信息与控制杂志

信息与控制杂志2019年第5期

• 信息物理融合系统网络安全综述

  丁达, 曹杰

  信息物理融合系统（cyber-physical systems，CPS）是集计算、通信和控制于一体的智能系统，实现网络和物理的深度协作和有机融合.目前CPS在关键的基础设施、政府机构等领域发挥着越来越重要的作用.由于物理限制，计算机和网络产生的安全漏洞会导致CPS遭受巨大的破坏，同时还会引起经济损失、社会动乱等连锁反应，所以研究CPS的安全问题对于确保系统安全运行具有重要意义.本文结合国内外的研究现状，概述了CPS安全控制和攻击检测的最新进展.首先本文总结了CPS典型的系统建模以满足对系统性能分析的需要.然后介绍了3种典型的网络攻击，即拒绝服务攻击、重放攻击和欺骗攻击.根据检测方法的类别，对CPS攻击检测的发展进行的概述.此外还讨论了系统的安全控制和状态估计.最后总结和展望了CPS网络安全面临的挑战和未来的研究方向.

• 微电网在虚假数据注入攻击下的增量检测机制

  彭华晔, 彭晨, 孙洪涛, 杨明锦

  针对微电网环境下虚假数据注入攻击的状态估计问题，提出了一种基于分析状态测量值增量的攻击检测机制.在假设系统稳态的情况下，对系统测量值的增量，进行关于χ2的假设检验，能够有效检测出精心设计的攻击.对本文提出的方法在Matlab中进行仿真，实验结果表明在特定的系统情况下，对于非恒定的攻击，该方法能提高检测出攻击的成功率.

• DoS攻击下网络控制系统的记忆型事件触发控制

  王昆玉, 韦琳楠, 田恩刚, 张金龙

  针对一类网络化控制系统，当考虑网络控制系统遭受PWM（Pulsewidth-Modulated）型DoS（Denial-of-Service，DoS）攻击时，提出一种基于缓存机制的记忆型事件触发机制策略.本文考虑的DoS攻击可检测，并且攻击的周期时长以及每周期内的最短休眠时间已知.为了减少网络控制系统中数据包的发送频次，本文设计了基于相对误差的新型事件触发策略，与传统事件触发策略相比，通过增加缓存器来有效利用已经发送的历史采样数据，最终达到改善系统动态过程的目的.接下来，综合考虑网络攻击和事件触发方案，建立了网络化切换系统模型，构造分段李雅普诺夫泛函，推导出系统指数稳定的结论并且对控制器增益及事件触发参数进行协同设计.最后，通过仿真案例，验证了所提出方法的有效性.

• 基于改进KPCA与混合核函数LSSVR的泥石流预测

  李丽敏, 程少康, 温宗周, 萧明伟, 徐根祺, 张顺锋

  针对引发泥石流灾害的多重影响因素而导致的预测维数灾难，以及最小二乘支持向量回归（least squares support vector regression，LSSVR）模型中选取单核函数而导致的模型训练性能部分缺陷的问题，提出了一种基于改进的核主成分分析（kernel principal component analysis，KPCA）与混合核函数LSSVR的泥石流灾害预测方法.首先，将影响泥石流发生的7种初始因子赋予权重，利用加权KPCA法筛选出3个主成分影响因子作为模型输入；然后，将局部核函数与全局核函数相结合，运用到LSSVR模型上，进行泥石流发生概率预测，以平衡样本学习能力与泛化能力，并使用果蝇优化算法（fruit fly optimization algorithm，FOA）更新模型的最优参数；最后，以磨子沟监测数据进行仿真验证.结果表明，该方法能够有效地降低维数灾难并提升预测模型精确度，在误差允许范围内预测出泥石流发生概率值及对应的预警等级，为相关决策部门提供一定的借鉴经验.

• Buck-Boost矩阵变换器主电路参数随电流定额的自适应优选方法

  刘继, 张小平, 张瑞瑞

  针对Buck-Boost矩阵变换器（BBMC）在不同额定输出电流下的主电路参数优化设计问题，提出了一种BBMC主电路参数随其额定电流变化的自适应优选方法.通过建立BBMC优化目标与优化对象间的数学模型，研究基于自适应狼群优化算法的BBMC主电路参数优化设计方法；在此基础上进一步研究确定BBMC主电路优化设计参数与BBMC额定输出电流间的变化规律，为实现不同电流定额下BBMC主电路的优化设计奠定基础；最后通过仿真对上述理论分析进行了验证.

