Био-вдохновение для энергосистемы: защита от кибератак

Исследователи из Техасского университета A&M разрабатывают новые подходы к повышению устойчивости электросетей, черпая вдохновение в природе. Они тестируют киберфизические системы, основанные на принципах, наблюдаемых в естественных экосистемах, чтобы эффективно противостоять разнообразным кибератакам и оценивать их последствия.

Естественные экосистемы, от растений до микроорганизмов, постоянно сталкиваются с вызовами: экстремальные погодные условия, инвазивные виды. Несмотря на это, они демонстрируют удивительную устойчивость, развиваясь на протяжении миллионов лет. Ученые задались вопросом: можно ли применить механизмы природной жизнестойкости для модернизации электросетей?

Киберугрозы для таких критически важных систем, как электросети, могут проявляться в виде ложной информации, передаваемой в системы данных, или попыток кражи информации, что негативно сказывается на их работе. "Экосистемы сталкиваются со многими такими же непредвиденными нарушениями, как и созданные человеком системы, например, засухи и наводнения", — отмечает доктор Астрид Лейтон, профессор Техасского университета A&M и руководитель лаборатории био-инспирированных систем (BiSSL). "Хотя экосистемы могут пострадать от этих опасностей, они обладают уникальной способностью выживать без излишней избыточности, причем не только на уровне всей экосистемы, но и на уровне отдельных видов. Именно поэтому мы заинтересованы в киберфизических энергетических системах с этой экологической точки зрения".

Киберфизические энергетические системы состоят из кибернетических и физических компонентов. Кибернетические компоненты (например, брандмауэры, маршрутизаторы) обрабатывают цифровые данные, а физические (например, генераторы, подстанции) — потоки энергии. Несмотря на их повсеместное распространение, сложность системы порождает неполное понимание того, как нарушения распространяются и влияют на нее.

"Важно, чтобы система не только переживала трудные времена, но и процветала в благополучные", — подчеркивает Лейтон. "Использование экологических моделей и полученных знаний позволяет нам оценивать киберфизический интерфейс, проясняя, как система может работать более эффективно при отсутствии непосредственных угроз, одновременно понимая и минимизируя ущерб, когда они возникают".

Основная цель проекта — углубленное изучение взаимосвязи между кибернетическими и физическими компонентами киберфизических энергетических систем. Более четкое понимание интерфейса системы позволяет исследователям прогнозировать потенциальное воздействие кибератак на физические компоненты и физических атак на кибернетические, предоставляя политикам и операторам сетей информацию для лучшей подготовки и действий в условиях угроз.

Доктор Лейтон, эксперт в области проектирования и анализа био-инспирированных систем, сотрудничает с доктором Кэтрин Дэвис, профессором электротехники и компьютерной инженерии, обладающей обширными знаниями в области энергетических систем. Их совместная работа началась благодаря гранту Техасского энергетического института A&M в 2018 году.

Объединенные знания в области машиностроения и электротехники делают их отличной командой для понимания и проектирования устойчивых киберфизических энергетических систем.

К исследовательской группе также присоединились их ведущие аспиранты — Эмили Пейн и Шининг Сунь — для участия в проекте Лабораторий Сандиа. Пейн, студентка факультета машиностроения, начала работать с Лейтон в лаборатории BiSSL еще будучи студенткой факультета архитектурного инжиниринга в 2022 году. Сунь, студентка факультета электротехники и компьютерной инженерии, сотрудничает с Дэвис с 2023 года. Оба аспиранта опубликовали несколько работ, связанных с данным исследованием, и представили свои результаты на конференциях, получив награды за свою работу.

"Часть успеха этого проекта заключается в этих аспирантах-инженерах, Эмили и Шининг, которые преуспели в междисциплинарных аспектах работы, помимо глубоко технических проблем", — говорит Лейтон. "Мои исследования, в частности, требуют от студентов-инженеров чтения экологических статей, которые по сути являются другим языком по сравнению с инженерными, и применения этого к их исследованиям". Такой подход позволяет Лейтон рассматривать инженерные проблемы с инновационной точки зрения.

Проект в Лабораториях Сандиа завершился в сентябре 2025 года, однако исследователи продолжают сотрудничество в области био-инспирированных энергетических систем. Лейтон и Дэвис примут участие в совместном исследовании, посвященном моделированию воздействия погодных явлений на электросети.