网络攻击下两时间尺度供应链系统跟踪控制方法及系统

本发明涉及供应链系统跟踪控制领域，特别是涉及一种网络攻击下两时间尺度供应链系统跟踪控制方法及系统。

背景技术：

1、供应链系统是集制造、供应、分销和服务于一体的大型网络控制系统(networkedcontrol system，ncs)，提供从原材料供应商到最终客户的商品、服务和信息。近年来，随着人工智能技术的飞速发展，制造企业正经历着从自动化到智能化的重大变革，供应链系统也随之开始向数字化、智能化方向发展。如今供应链系统已成为集成现代传感器、计算和网络技术等信息和物理组件为一体的信息-物理系统(cyber-physical system，cps)。供应链系统作为智能制造领域极为关心的一类复杂系统，在电力供应、智能制造、生物医药、食品加工等领域具有广泛应用前景。

2、传统供应链系统主要以满足生产需求为目标，其运作环境相对封闭，信息传递比较滞后。随着互联网技术的发展以及用户需求越来越多样化，为满足用户定制化的要求，所设计的产品复杂性急剧提升，其生产过程往往需要多个子供应链系统协同生产。因此，供应链系统也越来越复杂。事实上，复杂供应链系统由于节点多，往往存在多个运行时间尺度，这意味着系统内部存在着变化相差很大的快、慢动态。将这类包含快、慢两种动态的供应链系统称作两时间尺度供应链系统。早期对这类多时间尺度特性系统的处理方法是忽略系统高频特性，将原系统处理为降阶的近似模型。然而，这种方法过度简化了控制问题，基于这样的简化模型设计的控制效果与设计要求相距甚远。

3、针对上述问题，很多学者提出了具有建设性的解决办法。kalinin等提出独立于奇异摄动参数(用以刻画系统的多时间尺度特性)来设计次优调节器，将原系统分解为快慢子系统，分别对快慢子系统设计二次型最优控制，再将其组合成复合控制。li等利用提升技术研究了两时间尺度的生产库存系统的h∞控制问题，所设计的最控制律对具有markov切换特性的系统可以满足一定的性能要求。为了满足更高精度的要求，伴随计算机技术的飞速发展，学者们提出了可以迭代求解含有奇异摄动参数代数黎卡提方程(algebraic riccatiequation，are)的算法，用于满足任意精度的控制器求解需要。mukaidani等率先提出用全阶模型迭代求解are，有效的避免了出现计算误差造成的病态数值问题。zhao等研究了基于强化学习的线性奇异摄动系统的最优控制问题，提出了一种离线的基于模型的算法来求解带有奇异摄动参数的are，并证明了其收敛性。

4、上述研究结果主要集中在两时间尺度系统最优控制方面，而对于复杂产品供应链系统的应用研究目前相关成果尚显不足，其主要挑战在于，内外在不确定因素影响复杂产品供应链系统的稳定运行，尤其是系统受到不期望的网络攻击或意外事件而导致的供应链设计变更情形，这通常使得系统的解析解难以精确获得。由于策略迭代算法在解决两时间尺度系统最优控制问题上展现了巨大的优越性，因此，如何利用奇异摄动理论和策略迭代技术求解两时间尺度供应链系统成为本领域亟待解决的技术问题。

5、此外，市场需求的不确定性也深刻地影响供应链系统的运行，不确定用户需求信息在系统演化中从供应链下游向上游逐级放大，这种现象即所谓的牛鞭效应。通常，采用供应链运作成本z与不确定需求d的2范数比小于某优化的最小值β(为与后面折扣因子γ区分，此处改为β，表示牛鞭效应指标)，即用来度量牛鞭效应的影响。数学上，这高度契合了h∞控制中对l2增益的刻画。因此，h∞控制理论为抑制供应链系统中牛鞭效应的影响提供有力工具。基于此，如何引入h∞控制方法有效降低两时间尺度供应链系统牛鞭效应的影响是本领域的又一重要任务。

