Digital twins have recently gained significant interest in simulation, optimization, and predictive maintenance of Industrial Control Systems (ICS). Recent studies discuss the possibility of using digital twins for intrusion detection in industrial systems. Accordingly, this study contributes to a digital twin-based security framework for industrial control systems, extending its capabilities for simulation of attacks and defense mechanisms. Four types of process-aware attack scenarios are implemented on a standalone open-source digital twin of an industrial filling plant: command injection, network Denial of Service (DoS), calculated measurement modification, and naive measurement modification. A stacked ensemble classifier is proposed as the real-time intrusion detection, based on the offline evaluation of eight supervised machine learning algorithms. The designed stacked model outperforms previous methods in terms of F1-Score and accuracy, by combining the predictions of various algorithms, while it can detect and classify intrusions in near real-time (0.1 seconds). This study also discusses the practicality and benefits of the proposed digital twin-based security framework.


翻译:最近的研究讨论了在工业系统使用数字双胞胎进行入侵探测的可能性,因此,本研究有助于为工业控制系统建立一个数字双基安全框架,扩大其攻击和防御机制的模拟能力。四种有流程意识的攻击情景是在工业加工厂独立、开放源码的数字双胞胎上实施的:指令注射、网络拒绝服务(DoS)、计算测量修改和天真的测量修改。根据对八种受监督机器学习算法的离线评估,建议用堆叠式混合分类器作为实时入侵探测器。设计的堆叠式模型在F1-Score和准确性方面超越了以前的方法,综合了各种算法的预测,同时可以在近实时(0.1秒)中探测和分类入侵情况。本研究还探讨了拟议的数字双基安全框架的实际性和益处。

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