摘 要:為了解決拋物型多智能體系統(tǒng)(MASs)在拒絕服務(wù)(DoS)攻擊下的一致性問(wèn)題,提出了一種基于輸出反饋方法的MASs領(lǐng)導(dǎo)-跟隨一致性控制協(xié)議來(lái)應(yīng)對(duì)惡意攻擊者發(fā)起的DoS攻擊,從而實(shí)現(xiàn)智能體在無(wú)向通信拓?fù)鋱D上的領(lǐng)導(dǎo)-跟隨一致性。對(duì)DoS攻擊的頻率和持續(xù)時(shí)間進(jìn)行了分析,利用Lyapunov穩(wěn)定性定理推導(dǎo)了拋物型偏微分系統(tǒng)的穩(wěn)定條件,證明了觸發(fā)時(shí)間間隔不為零,避免了芝諾行為的發(fā)生,并通過(guò)仿真算例驗(yàn)證了理論結(jié)果的有效性。
關(guān) 鍵 詞:多智能體系統(tǒng);拒絕服務(wù)攻擊;輸出反饋方法;偏微分系統(tǒng);攻擊頻率;攻擊持續(xù)時(shí)間;Lyapunov穩(wěn)定性定理
中圖分類號(hào):TP13 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1000-1646(2024)05-0685-08
多智能體系統(tǒng)(MASs)由大量智能體組成,這些智能體可以相互合作、競(jìng)爭(zhēng)和協(xié)作,以完成特定任務(wù)或?qū)崿F(xiàn)共同目標(biāo)[1]。每個(gè)智能體均具有自治性和智能性,并可與其他智能體合作解決復(fù)雜問(wèn)題。由于具有自主性、交互性和協(xié)作性等特點(diǎn),MASs在智能機(jī)器人、圖像分割和機(jī)器學(xué)習(xí)等許多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[2-3]。然而,傳統(tǒng)控制策略需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行周期性采樣和計(jì)算,增加了通信負(fù)擔(dān)。為了解決這一問(wèn)題,人們對(duì)事件觸發(fā)機(jī)制進(jìn)行了廣泛研究[4]。GUO等[5]利用一種分布式事件觸發(fā)采樣數(shù)據(jù)方法解決了有向圖上分布式MASs一致性問(wèn)題。WANG等[6]采用集中式事件觸發(fā)控制策略對(duì)異構(gòu)系統(tǒng)協(xié)同控制問(wèn)題進(jìn)行了研究。CHEN等[7]利用一種新型事件觸發(fā)機(jī)制解決了離散時(shí)變線性系統(tǒng)的有限域包容控制問(wèn)題。值得注意的是,上述研究均以完善的通信網(wǎng)絡(luò)為前提,但在實(shí)際通信網(wǎng)絡(luò)中不可避免地存在影響信息交互的因素,如網(wǎng)絡(luò)惡意攻擊、丟包、無(wú)序和網(wǎng)絡(luò)延時(shí)等,這些因素干擾了智能體之間的溝通,因此,需要針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。CHAN等[8]設(shè)計(jì)了滑模觀測(cè)器,解決了MASs部分故障問(wèn)題。CHEN等[9]利用輸出反饋控制器解決了具有丟包特征的MASs彈性包容控制問(wèn)題。上述研究中尚未解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題為網(wǎng)絡(luò)攻擊問(wèn)題。在現(xiàn)實(shí)生活中惡意網(wǎng)絡(luò)攻擊是不可避免的,并且會(huì)破壞網(wǎng)絡(luò)之間的通信,嚴(yán)重影響MASs控制。因此,研究基于惡意網(wǎng)絡(luò)攻擊的MASs控制問(wèn)題是十分必要的。惡意網(wǎng)絡(luò)攻擊大致可以分為兩種類型:一種是欺騙性攻擊,其目的是篡改數(shù)據(jù)并向網(wǎng)絡(luò)注入虛假信息;另一種是拒絕服務(wù)(DoS)攻擊,其目的是破壞數(shù)據(jù)傳輸。欺騙性攻擊下MASs的共識(shí)問(wèn)題受到了大量關(guān)注[10]。此外,在DoS攻擊下一般會(huì)將MASs劃分為閉環(huán)子系統(tǒng)和開(kāi)環(huán)子系統(tǒng),基于DoS攻擊類型的相關(guān)研究同樣得到了研究學(xué)者的廣泛重視[11]。ZHANG等[12]提出了一種新型狀態(tài)反饋控制器來(lái)應(yīng)對(duì)DoS攻擊。
眾所周知,許多工業(yè)過(guò)程(如熱擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)和流體動(dòng)力學(xué)等)是在時(shí)空環(huán)境中進(jìn)行的,通常需要通過(guò)偏微分方程(PDE)建模。雖然需要大量精力和資源來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PDE系統(tǒng)的分布式控制[13],但數(shù)字計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步為PDE系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化控制提供了實(shí)現(xiàn)可能,引發(fā)了更多學(xué)者的研究興趣。SONG等[14]采用一種改進(jìn)動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)機(jī)制,在重放和DoS攻擊下解決了具有馬爾可夫交換拓?fù)浜涂臻g分布特性的MASs領(lǐng)導(dǎo)-跟隨一致性控制問(wèn)題。FENG等[15]采用一種分布式安全算法,解決了在兩類不同攻擊下的隨機(jī)線性MASs分布式一致性控制問(wèn)題。以上研究大多集中于網(wǎng)絡(luò)攻擊下基于常微分方程系統(tǒng)的事件觸發(fā)控制問(wèn)題,而針對(duì)DoS攻擊下基于觀測(cè)器的拋物型MASs事件觸發(fā)機(jī)制設(shè)計(jì)問(wèn)題尚未得到深入探索。
