一种基于同态加密的车辆自适应变速巡航过程控制方法与流程

本发明属于智能网联汽车自动巡航控制领域，涉及一种基于同态加密的车辆自适应变速巡航过程控制方法。

背景技术：

车辆自适应巡航控制利用无线通信和相应功能模块获取车辆周围以及自身的信息，调节车辆自身的加-减速度，实现车辆高效、安全、舒适的行驶，是自动驾驶车辆的一种基本控制方法。在车辆行驶过程中，随着前车加-减速度的变化，自动控制车辆与前车保持一定的相对安全距离，不仅可以减轻驾驶员的工作强度，还可以提升道路的交通流量密度，增强车辆行驶过程中的主动安全性。当前的车辆自适应巡航系统整合了移动通信网络和无线传感网络，在这庞大的网络系统发展应用过程中，如何对海量的数据信息进行规范、合理、安全、高效地计算与存储是当前车辆自主控制与智能化研究领域的不可忽视的要点。随着云计算技术的不断发展，海量的数据存储以及高速计算在不同的领域得到应用，其中也包括车联网系统。然而当前云存储中的车辆状态信息多以明文形式存储，并未提供任何安全保护机制，一旦遭到供攻击者恶意破坏，轻则发生数据泄露，重则会造成严重的交通事故，对此最常见的解决方法是对数据进行加密。同态加密技术在对数据实现加密的同时，能够对密文信息进行分布式并行计算、查询，因此在车联网系统的云环境中具有广阔的应用前景。目前的同态加密技术部分仅考虑了整数的加法与乘法同态或者是复杂度过高的全同态加密，这些都难以投入实际应用中；另外前车驾驶员驾驶行为的高度主观性和不确定性强，同时车辆自适应变速巡航过程控制实时性和准确性要求高，因此，基于同态加密的车辆自适应变速巡航过程控制方法仍需进行大量细致地研究和探讨，以满足当前面对各类复杂的交通状况和网络安全问题，实现系统安全存储数据、减轻系统计算量下的车辆自适应变速巡航过程控制。

技术实现要素：

为了克服已有车辆自适应变速巡航过程中系统在线计算量大、数据存储较难的不足，本发明依托云计算，提供一种理解直观、高效安全的基于同态加密的车辆自适应变速巡航过程控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于同态加密的车辆自适应变速巡航过程控制方法，所述控制方法包括如下步骤：

1)、建立车辆自适应变速巡航过程状态空间扰动扩展数学模型，参见式(1)：

其中，变量t表示时间；x1(t)、x2(t)和x3(t)分别表示在t时刻前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度；u(t)表示在t时刻本车的命令加速度；w(t)表示在t时刻前车的实际加速度；参数h和σ分别为车头时距和时间常数；考虑模型式(1)，定义车辆自适应变速巡航过程的状态列向量x(t)＝[x1(t)x2(t)x3(t)]^t，其中，符号t表示向量的转置；在x(t)、x1(t)、x2(t)和x3(t)上的点号“·”表示导数；

2)、给定4个大于零的参数r1、r2、r3和r4，定义车辆自适应变速巡航过程控制器增益系数k1、k2和k3；令行向量k＝[k1k2k3]为增益向量，将通过matlab命令函数lqr计算，参见式(2)：

k＝lqr(a,b,q,r4)(2)

其中，增广矩阵和

3)、选择两个大于零的素数p和q，计算n＝p×q，则车辆自适应变速巡航加密系统的公钥为p，私钥为n；对于明文空间的任意值x，计算加密值，参见式(3)：

x＝smod((x+sign(x)×rand×p),n)(3)

其中，函数m是一个有理数，k是一个正素数，mod是普通求模运算，rand返回一个随机正整数，sign(x)是取符号函数；将当前时刻前车与本车的间距误差x1(t)、相对速度x2(t)、本车加速度x3(t)和三个控制器增益系数k1、k2和k3统一精度后进行整数化，即x＝i(x)＝x×10^e，其中e为x小数点后面的位数，符号i(x)表示对系数x的整数化运算函数；记录六个系数的小数点位分别为e1、e2、e3、e4、e5和e6，然后对整数化后的六个值用公式(3)进行加密，加密后可得密文x1、x2、x3、k1、k2、k3；

4)、将加密后的车辆信息存储于云端服务器，由云计算对密文做乘法运算，得到三组值分别为

u1＝x1×k1、u2＝x2×k2、u3＝x3×k3(4)