• 混合EDA求解三阶段异构并行机装配集成调度问题

  邓超, 钱斌, 胡蓉, 王凌

  本文提出一种混合分布估计算法（hybrid estimation of distribution algorithm，HEDA）用于求解带载重约束的三阶段异构并行机集成调度问题（three-stage heterogeneous parallel machine integrated scheduling problem with capacitated constraint，THPMISP_CC），第一阶段为加工阶段，即带释放时间的多工序异构并行机调度问题；第二阶段为带载重约束的运输阶段，即多维背包优化调度问题；第三阶段为装配阶段.本文研究工件从加工、运输到装配三阶段的集成调度优化问题.首先，本文构建了THPMISP_CC的数学模型，其优化目标为三阶段整体最大完工时间（Makespan）；然后，提出的HEDA用于优化THPMISP_CC；最后，对算法运用于THPMISP_CC模型的结果进行分析和比较，验证模型的可行性及算法的有效性.

• 改进型PM与递归滤波器相结合的图像去噪方法

  王凌志, 周先春, 陈铭

  由于各向异性扩散算法在运用于图像去噪的过程中，容易产生图像边缘信息丢失，纹理细节模糊等现象.针对这一情况，提出了一种改进型PM与递归滤波器相结合的图像去噪算法，该算法首先通过控制梯度方向和垂直于梯度方向的扩散系数来保留图像的边缘信息，再通过递归滤波算法减少迭代次数来保护图像的细节纹理特征.实验结果表明，新方法在图像去噪和保护图像的边缘细节信息等方面都有着优越的效果，且大幅降低了均方差，对于图像的峰值信噪比也有显著的提高.

• 基于幂均算子和证据理论的故障诊断方法

  王鸿飞, 刘海斌, 邓鑫洋, 蒋雯

  将证据理论在处理不确定性信息方面的优势用于故障诊断，可提高诊断的精确度和准确性.从证据理论的角度来看，从每个发动机传感器获得的信息可以看作一条证据，基于多传感器信息的发动机故障诊断即是一个证据融合问题.本文使用证据理论作为描述发动机状态的多传感器信息建模方法.首先，在处理特征值样本数据时，引入幂均算子的方法以提高整个故障诊断系统的准确性；通过量化待测特征值和故障原型之间的距离生成基本概率分配函数；然后引入证据信息量的方法对融合后的结果进行性能评估；最后通过发动机故障案例对该方法进行验证，并与其它方法进行对比，结果充分证明了该方法的真确性与可靠性.

• 气动人工肌肉关节的迭代反馈整定控制及优化

  陶洪峰, 刘巍, 杨慧中

  气动人工肌肉关节（PMA）具有低成本、柔顺性和与生物肌肉类似的力学特性等优点，在医疗设备、仿生机器人等领域得到广泛应用.本文针对气动人工肌肉充气变形过程中存在的强非线性、时变性和控制参数难以确定的问题，提出了一种基于迭代反馈整定（IFT）算法的数据驱动优化控制策略，直接基于系统的输入输出数据，定义跟踪性能准则函数并采用Gauss-Newton估计算法实现对PID控制器参数的迭代整定，并通过引入辅助因子获取性能准则函数加权因子的最优值进一步加快了IFT算法的收敛速度.仿真结果表明，该方法相对于Ziegler-Nichols等传统PID参数整定方法可以有效提高控制系统的跟踪性能和鲁棒性.

• 含有有色噪声的非线性分数阶系统自适应扩展卡尔曼滤波器

  杨超, 高哲, 黄晓敏, 马瑞诚

  研究了含有未知参数的情况下，分别含有分数阶有色过程噪声和有色测量噪声的连续时间非线性分数阶系统状态估计问题.采用Grünwald-Letnikov（G-L）差分方法和1阶泰勒展开公式，对描述连续时间非线性分数阶系统的状态方程进行离散化和线性化.构造由状态量、未知参数和分数阶有色噪声的增广向量，设计自适应分数阶扩展卡尔曼滤波算法实现对有色噪声情况下的连续时间非线性分数阶系统的状态和参数的估计.最后，通过分析两个仿真实例，验证了提出算法的有效性.

• 光电稳像平台扰动力矩估计与自适应补偿

  张伟明, 史泽林, 马德鹏

  针对飞行器光电稳像平台在强气流冲击下，质量不平衡等系统内在因素所引起的扰动力矩增大，导致系统视轴稳定（LOS）精度严重下降的问题，提出了一种典型两轴直角正交结构稳像平台的扰动力矩模型，此模型考虑了框架间运动耦合的影响.针对扰动力矩信号重构过程中的多传感器噪声影响问题，提出了无迹卡尔曼滤波扰动力矩在线估计方法，并构建力矩前馈控制回路，实现了对扰动力矩的自适应补偿.半实物仿真实验结果表明，扰动力矩估计的收敛速度快，估计过程平稳.在0.5 Hz~4 Hz特征频点的载体扰动下，相比于带有摩擦力矩补偿的扰动观测器控制方法，系统视轴稳定精度提高了10.9%~29.3%.

