一种高温锻造三维测量系统的低通信负载抗攻击安全控制方法

本发明涉及高温锻件三维视觉测量与测量系统安全控制，尤其涉及一种面向高温热辐射、强反光、氧化皮干扰、锻件振动及通信攻击条件的低通信负载抗攻击安全控制方法。

背景技术：

1、高温锻件在成形过程中需要及时获取三维形貌、关键尺寸和表面轮廓，以评价锻造质量并为后续工序提供依据。结构光、双目或多视角视觉三维测量具有非接触、信息量丰富等优点，但在高温锻造现场，热辐射和强反光会降低条纹图像对比度，氧化皮、蒸汽和粉尘会造成局部遮挡，锻件振动与位置变化会引起视角失配，导致测量过程呈现多时间尺度动态和随机工况切换特性。与此同时，多相机、多投影器产生的高分辨率图像、条纹特征和点云数据量大，若采用周期采样和全量传输，容易造成共享通信链路拥塞和三维重建延迟。开放的测量通信网络还可能遭受拒绝服务攻击和欺骗攻击，使关键视角数据被阻断或篡改，进而造成轮廓缺失、尺寸偏差或重建失真。现有高温锻造三维测量方案多侧重滤光抑制、条纹增强、点云修复或标定重建，对通信负载、节点调度与网络攻击条件下的测量稳定性缺乏统一考虑。因此，有必要提供一种将动态事件触发、wtod/rrp 混合调度、攻击建模、模态识别、异步状态观测和滑模调节统一设计的高温锻造三维测量方法。

技术实现思路

1、为克服现有技术存在的上述不足，本发明提供一种高温锻造三维测量系统的低通信负载抗攻击安全控制方法。该方法面向高温热辐射、强反光、氧化皮干扰、锻件振动、多视角数据并发和开放通信链路共同作用的三维测量现场，将动态事件触发机制、混合调度协议、网络攻击建模、隐马尔可夫模态识别、异步状态观测以及滑模调节相结合，在降低图像与点云通信负载的同时，提高高温锻件三维形貌测量在拒绝服务攻击和欺骗攻击条件下的稳定性、完整性与鲁棒性。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种高温锻造三维测量系统的低通信负载抗攻击安全控制方法，包括以下步骤：

3、s1、构建高温锻造三维测量系统模型，将多视角图像采集、条纹解调、三维重建和投影与成像参数调节过程描述为连续时间 markov 跳变奇异摄动系统，并建立系统状态、测量输出与受控输出之间的数学关系；

4、s2、针对各三维测量传感器节点采集的条纹图像、轮廓特征或点云数据构造动态事件触发评价函数，并引入动态辅助变量，根据评价函数与动态辅助变量的比较结果判断当前采样数据是否需要发送，从而减少稳定测量工况下的冗余数据传输；

5、s3、在满足事件触发条件时，根据评价函数与设定门限之间的关系，在加权先试先弃协议 wtod 和轮转协议 rrp 之间进行切换，实现关键视角节点优先、常规视角节点轮转的混合调度传输；在不满足触发条件时，保持上一时刻已接收测量数据不变；

6、s4、针对高温锻造三维测量系统通信链路中的拒绝服务攻击和欺骗攻击，分别构建受攻击数据传输模型，得到测量控制端实际接收输出信号；

7、s5、基于隐马尔可夫模型建立实际测量工况模态与识别模态之间的条件概率关系，构建识别模态驱动的异步状态观测器，对高温锻件三维形貌测量状态进行在线估计；

8、s6、基于状态估计值和识别模态构建异步滑模控制律，并将生成的控制输入施加于投影与成像参数调节单元，以实现低通信负载条件下的抗攻击安全三维测量。

9、进一步地，s1 中构建高温锻造三维测量系统模型，采用以下方法：

10、s11、将高温锻造三维测量过程建模为连续时间 markov 跳变奇异摄动系统，其中系统模态用于表征正常成像、强热辐射、局部遮挡、锻件振动或视角失配等不同测量工况，系统状态方程表示为公式（1）：

11、

12、式中， 为高温锻造三维测量过程状态， 为施加于投影与成像参数调节单元的控制输入， 为图像、条纹特征或点云测量输出， 为用于评价三维形貌重建误差和测量稳定性的受控输出， 为热辐射、强反光、氧化皮遮挡、锻件振动等外部扰动及攻击注入的统一输入， 为实际三维测量工况模态。是已知的对应模态下具有对应维数的常数矩阵；

13、s12、设奇异摄动矩阵为公式（2）：

14、

15、式中， 为奇异摄动参数，和是单位阵；

16、s13、在高温锻件测量区域布置多个三维测量传感器节点，所述节点包括结构光投影器、工业相机及采集处理模块，对不同视角下的条纹图像、轮廓特征或点云数据进行周期采样，并通过共享通信网络将采样数据发送至测量控制端。

