一种无人集群系统隐私保护和均值趋同控制方法

本发明涉及无人集群系统协调控制，具体指一种基于事件触发的无人集群系统隐私保护和均值趋同控制方法。

背景技术：

1、无人集群系统是多个具有共同任务目标的无人系统(智能体或节点)根据任务分工，借助现代控制与决策手段，维持无人系统以群体形式在一定时间、空间内协同完成复杂任务的自组织、高稳定的分布式系统。集群并不是对多个个体进行简单的连接和组合，而是使这些个体高效协作，通过群体信息共享，扩大对环境态势的感知，实现协同任务分配与协调，更好地完成单个个体无法完成的工作，有效提高群体完成复杂任务的能力。近年来，智能无人系统发展迅猛，出现了无人机、无人车、无人船、机器人等一系列新产品。而趋同(consensus)控制指在分布式系统中，每个节点在初始时刻被赋予一个状态值，它通过向邻居节点发送和接收信息，并迭代更新其状态值，最终，能够计算所有节点的状态值达成一致。近年来，无人集群系统的分布式趋同控制问题由于其广泛的应用而受到重点关注，如智能交通系统、传感器网络以及区域测控与搜索等。而均值趋同(average consensus)控制是通过设计控制方法，使每个节点均收敛到系统所有节点初始状态值的平均值。同时，所谓的无人集群系统隐私保护，是指在实现均值趋同的过程中，对节点的初始状态值和更新过程中的状态值进行保护，使网络中存在的窃听者不能准确推断出节点的初始状态值，那么称节点得到了隐私保护。

2、目前，分布式无人集群系统网络面临两个关键问题：(1)节点信息的隐私泄露问题。为了达到分布式网络的趋同，在传统趋同控制算法达到趋同的过程中，每个节点与其邻居交换真实的状态值。但是某些情况中，节点的初始状态是隐私的，因此该节点希望将其敏感信息保密。比如，与普通电网相比，智能电网可以通过分布式传感器读取每个电表的测量数据，从而更好的实现负载均衡，但是对手可以通过分析数据来跟踪居民的生活情况，对居民的隐私造成了严重威胁。(2)无人集群系统一般暴露在开放的网络环境中，因此易遭受到网络攻击，如常见的dos(拒绝服务，denial-of-service)攻击、欺骗攻击(deceptionattacks)等。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种无人集群系统隐私保护和均值趋同控制方法，对节点的初始状态值进行保护，而且适用于dos攻击存在的网络环境。

2、本发明方法首先建立节点动态模型和dos攻击模型，然后利用节点动态模型和dos攻击模型进行无人集群系统控制。

3、所述的节点动态模型具体是：

4、n为无人集群系统网络中节点的数量；xi(k)和xj(k)分别表示第i个节点vi和其邻居节点vj在k时刻的状态值；ζ为(0,1)之间的恒定步长；为节点vi的入邻居集；aji为节点vi与节点vj之间的权重；如果节点vi和节点vj之间存在一条通信信道，即节点vj为节点vi的入邻居节点，则aji＞0，否则aji＝0。另外，本方法不考虑节点vi存在自身权重的情况，即aii＝0。

5、所述的dos攻击模型具体是：

6、设定dos攻击的攻击频率：对于每条通信链路，存在βf∈[0.5,1)，以便γf(k,k+t)满足γf(k,k+t)≤βf×t。其中，βf为dos攻击的频率限制常数。t＝mk为一个攻击周期，且在每个攻击周期t内，dos攻击独立发生。γf(k,k+t)是每条链路在时间间隔[k,k+t)内发生dos攻击的频率。

7、设定dos攻击的持续时间：每条通信链路存在γf≥0，使得ψd满足ψd×γf≤t-1，其中ψd是每条链路在时间间隔[k,k+t)内发生一次dos攻击的持续时间。