6、基于cps的供应链系统因其高效率、低控制成本的优点给企业带来了极大的便利。然而，由于在控制回路中引入了共享网络，这类cps越来越容易受到网络攻击的影响。攻击者通过网络发起的攻击可以造成严重的影响，破坏物理基础设施，造成巨大的经济损失，甚至危及社会稳定和国家发展。例如，2015年，乌克兰电网受到恶意软件“blackenergy”的攻击，最终造成乌克兰西部地区约23万用户断电，持续时长6个小时。2021年3月，美国一家饮料公司遭受勒索软件攻击，导致其业务运营(包括运营、生产和运输)严重中断。此外，一家大规模的食品加工厂因勒索软件而关闭，多个业务及其零售功能被嵌入可信第三方更新服务的恶意软件关闭。上述安全事件表明，cps已成为网络攻击的重要目标。因此，提高供应链系统在网络攻击下的安全性和稳定性具有重要的现实意义。

7、一般而言，网络攻击可以大致分为拒绝服务(denial of service，dos)攻击和欺骗攻击。dos攻击可以通过干扰通信网络来抑制测控信号的传输。欺骗攻击可以通过虚假数据注入破坏传输数据包的数据完整性。由于网络攻击以十分隐蔽和难以预测的方式对cps造成危害，它们往往会对关键基础设施造成严重的破坏。为了防止这些服务中断可能造成的经济损失和环境损害，研究人员针对dos攻击所造成的系统安全问题开发了一些能够抵御网络攻击的控制策略。例如，从攻击角度，文献“distributed event-triggered stateestimators design for sensor networked systems with deception attacks”刻画了dos攻击的频率和持续时间，证明了系统在dos攻击下可以保持稳定。文献“a survey onnetwork security for cyber-physical systems:from threats to resilient design”则从防御角度提出了一种模型预测控制框架来减弱dos攻击对cps的不利影响。此外，文献“input-to-state stabilizing control under denial-of-service”研究了dos攻击下带有测量信道的cps，通过设计基于观测器的输出预测器，提出了一种新颖的基于弹性观测器的预测控制框架。根据上述研究结果容易发现，研究者对cps的安全控制问题已经有了丰富而广泛的成果，但基于cps的供应链系统，dos攻击防御策略研究略显不足。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种网络攻击下两时间尺度供应链系统跟踪控制方法及系统。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种网络攻击下两时间尺度供应链系统跟踪控制方法，包括：

4、基于两时间尺度供应链系统的运行机理建立动力学模型；

5、基于所述动力学模型将所述两时间尺度供应链系统分解为降阶子系统和边界层子系统；

6、利用策略迭代算法分别为所述降阶子系统和所述边界层子系统设计最优控制器；其中，在利用策略迭代算法为所述降阶子系统设计最优控制器的过程中，引入h∞控制；

7、采用设计的最优控制器分别控制所述降阶子系统和所述边界层子系统得到最优控制律；

8、采用所述最优控制律控制所述两时间尺度供应链系统，并利用bp神经网络预测技术，根据历史数据和参考信息对两时间尺度供应链系统的状态进行预测补偿。

9、一种网络攻击下两时间尺度供应链系统跟踪控制系统，所述系统用于实施上述提供的网络攻击下两时间尺度供应链系统跟踪控制方法；所述系统包括：

10、模型构建模块，用于基于两时间尺度供应链系统的运行机理建立动力学模型；

11、系统分解模块，用于基于所述动力学模型将所述两时间尺度供应链系统分解为降阶子系统和边界层子系统；

12、控制器设计模块，用于利用策略迭代算法分别为所述降阶子系统和所述边界层子系统设计最优控制器；其中，在利用策略迭代算法为所述降阶子系统设计最优控制器的过程中，引入h∞控制；

13、控制律确定模块，用于采用设计的最优控制器分别控制所述降阶子系统和所述边界层子系统得到最优控制律；

14、预测补偿模块，用于采用所述最优控制律控制所述两时间尺度供应链系统，并利用bp神经网络预测技术，根据历史数据和参考信息对两时间尺度供应链系统的状态进行预测补偿。

15、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

16、本发明针对供应链系统运行于两个不同时间尺度上，根据奇异摄动理论将系统分解为快、慢两个子系统。利用策略迭代算法分别为分解后的两个子系统设计最优控制器，其中为降低用户不确定性需求的影响将h∞控制引入到慢系统控制器的设计当中。针对系统传感器–控制器(sensor-to-controller，s-c)通信信道受到dos攻击情形，利用bp神经网络预测技术，根据历史数据和参考信息对系统状态进行预测补偿，从而保证dos攻击下系统的跟踪性能。