孫小偉，張啟浩，李 琦，劉 暢，張東海

（1.南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電昆明局，云南昆明 650214；2.云南兆富科技有限公司，云南 昆明 650217）

機(jī)載電子電氣設(shè)備是無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵部件，其對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行控制有著舉足輕重的地位。由于無(wú)人機(jī)上的電子設(shè)備存在多種類(lèi)型故障，相互間的聯(lián)系及表現(xiàn)形式十分復(fù)雜，尤其是在現(xiàn)場(chǎng)條件較差的情況下，失效可能性顯著增大，且存在一定隨機(jī)性和不確定性，使得故障探測(cè)與診斷變得更加困難。文獻(xiàn)[1]提出基于深度置信網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)方法，通過(guò)采樣樣本故障數(shù)據(jù)，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)，并檢測(cè)通信控制設(shè)備；文獻(xiàn)[2]提出基于長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)方法，調(diào)用序列和長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)容器內(nèi)進(jìn)程異常行為，利用LSTM 捕獲序列特征。使用上述兩種方法容易受到機(jī)載電子電氣設(shè)備間的復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)影響，存在潛在的安全隱患問(wèn)題。為此，提出智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)下機(jī)載電子電氣設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 電氣設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸特性

在智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)下，使用一種雙極歸零制數(shù)據(jù)傳送方法調(diào)制高、零、低狀態(tài)信號(hào)。數(shù)據(jù)傳送次序從第1 位到32 位。在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，最小的位元是第一個(gè)被傳送的。由于連續(xù)傳送數(shù)據(jù)之間存在4 位零電平的持續(xù)時(shí)間，因此同步信息也被傳送到一個(gè)單一的調(diào)制信號(hào)中[3-4]。這一信息是由雙極性歸零碼主狀態(tài)變成高或低的狀態(tài)，從而檢測(cè)機(jī)載電子電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的雙極歸零示意圖如圖1 所示。

圖1 智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的雙極歸零示意圖

由圖1 可知，智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議是差分傳輸協(xié)議，能夠較好地抑制共模干擾[5]。設(shè)置高、零、低電平狀態(tài)的發(fā)送端和接收端電平分別為高→發(fā):+8.0±1.0 V→接:+6.0～+10.0 V；零→發(fā):0±0.2 V→接:+2.0～-2.0 V；低→發(fā):-8.0±1.0 V→接:-6.0～-10.0 V?？紤]脈沖畸變干擾，在設(shè)備系統(tǒng)接收端應(yīng)比發(fā)送端所傳輸?shù)碾娖叫盘?hào)范圍更寬，這樣才能容許大量檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸[6-7]。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在機(jī)載電子電氣設(shè)備的檢測(cè)系統(tǒng)中，必須具備良好的開(kāi)放性、擴(kuò)展性、交互性和協(xié)同性。該系統(tǒng)包括客戶(hù)端模塊、決策模塊以及檢測(cè)模塊，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

由圖2 可知，該系統(tǒng)采用智能無(wú)線路由網(wǎng)絡(luò)確保系統(tǒng)監(jiān)控中心和用戶(hù)終端的數(shù)據(jù)傳輸流暢；檢測(cè)模塊根據(jù)所獲得的信息，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)判，為系統(tǒng)故障診斷提供充分反應(yīng)時(shí)間[8-9]。

2.1 嵌入檢測(cè)適配器

嵌入式檢測(cè)是連接測(cè)試系統(tǒng)的輸入、輸出接口與機(jī)載電子電氣設(shè)備相結(jié)合的適配器[10]。另外，該適配器還預(yù)處理和隔離了一些信號(hào)，例如對(duì)輸出信號(hào)放大、隔離、變換處理，獲取機(jī)載電子電氣設(shè)備上的負(fù)荷[11]。程控電源和固定電源為機(jī)載電子電氣設(shè)備提供充足工作電流；輸入/輸出接口分別是測(cè)試信號(hào)的輸入端口和系統(tǒng)資源激發(fā)信號(hào)的輸出端口，由嵌入式計(jì)算機(jī)繼電器組件接通和斷開(kāi)信號(hào)傳輸通道。此外，還可以進(jìn)行防錯(cuò)插設(shè)計(jì)，確保檢測(cè)裝置的安全連接[12]。

