一种基于5G的工业控制安全通信信号采集算法

本发明涉及信号采集，具体为一种基于5g的工业控制安全通信信号采集算法。

背景技术：

1、工业控制系统被广泛应用于现代社会的诸多关键领域，包括能源、水电、通信、交通、调度、工业制造等，在工业控制系统与互联网连接的趋势下，工业控制系统信息安全越来越引起业界的关注，一个完整的工控企业的信息系统通常分为四层，即企业管理层、生产管理层、生产控制层和设备层，企业管理层实现企业内部办公系统功能，生产相关数据不包括在内，一般将生产管理层、生产控制层和设备层涉及的部分统称为工业控制信息系统，工业控制信息系统不但包括scada、dcs、plc、rtu等专用的信号采集、数据传输和信息控制系统，还包括专用的工业通信传输设备及工业企业专用数据库。

2、scada即数据采集与监视控制系统，用来控制地域上分散的大型分布式系统，scada系统控制的分布式系统，地域跨度大，分散的数据采集和集中的数据处理是scada的主要特点，典型的scada系统有供水和污水收集系统、石油和天然气管道、电力电网及铁路运输系统等；dcs即分布式控制系统，是对工业系统的生产过程进行集中管理和分散控制的计算机系统，dcs对实时性和可靠性要求较高，dcs通常是专用定制化系统，使用专用处理器，采用私有通信协议通信，运行针对企业特定应用的定制化软件系统，dcs广泛应用在能源化工、汽车生产、食品、废水处理等行业；plc即可编程逻辑控制器，用于控制工业设备和生产过程，plc通常在较小的控制系统配置中作为主要组件，用于提供离散过程的操作控制，plc被广泛应用于几乎所有的工业生产过程；rtu即远程终端单元，用于工业现场监控。与plc相比，rtu的存储容量更大，能在更恶劣的环境中实现数据收集和传输，在能源、水电和市政调度等行业scada系统中，rtu比较常见。

3、在工业控制系统中，io设备将传感器采集到的数据进行采集，转换为modbus协议，这样就能通过串口或者以太网接口进行数据的远距离传输，以太网设备可以直接接入交换机或路由器直接组建局域网络，这样就能实现数据上云，实现远程监管，这也就是工业物联网的由来，通过plc或hmi、工控机等设备就可以实现设备的自动控制。

4、但是，传统的工业控制安全通信信号采集存在以下缺点：

5、传统的工业控制安全通信信号采集单一的对信号进行采集，采集后直接传输至远程平台，但是，无法保证输送过程中信号采集的完整性，容易出现信号泄漏或者信号被攻击的现象。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于5g的工业控制安全通信信号采集算法，以解决上述背景技术中提出的传统的工业控制安全通信信号采集单一的对信号进行采集，采集后直接传输至远程平台，但是，无法保证输送过程中信号采集的完整性，容易出现信号泄漏或者信号被攻击的现象的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于5g的工业控制安全通信信号采集算法，包括以下步骤：

3、步骤一、硬件预处理：将网关做好准备，具体为将插卡、接天线、接串口线或者网线与工业设备连接上线运行；

4、步骤二、网络预处理：选择合适的网络，例如5g、4g、3g、wifi、ethernet配置，并通过诊断命令确认网络正常；

5、步骤三、数据采集：分别对工业控制安全通信信号内模拟量和开关量进行采集；

6、步骤四、数据验证：通过读取实时变量值、诊断日志来确认网关跟下挂设备通信是否正常，并对采集数据进行验证；

7、步骤五、数据传输：验证合格后将数据传输至远程平台，远程平台读取数据后并下发对应的控制命令。

8、作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤二中数据采集具体为：s1、数据预处理：对待采集的工业控制安全通信信号上设立多个采样点，并将其打包成数据集；s2、数据集采集：数据发送端将数据集发送至相对应的网关，由该网关对数据集进行采集，得到数据集监测包；s3、数据集评估：计算数据集监测包，并通过计算结果得到对应的数据集评估值；s4、数据集分析：数据集评估值整体评估后进行匹配校验分析。

9、作为本发明的一种优选技术方案，所述采样点具体为工业控制安全通信信号同步段、工业控制安全通信信号传播时间段和工业控制安全通信信号相位缓冲段。

10、作为本发明的一种优选技术方案，所述计算数据集监测包具体为采样点计算公式：由于工业控制安全通信信号同步段总是占用tq，因此转化为：

11、作为本发明的一种优选技术方案，所述数据集分析具体为仲裁段波特滤和数据段波特滤，所述仲裁段波特滤的计算公式如下：bitratex是由名义can位时间变量计算的每秒以位为单位的can比特率，

12、所述数据段波特滤的计算公式如下：bitratex是由名义can位时间变量计算的每秒以位为单位的can比特率，

13、作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤四中数据验证具体为最大似然检测算法、迫零检验算法和串行干扰消除检测算法。

14、作为本发明的一种优选技术方案，所述最大似然检测算法具体为式中x是估计值，φ表示在发射端所发射的信号的向量x的全部可能值构成的一个集合空间，argmin{}表示在发射信号相邻的集合空间φ内去搜索最小值，||y-hx||2表示对相邻求范数，而其中y表示在接收端接收的信号向量。其值是给定。