17、进一步地，s2 中针对高温锻造三维测量数据构造动态事件触发评价函数并引入动态辅助变量，采用以下方法：

18、s21、设第 个三维测量传感器节点在当前采样时刻的测量误差为公式（3）：

19、

20、式中， 为当前视角连续三维测量信号， 为最近一次成功发送的采样信号；

21、s22、构建动态事件触发评价函数 ，如公式（4）所示：

22、

23、式中， 为加权矩阵， 为触发阈值参数；

24、s23、构建动态辅助变量 ，其演化方程可表示为公式（5）：

25、

26、式中， 和 为给定参数， 为由各三维测量传感器节点权重矩阵构成的对角矩阵；

27、s24、将评价函数 与动态辅助变量 进行比较；当评价函数满足预设触发条件时，发送当前三维测量采样数据；当评价函数不满足预设触发条件时，保持上一时刻已发送数据不变，从而实现三维测量数据传输频率的自适应调节并降低通信负载。

28、进一步地，s3 中根据三维测量数据的评价函数与设定门限之间的关系，在 wtod协议和 rrp 协议之间进行切换，采用以下方法：

29、s31、按照高温锻造三维测量实时性、重建精度与安全要求设定第一触发阈值和第二触发阈值 ，且 ；

30、s32、当评价函数满足公式（6）时，启用加权先试先弃协议 wtod，对遮挡边界、复杂曲率区域或关键尺寸区域对应的高优先级三维测量节点数据进行传输：

31、

32、s33、当评价函数不满足步骤 s32 的条件，但满足公式（7）时，启用轮转协议 rrp，对高温锻造三维测量系统各常规视角节点数据进行轮流传输：

33、

34、s34、当评价函数同时不满足步骤 s32 和步骤 s33 的条件时，不发送当前采样数据，并保持上一时刻测量控制端接收数据不变，以减少稳定测量工况下的冗余通信。

35、进一步地，s4 中构建高温锻造三维测量系统通信链路的受攻击数据传输模型，采用以下方法：

36、s41、在高温锻造三维测量系统 wtod 传输模式下，引入拒绝服务攻击变量 对数据阻断情况进行表征，其概率分布满足公式（8）：

37、

38、式中， 表示当前传输数据被阻断， 表示当前传输正常；

39、s42、在 wtod 传输模式下，第 个高温锻造关键视角三维测量传感器节点的实际接收信号可表示为公式（9）：

40、

41、s43、在高温锻造三维测量系统 rrp 传输模式下，引入欺骗攻击变量 对虚假数据注入情况进行表征，其概率分布满足公式（10）：

42、

43、式中， 表示当前传输数据被攻击信号替代， 表示当前传输正常；

44、s44、在 rrp 传输模式下，第 个常规视角三维测量传感器节点的实际接收信号可表示为公式（11）：

45、

46、式中， 为欺骗攻击加权矩阵， 为针对高温锻造三维测量数据的攻击注入信号；

47、s45、根据拒绝服务攻击模型和欺骗攻击模型，构建测量控制端实际接收输出信号，为后续高温锻件三维形貌状态观测和参数调节量生成提供数据基础。

48、进一步地，s5 中基于隐马尔可夫模型建立实际三维测量工况模态与识别模态之间的条件概率关系，并构建异步状态观测器，采用以下方法：

49、s51、建立实际三维测量工况模态 与识别模态 之间的条件概率矩阵，其满足公式（12）：

50、

51、式中， 表示实际三维测量工况模态为 时对应的识别模态为 的概率；

52、s52、条件概率矩阵中各三维测量工况模态的概率参数满足公式（13）：

53、

54、s53、基于测量控制端实际接收输出信号和识别模态，构建异步状态观测器，其表达式为公式（14）：

55、

56、式中， 为高温锻件三维形貌测量状态估计值， 为观测器输出， 为与识别出的三维测量工况模态对应的观测器增益；

57、s54、由于识别模态与高温锻造三维测量系统实际工况模态之间可能存在失配，观测器增益按照识别模态进行调度，从而形成适应测量工况切换的异步观测机制。

58、进一步地，s6 中基于高温锻件三维形貌状态估计值和识别模态构建异步滑模控制律，采用以下方法：

59、s61、利用状态估计值构建积分型滑模面，以综合补偿高温热辐射、强反光、氧化皮遮挡、锻件振动、参数摄动和网络攻击，其表达式为公式（15）：

60、其中，为预先设计的常数矩阵，为滑模控制器增益；

61、s62、基于识别出的高温锻造三维测量工况模态设计异步滑模控制律，如公式（16）所示：

62、

63、式中， 为与识别出的三维测量工况模态对应的状态反馈增益， 为滑模增益， 为滑模面；

64、s63、将所述控制输入施加于投影与成像参数调节单元，使高温锻造三维测量系统在高温干扰、通信带宽受限和网络攻击条件下保持安全稳定测量。

65、与现有技术相比，本技术在高温锻造三维测量应用中的有益效果如下：

66、本发明通过将动态事件触发机制、混合调度协议、网络攻击建模、隐马尔可夫模态识别、异步状态观测以及滑模调节相结合，能够依据高温锻件各视角测量数据的紧迫程度，在关键视角优先传输、常规视角公平接入和稳定测量工况减少发送之间自适应切换，从而降低高分辨率图像、条纹特征和点云数据的通信资源消耗，并提高高温锻造三维测量系统在拒绝服务攻击和欺骗攻击条件下的稳定性与鲁棒性。对应数值验证中，相较于周期触发方式，传输标量通道总数可由 10000 降低至 222，降幅约为 97.8%。