CN111722955A - 一种拟态工业控制器归一化裁决方法及装置 - Google Patents

一种拟态工业控制器归一化裁决方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种拟态工业控制器归一化裁决方法及装置，该方法包括：锁定当前的实时输入数据；发送同步信号给各主控单元；接收各主控单元的请求，发送实时输入数据给各主控单元；接收所有主控单元输出的归一化值，其中各主控单元接收实时输入数据后，完成本周期的运算，将计算结果中包含的模拟量计算结果转换为归一化值；设置接收超时机制，若某个主控单元接收超时，则直接判断该主控单元的输出为错误；计算接收未超时的主控单元输出的归一化值误差，判断归一化值误差大于等于设定预值的主控单元输出结果为错误，小于设定预值则为正确；输出裁决结果。该方法解决裁决器对各主控单元模拟量输出结果的裁决问题和主控单元实时输入数据一致性问题。

Description

一种拟态工业控制器归一化裁决方法及装置
技术领域
本发明涉及工业控制技术领域，尤其涉及一种拟态工业控制器归一化裁决方法及装置。
背景技术
目前，工业控制器的安全防护还是基于传统的被动式防御理念，均未考虑工业互联网的环境。但随着当前环境下复合式攻击的数量越来越多，特别是针对未知漏洞、未知后门、未知攻击，不能满足工业互联网背景下的安全要求。在工业互联网背景下，工业控制系统缺少主动防御手段是无法防御未知漏洞、未知后门、未知攻击。所以研制具有主动防御技术的工业控制器是当务之急。
拟态防御工业控制器的以主动防御为切入点，将拟态防御技术应用于工业控制器中，使工业控制器具备主动防御手段，能够对未知漏洞、未知后门、未知攻击进行有效防护，满足工业互联网的安全要求。
在拟态工业控制器中裁决器主要功能为，将各主控单元的计算结果进行裁决比较，裁决判断各计算结果是否正确，同时输出正确结果。现有的常规裁决器采用方法的是直接将二进制数值进行比较，二进制数值完全相等则比较结果正确，否则错误。但运用在工业控制器中会面临以下两个问题：
1：模拟量裁决问题。工业控制器中涉及到模拟量信号计算，使用的是浮点数计算。由于各主控单元处理器的浮点数计算精度差异性，浮点数计算结果的二进制数值会不相同。会导致裁决器将主控单元正确计算结果，判定为错误的问题。
2：裁决数据时效性一致问题。工业控制系统中，外部实时输入是在实时变化的。若各主控单元计算所采用的实时输入数据不能保证一致，计算的输出就会跟着出现偏差，导致裁决器判定位错误。
在拟态工业控制器中的裁决器设计中，为解决上面提到的两个问题，需要设计一种新的裁决方法。
发明内容
鉴于此，本发明实施例提供一种拟态工业控制器归一化裁决方法及装置。
本发明实施例所采用的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供一种拟态工业控制器归一化裁决方法，应用于裁决器，包括：
锁定当前的实时输入数据；
发送同步信号给各主控单元；
接收各主控单元输入所述实时输入数据的请求；
发送所述实时输入数据给各主控单元；
接收所有主控单元输出的归一化值，其中各主控单元接收所述实时输入数据后，完成本周期的运算，将计算结果中包含的模拟量计算结果转换为归一化值；
设置接收超时机制，若某个主控单元接收超时，则直接判断该主控单元的输出为错误；
计算接收未超时的主控单元输出的归一化值误差，判断归一化值误差大于等于设定预值的主控单元输出结果为错误，小于设定预值则为正确；
输出裁决结果。
进一步地，输出裁决结果后，还包括：
输出同步信号给各主控单元，各主控单元重新开始下一周期的计算。
进一步地，将计算结果中包含的模拟量计算结果转换为归一化值，包括：
归一化值通过以下公式来实现：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为归一化值，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为模拟量计算结果，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为模拟量的最大量程，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为归一化预值。
进一步地，计算各主控单元输出的归一化值误差，包括：
