en) System and method for diagnostics and monitoring of anomalies of a cyber-physical system
US20180095436A1 (en) Plant control device, plant control method, and recording medium
US20200160208A1 (en) Model sharing among edge devices
EP4038557A1 (en) Method and system for continuous estimation and representation of risk
CN116483054A (en) Industrial robot running state monitoring and early warning system and method
RU2749252C1 (en) Method of determining anomaly sources in a cyber-physical system
EP4206963A1 (en) System and method for diagnostics and monitoring of anomalies of a cyber-physical system
Le Contribution to deterioration modeling and residual life estimation based on condition monitoring data
EP3674828B1 (en) System and method of generating data for monitoring of a cyber-physical system for early determination of anomalies
CN114175065A (en) Information processing system
RU2784981C1 (en) Method for diagnosing and monitoring anomalies in a cyber-physical system
RU2800740C1 (en) System and method for detecting anomalies in a cyber-physical system
RU2735296C1 (en) Method for multi-parameter monitoring of complex electrotechnical objects state
RU2790331C1 (en) Method for determining an anomaly in a cyber-physical system
US11237550B2 (en) Ultrasonic flow meter prognostics with near real-time condition based uncertainty analysis