定位信息受攻击下的高速列车自动驾驶研究

The balise information transmission system, which is an open wireless transmission system and is based on the electromagnetic coupling principle, provides the positioning information for high-speed trains. For the attackers, they can influence the balise to send messages by interfering or shielding the electromagnetic field around the balise; also they can intrude the transmission system, decipher the messages, and reshape the train positioning information in the message. To do so, it will affect the calculation of the target distance, the RBC (Radio Block Center) handover, grade conversion, and so on, and then reduce train transport efficiency and even bring hidden dangers to train running. One should note that, high-speed train system is a typical safety-critical system. In order to improve the safety index of the high-speed train system, secure driving technologies should be established against adversarial attacks and to fill the literature gap. The main contents include: 1) analyze the dynamic characteristics of the balise information transmission system and then establish in-train virtual balise for providing the train positioning information with the help of data fusion technology such that the positioning information can be got effectively even under attacks; 2) by investigating the structural uncertainty of the positioning information provided by the virtual balise, where the uncertainty comes from the existence of the attacks, design the automatic train protection curve and the controller for automatic train operation system; 3) semi-physical simulation platform will be built to verify the theoretical results. The research of this project will be helpful to form a proprietary secure control technology for automatic train operation system.

为高速列车提供定位信息的应答器信息传输系统是一种基于电磁耦合原理的开放式无线传输系统。对于攻击者来说，可通过干扰或屏蔽应答器附近的电磁场来影响应答器发送报文；或入侵传输系统，破译报文，进而改变应答器报文中的列车定位信息。该情况会影响目标距离的计算，进而影响无线闭塞中心的切换、等级转换等过程，降低列车运输效率甚至带来安全隐患。然而，高速列车系统是典型安全苛求系统。为了提升高速列车的安全性，理应建立应对恶意攻击的安全自动驾驶技术，并填补该方面的研究空白。研究内容主要包括：1）分析应答器传输系统的动态特性，建立基于数据融合的车载虚拟应答器，在攻击情况下，有效实现列车定位；2）针对虚拟应答器提供的列车位置信息，通过研究因攻击带来的结构不确定性，设计安全的列车自动防护曲线和自动驾驶控制算法；3）搭建半实物仿真平台，验证所得理论结果。项目研究将有助于形成具有自主知识产权的列车安全自动驾驶控制技术。

高速列车系统是典型的安全苛求系统，为了应对恶意攻击对高速列车造成的不良影响，提升高速列车的安全性。项目以遭受恶意攻击情况下的高速列车自动驾驶系统为研究对象，利用控制理论和方法，开展了定位信息受攻击下的高速列车自动驾驶系统的研究。首先，通过分析既有高速列车定位方法和机理，针对北斗定位、惯性导航系统测量和电子地图信息各自特点和优势，采用数据融合匹配定位算法，提出了一种高速列车高精度定位方法；其次，针对遭受恶意攻击的线性系统，研究其安全控制问题，提出了一种基于切换函数和选择机制的安全控制方法，保证了闭环系统的稳定性且使其具有PID型性能的抗攻击能力；最后，建立了仿真实验平台，验证并完善了理论研究结果。项目研究过程中，申请国家发明专利4 项，其中2 项已获授权，申请美国发明专利1 项；在国内外权威期刊和重要学术会议上发表研究论文5 篇，其中期刊论文3篇。项目执行期间，带领本科生和研究生参加第33届中国过程控制会议、第36届中国自动化学会青年学术年会、2021中国自动化大会等会议。曾多次邀请相关学者来校或者线上开展学术交流。较好地完成了预期目标。