一种用于无人水面舰艇在任意拒绝服务攻击下的新型基于数据的安全区间事件触发控制

《Ocean Engineering》：A novel data-based secure interval event-triggered control for unmanned surface vehicles under arbitrary DoS attacks

　　

•SIETM是为生成STI以主动防御DoS攻击而开发的。•控制器增益和触发矩阵基于离线噪声数据协同设计。•建立了USV在任意DoS攻击下的基于数据稳定性判据。

引言

网络化的无人水面舰艇（USV）通过船-岸网络整合感知、控制和通信系统（Lv等人，2022年），从而增强了作业灵活性、远程监控能力、信息共享效率和自主性（Er等人，2023年；Li等人，2024年），同时支持在危险环境中执行复杂任务（Tsolakis等人，2024年；Gantiva等人，2024年）。随着自主和远程操控舰艇部署的增加，国际海事组织通过了《海上自主水面船舶安全规则》（MASS规则），该规则为安全可靠的运行提供了目标导向的框架。特别是，MASS规则将可靠的连接性确定为远程监控和控制的前提条件，并要求通信系统提供充足的带宽、数据完整性、可靠性、弹性和可接受的网络延迟。它进一步强调了网络安全风险的缓解、防止未经授权访问、检测网络入侵和保护传输数据（国际海事组织，2026年）。这些监管和操作要求使得网络化USV的网络安全成为一个越来越重要的研究课题，引起了学术界和海事业界的广泛关注（Li等人，2025年；Luo等人，2024年）。

利用Wi-Fi和VHF等先进无线通信协议，USV与岸基控制站保持连续数据交换以实现远程操纵（Xiong等人，2026年）。然而，时变延迟、数据包丢失和有限带宽可能会降低闭环性能，甚至威胁系统稳定性（Yu等人，2025年）。为解决这一问题，事件触发控制（ETC）已被广泛研究，以减少不必要的数据传输和控制器更新（Egambaram等人，2026年）。通过在预定义触发条件满足时才传输数据，ETC可以有效节省计算和通信资源，减轻网络拥塞并最小化延迟的发生（Weng等人，2025年）。

另一方面，针对USV的网络攻击成功可能造成严重的系统退化、任务失败，甚至安全隐患。保护USV系统免受恶意攻击具有重要意义。通常来说，在USV系统背景下，主要考虑两类网络攻击：拒绝服务（DoS）攻击（Ma等人，2025年；Ma等人，2020年）和欺骗攻击（Bessa等人，2022年；Leng等人，2026年）。DoS攻击可能阻碍测量数据包和控制输入的传输，这会导致USV系统性能显著退化。为解决这一问题，各种安全控制方法已被提出。例如，Ma等人（2024年）研究了针对受DoS攻击的USV系统的弹性事件触发控制方法。Mousavian和Atrianfar（2025年）提出了针对异步DoS攻击和外部干扰的多智能体系统弹性事件触发容错控制方法。在该研究中，开发了一种时间-事件-记忆触发机制，其中USV被表征为线性时不变系统。此外，在Ma等人（2021年）中，设计了DoS依赖的安全自适应事件触发机制，将触发条件与基于ACK的DoS攻击信息相结合。

上述方法都是基于模型的，其核心前提依赖于控制器设计时对系统模型的明确和精确知识。然而，在实践中构建精确的USV运动学和动力学模型极具挑战性。近年来，数据驱动控制方法受到了广泛关注（De Persis和Tesi，2020年）。这些方法不是通过中间系统辨识建立显式系统模型，而是直接基于测量数据设计控制器（Hu等人，2025年）。在这一框架下，发展了多种研究方向。在Wang等人（2023年）中，为某一类未知网络化系统的同步调节目的，制定了一种数据驱动控制策略。在Hu等人（2026年）中，协同设计了混合攻击下未知网络化系统的基于数据的攻击观测器和弹性控制器。在Wei等人（2024年）中，设计了一种基于数据的动态事件触发控制策略，以缓解网络化系统中的DoS攻击和通信延迟。

