无人艇集群分布式安全控制方法

1.本发明涉及无人艇技术领域，特别涉及一种无人艇集群分布式安全控 制方法。


背景技术：

2.近年来，随着陆地燃料资源的枯竭，占据地球面积约71％的海洋战略 地位随之不断提高。为充分勘探和开采海洋资源，海洋装备技术的发展不 可或缺。以无人艇(包括水下航行体、水下机器人、水面无人船等)为代表 的海洋智能装备是现阶段海上作业的主要载体。
3.无人艇的工作范围经常处于环境复杂多变的水域，经常会带给无人艇 不可预知的影响。随着无人艇作业能力的提升，其复杂性随之提高，其安 全保障也得到深入关注。无人艇应尽早发现可能存在的故障，并采取适当、 合理的容错手段，以降低无人艇潜在的风险，而实现其自主故障诊断和容 错控制是无人艇安全航行和作业的核心。
4.无人艇一般通过网络进行通信和互联，而网络化的无人艇很可能因受 到dos攻击而发生故障。dos是denial of service的简称，即拒绝服务， 造成dos的攻击行为被称为dos攻击，其目的是使计算机或网络无法提供 正常的服务。最常见的dos攻击有计算机网络宽带攻击和连通性攻击。其 中服务资源包括网络带宽，文件系统空间容量，开放的进程或者允许的连 接。这种攻击会导致通信资源的匮乏，无论计算机的处理速度多快、内存 容量多大、网络带宽的速度多快都无法避免这种攻击带来的后果。
5.网络化无人艇集群若受到物理层复合故障及网络层非周期性dos攻击 则会带来非常严重的后果。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种无人艇集群分布式安全控制方法，以解决 现有的网络化无人艇集群受到物理层复合故障及网络层非周期性dos攻击 无法维持可靠性和安全性的问题。
7.为解决上述技术问题，本发明提供一种无人艇集群分布式安全控制方 法，包括：
8.将无人艇集群系统的波浪扰动模型、复合故障模型与dos攻击模型进 行关联建模，形成综合模型；
9.根据综合模型建立无人艇集群的非周期性dos攻击模型；以及
10.根据非周期性dos攻击模型划分的dos攻击激活和休眠阶段，在无人 艇集群的基线控制与分布式安全控制之间切换，并且在dos攻击休眠阶段 进行基于事件触发的无人艇集群可更新控制。
11.可选的，在所述的无人艇集群分布式安全控制方法中，形成综合模型 和非周期性dos攻击模型包括：
12.构建无人艇开放和/或动态海洋场景下波浪扰动和/或突变和/或缓变执 行器复合故障和/或非周期性dos攻击的关联模型；
13.根据非周期性dos攻击导致通讯拓扑链路全中断或保持连通的相异激 活和休眠结果，建立无人艇非周期性dos攻击模型；以及
14.引入dos攻击频率以及平均驻留时间指标，构建无人艇集群抗攻击目 标下对非周期性dos攻击的指标约束条件。
15.可选的，在所述的无人艇集群分布式安全控制方法中，根据非周期性 dos攻击模型划分的dos攻击激活和休眠阶段，使得无人艇集群实施基线 控制及分布式安全控制之间的切换，以及在dos攻击休眠阶段进行基于事 件触发的无人艇集群可更新控制包括：
16.从受非周期性dos激活攻击影响下无人艇的基线安全控制器切换至受 非周期性dos休眠攻击影响下无人艇的分布式安全控制器。
17.可选的，在所述的无人艇集群分布式安全控制方法中，基线安全控制 器包含估计补偿信息，其负反馈作用为容错控制中补偿故障负面影响提供 额外和正面信息，实施物理层执行器复合故障进行有效抵消的容错目标， 以及网络层非周期性dos攻击激活阶段的抗攻击目标；以及
18.分布式安全控制器包含估计补偿信息、以及基于最新成功触发时刻完 成信息交互的分布式状态信息；
19.所述分布式状态信息仅需在最新成功触发时刻完成交互，实施物理层 执行器复合故障进行有效抵消的容错目标，以及网络层非周期性dos攻击 休眠阶段的抗攻击目标。
20.可选的，在所述的无人艇集群分布式安全控制方法中，根据非周期性 dos攻击模型划分的dos攻击激活和休眠阶段，使得无人艇集群实施基线 控制及分布式安全控制之间的切换，以及在dos攻击休眠阶段进行基于事 件触发的无人艇集群可更新控制还包括：
21.通过基于事件触发的无人艇集群可更新控制，进行低复杂度的基于事 件的分布式安全控制机制，以减少无人艇集群系统中通信拓扑的带宽占用 并减轻网络物理威胁的影响，设置事件触发阈值上界以消除循环重复触发 行为。
22.可选的，在所述的无人艇集群分布式安全控制方法中，还包括：
23.第i个无人艇的摇摆、偏航、滚转运动方程中引入波浪扰动ωi(t)＝[ω
