本發(fā)明屬于非完整約束高階鏈式多智能體系統(tǒng)安全控制的,特別是涉及針對高階非完整鏈式系統(tǒng)在遭受拒絕服務(wù)攻擊時仍能保持彈性并在有限時間內(nèi)實現(xiàn)一致性跟蹤的dos攻擊下非完整約束鏈式多智能體系統(tǒng)的安全控制方法。
背景技術(shù):
1、網(wǎng)絡(luò)安全對于在交互網(wǎng)絡(luò)上實現(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)實環(huán)境中,構(gòu)建一個完全安全無虞的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境極具挑戰(zhàn),因為眾多攻擊者可能蓄意對智能體間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行篡改或破壞。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)測的惡意行為,它們被精心設(shè)計并注入系統(tǒng)中,旨在削弱乃至摧毀整個系統(tǒng)的性能穩(wěn)定性,嚴重時甚至導(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非完整約束系統(tǒng)時顯得力不從心。非完整約束多智能體系統(tǒng),如移動機器人,其動態(tài)特性復(fù)雜且易受網(wǎng)絡(luò)攻擊影響,尤其是要求有限時間收斂的場景下,挑戰(zhàn)更為嚴峻。
3、多智能體系統(tǒng)的安全控制包括任何專門設(shè)計用于防范數(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量或者控制信號。文獻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、當前研究重心多集中于線性系統(tǒng),而對于非線性、非完整約束高階鏈式系統(tǒng)以及有限時間收斂控制策略的探索則顯得相對不足。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)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于針對多智能體系統(tǒng)難以通過簡單線性化處理來適應(yīng)廣泛存在的非完整約束場景,且在面對拒絕服務(wù)攻擊時,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)新的基于觀測器的有限時間內(nèi)實現(xiàn)一致性跟蹤的dos攻擊下非完整約束鏈式多智能體系統(tǒng)的安全控制方法,以確保系統(tǒng)能在短時間內(nèi)迅速收斂。
2、為實現(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器,該觀測器能夠在有限時間內(nèi)有效估計領(lǐng)導(dǎo)者的信息,從而有效抵御拒絕服務(wù)攻擊對系統(tǒng)的影響;隨后,基于該觀測器提供的精準信息估計,運用反步控制原理,精心設(shè)計一套有限時間控制協(xié)議;此協(xié)議旨在使跟隨者能夠在預(yù)設(shè)的有限時間段內(nèi),準確無誤地完成對領(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式多智能體系統(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)的通信拓撲圖,給出通信拓撲圖的鄰接矩陣和拉普拉斯矩陣,考慮在受到dos攻擊下系統(tǒng)通信拓撲圖對應(yīng)拉普拉斯矩陣的變化,同時對領(lǐng)導(dǎo)者的輸入進行假設(shè);
6、第一步,不失一般性地假設(shè)多智能體系統(tǒng)有n個跟隨者和一個領(lǐng)導(dǎo)者,編號為0,1,…,n;基于圖論定義系統(tǒng)通信拓撲圖、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)智能體的通信拓撲圖是無向連通的;智能體之間的通信可能因為受到dos攻擊的情況而導(dǎo)致通信切斷,當沒有攻擊發(fā)生時,系統(tǒng)的通信拓撲為無向圖,且至少有一個跟隨者可以獲得領(lǐng)導(dǎo)者的信息;
8、步驟2:建立dos攻擊模型的檢測機制,同時考慮高階鏈式多智能體系統(tǒng)動力學(xué)方程,在dos攻擊的場景下,開發(fā)觀測器,以實現(xiàn)在有限時間內(nèi)對領(lǐng)導(dǎo)者信息的估計;
9、第一步,dos攻擊下的檢測機制可以概括為:智能體i的信息在時刻t被傳遞給它的鄰居j;隨后,當智能體i的鄰居接收到信息后,向智能體i發(fā)送確認報告;假設(shè)存在多個安全通道,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確認消息;若智能體i在時間間隔[t,t+δmax]內(nèi)沒有收到此消息,則可以檢測為受到dos攻擊,其中δmax定義為接收確認消息的最大時間;最后,為了恢復(fù)或重新初始化智能體系統(tǒng)的通信拓撲,將檢測到dos攻擊的報告發(fā)送給智能通信管理中心,智能通信管理中心負責(zé)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)并做出修復(fù)決策;
10、第二步,定義檢測第k次攻擊和修復(fù)第k次攻擊的交互拓撲的時間序列分別用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)時間;需要強調(diào)的是包括攻擊檢測時間、報告?zhèn)鬏敃r間和網(wǎng)絡(luò)修復(fù)時間;假設(shè)節(jié)點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i,則對于任意j,有ψ(t)=0,否則為ψ(t)=1;在dos攻擊下,時變圖描述了智能體之間的交互拓撲結(jié)構(gòu);這個圖的通信權(quán)值是由一個和拉普拉斯矩陣lψ(t)指定的;考慮高階鏈式多智能體系統(tǒng)動力學(xué)方程,針對dos攻擊的影響,為每個跟隨者構(gòu)建彈性分布式觀測器;
11、第三步,構(gòu)建李雅普諾夫函數(shù),證明所設(shè)計的觀測器可以在有限時間內(nèi)實現(xiàn)對領(lǐng)導(dǎo)者信息的估計;
12、步驟3:通過建立彈性分布式觀測器非線性協(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,同時給出所設(shè)計的控制協(xié)議;
15、步驟4:基于反步控制,證明對于給定的領(lǐng)導(dǎo)者和跟隨者的鏈式動力學(xué)方程,在dos攻擊下,應(yīng)用所設(shè)計的觀測器和控制協(xié)議,可以實現(xiàn)在有限時間內(nèi)的安全一致性跟蹤;最后以一組由一個領(lǐng)導(dǎo)者和五個追隨者組成的輪式移動機器人為例,驗證本方法的有效性。
16、與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的突出優(yōu)點和技術(shù)效果在于:
17、1)本發(fā)明針對現(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),只能在無限時間內(nèi)漸進達成一致性的問題,本發(fā)明研究了更具一般性的非完整約束鏈式系統(tǒng)的有限時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器,以提供有限時間內(nèi)領(lǐng)導(dǎo)者信息的估計,同時對抗dos攻擊。
19、3)本發(fā)明采用反步控制技術(shù),對系統(tǒng)的有限時間穩(wěn)定進行基于李雅普諾夫的穩(wěn)定性分析,并對一組輪式機器人進行仿真研究,結(jié)果表明所提的方案具有令人滿意的性能。