各主控单元输出的归一化值误差的计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为主控单元i的归一化误差，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为主控单元i的归一化值，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为所有主控单元归一化值的平均值，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为主控单元1的归一化值，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为主控单元2的归一化值，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为主控单元n的归一化值。
第二方面，本发明实施例提供一种拟态工业控制器归一化裁决装置，包括：
锁定模块，用于锁定当前的实时输入数据；
第一发送模块，用于发送同步信号给各主控单元；
第一接收模块，用于接收各主控单元输入所述实时输入数据的请求；
第二发送模块，用于发送所述实时输入数据给各主控单元；
第二接收模块，用于接收所有主控单元输出的归一化值，其中各主控单元接收所述实时输入数据后，完成本周期的运算，将计算结果中包含的模拟量计算结果转换为归一化值；
第一裁决模块，用于设置接收超时机制，若某个主控单元接收超时，则直接判断该主控单元的输出为错误；
第二裁决模块，用于计算接收未超时的主控单元输出的归一化值误差，判断归一化值误差大于等于设定预值的主控单元输出结果为错误，小于设定预值则为正确；
输出模块，用于输出裁决结果。
第三方面，本发明实施例提供一种拟态工业控制器归一化裁决方法，应用于主控单元，包括：
接收裁决器发送的同步信号，其中所述裁决器发送同步信号前锁定当前的实时输入数据；
发送请求给裁决器，其中所述请求为输入所述实时输入数据的请求；
接收裁决器发送的实时输入数据；
接收所述实时输入数据后，完成本周期的运算，将计算结果中包含的模拟量计算结果转换为归一化值；
设置接收超时机制，若接收超时，则直接判断输出为错误；
若接收未超时，则计算归一化值的误差，判断误差大于等于设定预值的输出结果为错误，小于设定预值则为正确；
输出判断结果。
进一步地，输出判断结果后，还包括：
接收裁决器发送的同步信号，重新开始下一周期的计算。
第四方面，本发明实施例提供一种拟态工业控制器归一化裁决装置，包括：
第一接收模块，用于接收裁决器发送的同步信号，其中所述裁决器发送同步信号前锁定当前的实时输入数据；
第一发送模块，用于发送请求给裁决器，其中所述请求为输入所述实时输入数据的请求；
第二接收模块，用于接收裁决器发送的实时输入数据；
归一化模块，用于接收所述实时输入数据后，完成本周期的运算，将计算结果中包含的模拟量计算结果转换为归一化值；
第一判断模块，用于设置接收超时机制，若接收超时，则直接判断输出为错误；
第二判断模块，用于若接收未超时，则计算归一化值的误差，判断误差大于等于设定预值的输出结果为错误，小于设定预值则为正确；
输出模块，用于输出判断结果。
根据以上技术方案，本发明实施例的有益效果如下：
1、为拟态工业控制器提供了一种有效的，易实现的，模拟量结果进行裁决方法。由于各主控单元处理器的差异性和主控程序的差异性，模拟量计算结果会产生误差。按常规的数字量裁决方法，对模拟量结果进行二进制比较是完全行不通的。直接将模拟量结果进行平均差值比较，也是不完美的。例如一个满量程为5V的模拟量信号，分别有四个模拟结算结果a=0.0005，b=0.0006，c=0.0007，d=0.0006。它们平均值为0.006，a与0.0006的误差值为(0.0005-0.0006)/0.0006*100%≈-16.667% 这显然是不合理的。本发明将模拟量计算结果与该模拟的量程结合起来，在主控单元中对其进行归一化处理，再将归一化结果输出到裁决进行裁决。裁决效果好，实现简单。
2、本发明对裁决的流程进行了归一化设计，增加主控同步机制，增加实时输入数据锁存机制，增加裁决数据接收超时处理机制。保证了被裁决数据的时间一直性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例1提供的一种拟态工业控制器归一化裁决方法的流程图；
图2为本发明实施例1提供的一种拟态工业控制器归一化裁决方法的时序图；
图3为本发明实施例2提供的一种拟态工业控制器归一化裁决装置的框图；
图4为本发明实施例3提供的一种拟态工业控制器归一化裁决方法的流程图；
图5为本发明实施例4提供的一种拟态工业控制器归一化裁决装置的框图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例1：