ψi
(t)ω
φi
(t)]
t
以及指数型突变和缓变执行器复合故障得到无人艇“波浪 扰动-复合故障”动态方程表示如下：
[0024][0025]
建立非周期性dos攻击模型，将非周期性dos攻击建模为激活和休眠 状态；
[0026]
针对非周期性dos攻击给定三类指标，分别为dos攻击数量n
γ
(t0,t)， dos攻击频率以及在dos攻击总激活时间间隔γa(t0,t)内的平均驻留时 间指标τa＞0，其中分别表示为dos激活攻击和dos休眠攻击的 数量。
[0027]
可选的，在所述的无人艇集群分布式安全控制方法中，还包括：
[0028]
定义非周期性dos攻击总激活和总休眠时间间隔，定义为 非周期性dos攻击总激活时间间隔，即在时间间隔内信息交互被中断，其 中t0为初始时刻，t为终止时刻，∪为并集，∩为交集，为第r个dos 攻击激活时间间隔，r为自然数，
其中为非周期性dos攻击在[t0,t]间隔的 激活序列，且为非周期性时变间隔；
[0029]
在非周期性dos攻击总激活时间间隔内无法利用邻接无人艇的信息实 现分布式抗攻击安全控制；
[0030]
定义γd(t0,t)＝[t0,t]\γa(t0,t)为非周期性dos攻击总休眠时间间隔，即在时间间 隔内信息交互被允许，且连通拓扑结构不改变，\为余集；
[0031]
在非周期性dos攻击总休眠时间间隔内能够利用邻接无人艇的信息实 现分布式抗攻击安全控制；
[0032]
针对非周期性dos攻击建模，设置dos攻击数量、dos攻击频率以及 平均驻留时间，定义为dos攻击数量，其中 分别表示为dos激活攻击和dos休眠攻击的数量；定义 为dos攻击频率，其中表示为dos激活攻击的数量；在 dos攻击总激活时间间隔γa(t0,t)内定义存在界值γ0≥0和平均驻留时间指标 τa＞0满足
[0033]
确定满足如下约束的dos攻击频率以及平均驻留时间τa，
[0034][0035]
τa＞(α
1-σ
*
)-1
(α1+α2)
[0036]
使得无人艇集群分布式安全控制位于非周期性dos休眠攻击时间间隔， 同时无人艇集群基线安全控制位于非周期性dos激活攻击时间间隔。
[0037]
可选的，在所述的无人艇集群分布式安全控制方法中，还包括：
[0038]
根据在非周期性dos攻击激活间隔时间γa(t0,t)无人艇集群通讯被中断， 利用分散式未知输入观测器的估计信息在无人艇集群非周期性dos激 活攻击建模下，设计如下表示的第i个无人艇的基线安全控制器：
[0039][0040]
其中k1＝[k
x
kf]表示为补偿增益，其中k
x
为内部状态估计增益，而kf表示 为故障估计增益，具体如下：
[0041][0042]
所设计的基线安全控制器仅包含估计补偿信息改进增加的状态 和故障估计信息来源于分散式未知输入观测器中无人艇角度、 角速度状态估计信息以及执行器复合故障估计信息其负反馈作用 为容错控制中补偿故障负面影响提供额外和正面信息，改进了现有独立故 障估计和独立容错控制技术的单一和保守性，充分利用故障估计和容错控 制的有机联系，最终实现对物理层执行器复合故障有效抵消的容错目标以 及网络层非周期性dos攻击激活阶段的抗攻击目标。
[0043]
可选的，在所述的无人艇集群分布式安全控制方法中，还包括：
[0044]
根据在非周期性dos攻击休眠间隔时间γd(t0,t)无人艇集群通讯被允许， 在非周期性dos攻击休眠间隔时间段进行无人艇集群分布式安全控制器的 更新；
[0045]
根据基线安全控制器，在无人艇集群非周期性dos休眠攻击建模下， 切换设计如下表示的第i个无人艇的基于事件触发机制的分布式安全控制 器：
[0046][0047]
其中k2表示为信息交互增益，a
ij
为的第i行第j列元素值，其中和分 别为图论中通讯拓扑邻接矩阵和与第i个节点相邻节点的集合；分别 表示为第i个、第j个无人艇在最新成功触发时刻完成信息交互的状态值；
[0048]
分布式安全控制器除包含估计补偿信息还包含基于最新成功触 发时刻完成信息交互的分布式状态信息通过信息交互增益k2连接，所述分布式状态信息在最新成功触发时刻完成交互。
[0049]
可选的，在所述的无人艇集群分布式安全控制方法中，还包括：
[0050]
在非周期性dos攻击休眠间隔时间γd(t0,t)无人艇集群通讯被允许，在非 周期性dos攻击休眠间隔时间段进行无人艇集群分布式安全控制器的更新； 在dos攻击休眠间隔时间γd(t0,t)内的时间序列处完成事件触发的采 样，以更新安全控制器在每一个事件触发时刻被激活；
