[发明专利]一种重放攻击下网络化无人船舶的故障检测方法

说明书

本发明的目的在于提供一种重放攻击下网络化无人船舶的故障检测方法，属于船舶控制技术领域。本发明故障检测方法在系统建模方面，利用非线性T‑S模糊系统对含有参数不确定性的系统进行描述，综合考虑了无人船舶的内部非线性及所处环境的多元干扰对测量方程进行修正，同时，在系统的安全性方面，将随机形式的重放攻击纳入到方法的设计范畴；除此之外，设计的切换型滤波器可以根据系统的实际情况做出适应性调节，以获得故障出现时更明显的残差变化及更高的故障检测效率。本发明方法在重放攻击的影响下，仍能够较快地检测出故障。

技术领域

本发明属于船舶控制技术领域，具体涉及一种重放攻击下网络化无人船舶的故障检测方法。

背景技术

海洋蕴藏着丰富的矿产资源，随着科技的逐步发展，其重要性逐渐凸显，对其进行探索有重要的战略意义与积极的经济前景。由于海洋环境的不确定性、复杂性，以及船舶任务的高风险性，使得网络化无人船舶逐渐被利用于各种场景。从实际来看，无人船舶的工作环境往往复杂多变甚至十分恶劣，因此其出现故障的概率高于以往。同时，无人船舶与岸基中心的连接往往以无线网络为媒介，而无线网络的开放性也带来了很多不确定因素，如潜在的恶意攻击等。

从现有的研究成果来看，相关的技术方案主要集中于无人船舶的容错、容侵控制方法^[1][2]等方向，但无人船舶相关的故障检测方法，尤其构建无人船模型并针对该模型的故障检测方法较为少见，同时在故障检测方法中考虑到通信介质中存在网络攻击更为罕见。在高度信息化、信息物理协同化的趋势下，对传感器至故障检测机制的信息传输媒介中可能存在的重放攻击这一网络威胁进行设计具有实际意义。

因此，在网络恶意攻击、海况不确定性等因素的影响下，开展对无人船舶的故障进行实时检测是十分必要的。

[1]张清瑞,熊培轩,张雷,朱波,胡天江.一种基于模型参考强化学习的无人船容错控制方法[P].广东省：CN114296350A,2022-04-08.

[2]邢文,赵宁,徐健,张耕实.一种网络攻击下无人船的事件驱动航向安全控制方法[P].黑龙江省：CN113050630A,2021-06-29.

发明内容

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种重放攻击下网络化无人船舶的故障检测方法。该故障检测方法针对海洋深度未知的情况，构建隶属度函数未知的T-S模糊系统的状态空间模型，同时基于重放攻击的先验信息对状态空间模型中的测量方程进行修正，最后基于修正后的测量方程进行故障检测判断。本发明方法综合考虑了无人船舶的内部非线性及所处环境的多元干扰，实现了在工作环境不确定性、重放攻击等的不利影响下仍能进行故障检测。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种重放攻击下网络化无人船舶的故障检测方法，包括以下步骤：

步骤1：结合无人船舶的实际运行情况，简化无人船舶的动力学模型，包括运动学方程和动力学方程；

步骤2：根据步骤1的简化无人船舶的动力学模型，建立海洋深度未知情况下的无人船舶的动力学模型，并将其转化为状态空间模型，得到隶属度函数未知的T-S模糊系统的状态方程及测量方程；

步骤3：基于重放攻击的先验信息，对步骤2中的测量方程进行修正；

步骤4：根据步骤3修正后的测量方程构建相应的切换型故障检测滤波器；

步骤5：根据步骤2中测量方程与步骤4中的故障检测滤波器测量方程构造残差，并获得误差系统；

步骤6：设计一种滤波器的切换方法及滤波器增益的求解计算方法，求解得出步骤4构建的故障检测滤波器的增益矩阵，并使得步骤5构造的残差对扰动具有鲁棒性，并对故障具有敏感性；