一种DoS攻击下异质无人系统的安全分组一致控制方法技术方案

本发明专利技术请求保护一种DoS攻击下异质无人系统的安全分组一致控制方法，无人系统集群控制是多智能体系统一致性协同控制的典型应用，本专利内容中使用多智能体系统进行具体阐述。包括利用矩阵知识转换二阶智能体和一阶智能体的动力学模型，得到等价同质系统的动力学方程；考虑项目工程一般部署在开放环境，引入更为复杂多变的多信道独立DoS攻击，增强系统鲁棒性；引入估计器，消除多信道独立DoS攻击所带来的不良影响，加速系统收敛；智能体及其所拥有的估计器需要对邻居节点所传送的信息进行区分，根据安全一致性协议将信息分别进行处理；用于智能体状态更新的控制协议额外考虑了异质系统中状态维度不同的情况，可确保最终实现多智能体系统安全分组一致。现多智能体系统安全分组一致。现多智能体系统安全分组一致。

【技术实现步骤摘要】
一种DoS攻击下异质无人系统的安全分组一致控制方法


[0001]本专利技术涉及多智能体系统控制领域，无人系统集群控制是多智能体系统一致性协同控制的典型应用，本专利内容中使用多智能体系统进行具体描述。

技术介绍

[0002]多智能体分布式系统因其特有的高效性、易扩展性、鲁棒性等特点，被广泛的应用于智能电网，智能决策，专家系统等领域。虽然多智能体系统中都具有鲁棒性和容错机制，但其目的仅是确保系统在遭受自身干扰和错误时具有一定的可恢复能力。一旦有恶意攻击从外部侵入，系统的容错机制往往会失去效果，严重影响系统的性能，甚至使得系统发散。对于一个可安全控制的分布式多智能体系统来讲，不仅要在系统内设计容错机制，还要额外考虑系统外部的恶意攻击。因此，多智能体系统的安全性问题成为了一个亟待解决的重要问题。
[0003]通过对现有研究工作的分析不难发现：一、DoS攻击建模较为简单，所涉及的周期性和非周期性DoS攻击多为对信道的同步DoS攻击，其控制协议在更加灵活的多信道独立DoS攻击下的系统中并不适用；二、现有工作多是基于同质系统进行研究，对于更加符合实际的异质系统较少涉及；三、现有文献中的安全控制协议虽使得系统最终达成一致，但对于DoS攻击期间通信中断导致系统收敛减慢的问题，并未给出较好的解决方案。此外，对于一个资源有限的系统，智能体之间的关系不仅仅是现有文献中简单的合作关系或竞争关系，更为复杂的合作
‑
竞争关系才更符合在实际工程中的应用。基于以上分析，本章设计了一种带有新颖估计器的控制器，用以在消除DoS攻击造成的影响，加速系统收敛。与同类工作相比，本章的估计器在DoS攻击期间，基于通信中断前最后一次通信的信息与使用本估计器的智能体的信息来不断迭代模拟邻居智能体的状态，可有效避免智能体状态的过度偏移。此外，在设计控制器时亦充分考虑了智能体间的合作
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竞争关系，使其更加符合现实应用。
[0004]经过检索，申请公开号CN111934917A，一种基于信任节点的异质多智能体系统分组一致性控制方法，包括：进行状态收敛的任一智能体接收来自邻居智能体的状态值，将接收到的状态值进行降序排序；进行信息值处理，选择性的移除节点，并将移除的节点用集合Ri表示，将移除节点中的信任节点集合用Ti表示，将剩余的被移除节点以及节点i的边权重设置为0；根据动力学方程获得正常节点的位置信息和速度信息，根据正常节点的位置信息和速度信息设置一致性控制协议，采用一致性控制性协议对正常节点进行处理，实现异构多智能体系统中的节点分组一致。本专利技术将系统结构拓展为异质多智能体系统，加入信任节点机制和分组，增强了多智能体系统的稳健性。
[0005]一、上述专利中，考虑的恶意攻击属于节点攻击的一种攻击类型，虽然恶意节点会在系统中引入一些无关的数据，但系统更新总是有数据可用的，并且恶意节点引入的数据并不总是起坏的作用，在某些时刻甚至是利于系统收敛的。而本文所考虑的DoS攻击模型是通过恶意占用通信网络，致使节点之间缺少必要的交互信息。然而，多智能体系统的控制协议正是基于节点间的交互信息而设计的，所以DoS攻击对多智能体系统会造成更大破坏，本
文基于DoS攻击模型所设计的控制协议具有更高的安全性。
[0006]二、上述专利的控制协议设计的核心思想是通过排序对接收数据进行筛选，剔除两端边缘数据，保留中心数据以确保系统实现安全一致。而本文中攻击模型是导致节点无交互信息可用，上述专利中的控制协议不适用于遭受DoS攻击的多智能体系统。
[0007]三、上述专利中，采用的通信拓扑是固定拓扑，而实际应用中通信拓扑是极易受到干扰或恶意攻击而改变的。因此，本文设计控制协议时充分考虑了系统拓扑切换的各种情况，具有更强的适用性。