15、作为本发明的一种优选技术方案，所述迫零检验算法具体为对式中fzf(x)求梯度，得下式：令为零，则x＝(hhh)-1hhy＝gzfy，那么zf滤波矩阵为：gzf＝(hhh)-1hh。

16、作为本发明的一种优选技术方案，所述串行干扰消除检测算法是一种垂直分层时空检测算法，在检测时，它不是直接从接收信号向量中检测发射信号向量，而是按顺序从第一个或者最后一个向量的分量进行检测，完成一次检测后得出的信号分量就马上脱离接收信号向量，不再对接收信号向量产生任何影响，然后逐次检测剩余的信号分量，从而使待检测信号向量的干扰量减少，检测的可靠性提高，在检测过程中对发射信号向量进行一层一层的检测和消除，其通过迭代的处理来完成了检测，在检测过程中的每一级递归分为两个主要的操作步骤零化和干扰消除。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

18、该算法通过对5g网关的数据进行采集，且得到数据集，再对所得的数据集进行监测，得到数据集在输送中的风险等级，以确保数据集采集中的稳定性，同时，对采集后的数据集进行评估，保证采集数据的安全性和完整性。

技术特征：

1.一种基于5g的工业控制安全通信信号采集算法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于5g的工业控制安全通信信号采集算法，其特征在于：所述步骤二中数据采集具体为：s1、数据预处理：对待采集的工业控制安全通信信号上设立多个采样点，并将其打包成数据集；s2、数据集采集：数据发送端将数据集发送至相对应的网关，由该网关对数据集进行采集，得到数据集监测包；s3、数据集评估：计算数据集监测包，并通过计算结果得到对应的数据集评估值；s4、数据集分析：数据集评估值整体评估后进行匹配校验分析。

3.根据权利要求2所述的一种基于5g的工业控制安全通信信号采集算法，其特征在于：所述采样点具体为工业控制安全通信信号同步段、工业控制安全通信信号传播时间段和工业控制安全通信信号相位缓冲段。

4.根据权利要求2所述的一种基于5g的工业控制安全通信信号采集算法，其特征在于：所述计算数据集监测包具体为采样点计算公式：由于工业控制安全通信信号同步段总是占用tq，因此转化为：

5.根据权利要求2所述的一种基于5g的工业控制安全通信信号采集算法，其特征在于：所述数据集分析具体为仲裁段波特滤和数据段波特滤，所述仲裁段波特滤的计算公式如下：bitratex是由名义can位时间变量计算的每秒以位为单位的can比特率，

6.根据权利要求1所述的一种基于5g的工业控制安全通信信号采集算法，其特征在于：所述步骤四中数据验证具体为最大似然检测算法、迫零检验算法和串行干扰消除检测算法。

7.根据权利要求6所述的一种基于5g的工业控制安全通信信号采集算法，其特征在于：所述最大似然检测算法具体为式中x是估计值，φ表示在发射端所发射的信号的向量x的全部可能值构成的一个集合空间，argmin{}表示在发射信号相邻的集合空间φ内去搜索最小值，||y-hx||2表示对相邻求范数，而其中y表示在接收端接收的信号向量。其值是给定。

8.根据权利要求6所述的一种基于5g的工业控制安全通信信号采集算法，其特征在于：所述迫零检验算法具体为对式中fzf(x)求梯度，得下式：令为零，则x＝(hhh)-1hhy＝gzfy，那么zf滤波矩阵为：gzf＝(hhh)-1hh。

9.根据权利要求6所述的一种基于5g的工业控制安全通信信号采集算法，其特征在于：所述串行干扰消除检测算法是一种垂直分层时空检测算法，在检测时，它不是直接从接收信号向量中检测发射信号向量，而是按顺序从第一个或者最后一个向量的分量进行检测，完成一次检测后得出的信号分量就马上脱离接收信号向量，不再对接收信号向量产生任何影响，然后逐次检测剩余的信号分量，从而使待检测信号向量的干扰量减少，检测的可靠性提高，在检测过程中对发射信号向量进行一层一层的检测和消除，其通过迭代的处理来完成了检测，在检测过程中的每一级递归分为两个主要的操作步骤零化和干扰消除。

技术总结本发明公开了一种基于5G的工业控制安全通信信号采集算法，包括以下步骤：步骤一、硬件预处理：将网关做好准备，具体为将插卡、接天线、接串口线或者网线与工业设备连接上线运行；步骤二、网络预处理：选择合适的网络，例如5G、4G、3G、WIFI、Ethernet配置，并通过诊断命令确认网络正常；步骤三、数据采集：分别对工业控制安全通信信号内模拟量和开关量进行采集；步骤四、数据验证，步骤五、数据传输，本发明该算法通过对5G网关的数据进行采集，且得到数据集，再对所得的数据集进行监测，得到数据集在输送中的风险等级，以确保数据集采集中的稳定性，同时，对采集后的数据集进行评估，保证采集数据的安全性和完整性。技术研发人员：夏百战,吕燚,叶立威受保护的技术使用者：电子科技大学中山学院技术研发日：技术公布日：2024/6/30