2.2 光耦隔離裝置

光耦隔離裝置是利用光耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其構(gòu)造是將LED 與感光三極管結(jié)合，絕緣電路之間不能直接電連接，特別是在低壓與高壓線路之間，避免因電連接而產(chǎn)生干擾[13]。在模擬切換指令時(shí)，DA 板輸出TTL 高電平，但TTL 高電平不能滿(mǎn)足切換信號(hào)要求，如停止、啟動(dòng)、延時(shí)等，需經(jīng)由MC1413P 芯片傳輸?shù)秸麄€(gè)設(shè)備線纜上，從而實(shí)現(xiàn)TTL 信號(hào)的驅(qū)動(dòng)與變換[14]。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 基于智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的異常參數(shù)辨識(shí)

由于機(jī)載電子電氣設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)非線性系統(tǒng)，其模型結(jié)構(gòu)較難獲得，智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)為它提供了一種有效的異常參數(shù)辨識(shí)方法。

首先分析機(jī)載電子電氣設(shè)備運(yùn)行的實(shí)際狀態(tài)，對(duì)同期運(yùn)行參數(shù)聚類(lèi)處理。使用重心法計(jì)算類(lèi)與類(lèi)之間的距離，公式為：

式中，gk、gL為兩類(lèi)的中心點(diǎn)；n表示特征向量個(gè)數(shù)；j表示計(jì)算次數(shù)[15]。設(shè)輸入n個(gè)特征向量為k1,k2,…,kn，將特征向量聚集在一起后確定中心點(diǎn)。以該聚類(lèi)中心為表征向量，構(gòu)建密度函數(shù)，可表示為：

式中，r表示機(jī)載電子電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)鄰域半徑，通過(guò)該公式可確定聚類(lèi)同期運(yùn)行的峰值參數(shù)[16]。

使用歸一化處理訓(xùn)練聚類(lèi)參數(shù)，可提高參數(shù)收斂速度。歸一化處理公式表示如下：

式中，ht表示t時(shí)刻的實(shí)際辨識(shí)參數(shù)；hmin、hmax分別表示最小和最大辨識(shí)參數(shù)值。將三個(gè)連續(xù)參數(shù)作為參考值，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)識(shí)處理，如下所示：

初始化不同時(shí)刻潮流，作為量測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)下列公式計(jì)算實(shí)際辨識(shí)參數(shù)與理論辨識(shí)參數(shù)之間的差值，公式為：

3.2 檢測(cè)過(guò)程設(shè)計(jì)

由于機(jī)載電子電氣設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)隨機(jī)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于總線，在嚴(yán)格規(guī)范檢測(cè)步驟時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是井然有序的。通過(guò)檢測(cè)一段時(shí)間內(nèi)電氣設(shè)備的信息熵值，可以檢測(cè)大多數(shù)異常情況，因此，將信息熵值作為電子電氣設(shè)備檢測(cè)的標(biāo)志。以熵值計(jì)算結(jié)果為依據(jù)判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，詳細(xì)檢測(cè)過(guò)程如下所示：

步驟1：使用智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)收集一定時(shí)間窗口下的總線報(bào)文。

步驟2：收集實(shí)際電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，可獲取收集總線中的全部報(bào)文信息。

步驟3：統(tǒng)計(jì)標(biāo)記的報(bào)文ID 數(shù)據(jù)出現(xiàn)次數(shù)，計(jì)算時(shí)間窗口為1 的信息熵值。

步驟4：以統(tǒng)計(jì)到的報(bào)文為依據(jù)，獲取一定時(shí)間窗口下正?？偩€的信息熵，計(jì)算的結(jié)果即為閾值標(biāo)準(zhǔn)。

步驟5：固定時(shí)間窗口，按照由大到小的順序依次排列，收集總線報(bào)文信息。

步驟6：設(shè)置時(shí)間窗口的間隔時(shí)間為10 min，計(jì)算全部信息熵值。

步驟7：將計(jì)算結(jié)果與閾值標(biāo)準(zhǔn)比較，判斷當(dāng)前電子電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。如果正常，繼續(xù)發(fā)送報(bào)文；如果異常，及時(shí)發(fā)出告警信息，由此實(shí)現(xiàn)固定時(shí)間窗口下的快速檢測(cè)[17]。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境為Windows7 下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，使用CANalyst-II分析儀進(jìn)行維護(hù)和管理，如圖3 所示。

圖3 CANalyst-II分析結(jié)構(gòu)