技术实现思路

[0008]本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种DoS攻击下异质无人系统的安全分组一致控制方法。无人系统集群控制是多智能体系统一致性协同控制的典型应用，本专利内容中使用多智能体系统进行具体阐述。本专利技术的技术方案如下：
[0009]一种DoS攻击下异质无人系统的安全分组一致控制方法，其包括以下步骤：
[0010]S1、利用矩阵知识转换具有二阶智能体和一阶智能体的异质系统动力学模型，得到等价同质系统的动力学方程；
[0011]S2、引入多信道独立DoS攻击模型；
[0012]S3、引入一种可迭代更新的估计器；估计器在DoS攻击发生时启用，用于在DoS攻击期间对邻居智能体的状态进行估计；
[0013]S4、智能体及其所拥有的估计器对邻居节点所传送的信息进行区分，根据安全一致性协议将同组智能体的信息以及不同组的智能体的信息分别进行处理；
[0014]S5、设置智能体状态更新的控制协议，所述控制协议考虑了异质系统中状态维度不同的情况，各智能体根据其对应的控制策略不断更新自身状态信息，最终实现多智能体系统安全分组一致。
[0015]进一步的，所述利用矩阵知识转换二阶智能体和一阶智能体的异质系统的动力学模型如下：
[0016][0017]其中，x
i
(t)表示t时刻智能体i的位置信息，表示对x
i
(t)求导，v
i
(t)表示t时刻智能体i的速度信息，表示对v
i
(t)求导，u
i
(t)表示t时刻智能体i的控制输入；r1表示一阶智能体集合，r2表示二阶智能体集合；
[0018]所述转换后的智能体动力学方程包括：
[0019][0020]其中，系统矩阵输入矩阵u
i
(t)表示t时刻智能体i的控制输入；转换向量W
i
(t)根据智能体的不同可表达为：
[0021][0022]进一步的，所述步骤S2还对DoS攻击有如下约束：
[0023][0024]其中，Λ
ij
(t1,t2)表示在时间段[t1,t2)内，信道(i,j)∈ε所遭受DoS攻击时间段的集合，ε表示系统初始的边集合，(i,j)表示智能体i到智能体j之间传递信息的边；len(Λ
ij
(t1,t2))表示在时间段[t1,t2)内，信道(i,j)∈ε所遭受DoS攻击时间的总和；表示攻击强度的大小，γ
ij
＞0是每条信道遭受DoS攻击的基础时间；
[0025]对于不同的攻击模式，定义ζ(t)＝{(i,j)∈ε\ε(t)|t∈len(Λ
ij
(0,∞))}，作为在t时刻遭受攻击的信道的集合，其中ε\ε(t)表示属于集合ε而不属于集合ε(t)。
[0026]进一步的，所述S3估计器的动力学方程如下：
[0027][0028]其中，表示t时刻智能体i对邻居智能体的位置估计值，表示t时刻智能体i对邻居智能体的速度估计值，表示t时刻估计器的控制输入；
[0029]估计器的控制协议如下：
[0030][0031]其中，c1和c2分别是关于位置和速度的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种DoS攻击下异质无人系统的安全分组一致控制方法，无人系统集群控制是多智能体系统一致性协同控制的典型应用，使用多智能体系统进行具体描述，其特征在于，包括以下步骤：S1、利用矩阵知识转换具有二阶智能体和一阶智能体的异质系统动力学模型，得到等价同质系统的动力学方程；S2、引入多信道独立DoS攻击模型；S3、引入一种可迭代更新的估计器，估计器在DoS攻击发生时启用，用于在DoS攻击期间对邻居智能体的状态进行估计；S4、智能体及其所拥有的估计器对邻居节点所传送的信息进行区分，根据安全一致性协议将同组智能体的信息以及不同组的智能体的信息分别进行处理；S5、设置智能体状态更新的控制协议，所述控制协议考虑了异质系统中状态维度不同的情况，各智能体根据其对应的控制策略不断更新自身状态信息，最终实现多智能体系统安全分组一致。2.根据权利要求1所述的一种DoS攻击下异质无人系统的安全分组一致控制方法，其特征在于，所述利用矩阵知识转换二阶智能体和一阶智能体的异质系统的动力学模型如下：其中，x
i
(t)表示t时刻智能体i的位置信息，表示对x
i
(t)求导，v
i
(t)表示t时刻智能体i的速度信息，表示对v
i
(t)求导，u
i
(t)表示t时刻智能体i的控制输入；r1表示一阶智能体集合，r2表示二阶智能体集合；所述转换后的智能体动力学方程包括：其中，系统矩阵输入矩阵u
i
(t)表示t时刻智能体i的控制输入；转换向量W
i
(t)根据智能体的不同可表达为：3.根据权利要求2所述的一种DoS攻击下异质无人系统的安全分组一致控制方法，其特征在于，所述步骤S2还对DoS攻击有如下约束：其中，Λ
ij
(t1,t2)表示在时间段[t1,t2)内，信道所遭受DoS攻击时间段的集合，表示系统初始的边集合，(i,j)表示智能体i到智能体j之间传递信息的边；len(Λ
ij
(t1,t2))表示在时间段[t1,t2)内，信道所遭受DoS攻击时间的总和；表示攻击强度的
大小，γ
ij
＞0是每条信道遭受DoS攻击的基础时间；对于不同的攻击模式，定义作为在t时刻遭受攻击的信道的集合，其中表示属于集合而不属于集合4.根据权利要求3所述的一种DoS攻击下异质无人系统的安全分组一致控制方法，其特征在于，所述S3估计器的动力学方程如下：其中，表示t时刻智能体i对邻居智能体的位置估计值，表示t时刻智能体i对邻居智能体的速度估计值，表示t时刻估计器的控制输入；估计器的控制协议如下：其中，c1和c2分别是关于位置和速度的耦合强度，N
Si
表示与智能体i同组的智能体集合，N
Di...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪良浩，邢子正，杨莎莎，郭兴，于南翔，李华青，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：