本發(fā)明屬于非完整約束高階鏈?zhǔn)蕉嘀悄荏w系統(tǒng)安全控制的，特別是涉及針對(duì)高階非完整鏈?zhǔn)较到y(tǒng)在遭受拒絕服務(wù)攻擊時(shí)仍能保持彈性并在有限時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)一致性跟蹤的dos攻擊下非完整約束鏈?zhǔn)蕉嘀悄荏w系統(tǒng)的安全控制方法。

背景技術(shù)：

1、網(wǎng)絡(luò)安全對(duì)于在交互網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)信息交換的多智能體網(wǎng)絡(luò)的分布式控制而言，具有不可或缺的重要性。然而，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，構(gòu)建一個(gè)完全安全無虞的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境極具挑戰(zhàn)，因?yàn)楸姸喙粽呖赡苄钜鈱?duì)智能體間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行篡改或破壞。尤為值得注意的是，與典型控制系統(tǒng)中常見的外部干擾(如噪聲、故障等)不同，信息物理攻擊是攻擊者故意且難以預(yù)測(cè)的惡意行為，它們被精心設(shè)計(jì)并注入系統(tǒng)中，旨在削弱乃至摧毀整個(gè)系統(tǒng)的性能穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失控。

2、且隨著網(wǎng)絡(luò)攻擊頻發(fā)，傳統(tǒng)線性多智能體系統(tǒng)的安全控制方法在面對(duì)非完整約束系統(tǒng)時(shí)顯得力不從心。非完整約束多智能體系統(tǒng)，如移動(dòng)機(jī)器人，其動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜且易受網(wǎng)絡(luò)攻擊影響，尤其是要求有限時(shí)間收斂的場(chǎng)景下，挑戰(zhàn)更為嚴(yán)峻。

3、多智能體系統(tǒng)的安全控制包括任何專門設(shè)計(jì)用于防范數(shù)據(jù)攻擊的手段，防御常見的網(wǎng)絡(luò)攻擊如拒絕服務(wù)攻擊和欺騙攻擊等。從實(shí)施的角度來看，網(wǎng)絡(luò)攻擊可以大致分為兩類，第一類是欺騙攻擊，包括虛假信息注入和數(shù)據(jù)重放。第二類是拒絕服務(wù)攻擊，攻擊者禁止智能體之間傳輸測(cè)量或者控制信號(hào)。文獻(xiàn)1(li?y,tong?s.bumpless?transferdistributed?adaptive?backstepping?control?ofnonlinear?multi-agent?systemswith?circular?filtering?under?dos?attacks[j].automatica,2023,157:111250.)研究一類不確定非線性多智能體系統(tǒng)在拒絕服務(wù)攻擊下的彈性分布式協(xié)同控制問題。文獻(xiàn)2(liu?z?w,shi?y?l,yan?h,et?al.secure?consensus?ofmultiagent?systems?viaimpulsive?control?subject?to?deception?attacks[j].ieee?transactions?oncircuits?and?systems?ii:express?briefs,2022,70(1):166-170.)研究欺騙攻擊下脈沖控制的多智能體系統(tǒng)的安全一致性問題。

4、當(dāng)前研究重心多集中于線性系統(tǒng)，而對(duì)于非線性、非完整約束高階鏈?zhǔn)较到y(tǒng)以及有限時(shí)間收斂控制策略的探索則顯得相對(duì)不足。這一現(xiàn)狀凸顯問題的緊迫性與重要性，亟需深入探究多智能體系統(tǒng)一致性控制中的安全問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對(duì)多智能體系統(tǒng)難以通過簡(jiǎn)單線性化處理來適應(yīng)廣泛存在的非完整約束場(chǎng)景，且在面對(duì)拒絕服務(wù)攻擊時(shí)，系統(tǒng)追蹤控制的收斂速度問題未得到充分重視，提供一種創(chuàng)新的基于觀測(cè)器的有限時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)一致性跟蹤的dos攻擊下非完整約束鏈?zhǔn)蕉嘀悄荏w系統(tǒng)的安全控制方法，以確保系統(tǒng)能在短時(shí)間內(nèi)迅速收斂。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明開發(fā)一種新型的彈性分布式觀測(cè)器，該觀測(cè)器能夠在有限時(shí)間內(nèi)有效估計(jì)領(lǐng)導(dǎo)者的信息，從而有效抵御拒絕服務(wù)攻擊對(duì)系統(tǒng)的影響；隨后，基于該觀測(cè)器提供的精準(zhǔn)信息估計(jì)，運(yùn)用反步控制原理，精心設(shè)計(jì)一套有限時(shí)間控制協(xié)議；此協(xié)議旨在使跟隨者能夠在預(yù)設(shè)的有限時(shí)間段內(nèi)，準(zhǔn)確無誤地完成對(duì)領(lǐng)導(dǎo)者的跟蹤控制，顯著提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度與穩(wěn)定性。

4、本發(fā)明所述dos攻擊下非完整約束鏈?zhǔn)蕉嘀悄荏w系統(tǒng)的安全控制方法，具體包括以下步驟：

5、步驟1：基于圖論定義多智能體系統(tǒng)的通信拓?fù)鋱D，給出通信拓?fù)鋱D的鄰接矩陣和拉普拉斯矩陣，考慮在受到dos攻擊下系統(tǒng)通信拓?fù)鋱D對(duì)應(yīng)拉普拉斯矩陣的變化，同時(shí)對(duì)領(lǐng)導(dǎo)者的輸入進(jìn)行假設(shè)；