尽管现有研究丰富，但安全控制研究仍存在一定局限性。首先，现有事件触发机制主要依赖网络传输状态来动态跟踪DoS攻击行为，而攻击期间引发的通信中断问题尚未得到有效解决。其次，尚无针对未知参数USV在DoS攻击下的弹性控制方法的报告。为解决这些挑战，本文提出了一种针对未知USV系统的主动安全控制方案。本文所述方法不依赖于USV系统精确模型的先验知识，并能够在任意DoS攻击场景下确保鲁棒性。主要贡献如下：

(1) 提出了一种新型SIETM，以确保在DoS攻击下的安全触发传输。现有弹性事件触发机制仅生成触发时刻，无法缓解DoS攻击阻碍事件触发传输的问题。相比之下，所提出的SIETM同时生成触发时间和STI。STI被传输到SDN控制平面，该平面调度网络安全机制并过滤潜在攻击流量，从而在后续通过SDN数据平面的触发式流量传输中实现主动防御DoS攻击。

(2) 基于噪声数据系统参数化表示，控制器增益和触发矩阵被协同设计。值得注意的是，这是首次基于离线测量数据而非显式系统模型设计控制器。该设计旨在保证闭环USV系统在面对通信延迟和DoS攻击时保持渐近稳定。

(3) 本文考虑了USV在任意DoS攻击下的情况，克服了现有研究仅考虑受限DoS攻击场景的局限性。建立了独立于DoS攻击约束参数的基于数据渐近稳定判据，从而填补了任意DoS攻击下基于数据安全控制的理论空白。

章节摘要

USV建模

通过选取横摇速度??、航向角速度??、航向角??、横摇角速度??和横摇角??作为状态变量，状态向量定义为：

??(??) = [??, ??, ??, ??, ??]^T

然后，考虑USV模型表示为：

{ ?(??) = ??_?? ??(??) + ??_?? ??(??) + ??_?? ??(??)
??(??) = ??_?? ??(??)

其中??(??)是控制输入，??(??)是干扰向量，??_??、??_??和??_??是未知的系统矩阵，??_??是给定的矩阵。离线收集的输入-状态轨迹数据可用。如图1所示，USV系统(1)被控制。

主要结果

使用LMI技术，在定理1、定理2和定理3中呈现了USV安全区间事件触发控制的基于模型和基于数据的分析与综合。

仿真

本节将验证所提出控制器在任意DoS攻击下的有效性。

在本仿真中，我们讨论了中速场景（??_?? = 5.6 m/s）。其余USV模型参数按照Wang等人（2020年）中给出的选择，具体如下：

??_?? = 矩阵（参见原文矩阵定义，包含各状态变量间的耦合关系，其中对角元素包含1/??_??_??、-1/??_??_??、-2????_??、-??_??2等项，非对角元素包含??_??_??/??_??_??、??_??2??_??_??等参数）

??_?? = [??_??/??_??_??, ??_??/??_??_??, 0, ??_??2??_??, 0]^T

??_?? = 矩阵（参见原文定义，包含1/??_??_??、??_??2等项）

其中??_??、??_??和??_??的参数可以在表1中找到。

与Wang和Han类似，

结论

在本文中，我们提出了一种新型DBSIETC策略，并建立了未知动态USV系统在任意DoS攻击下的基于数据稳定性条件。所开发的SIETM主动缓解DoS攻击并促进安全事件触发传输。数值仿真表明，所提出的DBSIETC在保持USV性能的同时减少了数据传输，且其性能优于基于模型的控制方法。由于……

CRediT作者贡献声明

Ruidie Hu：撰写——原稿撰写。
Yong Ma：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取，概念化。
Yujiao Zhao：撰写——审阅与编辑。
Jing Li：撰写——审阅与编辑，验证。
Songlin Hu：方法论，概念化。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文中所述工作。

致谢

本研究部分得到中国国家自然科学基金（项目编号52261160383和U25A20381）、湖北省重点研发计划（项目编号2024BCB099）以及海南省自然科学基金（项目编号526ZD1000）的支持。

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