图1为本发明实施例1提供的一种拟态工业控制器归一化裁决方法，图2为本发明实施例1提供的一种拟态工业控制器归一化裁决方法的时序图；本发明实施例1提供的一种拟态工业控制器归一化裁决方法，应用于裁决器，包括以下步骤：
步骤S101，锁定当前的实时输入数据；
具体地，将外部IO卡的实时输入数据进行保存，保证后面发送给各主控单元的实时输入数据是相同的。
步骤S102，发送同步信号给各主控单元；
具体地，裁决器用一个IO脚输出低电平同步信号给各主控单元，通知各主控单元开始运行本周期。裁决器通过同步信号机制保证了各主控单元运算周期的同步性。
步骤S103，接收各主控单元输入所述实时输入数据的请求；
具体地，裁决器接收到主控单元的实时输入数据请求，说明主控单元已经准备好接收实时输入数据，裁决器可以发送数据。
步骤S104，发送所述锁定的实时输入数据给各主控单元；
具体地，裁决器通过高速总线将锁定的实时输入数据发送给各主控单元，裁决器与各主控单元间的高速总线是独立的，可以同时给各主控单元发送。
步骤S105，接收所有主控单元输出的归一化值，其中各主控单元接收所述实时输入数据后，完成本周期的运算，将计算结果中包含的模拟量计算结果转换为归一化值；其中，将计算结果中包含的模拟量计算结果转换为归一化值，包括：
归一化值通过以下公式来实现：
Figure 979809DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 929573DEST_PATH_IMAGE002
为归一化值，
Figure 240468DEST_PATH_IMAGE003
为模拟量计算结果，
Figure 166836DEST_PATH_IMAGE004
为模拟量的最大量程。Dr为归一化预值。Dr根据模拟量裁决精度需求来定，例如Dr=10000，则模拟量裁决精度为0.001%。
步骤S106，设置接收超时机制，若某个主控单元接收超时，则直接判断该主控单元的输出为错误；
具体地，裁决器给各主控单元发送完同步信号后超时计时器开始计时，若超时时间内接收到所有主控单元的归一化值，裁决器则进行后续裁决处理。若超时时间到，有未接收到归一化值的主控单元，则说明该主控单元内部运行出现问题，直接将该主控的数据结果置为错误。超时机制可以有效避免因为某个主控出现问题不发送归一化值，导致裁决器无限等待情况。
步骤S107，计算接收未超时的主控单元输出的归一化值误差，判断归一化值误差大于等于设定预值的主控单元输出结果为错误，小于设定预值则为正确；其中，计算各主控单元输出的归一化值误差，包括：
各主控单元输出的归一化值误差的计算公式如下：
Figure 512367DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 865988DEST_PATH_IMAGE007
为主控单元i的归一化误差，
Figure 460917DEST_PATH_IMAGE008
为主控单元i的归一化值，
Figure 190976DEST_PATH_IMAGE009
为所有主控单元归一化值的平均值，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为主控单元1的归一化值，
Figure 423636DEST_PATH_IMAGE011
为主控单元2的归一化值，
Figure 948158DEST_PATH_IMAGE012
为主控单元n的归一化值。
步骤S108，输出裁决结果；
具体地，输出裁决结果，将模拟量结果作为实时输出数据发送到对下IO接口模块，IO接口模块再通过物理总线将实时输出数据发送到外部IO模块。将裁决结果通过对上主控接口模块反馈到各主控单元，以便主控发现自身有问题后，可以采取修复，清洗等措施。
步骤S109，输出裁决结果后，还包括：
输出同步信号给各主控单元，各主控单元重新开始下一周期的计算。
该方法用于拟态工业控制器设计中，解决裁决器对各主控单元模拟量输出结果的裁决问题和主控单元实时输入数据一致性问题。实现方法简便灵活，降低了拟态工业控制器的设计难度，和实现成本。
实施例2：
图3为本发明实施例2提供的一种拟态工业控制器归一化裁决装置的结构示意图，本实施例还提供一种拟态工业控制器归一化裁决装置，该裁决装置可以执行任意本发明任意实施例所提供的一种拟态工业控制器归一化裁决方法，具备执行该方法相应的功能模块和有益效果，包括：
锁定模块201，用于锁定当前的实时输入数据；
第一发送模块202，用于发送同步信号给各主控单元；
第一接收模块203，用于接收各主控单元输入所述实时输入数据的请求；