[0051]
根据第i个无人艇最新成功触发时刻完成信息交互的状态值构造 状态交互误差信号根据状态交互误差δi(t)及如下表示的事件触发 阈值上界明确更新时刻序列
[0052][0053]
其中θi＞0表示为基于时间触发的阈值标量，||||表示为二范数，在满足该 约束条件的时刻为可事件触发的采样更新时刻
[0054]
事件触发阈值上界为
[0055]
本发明的发明人经研究发现，针对无人艇集群的分布式协同控制问题， 现有技术往往专注于解决一个单一约束问题，例如考虑物理层单一的波浪 扰动、单一的执行器部分失效、卡死、饱和故障或网络层的单一网络攻击 影响，尚未深入研究各约束关联建模下对无人艇集群协同一致性目标的影 响，从而导致现有技术处理多约束问题、关联建模问题有局限性；
[0056]
另外由于非周期性dos网络攻击的存在，导致在非周期性dos攻击的 激活和休眠状态下无人艇集群网络层各链路分别保持中断和连通，即无人 艇之间信息传输、交互的中断和连通，现有基于图论的多智能体系统协同 控制方法无法直接推广应用于受dos攻击影响的无人艇集群系统，需建立 非周期性dos攻击模型以及开发抵抗dos攻击的新型无人艇
集群分布式安 全控制方法；
[0057]
在本发明提供的无人艇集群分布式安全控制方法中，针对受dos攻击 影响的网络化无人艇集群系统，提出一种无人艇集群分布式安全控制方法， 旨在解决开放、动态海洋场景下物理层存在突变和缓变执行器复合故障以 及网络层存在非周期性dos攻击的难点，通过所提分布式安全控制方法实 现对物理层复合故障有效抵消的容错目标以及网络层dos攻击的防御目标， 同时保障无人艇集群的可靠性、稳定性和安全性。
[0058]
首先开放、动态海洋场景下无人艇集群系统“波浪扰动-复合故障-dos 攻击”关联建模实现了不局限于单一的扰动建模、物理故障建模或网络攻 击建模，构建较完善的无人艇开放、动态海洋场景下波浪扰动、突变和缓 变执行器复合故障、非周期性dos攻击的真实、准确的关联模型；
[0059]
其次无人艇集群非周期性dos攻击建模实现了根据非周期性dos攻击 导致通讯拓扑链路全中断或保持连通的相异激活和休眠结果创新性建立无 人艇非周期性dos攻击模型，引入了dos攻击频率以及平均驻留时间指标， 改进了固定拓扑、切换拓扑、随机拓扑下基于图论的多智能体系统协同控 制方法无法直接推广应用于受dos攻击影响的无人艇集群系统的安全控制， 以及构建了无人艇集群可实现抗攻击目标下对非周期性dos攻击的指标约 束条件；
[0060]
再次无人艇集群切换型基线控制及分布式安全控制包含无人艇集群切 换控制思想，即从受非周期性dos激活攻击影响下无人艇的基线安全控制 器切换至受非周期性dos休眠攻击影响下无人艇的分布式安全控制器。所 设计的基线安全控制器仅包含估计补偿信息，其负反馈作用为容错控制中 补偿故障负面影响提供额外和正面信息，改进了现有独立故障估计和独立 容错控制技术的单一和保守性，充分利用故障估计和容错控制的有机联系， 最终实现对物理层执行器复合故障有效抵消的容错目标以及网络层非周期 性dos攻击激活阶段的抗攻击目标。所设计的分布式安全控制器除包含估 计补偿信息，还包含基于最新成功触发时刻完成信息交互的分布式状态信 息，该分布式状态信息仅需在最新成功触发时刻完成交互，改进了现有技 术均匀采样触发导致数据量的庞大、冗余，随机采样触发导致数据量的不 确定性，以及网络传输带宽资源负担大的局限性，也克服了现有传感器感 知技术需更完整、更真实海洋无人艇任务场景下完整信息获取的局限性， 从而实现对物理层执行器复合故障有效抵消的容错目标以及网络层非周期 性dos攻击休眠阶段的抗攻击目标。
[0061]
最后基于事件触发的无人艇集群可更新控制策略：该改进的基于事件 触发的无人艇集群可更新控制策略实现了一种低复杂度的基于事件的分布 式安全控制机制，以减少无人艇集群系统中通信拓扑的带宽占用，并减轻 网络物理威胁的影响，同时所设计的事件触发阈值上界可消除循环重复触 发行为。进一步，该改进的事件触发机制也克服了现有技术均匀时间采样 触发导致数据量的冗余性以及随机时间采样触发导致数据量的不确定性。
[0062]
综上所述，网络层非周期性dos攻击和物理层执行器复合故障影响下 无人艇集群的分布式安全控制(物理故障的有效容错、网络攻击的有效抵 御)，实现可靠、稳定的无人艇协同一致性，在军事作战围捕、驱离、扫 雷、反潜等，民用领域物资补给、地形测绘、海面营救、无人搜索等方面 发挥重要作用。