• 基于Round-Robin协议网络化系统的故障检测

  汪浩, 姜顺, 潘丰

  针对基于Round-Robin通信协议网络化控制系统的鲁棒故障检测问题，考虑传感器饱和以及外部干扰，提出了一种通信协议约束下故障检测滤波器的设计方法.利用李亚谱诺夫稳定性理论和线性矩阵不等式技术得到故障检测滤波器存在的充分条件，通过求解具有凸约束的优化问题得到最优滤波器参数.所设计的故障检测滤波器不仅能够确保滤波误差系统均方渐进稳定且有较强的扰动抑制能力.通过数值仿真和DTS200三容水箱液体渗漏检测实验验证了该方法的有效性.

• 基于链路可靠性的两跳QoS路由

  孙子文, 吴平

  针对工业无线传感器网络对路由协议的QoS要求，研究了一种基于链路可靠性的两跳QoS路由（Link-Reliability Based Two-Hop Routing for QoS Guarantee in Industrial Wireless Sensor Networks，LRTHQR）.采用两跳速度策略和数据优先级调度策略提高实时性，采用改进的信任评估模型以选择可信路径进行路由，采用基于接收功率的链接概率和数据包重传次数作为衡量链路可靠性的指标，同时采用能够综合考虑节点剩余能量和转发能耗的转发策略，以改善网络寿命.仿真结果显示：与未考虑链路可靠性的NCSRT（NodeCredible Security Routing for IWSN Based on THTR）算法相比，LRTHQR算法在丢包率、时延以及包平均能耗方面有着明显优势；与同样侧重QoS要求的LRTHR（Link-Reliability based Two-Hop Routing）算法相比，LRTHQR算法在截止期错失率、路由开销以及包平均能耗方面有着显著提升.

• 双馈风电机组的自适应神经网络保性能虚拟同步机控制

  霍现旭, 李秉昀, 陈培育, 徐科, 杨秦敏, 汪可友

  近年来，可再生能源的电网渗透率逐年提升，电网对可再生能源参与一次、二次调频的需求也愈加紧迫，虚拟同步机技术（VSG）应运而生.VSG能够赋予新能源机组主动参与电网调频的能力，然而当VSG应用于双馈感应风力发电机（DFIG）时，存在动态过程中转子电流超出转子侧变流器（RSC）容量的风险.本文提出一种应用于DFIG的保性能虚拟同步控制器，通过使用误差映射函数将输出受限的系统转化为等价的不受限系统，并使用李亚普诺夫方法设计保性能控制器，保证转子电流在调频、故障穿越等强动态过程中不超过任意人为设定的限制；此外，利用神经网络自适应策略，对发电机组中的不确定动态特性进行补偿，从而获得理想的控制效果.最后，本文通过大量仿真验证了所提控制策略在调频能力、转子电流控制和应对参数偏差等方面的控制性能.

• 基于滑模的二阶多智能体快速抗扰一致性

  陈世明, 谢云璟, 王明雨

  针对带有外部未知扰动的二阶多智能体系统的领导—跟随有限时间一致性问题，本文设计出一种带有时变增益的有限时间干扰观测器，用以实现对每个跟随智能体中未知扰动的快速估计，在此基础上，本文结合超螺旋积分滑模控制方法并利用邻居智能体的位置和速度信息设计一种快速抗扰一致性协议，该协议能够保证存在非线性动态的多智能体系统有限时间一致性控制并能抑制抖振现象.同时，利用李亚普诺夫函数进行了稳定性的证明.最后，通过Matlab数值仿真进一步验证了所提出协议的可行性.

• 融合TDA的深度自编码网络车辆目标检测

  任亚婧, 张宏立

  针对在雪天环境下交通监控检测实时性差和准确率低的问题，提出了融合TDA的深度自编码网络车辆目标检测方法.该方法首先将监控视频帧的图像转化为点云数据；进而通过分割后提取车辆目标的点云数据并利用拓扑数据分析对车辆目标的点云数据进行处理；最后利用量化后的拓扑数据分析得到的车辆目标数据的单纯复形表示作为输入样本，对深度自编码网络进行训练，以栈式自编码结构的最后两层隐藏层作为输出构建车辆目标的特征模型，通过全连接层输入Softmax分类层做分类，使网络可以更加快速精确地对雪天环境下的目标和背景进行分类.实验结果表明，该方法能有效在雪天复杂环境下检测车辆目标并在精度以及速度上均有所提高.

• 基于FT-NIR光谱技术在线监测乙醇发酵过程的标定建模

  王旭东, 刘涛, 孙旭东

  针对在线检测乙醇发酵过程中葡萄糖浓度、乙醇浓度和生物量问题，提出了一种基于FT-NIR光谱技术在线检测这些参数的光谱标定建模方法.采用偏稳健M回归（PRM）的方法消除了采集光谱异常值对于标定建模的影响，给出了一种网格搜索寻优方法确定最优因子数和权重系数，并从准确性、稳定性和分辨度三方面给出评价模型指标.结果表明，PRM方法建立的模型具有较好的预测效果.最后，通过对一个乙醇发酵过程的在线监测实验，验证了所提标定建模和在线监测方法的有效性.