第二发送模块204，用于发送所述实时输入数据给各主控单元；
第二接收模块205，用于接收所有主控单元输出的归一化值，其中各主控单元接收所述实时输入数据后，完成本周期的运算，将计算结果中包含的模拟量计算结果转换为归一化值；
第一裁决模块206，用于设置接收超时机制，若某个主控单元接收超时，则直接判断该主控单元的输出为错误；
第二裁决模块207，用于计算接收未超时的主控单元输出的归一化值误差，判断归一化值误差大于等于设定预值的主控单元输出结果为错误，小于设定预值则为正确；
输出模块208，用于输出裁决结果。
实施例3：
图4为本发明实施例3提供的一种拟态工业控制器归一化裁决方法，应用于主控单元，包括以下步骤：
步骤S201，接收裁决器发送的同步信号，其中所述裁决器发送同步信号前锁定当前的实时输入数据；
步骤S202，发送请求给裁决器，其中所述请求为输入所述实时输入数据的请求；
步骤S203，接收裁决器发送的实时输入数据；
步骤S204，接收所述实时输入数据后，完成本周期的运算，将计算结果中包含的模拟量计算结果转换为归一化值；
步骤S205，设置接收超时机制，若接收超时，则直接判断输出为错误；
步骤S206，若接收未超时，则计算归一化值的误差，判断误差大于等于设定预值的输出结果为错误，小于设定预值则为正确；
步骤S207，输出判断结果。
步骤S208，输出判断结果后，还包括：接收裁决器发送的同步信号，重新开始下一周期的计算。
需要说明的是，这里每个步骤的详细处理和实施例1相同，这里不再进行赘述。
实施例4：
图5为本发明实施例4提供的一种拟态工业控制器归一化裁决装置的结构示意图，本实施例还提供一种拟态工业控制器归一化裁决装置，该裁决装置可以执行任意本发明任意实施例所提供的一种拟态工业控制器归一化裁决方法，具备执行该方法相应的功能模块和有益效果，包括：
第一接收模块301，用于接收裁决器发送的同步信号，其中所述裁决器发送同步信号前锁定当前的实时输入数据；
第一发送模块302，用于发送请求给裁决器，其中所述请求为输入所述实时输入数据的请求；
第二接收模块303，用于接收裁决器发送的实时输入数据；
归一化模块304，用于接收所述实时输入数据后，完成本周期的运算，将计算结果中包含的模拟量计算结果转换为归一化值；
第一判断模块305，用于设置接收超时机制，若接收超时，则直接判断输出为错误；
第二判断模块306，用于若接收未超时，则计算归一化值的误差，判断误差大于等于设定预值的输出结果为错误，小于设定预值则为正确；
输出模块307，用于输出判断结果。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种拟态工业控制器归一化裁决方法，其特征在于，应用于裁决器，包括：
锁定当前的实时输入数据；
发送同步信号给各主控单元；
接收各主控单元输入所述实时输入数据的请求；
发送所述实时输入数据给各主控单元；
接收所有主控单元输出的归一化值，其中各主控单元接收所述实时输入数据后，完成本周期的运算，将计算结果中包含的模拟量计算结果转换为归一化值；
设置接收超时机制，若某个主控单元接收超时，则直接判断该主控单元的输出为错误；
计算接收未超时的主控单元输出的归一化值误差，判断归一化值误差大于等于设定预值的主控单元输出结果为错误，小于设定预值则为正确；
输出裁决结果。
2.根据权利要求1所述的一种拟态工业控制器归一化裁决方法，其特征在于，输出裁决结果后，还包括：
输出同步信号给各主控单元，各主控单元重新开始下一周期的计算。
3.根据权利要求1所述的一种拟态工业控制器归一化裁决方法，其特征在于，将计算结果中包含的模拟量计算结果转换为归一化值，包括：
归一化值通过以下公式来实现：
Figure 278951DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 100277DEST_PATH_IMAGE002
为归一化值，
Figure 246087DEST_PATH_IMAGE003
为模拟量计算结果，
Figure 152863DEST_PATH_IMAGE004
为模拟量的最大量程，
Figure 540857DEST_PATH_IMAGE005
为归一化预值。
4.根据权利要求1所述的一种拟态工业控制器归一化裁决方法，其特征在于，计算各主控单元输出的归一化值误差，包括：
各主控单元输出的归一化值误差的计算公式如下：
Figure 482268DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 64559DEST_PATH_IMAGE007
为主控单元i的归一化误差，