附图说明
[0063]
图1是本发明一实施例中的无人艇集群分布式安全控制方法示意图。
具体实施方式
[0064]
下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
[0065]
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而 不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同 的附图标记。
[0066]
在本发明中，除非特别指出，“布置在
…
上”、“布置在
…
上方”以 及“布置在
…
之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置 在
…
上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、 如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在
…
下或下方”，反之亦然。
[0067]
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为 限制性的。
[0068]
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元 素的场景。
[0069]
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示 出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本 发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非 另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第 二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征， 所得到的实施例同样落入本技术的公开范围或记载范围。
[0070]
在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于
”ꢀ
等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是 说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。 以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样 涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
[0071]
另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺 序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。
[0072]
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的无人艇集群分布式安全控 制方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。 需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以 方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0073]
本发明的目的在于提供一种无人艇集群分布式安全控制方法，以解决 现有的网络化无人艇集群受到非周期性dos攻击则会带来非常严重的后果。
[0074]
为实现上述目的，本发明提供了一种无人艇集群分布式安全控制方法， 包括：将无人艇集群系统的波浪扰动模型、复合故障模型与dos攻击模型 进行关联建模，形成综合模型；根据综合模型建立无人艇集群的非周期性 dos攻击模型；以及根据非周期性dos攻击模型，使得无人艇集群实施基 线控制及分布式安全控制之间的切换，以及进行基于事件触发的无人艇集 群可更新控制。
[0075]
图1提供了本发明的第一个实施例，其示出了无人艇集群分布式安全 控制方法的流程示意图；如图1所示，本实施例中的所述无人艇集群分布 式安全控制方法包括：
