[发明专利]一种拓扑攻击下多域无人系统的拓扑重构方法

说明书

本发明涉及多域无人系统基于策略博弈的动态冗余结构拓扑重构方法。本发明公开了一种拓扑攻击下多域无人系统的拓扑重构方法，通过拓扑攻击下的异构多域无人系统的多传感器信息，获取多域无人系统的分布式交互状态空间模型，在此基础上设计分布式扩展拓扑节点攻击状态观测器，通过优化估计误差值，设计最优的观测器增益，获取拓扑节点攻击估计值，从而利用控制器的设计实现对拓扑节点攻击的补偿，提高多域无人系统的网络节点状态信息可惜性；进一步地，利用重塑的节点状态信息，基于动态冗余结构的拟态设计方法，获取无人系统的拓扑变换策略执行集，利用重构策略的策略博弈表决产生的调整策略结果，对多域无人系统进行拓扑重构，提高多域无人系统的内生安全。

技术领域

本发明涉及多域无人系统在拓扑攻击下的拓扑重构，涉及多域无人系统的拓扑节点攻击补偿设计以及策略博弈的多域无人系统动态冗余拓扑重构内生安全架构。

背景技术

本发明所针对的多域无人系统是通过通信网络连接不同区域的无人系统，其网络拓扑结构具有显著异构特性，例如陆域上的无人车、水域中的无人艇和空域中无人机等多区域无人系统在各区域的功能与优势，通过协同调配，完成搜救、作战和探测等任务。但是多域无人系统网络拓扑的弱连通特性，使得通信网络拓扑对网络攻击极为脆弱，攻击者通过对拓扑节点的欺骗信息注入，破坏节点状态信息的可信性，或者通过阻断节点之间的网络传输，从而破坏拓扑网络的连通性，造成多域无人系统无法达到系统协同。针对于通信网络拓扑的重构，主要包含节点状态信息可信性的重塑以及通信网络连通性的重构，相关研究引起了国内外学者的广泛关注。针对于拓扑节点攻击下的状态信息重塑，文献[X.Chen,S.Hu,Y.Li,D.Yue,C.Dou,L.Ding.Co-Estimation of State and FDI Attacks andAttack Compensation Control for Multi-Area Load Frequency Control SystemsUnder FDI and DoS Attacks[J].IEEE Transactions on Smart Grid,2022.DOI:10.1109/TSG.2022.3147693.]研究了异构多区电力系统下的节点信息状态重塑问题，能够有效恢复节点信息的可信性。近年来，人工智能技术也以其良好的逼近效果，而被广泛用于攻击的估计于补偿之中，如文献[F.Farivar,M.S.Haghighi,A.Jolfaei,M.Alazab.Artificial Intelligence for Detection,Estimation,and Compensation ofMalicious Attacks in Nonlinear Cyber-Physical Systems and Industrial IoT[J].IEEE Transactions on Industrial Informatics,2020,16(4):2716-2725.]利用神经网络对非线性信息物理系统和工业物联网系统的拓扑节点攻击进行逼近，从而实现对网络攻击的补偿，重塑状态信息。进一步考虑通信拓扑连通性重构问题，文献[T.Zhang,D.Ye.Distributed Secure Control Against Denial-of-Service Attacks in Cyber-Physical Systems Based on K-Connected Communication Topology[J].IEEETransactions on Cybernetics,2020,50(7):3094-3103.]针对具有通信网络阻断的拓扑攻击，开展了信息物理系统的k-连接拓扑重构方法研究，并在飞行器上验证了所提拓扑重构策略的有效性，能够有效解决拓扑攻击下的信息物理系统的通信拓扑连通性恢复问题。文献[K.Xu,H.Chen,S.Liu,P.Chen,T.Weng,M.Hong,X.Lin.Topology Attack and Defensefor Graph Neural Networks:An Optimization Perspective[C].Proceedings of theTwenty-Eighth International Joint Conference on Artificial Intelligence,2019,3961—3967.]针对具有拓扑攻击下的图网络，采用基于博弈论的思想，从攻击者和防御者的角度对网络拓扑进行优化重构。2021年，首届“智能无人系统与内生安全”成功召开，对无人系统这一人工智能重要载体与内生安全理论如何深入融合进行了深入探讨，无人系统的内生安全问题和网络拓扑重构受到越来越多的关注，也是一个亟需深入探索的新兴领域。