Figure 458632DEST_PATH_IMAGE008
为主控单元i的归一化值，
Figure 151781DEST_PATH_IMAGE009
为所有主控单元归一化值的平均值，
Figure 682120DEST_PATH_IMAGE010
为主控单元1的归一化值，
Figure 169733DEST_PATH_IMAGE011
为主控单元2的归一化值，
Figure 51101DEST_PATH_IMAGE012
为主控单元n的归一化值。
5.一种拟态工业控制器归一化裁决装置，其特征在于，包括：
锁定模块，用于锁定当前的实时输入数据；
第一发送模块，用于发送同步信号给各主控单元；
第一接收模块，用于接收各主控单元输入所述实时输入数据的请求；
第二发送模块，用于发送所述实时输入数据给各主控单元；
第二接收模块，用于接收所有主控单元输出的归一化值，其中各主控单元接收所述实时输入数据后，完成本周期的运算，将计算结果中包含的模拟量计算结果转换为归一化值；
第一裁决模块，用于设置接收超时机制，若某个主控单元接收超时，则直接判断该主控单元的输出为错误；
第二裁决模块，用于计算接收未超时的主控单元输出的归一化值误差，判断归一化值误差大于等于设定预值的主控单元输出结果为错误，小于设定预值则为正确；
输出模块，用于输出裁决结果。
6.一种拟态工业控制器归一化裁决方法，其特征在于，应用于主控单元，包括：
接收裁决器发送的同步信号，其中所述裁决器发送同步信号前锁定当前的实时输入数据；
发送请求给裁决器，其中所述请求为输入所述实时输入数据的请求；
接收裁决器发送的实时输入数据；
接收所述实时输入数据后，完成本周期的运算，将计算结果中包含的模拟量计算结果转换为归一化值；
设置接收超时机制，若接收超时，则直接判断输出为错误；
若接收未超时，则计算归一化值的误差，判断误差大于等于设定预值的输出结果为错误，小于设定预值则为正确；
输出判断结果。
7.根据权利要求6所述的一种拟态工业控制器归一化裁决方法，其特征在于，输出判断结果后，还包括：
接收裁决器发送的同步信号，重新开始下一周期的计算。
8.根据权利要求6所述的一种拟态工业控制器归一化裁决方法，其特征在于，将计算结果中包含的模拟量计算结果转换为归一化值，包括：
归一化值通过以下公式来实现：
Figure 49406DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 699830DEST_PATH_IMAGE002
为归一化值，
Figure 358345DEST_PATH_IMAGE003
为模拟量计算结果，
Figure 727009DEST_PATH_IMAGE004
为模拟量的最大量程，
Figure 761961DEST_PATH_IMAGE005
为归一化预值。
9.根据权利要求6所述的一种拟态工业控制器归一化裁决方法，其特征在于，计算各主控单元输出的归一化值误差，包括：
各主控单元输出的归一化值误差的计算公式如下：
Figure 266892DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 96308DEST_PATH_IMAGE007
为主控单元i的归一化误差，
Figure 450804DEST_PATH_IMAGE008
为主控单元i的归一化值，
Figure 289447DEST_PATH_IMAGE009
为所有主控单元归一化值的平均值，
Figure 383305DEST_PATH_IMAGE013
为主控单元1的归一化值，
Figure 649201DEST_PATH_IMAGE011
为主控单元2的归一化值，
Figure 726878DEST_PATH_IMAGE012
为主控单元n的归一化值。
10.一种拟态工业控制器归一化裁决装置，其特征在于，包括：
第一接收模块，用于接收裁决器发送的同步信号，其中所述裁决器发送同步信号前锁定当前的实时输入数据；
第一发送模块，用于发送请求给裁决器，其中所述请求为输入所述实时输入数据的请求；
第二接收模块，用于接收裁决器发送的实时输入数据；
归一化模块，用于接收所述实时输入数据后，完成本周期的运算，将计算结果中包含的模拟量计算结果转换为归一化值；
第一判断模块，用于设置接收超时机制，若接收超时，则直接判断输出为错误；
第二判断模块，用于若接收未超时，则计算归一化值的误差，判断误差大于等于设定预值的输出结果为错误，小于设定预值则为正确；
输出模块，用于输出判断结果。
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