[0076]
步骤一：根据常规无人艇摇摆、偏航、滚转运动方程，设置n个无人 艇组成网络化无人艇集群系统，在第i个无人艇(i＝1,
…
,n)中考虑突变和缓变执 行器复合故障发生于
方向舵偏角通道，即：
[0077][0078][0079][0080][0081][0082]
其中vi(t),ri(t),ψi(t),pi(t),φi(t),δi(t)分别表示为第i个无人艇的摇摆速度、偏航速度、 偏航角、滚转速度、滚转角、方向舵偏角，以及ω
ψi
(t),ω
φi
(t)表示为第i个无人艇 的偏航通道的波浪扰动和滚转通道的波浪扰动，ζ,ωn表示为阻尼比和自然频 率，tv,tr表示为时间常数，k
dv
,k
dr
,k
vr
,k
dp
,k
vp
表示为无人艇系统增益矩阵。
[0083]
方向舵偏角通道中叠加的表示为突变和缓变执行器复合故 障。令且分别表示为具体突变和缓变执行器复合故 障指数型建模如下：
[0084][0085]
其中表示为常值故障上界、故障发生时刻以及故障衰减率。引入 指数型建模凸显缓变故障的早期特征不明显、行为不突出的特性，当故障 衰减率满足时，该执行器故障为缓变故障；当故障衰减率满足时， 该执行器故障为突变故障，其中为设置的已知常值。
[0086]
步骤二：根据步骤一中第i个无人艇的摇摆、偏航、滚转运动方程，定 义无人艇动态方程的系统状态xi(t)、角度传感器可测输出yi(t)、波浪引起外部 扰动ωi(t)分别为xi(t)＝[vi(t)ri(t)ψi(t)pi(t)φi(t)]
t
,yi(t)＝[ψi(t)φi(t)]
t
,ωi(t)＝[ω
ψi
(t)ω
φi
(t)]
t
，可得无人艇动态 方程表示如下：
[0087][0088]
其中表示为指数型突变和缓变执行器复合故障，且无人 艇动态方程的增益矩阵a,b,f,e,c表示如下：
[0089][0090]
步骤三：网络化无人艇集群通过通信网络相互连接，其网络层会受到 敌方攻击者非周期性dos攻击的影响。在非周期性dos攻击的激活和休眠 状态下无人艇集群网络层各
链路分别保持中断和连通，即无人艇之间信息 传输的中断和连通。
[0091]
定义为非周期性dos攻击总激活时间间隔，即在时间间隔 内信息交互被中断，其中t0为初始时刻，t为终止时刻，∪为并集，∩为交集， 为第r个dos攻击激活时间间隔(r为自然数)，其中为非周期 性dos攻击在[t0,t]间隔的激活序列，且为非周期性时变间隔。在非周期性 dos攻击总激活时间间隔内无法利用邻接无人艇的信息实现分布式抗攻击 安全控制。
[0092]
定义γd(t0,t)＝[t0,t]\γa(t0,t)为非周期性dos攻击总休眠时间间隔，即在时间间 隔内信息交互被允许，且连通拓扑结构不改变，\为余集。在非周期性dos 攻击总休眠时间间隔内可以利用邻接无人艇的信息实现分布式抗攻击安全 控制。
[0093]
针对非周期性dos攻击建模，给定三类指标，分别如下：
[0094]
dos攻击数量n
γ
(t0,t)：定义其中分别 表示为dos激活攻击和dos休眠攻击的数量。
[0095]
dos攻击频率定义其中表示为dos激活攻 击的数量。
[0096]
dos攻击总激活时间间隔γa(t0,t)：存在界值γ0≥0和平均驻留时间指标τa＞0， 满足
[0097]
步骤四：根据步骤二中第i个无人艇的动态方程，定义第i个无人艇增 广模型的增广状态为增广不确定性为则可得如 下表示的第i个无人艇的增广模型：
[0098][0099]
其中第i个无人艇增广模型的系统增广矩阵表示如下：
[0100][0101]
其中0表示为元素为0的矩阵。
[0102]
进而根据无人艇的增广模型，设计分散式未知输入观测器来实现对内 部状态和未知突变和缓变执行器复合故障的有效估计；
[0103][0104]
其中zi(t)表示为未知输入观测器的状态，表示为增广状态的估计值，其中表示为系统状态xi(t)的估计状态而表示为执行器复合 故障f
δi
(t)的估计故障，m,g,j,h表示为未知输入观测器增益矩阵。
[0105]
步骤五：在非周期性dos攻击激活间隔时间γa(t0,t)无人艇集群通讯被中 断，仅
可根据步骤四中获取的分散式未知输入观测器的估计信息(既包 含无人艇角度、角速度状态估计信息又包含执行器复合故障估计信息 )，在无人艇集群dos攻击建模下，设计如下表示的第i个无人艇的基 线安全控制器，实现对物理层执行器复合故障的容错目标以及网络层非周 期性dos攻击激活阶段的抗攻击目标；