8、具体控制方法是：

9、步骤(1)系统初始化：令k＝0，每个节点赋予初始状态值xi(0)；

10、步骤(2)每个节点vi选择拉普拉斯分布，拉普拉斯分布lap(k,μ,λ)表示为：μ为数学期望，参数σ为方差；

11、步骤(3)节点vi随机生成一个拉普拉斯分布的变量ηi(0)，并随机生成一个伪随机值si(0)，为节点vi的入度；初始时刻的噪声值θi(0)＝ηi(0)+h*si(0)，初始时刻加入噪声后的新的状态值

12、节点vi创建缓存区来存放加入噪声后的状态值，后将传递给邻居节点vj；

13、步骤(4)状态更新：

14、节点vi接收到邻居节点的状态值之后，状态值更新为：

15、

16、步骤(5)设计控制协议：

17、节点vi创建缓存区mi存放邻居节点传递过来的消息：

18、表示节点vi的触发时刻，如果节点vi满足触发条件，则节点状态值根据更新规则进行更新，然后k加1，直至最后达成趋同；表示节点vi的邻居节点在触发时刻的状态值，表示触发时刻的缓存区集合；

19、节点vi的事件触发函数为

20、每个节点vi生成伪随机值si(1)，为节点vi的出度；节点vi在接收到邻居节点的状态值之后，如果接收的值与节点vi更新所需要的状态值时刻相同，则将存储在缓存空间mi中，否则，将收到的值丢弃；如果节点满足事件触发函数，节点vi更新状态值，然后清空mi，k＝k+1，再随机生成一个拉普拉斯分布的变量，计算噪声其中0＜ρ＜1；将噪声加入到节点的真实状态值中，有然后将存储在中，并将广播给邻居节点；如果没有事件触发，则保持节点的状态值不变；

21、步骤(6)循环设置：如果有事件触发，重复执行步骤(5)，否则节点的真实状态值保持不变。

22、本发明方法有益效果包括：

23、1、本发明方法根据dos攻击可以阻断无人集群系统中节点间的信息交互的特性，刻画相应的dos攻击的模型。相较于传统的差分隐私控制算法，本发明设计的方法可以有效抵御dos攻击。

24、2、由于现实环境中可能存在好奇或恶意的信息窃听，不可避免存在信息泄露的问题，因此实现对隐私的保护是非常必要的。本发明方法可以保护节点初始状态值的隐私和更新过程中状态值的隐私。

25、3、本发明方法设计一种分布式事件触发机制，只有满足触发函数的节点才可以进行更新，减少节点更新频次，节约资源。

技术特征：

1.一种无人集群系统隐私保护和均值趋同控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种无人集群系统隐私保护和均值趋同控制方法，其特征在于：所述的节点动态模型具体是：

3.根据权利要求1所述的一种无人集群系统隐私保护和均值趋同控制方法，其特征在于：所述的dos攻击模型具体是：

4.根据权利要求3所述的一种无人集群系统隐私保护和均值趋同控制方法，其特征在于：所述步骤(6)的控制协议设计如下：

5.根据权利要求4所述的一种无人集群系统隐私保护和均值趋同控制方法，其特征在于：所述步骤(7)中循环设置具体如下：如果有事件触发，重复执行步骤(6)，否则节点的真实状态值保持不变。

技术总结
本发明公开了一种无人集群系统隐私保护和均值趋同控制方法，首先建立节点动态模型和DoS攻击模型，然后利用节点动态模型和DoS攻击模型进行无人集群系统控制。该方法给出一种无人集群系统下基于差分隐私的分布式隐私保护机制，可以保护每个节点在更新过程中的隐私，也可以保证每个节点对初始状态值的保护，实现不同节点不同程度的隐私；再结合事件触发机制，可以抵御DoS攻击对无人集群系统的影响，在攻击下也可以实现对节点初始状态值的保护和精确的均值趋同控制。克服了现有的仅研究隐私保护和仅研究DoS攻击的单一情况，将隐私保护和抗DoS攻击结合起来，在达到系统精确的均值趋同的同时，实现对节点初始状态值的隐私保护，并保护系统免受DoS攻击的影响。

技术研发人员：张保俊,伍益明,吴宇涛,朱晨睿,江波,郑宁
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13