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原文传递船舶信息网络递阶/协同控制系统研究

论文题名：	船舶信息网络递阶/协同控制系统研究
关键词：	船舶信息网络;协同控制;入侵检测;保密性;数据流设计
摘要：	船舶信息网络系统作为船舶系统数字化、网络化的重要组成部分，其设计与应用具备显著的切实意义。为了安全、高效的利用船舶信息网络系统网络资源，实现全船层面的数据采集、分析与应用，在充分考虑当今船舶信息网络系统领域研究难点的基础上，本文对船舶信息网络系统的控制模式与控制方法开展了较为深入的研究，并以此规范化的提出了船舶信息网络递阶/协同控制系统框架，进而对其信息传输的过程与方法进行了有效设计，其在充分考虑船舶信息网络系统连通性、能达性及能观性的前提下，对船舶信息网络系统数据传输序列内的信息设定原则进行了设定，并依此提出了船舶信息网络系统内执行器及传感器数据信息的传输协议。进一步的，本文对船舶信息网络递阶/协同控制系统模式下网络信息的完整与保密传输问题进行了较为开创性的研究，并提出了面向船舶信息网络系统信号攻击的入侵检测机制与任务进程实施不透明性设定方法。整个研究过程均以船舶信息网络系统的核心组件即分布式控制单元作为对象，先后开展了对其递阶/协同控制策略、信息传输协议及兼顾完整性与保密性传输方法的设计与研究。　　首先，本文开展了对船舶信息网络系统体系结构的研究，并以此作为船舶信息网络系统控制结构分析的依据。进一步的，在上述分析的基础上，本文分别对手动工况与远程工况下的船舶信息网络递阶/协同控制系统流程进行了系统性的分析，从而完成了对船舶信息网络递阶/协同控制系统模式的分析。与此同时，结合船舶信息网络递阶/协同控制系统的特点，本文提出了一种基于效果叠加原则的分布式控制单元递阶/协同控制策略设计方法，并以船舶航向/减摇复合任务为例，对设计方法的有效性进行了仿真验证。　　其次，本文对船舶信息网络递阶/协同控制系统模式下的信息传输协议进行了研究，提出了通信资源约束情况下的船舶信息网络系统连通性、能观性及能达性分析方法，并以此作为船舶信息网络系统每条数据传输序列长度的设计依据，进而提出了面向船舶信息网络系统执行器及传感器数据信息的传输原则。根据物理特性的不同，将船舶信息网络系统内的执行器划分为“倔强”执行器与“依从”执行器，并以此作为执行器数据传输序列内容的选取标准；进一步的，根据船舶信息网络系统传感器的实时数据价值，本文提出了一个基于传感器变值指标与差值指标的传感器双重数值指标评价方法，并根据该方法将相应的传感器信息添加入船舶信息网络系统对应的数据传输序列中。上述方法在缩短数据传输序列长度的前提下，保证了系统对数据信息采集、处理及应用的客观需求，进而优化了系统资源、提升了系统性能。　　然后，对船舶信息网络递阶/协同控制系统模式下的信息完整传输技术进行了研究。针对船舶信息网络系统的封闭性与脆弱性，提出了相应的入侵检测机制。针对信号攻击，本文依照工业模型状态语言对船舶信息网络系统内的关联数据信息进行统一规划，依此提出了基于临界状态的入侵检测方法，并给出了相应的分析算法。为验证入侵检测机制的攻击识别效果，本文以航向/横摇协同控制任务为例，对所述入侵检测机制的有效性进行了仿真验证，结果显示该入侵检测方法能有效的实现对协同控制系统内异常数据的检测。　　最后，本文对船舶信息网络递阶/协同控制系统模式下的信息保密传输技术进行了研究。针对船舶信息网络系统各分布式控制单元的通信方式，本文对船舶信息网络系统任务进程的泄密可能性进行了分析，并以不透明性作为船舶信息网络系统保密性的研究依托。为此，本文提出了基于双层插入函数的船舶信息网络系统实施不透明性机制，通过计算相应的确保安全性插入函数f IS与可容许性插入函数f IA，完成了对各分布式控制单元指令输出情况的修改，进而实现了对船舶信息网络系统关键任务状态的保密设置，从而保证对船舶信息网络递阶/协同控制系统过程中的关键信息保护。
作者：	邢博闻
专业：	控制理论与控制工程
导师：	刘胜
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文