本文設(shè)計(jì)了一種具有事件觸發(fā)機(jī)制的分布式觀測(cè)器,解決了DoS攻擊下拋物型MASs事件觸發(fā)機(jī)制的設(shè)計(jì)問(wèn)題和領(lǐng)導(dǎo)-跟隨一致性問(wèn)題。由于DoS攻擊導(dǎo)致原系統(tǒng)狀態(tài)無(wú)法獲取,因此,采用分布式觀測(cè)器估計(jì)原始系統(tǒng)狀態(tài)。在觀測(cè)器狀態(tài)基礎(chǔ)上,提出了一種基于觀測(cè)器的領(lǐng)導(dǎo)-跟隨一致性控制協(xié)議,利用Lyapunov穩(wěn)定性定理給出了系統(tǒng)穩(wěn)定性的充要條件,解決了拋物型MASs事件觸發(fā)機(jī)制設(shè)計(jì)問(wèn)題,嚴(yán)格證明了兩個(gè)事件觸發(fā)時(shí)刻之間的最小停留時(shí)間不為零,避免了芝諾行為,并通過(guò)仿真示例驗(yàn)證了理論結(jié)果的有效性。
1 系統(tǒng)變量與問(wèn)題表述
2 觀測(cè)器設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)具有事件觸發(fā)機(jī)制的新型分布式觀測(cè)器,并基于觀測(cè)器狀態(tài)提出DoS攻擊下的分布式共識(shí)協(xié)議。觀測(cè)器的基本形式[17]為
4 結(jié)束語(yǔ)
本文研究了DoS攻擊下拋物型MASs的領(lǐng)導(dǎo)-跟隨一致性問(wèn)題,提出一種具有事件觸發(fā)機(jī)制的新型觀測(cè)器,基于觀測(cè)器狀態(tài)設(shè)計(jì)了領(lǐng)導(dǎo)-跟隨一致性控制協(xié)議,解決了MASs在無(wú)向圖上的領(lǐng)導(dǎo)-跟隨一致性問(wèn)題。利用Lyapunov穩(wěn)定性定理給出了拋物型偏微分系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件,證明了觸發(fā)事件之間的時(shí)間間隔具有嚴(yán)格正下界,避免了芝諾行為的發(fā)生,并通過(guò)仿真示例驗(yàn)證了理論結(jié)果的有效性。
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(責(zé)任編輯:尹淑英 英文審校:尹淑英)
特邀專家 劉艷軍,遼寧工業(yè)大學(xué)副校長(zhǎng),博士,教授,博士生導(dǎo)師,沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)兼職博士生導(dǎo)師,國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者。1997年7月至2004年4月就讀于沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)和控制理論與控制工程專業(yè)。研究方向?yàn)橹悄芸刂坪腿后w智能。主持國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年基金、優(yōu)秀青年基金、重點(diǎn)項(xiàng)目,工信部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“智能機(jī)器人”專項(xiàng)課題項(xiàng)目、教育部創(chuàng)新發(fā)展基金項(xiàng)目等20余項(xiàng)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇,部分理論研究成果獲教育部自然科學(xué)一、二等獎(jiǎng)各1項(xiàng),獲遼寧省教學(xué)成果特等獎(jiǎng)1項(xiàng)、一等獎(jiǎng)2項(xiàng),中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)青年科學(xué)家獎(jiǎng)1項(xiàng),連續(xù)多年入選“科睿唯安”全球高被引科學(xué)家?,F(xiàn)擔(dān)任遼寧省數(shù)學(xué)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)副主任、中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)科普工作委員會(huì)副主任、國(guó)務(wù)院政府特殊津貼專家、“興遼英才計(jì)劃”領(lǐng)軍人才、遼寧省高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、遼寧省優(yōu)秀專家?,F(xiàn)擔(dān)任IEEETransactionsonCybernetics,IEEETransactionsonNeuralNetworksandLearningSystems,IEEE/CAAJournalofAutomaticaSinica等國(guó)際期刊的編委?,F(xiàn)為中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)控制理論專業(yè)委員會(huì)等多個(gè)專委會(huì)委員。
基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(62025303,62273171)。