5)、车辆系统接收云端传回来的三组密文信息并解密，参见式(5)～(7)：

u1(t)＝d(u1)＝smod(u1,p)×10^-(e1+e2)(5)

u2(t)＝d(u2)＝smod(u2,p)×10^-(e3+e4)(6)

u3(t)＝d(u3)＝smod(u3,p)×10^-(e5+e6)(7)

其中，符号d表示解密操作；实时计算车辆自适应变速巡航过程控制量u(t)，参见式(8)：

u(t)＝-(u1(t)+u2(t)+u3(t))(8)

将u(t)驱动本车跟踪前车运动状态；在下一个控制周期时，重新返回步骤3)在线测量前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，如此周而复始，实现本车安全存储数据、减轻系统计算量下的车辆自适应变速巡航过程控制。

本发明的技术构思是：针对车辆自适应变速巡航控制领域数据存储及云计算安全性的控制要求，建立车辆自适应变速巡航过程三阶状态空间扰动扩展数学模型，通过matlab命令函数lqr计算车间距控制器增益向量，将增益向量与当前状态量实时加密后上传至云端存储，在云端对密文进行乘法运算而后传输回到车辆，进而解密并求得车辆自适应变速巡航过程车间距控制量，实现本车车辆安全存储数据、减轻系统计算量下的车辆自适应变速巡航控制。

本发明主要执行部分在车辆自动驾驶控制计算机上运行实施，包括云端存储以及计算部分也由计算机模拟。本方法实施过程可以分以下三个阶段：

1、参数设置：包括模型参数和控制器参数，在模型参数导入界面中，输入模车头时距h、时间常数σ、期望相对车间距偏差yr和密钥p、q；在控制器参数设置中，输入参数r1、r2、r3和r4，输入参数确认后，由控制计算机将设置数据送入计算机存储单元ram中保存；参数r1、r2、r3和r4的取值规则：r1、r2、r3和r4为大于零的正数；参数p、q的取值规则：明文空间zp＝{x||x|≤p}，密文空间zn＝{x||x|≤n}，因此p取尽可能大。

2、离线调试：点击组态界面中的“调试”按钮，巡航控制系统进入控制器离线仿真调试阶段，调整控制器参数r1、r2、r3和r4，观察车辆自适应变速巡航过程车间距控制效果，由此确定一组能良好实现车辆自适应变速巡航过程车间距控制的参数；实际调试参数r1、r2、r3和r4时，应权衡车辆自适应变速巡航过程中各状态的响应能力、调整时间和本车命令加速度输出之间的综合性能；

3、在线运行：启动主控制计算机的cpu读取模型参数和控制器参数，在线测量当前时刻前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，对控制器参数和本车状态量进行加密并上传至云端；云端接收加密数据后进行存储并进行乘法计算，将结果返回给后车；后车对密文进行解密并实时计算车辆自适应变速巡航过程车间距控制量，驱动本车跟踪前车运动状态；在下一个控制周期时，重新在线测量前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，如此周而复始，实现本车安全存储数据、减轻系统计算量下的车辆自适应变速巡航控制。

本发明的有益效果主要表现在：1、车辆自适应变速巡航过程控制器调整参数少，设计简单、容易理解、在线实施简便、实用性强；2、考虑采用云端进行数据存储的同时又考虑引入同态加密算法，使得车辆自适应变速巡航系统的存储以及计算压力降低且又保证了系统信息安全问题。

附图说明

图1为基于同态加密的车辆自适应变速巡航过程车间距控制中实际车间距与理想车间距变化曲线，其中，实线为实际车间距变化曲线，虚线为理想车间距变化曲线。

图2为基于同态加密的车辆自适应变速巡航过程车间距控制中本车与前车的速度变化曲线，其中，实线为本车速度变化曲线，虚线为前车速度变化曲线。

图3为基于同态加密的车辆自适应变速巡航过程车间距控制中本车与前车的加速度变化曲线，其中，实线为本车加速度变化曲线，虚线为前车加速度变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的方法作进一步详细说明。

参照图1～图3，一种基于同态加密的车辆自适应变速巡航过程控制方法，所述控制方法包括如下步骤：

1)、建立车辆自适应变速巡航过程状态空间扰动扩展数学模型，参见式(1)：

其中，变量t表示时间；x1(t)、x2(t)和x3(t)分别表示在t时刻前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度；u(t)表示在t时刻本车的命令加速度；w(t)表示在t时刻前车的实际加速度；参数h和σ分别为车头时距和时间常数；考虑模型式(1)，定义车辆自适应变速巡航过程的状态列向量x(t)＝[x1(t)x2(t)x3(t)]^t，其中，符号t表示向量的转置；在x(t)、x1(t)、x2(t)和x3(t)上的点号“·”表示导数；

