UTC系统网络安全攻防博弈演化分析

为了研究交通信号网络的安全问题，首先需要了解UTC系统网络的结构，如图1所示。通常情况下，交通信号机（TSM）位于相应的道路交叉口旁，负责接收上位机（UC）和各种交通检测设备的数据信息，并完成对交通信号灯的控制工作。上位机存放在当地的公共交通管理部门，主要负责协调管理和控制各个路口交通信号机的运行。

在UTC系统中，攻击者为了实现某种目的，会采用各种攻击手段来干扰甚至瘫痪交通信号。UC和TSM可以通过信息安全层面或相互协调控制等多种手段来采取相应的防御策略应对攻击者的恶意行为。在UC和TSM选择最优防御策略的同时，攻击者将如何应对呢？这种攻防博弈的过程将不断循环，最终UC、TSM和攻击者作为该UTC系统安全攻防博弈的三个参与者，将选择何种策略。这个过程符合演化博弈的特点，非常适合使用演化博弈理论进行分析和研究。

下面提出以下假设：

假设1：UC的防御策略是，其中UC以'的概率选择防御 '，以'的概率选择不防御 '。TSM的防御策略是，其中TSM以'的概率选择防御 '，以'的概率选择不防御 '。攻击者的策略是，其中攻击者以'的概率选择攻击 '，以'的概率选择不攻击 '。

假设2：博弈双方均是纯理性的，因此交通网络的安全值S必须大于任何成本，否则博弈双方没有理由采取策略来增加安全值。因此有以下不等式：

接下来讨论攻击位置为UC时的各种策略下的收益。当博弈双方的策略为时，攻击者的收益为 '，两位防御者的收益为 '。当时，UC和TSM通过协调防御，UC的期望收益为 '，TSM的期望收益也类似，攻击者的收益为防御者收益的损失减去攻击成本。当时，UC单独防御的收益为 '，TSM的收益为 '，攻击者的收益为 '。当不存在攻击检测系统的错误时，防御者的成本为 '。

通过分析参与者各种策略的收益，可以得到三方演化博弈的支付矩阵，如表1所示。该表反映了攻击者在某一时刻选择采取某种攻击行为时，博弈的三方在不同策略组合下的收益情况。如果攻击者采用其他攻击方式，那么UC和TSM的防御方式将相应改变，对应的策略成本和检测率数值也会改变，但该表仍然适用。