[0106][0107]
其中k1＝[k
x
kf]表示为补偿增益，其中k
x
为内部状态估计增益，而kf表示 为故障估计增益，具体如下：
[0108][0109]
其中阻尼比和自然频率ζ,ωn，时间常数tv,tr，无人艇系统增益k
dv
,k
dr
,k
vr
,k
dp
,k
vp
的定义见步骤一。
[0110]
步骤六：在非周期性dos攻击休眠间隔时间γd(t0,t)无人艇集群通讯被允 许，仅在非周期性dos攻击休眠间隔时间段可实现无人艇集群分布式安全 控制器的更新。在dos攻击休眠间隔时间γd(t0,t)内定义为基于事件 触发控制的时间序列，即第i个可更新安全控制器在每一个事件触发时刻被激活。在每一个可触发时间段根据步骤五中基线安全控制器， 在无人艇集群dos攻击建模下，设计如下表示的第i个无人艇的基于事件触 发机制的分布式安全控制器，实现对物理层执行器复合故障的容错目标以 及网络层非周期性dos攻击休眠阶段的抗攻击目标，
[0111][0112]
其中k2表示为信息交互增益，a
ij
为的第i行第j列元素值，其中和分 别为图论中通讯拓扑邻接矩阵和与第i个节点相邻节点的集合。分别 表示为第i个、第j个无人艇在最新成功触发时刻完成信息交互的状态值， 包含如下定义：
[0113][0114]
其中表示为最新成功触发时刻值，且标量ki(t)表示为
[0115][0116]
步骤七：根据步骤六中获取的第i个无人艇最新成功触发时刻完成信息 交互的状态值构造状态交互误差信号根据状态交互误差δi(t) 及如下表示的事件触发机制可明确更新时刻序列
[0117][0118]
其中θi＞0表示为基于时间触发的阈值标量，||||表示为二范数，即无需按 规定频率均匀采样，仅在满足该约束条件的时刻为可事件触发的采样更新 时刻
[0119]
步骤八：首先求解如下代数riccati方程，可得对称正定矩阵p，正定 矩阵q1，以及正常数k1：
[0120]
pa+a
t
p-k1pbb
t
p+q1＝0
[0121]
其中无人艇动态方程的增益矩阵a,b见步骤二。根据已求解的矩阵p,q1以 及常数k1，求解如下线性矩阵不等式，可得正定矩阵q2和步骤五中待求解内 部状态估计增益k
x
：
[0122][0123]
其次，设置其中1n为元素1的n
×
1的列矩阵，in为n
×
n的 单位阵，增益矩阵e见步骤二。求解如下不等式约束，可得标量
[0124][0125][0126]
其中ε1,ρ3为设置正常数，λ
max
,λ
min
表示为最大和最小特征值，max{}表示为取 最大值，表示为图论中通讯拓扑拉普拉斯矩阵的最大特征根。同时步 骤七中基于时间触发的阈值标量θi满足
[0127]
再次，设置正常数ε2,∈
inc
，求解如下不等式约束，可得正值标量α1,α2：
[0128][0129][0130][0131]
其中min{}表示为取最小值。
[0132]
最后，设置k3＝||pbk1||以及根据步骤五中补偿增益k1＝[k
x
kf]，可进一步设置 如下表示标量
[0133][0134][0135]
步骤九：根据步骤八中已求解的标量求解如下矩阵不等式可得 矩阵h,j1:
[0136][0137]
其中且见步骤四。步骤四中其余未知输入观 测器增益矩阵g,j可设置为
[0138][0139]
其中系统增广矩阵见步骤四。进一步，设置信息交互增益k2为k2＝τk1b
t
p， 其中正常数τ满足且为拉普拉斯矩阵的最小非零特征根。
[0140]
步骤十：根据步骤八、步骤九中设置和求解的矩阵和常值参数，给定 正常数σ
*
∈(0,α1)，根据步骤三中针对非周期性dos攻击建模的指标定义(dos 攻击频率以及平均驻留时间τa＞0)，在时间区间[t0,t)，当满足如下dos 攻击频率以及平均驻留时间τa约束，则确保所提出的无人艇集群分布 式安全控制方法可最终实现无人艇集群的指数一致性目标，
[0141][0142]
τa＞(α
1-σ
*
)-1
(α1+α2)
[0143]
其中α1,α2取值见步骤八。
[0144]
进一步，设置状态一致性误差信号为第i个无人艇指数 一致性性能以状态一致性误差的指数型指标表示：
[0145][0146]
其中指数衰减率为幅值为其中η
γ
,γ0为预 设正常数，且表示为初始t0时刻状态一致性误差信号。
[0147]
综上所述，本发明提出了多个创新点，具体的本发明提出了无人艇集 群系统“波浪扰动-复合故障-dos攻击”关联建模，在步骤二中的第i个无 人艇的摇摆、偏航、滚转运动方程中引入波浪扰动ωi(t)＝[ω