2)、给定4个大于零的参数r1、r2、r3和r4，定义车辆自适应变速巡航过程控制器增益系数k1、k2和k3；令行向量k＝[k1k2k3]为增益向量，将通过matlab命令函数lqr计算，参见式(2)：

k＝lqr(a,b,q,r4)(2)

其中，增广矩阵和

3)、选择两个大于零的素数p和q，计算n＝p×q，则车辆自适应变速巡航加密系统的公钥为p，私钥为n；对于明文空间的任意值x，计算加密值，参见式(3)：

x＝smod((x+sign(x)×rand×p),n)(3)

其中，函数m是一个有理数，k是一个正素数，mod是普通求模运算，rand返回一个随机正整数，sign(x)是取符号函数；将当前时刻前车与本车的间距误差x1(t)、相对速度x2(t)、本车加速度x3(t)和三个控制器增益系数k1、k2和k3统一精度后进行整数化，即x＝i(x)＝x×10^e，其中e为x小数点后面的位数，符号i(x)表示对系数x的整数化运算函数；记录六个系数的小数点位分别为e1、e2、e3、e4、e5和e6，然后对整数化后的六个值用公式(3)进行加密，加密后可得密文x1、x2、x3、k1、k2、k3；

4)、将加密后的车辆信息存储于云端服务器，由云计算对密文做乘法运算，得到三组值分别为

u1＝x1×k1、u2＝x2×k2、u3＝x3×k3(4)

5)、车辆系统接收云端传回来的三组密文信息并解密，参见式(5)～(7)：

u1(t)＝d(u1)＝smod(u1,p)×10^-(e1+e2)(5)

u2(t)＝d(u2)＝smod(u2,p)×10^-(e3+e4)(6)

u3(t)＝d(u3)＝smod(u3,p)×10^-(e5+e6)(7)

其中，符号d表示解密操作；实时计算车辆自适应变速巡航过程控制量u(t)，参见式(8)：

u(t)＝-(u1(t)+u2(t)+u3(t))(8)

将u(t)驱动本车跟踪前车运动状态；在下一个控制周期时，重新返回步骤3)在线测量前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，如此周而复始，实现本车安全存储数据、减轻系统计算量下的车辆自适应变速巡航过程控制。

本实施例为车辆自适应变速巡航过程车间距控制过程，具体操作过程如下：

1、在参数设置界面中，输入车辆自适应变速巡航车间距控制模型参数，如下：车头时距h＝0.2、时间常数σ＝0.1和期望相对车间距偏差yr＝0，及控制器参数r1、r2、r3和r4；

2、在组态界面上点击“调试”按钮进入调试界面，启动主控计算机的cpu调用事先编制好的“控制器计算程序”求解车间距控制增益k，具体计算过程如下：

2.1)根据给定的参数r1、r2、r3、和r4，利用方程式(2)计算巡航过程车间距控制器增益k；

2.2)根据方程式(2)和参数r1、r2、r3和r4的取值与调整规则，综合考虑车辆自适应变速巡航过程车间距控制的响应能力、调整时间和本车命令加速度输出之间的性能，调试参数得到r1＝10、r2＝10、r3＝1、r4＝1；

2.3)利用调试得到的参数r1、r2、r3和r4值计算控制器增益向量k＝[-39.8375-15.07253.2553-11.1803]，将计算结果保存到计算机存储单元ram中；

3、点击组态界面中的“运行”按钮，启动主控计算机的cpu读取模型参数和控制器参数，通过在线测量当前时刻前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，实时计算车辆自适应变速巡航过程车间距控制量，驱动本车跟踪前车运动状态；在下一个控制周期时，重新在线测量前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，如此周而复始，实现本车高实时性和准确性的车辆自适应变速巡航过程车间距控制。

实际控制效果如图1、图2和图3所示，图1为车辆自适应变速巡航过程车间距控制中实际车间距与理想车间距变化曲线，其中，实线为实际车间距变化曲线，虚线为理想车间距变化曲线；图2为车辆自适应变速巡航过程车间距控制中本车与前车的速度变化曲线，其中，实线为本车速度变化曲线，虚线为前车速度变化曲线；图3为车辆自适应变速巡航过程车间距控制中本车与前车的加速度变化曲线，其中，实线为本车加速度变化曲线，虚线为前车加速度变化曲线。

以上阐述的是本发明给出的一个实例所表现出的优良的车辆自适应变速巡航过程车间距控制效果。需要指出，上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改，都落入本发明的保护范围。