6、第一步，不失一般性地假設(shè)多智能體系統(tǒng)有n個(gè)跟隨者和一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)者，編號(hào)為0,1,…,n；基于圖論定義系統(tǒng)通信拓?fù)鋱D、鄰接矩陣和拉普拉斯矩陣；領(lǐng)導(dǎo)者的輸入滿足其中d1,d2,d3,τ1為正常數(shù)，且u2,0(t)有一個(gè)有限的上界；領(lǐng)導(dǎo)者的狀態(tài)滿足|xk,0|≤τk,k＝2,3,…,m，其中，τk為已知的正常數(shù)；

7、第二步，假設(shè)智能體的通信拓?fù)鋱D是無向連通的；智能體之間的通信可能因?yàn)槭艿絛os攻擊的情況而導(dǎo)致通信切斷，當(dāng)沒有攻擊發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)的通信拓?fù)錇闊o向圖，且至少有一個(gè)跟隨者可以獲得領(lǐng)導(dǎo)者的信息；

8、步驟2：建立dos攻擊模型的檢測(cè)機(jī)制，同時(shí)考慮高階鏈?zhǔn)蕉嘀悄荏w系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，在dos攻擊的場(chǎng)景下，開發(fā)觀測(cè)器，以實(shí)現(xiàn)在有限時(shí)間內(nèi)對(duì)領(lǐng)導(dǎo)者信息的估計(jì)；

9、第一步，dos攻擊下的檢測(cè)機(jī)制可以概括為：智能體i的信息在時(shí)刻t被傳遞給它的鄰居j；隨后，當(dāng)智能體i的鄰居接收到信息后，向智能體i發(fā)送確認(rèn)報(bào)告；假設(shè)存在多個(gè)安全通道，它們具有與智能體之間通信通道不同的協(xié)議，可以成功地傳輸每個(gè)確認(rèn)消息；若智能體i在時(shí)間間隔[t,t+δmax]內(nèi)沒有收到此消息，則可以檢測(cè)為受到dos攻擊，其中δmax定義為接收確認(rèn)消息的最大時(shí)間；最后，為了恢復(fù)或重新初始化智能體系統(tǒng)的通信拓?fù)?，將檢測(cè)到dos攻擊的報(bào)告發(fā)送給智能通信管理中心，智能通信管理中心負(fù)責(zé)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)并做出修復(fù)決策；

10、第二步，定義檢測(cè)第k次攻擊和修復(fù)第k次攻擊的交互拓?fù)涞臅r(shí)間序列分別用tks和表示；因此，分別用和表示沒有dos攻擊和受到dos攻擊的持續(xù)時(shí)間；需要強(qiáng)調(diào)的是包括攻擊檢測(cè)時(shí)間、報(bào)告?zhèn)鬏敃r(shí)間和網(wǎng)絡(luò)修復(fù)時(shí)間；假設(shè)節(jié)點(diǎn)i處交互邊的狀態(tài)由ψ(t)決定，若攻擊者在內(nèi)攻擊節(jié)點(diǎn)i，則對(duì)于任意j，有ψ(t)＝0，否則為ψ(t)＝1；在dos攻擊下，時(shí)變圖描述了智能體之間的交互拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；這個(gè)圖的通信權(quán)值是由一個(gè)和拉普拉斯矩陣lψ(t)指定的；考慮高階鏈?zhǔn)蕉嘀悄荏w系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，針對(duì)dos攻擊的影響，為每個(gè)跟隨者構(gòu)建彈性分布式觀測(cè)器；

11、第三步，構(gòu)建李雅普諾夫函數(shù)，證明所設(shè)計(jì)的觀測(cè)器可以在有限時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)領(lǐng)導(dǎo)者信息的估計(jì)；

12、步驟3：通過建立彈性分布式觀測(cè)器非線性協(xié)議，將一組鏈表系統(tǒng)的一致性跟蹤控制問題轉(zhuǎn)化為單鏈表系統(tǒng)的跟蹤控制問題；

13、第一步，分別定義在受到dos攻擊和沒有受到dos攻擊下的追蹤誤差；

14、第二步，分別設(shè)計(jì)一階子系統(tǒng)和高階子系統(tǒng)用于穩(wěn)定追蹤誤差的輸入信號(hào)，同時(shí)給出所設(shè)計(jì)的控制協(xié)議；

15、步驟4：基于反步控制，證明對(duì)于給定的領(lǐng)導(dǎo)者和跟隨者的鏈?zhǔn)絼?dòng)力學(xué)方程，在dos攻擊下，應(yīng)用所設(shè)計(jì)的觀測(cè)器和控制協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)在有限時(shí)間內(nèi)的安全一致性跟蹤；最后以一組由一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)者和五個(gè)追隨者組成的輪式移動(dòng)機(jī)器人為例，驗(yàn)證本方法的有效性。

16、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的突出優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果在于：

17、1)本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有多智能體系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)攻擊下的研究大都是基于線性系統(tǒng)，只能在無限時(shí)間內(nèi)漸進(jìn)達(dá)成一致性的問題，本發(fā)明研究了更具一般性的非完整約束鏈?zhǔn)较到y(tǒng)的有限時(shí)間安全一致性跟蹤問題。

18、2)本發(fā)明開發(fā)了一種新的彈性分布式觀測(cè)器，以提供有限時(shí)間內(nèi)領(lǐng)導(dǎo)者信息的估計(jì)，同時(shí)對(duì)抗dos攻擊。

19、3)本發(fā)明采用反步控制技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)的有限時(shí)間穩(wěn)定進(jìn)行基于李雅普諾夫的穩(wěn)定性分析，并對(duì)一組輪式機(jī)器人進(jìn)行仿真研究，結(jié)果表明所提的方案具有令人滿意的性能。