ψi
(t)ω
φi
(t)]
t
以及指数型 突变和缓变执行器复合故障可得无人艇“波浪扰动-复合 故障”动态方程表示如下：
[0148][0149]
在步骤三中建立非周期性dos攻击模型，将非周期性dos攻击建模为 激活和休眠状态。定义非周期性dos攻击总激活时间间隔(无法利用邻接 无人艇的信息实现分布式抗攻击安全控制)和非周期性dos攻击总休眠时 间间隔(可利用邻接无人艇的信息实现分布式抗攻击安全控制)。进一步， 针对非周期性dos攻击给定三类指标，分别为dos攻击数量n
γ
(t0,t) (分别表示为dos激活攻击和dos休眠攻击的数量)；dos攻 击频率
以及在dos攻击总激活时间间隔γa(t0,t)内的平均驻留时间指标 τa＞0。
[0150]“波浪扰动-复合故障-dos攻击”多要素关联机理分析，改进了现有技 术解决单一约束问题(物理层单一的波浪扰动、单一的执行器部分失效、 卡死、饱和故障或网络层的攻击影响)，构建较完善的无人艇开放、动态 海洋场景下波浪扰动、突变和缓变执行器复合故障、非周期性dos攻击的 真实、准确的关联模型，从而为研究无人艇集群安全控制目标下的多约束 问题、关联建模问题提供借鉴和支撑。
[0151]
本发明还提出了无人艇集群非周期性dos攻击建模，由于非周期性 dos网络攻击的存在，导致在非周期性dos攻击的激活和休眠状态下无人 艇集群网络层各链路分别保持中断和连通，即无人艇之间信息传输、交互 的中断和连通。根据非周期性dos攻击导致通讯拓扑链路全中断或保持连 通的相异激活和休眠结果创新性建立无人艇非周期性dos攻击模型，引入 了dos攻击频率以及平均驻留时间指标，改进了固定拓扑、切换拓扑、随 机拓扑下基于图论的多智能体系统协同控制方法无法直接推广应用于受 dos攻击影响的无人艇集群系统的安全控制，以及构建了无人艇集群可实 现抗攻击目标下对非周期性dos攻击的指标约束条件。
[0152]
在步骤三中给出了非周期性dos攻击总激活和总休眠时间间隔的两类 定义。具体指的是：定义为非周期性dos攻击总激活时间间隔， 即在时间间隔内信息交互被中断，其中t0为初始时刻，t为终止时刻，∪为 并集，∩为交集，为第r个dos攻击激活时间间隔(r为自然数)， 其中为非周期性dos攻击在[t0,t]间隔的激活序列，且为非周期性时变间 隔。在非周期性dos攻击总激活时间间隔内无法利用邻接无人艇的信息实 现分布式抗攻击安全控制。定义γd(t0,t)＝[t0,t]\γa(t0,t)为非周期性dos攻击总休眠 时间间隔，即在时间间隔内信息交互被允许，且连通拓扑结构不改变，\为 余集。在非周期性dos攻击总休眠时间间隔内可以利用邻接无人艇的信息 实现分布式抗攻击安全控制。
[0153]
同时在步骤三中针对非周期性dos攻击建模，给出了dos攻击数量、 dos攻击频率以及平均驻留时间三类指标，具体指的是：定义 为dos攻击数量，其中分别表示为dos 激活攻击和dos休眠攻击的数量；定义为dos攻击频率，其中 表示为dos激活攻击的数量；在dos攻击总激活时间间隔γa(t0,t)内定 义存在界值γ0≥0和平均驻留时间指标τa＞0满足
[0154]
进一步在步骤十中提出满足如下约束的dos攻击频率以及平均驻 留时间τa；
[0155][0156]
τa＞(α
1-σ
*
)-1
(α1+α2)
[0157]
从而确保所提出的无人艇集群分布式安全控制仅位于非周期性dos休 眠攻击时
间间隔(信息可交互)，同时无人艇集群基线安全控制位于非周 期性dos激活攻击时间间隔(信息不可交互)，继而最终实现无人艇集群 的指数一致性目标。
[0158]
本发明还提出了无人艇集群切换型基线控制及分布式安全控制方法， 该创新点包含无人艇集群切换控制思想，即从受非周期性dos激活攻击影 响下无人艇的基线安全控制器切换至受非周期性dos休眠攻击影响下无人 艇的分布式安全控制器。
[0159]
一方面，在步骤五中，考虑到在非周期性dos攻击激活间隔时间γa(t0,t) 无人艇集群通讯被中断，仅可利用分散式未知输入观测器的估计信息在无人艇集群非周期性dos激活攻击建模下，设计如下表示的第i个无人艇 的基线安全控制器：
[0160][0161]
其中k1＝[k
x
kf]表示为补偿增益，其中k
x
为内部状态估计增益，而kf表示 为故障估计增益，具体如下：
[0162][0163]