使用CANalyst-II 分析儀模擬接入攻擊場(chǎng)景，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行攻擊，由此分析機(jī)載電子電氣設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行性能。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1）場(chǎng)景一：將所有正常報(bào)文的ID 列入白名單中，若其中沒(méi)有ID 報(bào)文，那么需要報(bào)警提醒系統(tǒng)。

向系統(tǒng)中發(fā)送ID 為0×011 和ID 為0×002 的報(bào)文各25 條，系統(tǒng)首先將正?？偩€中所有ID 報(bào)文列入白名單中，一旦發(fā)現(xiàn)有其他ID 報(bào)文出現(xiàn)，則說(shuō)明ID 報(bào)文異常，需提示警告。分別使用基于深度置信網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)方法、基于長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)方法和基于智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)比分析不同時(shí)間下信息熵值，如圖4 所示。

圖4 場(chǎng)景一不同方法信息熵值對(duì)比分析

由圖4 可知，實(shí)際情況下，在300～450 s 時(shí)，信息熵值明顯降低，最低熵值為2.7，系統(tǒng)應(yīng)發(fā)出告警。兩種對(duì)比檢測(cè)方法的信息熵值沒(méi)有明顯降低趨勢(shì)，且與實(shí)際數(shù)值不一致；而使用基于智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)最低熵值與實(shí)際數(shù)值一致，均為2.7。

2）場(chǎng)景二：通過(guò)對(duì)總線的洪泛攻擊，即向總線中一次性發(fā)送500 條0×00 報(bào)文，會(huì)破壞系統(tǒng)可用性。

向正在運(yùn)行的機(jī)載電子電氣設(shè)備發(fā)送大量?jī)?yōu)先級(jí)高的報(bào)文，根據(jù)設(shè)備總線響應(yīng)特點(diǎn)，優(yōu)先響應(yīng)這些報(bào)文，致使總線正常報(bào)文無(wú)法被響應(yīng)。此時(shí)，向總線連續(xù)發(fā)送ID 為0×00 的報(bào)文，讓總線優(yōu)先響應(yīng)這些報(bào)文，進(jìn)行洪泛攻擊。再次使用這三種方法，對(duì)比分析不同時(shí)間下信息熵值，如圖5 所示。

圖5 場(chǎng)景二不同方法信息熵值對(duì)比分析

由圖5 可知，實(shí)際情況下，在300 s 時(shí)出現(xiàn)一個(gè)告警點(diǎn)，此時(shí)信息熵值為2.6。在450～600 s 期間出現(xiàn)一個(gè)告警點(diǎn)，此時(shí)信息熵值為3.8。在600～750 s 期間出現(xiàn)四個(gè)告警點(diǎn)，此時(shí)信息熵值分別為3.8、4.2、4.5、4.0。在750～900 s 期間出現(xiàn)一個(gè)告警點(diǎn)，此時(shí)信息熵值為4.0。在900～1 050 s 期間出現(xiàn)一個(gè)告警點(diǎn)，此時(shí)信息熵值為3.8。兩種對(duì)比檢測(cè)方法與實(shí)際數(shù)值相差較大，而使用基于智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)在300～600 s 期間，與實(shí)際數(shù)值存在最大誤差，數(shù)值為1.2。

3）場(chǎng)景三：對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重放攻擊，相比于場(chǎng)景二攻擊方式，重放攻擊下的正常報(bào)文會(huì)干擾系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)執(zhí)行錯(cuò)誤操作。

向正在運(yùn)行的機(jī)載電子電氣設(shè)備總線中發(fā)送正常報(bào)文，達(dá)到控制系統(tǒng)檢測(cè)的目的。使用這三種方法，對(duì)比分析不同時(shí)間下信息熵值，如圖6 所示。

圖6 場(chǎng)景三不同方法信息熵值對(duì)比分析

由圖6 可知，實(shí)際情況下，在不同時(shí)間共出現(xiàn)四個(gè)告警點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的熵值分別為2.5、3.2、3.5、2.1。兩種對(duì)比檢測(cè)方法與實(shí)際數(shù)值不一致，而使用基于智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)在150～300 s 期間，與實(shí)際數(shù)值的誤差最大為0.3。

5 結(jié)束語(yǔ)

在智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)下設(shè)計(jì)的機(jī)載電子電氣設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)處理采集到的正?？偩€報(bào)文，并計(jì)算下一固定時(shí)間窗口信息熵值，得到閾值標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)與閾值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，能夠判斷總線發(fā)生的異常情況。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)能夠有效防止外界干擾，達(dá)到高效檢測(cè)的目的。