所设计的基线安全控制器仅包含估计补偿信息改进增加的状态 和故障估计信息来源于分散式未知输入观测器中无人艇角度、 角速度状态估计信息以及执行器复合故障估计信息其负反馈作用 为容错控制中补偿故障负面影响提供额外和正面信息，改进了现有独立故 障估计和独立容错控制技术的单一和保守性，充分利用故障估计和容错控 制的有机联系，最终实现对物理层执行器复合故障有效抵消的容错目标以 及网络层非周期性dos攻击激活阶段的抗攻击目标。
[0164]
另一方面，在步骤六中，考虑到在非周期性dos攻击休眠间隔时间γd(t0,t) 无人艇集群通讯被允许，除可利用基线安全控制器，还可在非周期性dos 攻击休眠间隔时间段实现无人艇集群分布式安全控制器的更新。根据步骤 五中基线安全控制器，在无人艇集群非周期性dos休眠攻击建模下，切换 设计如下表示的第i个无人艇的基于事件触发机制的分布式安全控制器：
[0165][0166]
其中k2表示为信息交互增益，a
ij
为的第i行第j列元素值，其中和分 别为图论中通讯拓扑邻接矩阵和与第i个节点相邻节点的集合。分别 表示为第i个、第j个无人艇在最新成功触发时刻完成信息交互的状态值。
[0167]
所设计的分布式安全控制器除包含估计补偿信息还包含基于最 新成功触发时刻完成信息交互的分布式状态信息通过信息交 互增益k2连接，该分布式状态信息仅需在最新成功触发时刻完成交互，改 进了现有技术均匀采样触发导致数据量的庞大、冗余，随机采样触发导致 数据量的不确定性，以及网络传输带宽资源负担大的局限性，也克服了现 有传感器感知技术需更完整、更真实海洋无人艇任务场景下完
整信息获取 的局限性，从而实现对物理层执行器复合故障有效抵消的容错目标以及网 络层非周期性dos攻击休眠阶段的抗攻击目标。
[0168]
本发明还提出了基于事件触发的无人艇集群可更新控制策略，在非周 期性dos攻击休眠间隔时间γd(t0,t)无人艇集群通讯被允许，仅在非周期性 dos攻击休眠间隔时间段可实现无人艇集群分布式安全控制器的更新。与 现有更新控制策略(均匀采样、随机采样的时间触发策略)相比，该分布 式安全控制器采用是改进的基于事件触发机制的无人艇集群可更新控制策 略，即在dos攻击休眠间隔时间γd(t0,t)内的时间序列处完成事件触 发的采样，即可更新安全控制器在每一个事件触发时刻被激活。
[0169]
在步骤七中，根据获取的第i个无人艇最新成功触发时刻完成信息交互 的状态值构造状态交互误差信号根据状态交互误差δi(t)及 如下表示的事件触发阈值上界可明确更新时刻序列
[0170][0171]
其中θi＞0表示为基于时间触发的阈值标量，||||表示为二范数，即无需按 规定频率均匀采样，仅在满足该约束条件的时刻为可事件触发的采样更新 时刻
[0172]
该改进的基于事件触发的无人艇集群可更新控制策略实现了一种低复 杂度的基于事件的分布式安全控制机制，以减少无人艇集群系统中通信拓 扑的带宽占用，并减轻网络物理威胁的影响，同时所设计的事件触发阈值 上界可消除循环重复触发行为。进一步，该改进的事件触发机 制也克服了现有技术均匀时间采样触发导致数据量的冗余性以及随机时间 采样触发导致数据量的不确定性。
[0173]
综上，上述实施例对无人艇集群分布式安全控制方法的不同构型进行 了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任 何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护 的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
[0174]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的 都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即 可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以 描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0175]
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何 限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰， 均属于权利要求书的保护范围。