一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的可自感知異常的工控安全防護(hù)與報(bào)警系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的可自感知異常的工控安全防護(hù)與報(bào)警系統(tǒng)，其包括數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、異常檢測單元、操作單元，其中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元包括本地存儲(chǔ)模塊和網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)模塊，異常檢測單元包括預(yù)測模塊、分析模塊、判斷模塊和決策模塊，操作單元包括報(bào)警模塊和保護(hù)模塊；該系統(tǒng)配置在需要監(jiān)控的工控系統(tǒng)中，采集工控系統(tǒng)之間信號發(fā)送的數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)處理后，對所述數(shù)據(jù)基于機(jī)器學(xué)習(xí)框架的異常性進(jìn)行檢測，當(dāng)有異常于常規(guī)操作的情況發(fā)生時(shí)，自動(dòng)發(fā)出報(bào)警或是產(chǎn)生相關(guān)的拒絕指令。
【專利說明】
一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的可自感知異常的工控安全防護(hù)與報(bào)警系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的工控安全防護(hù)與報(bào)警與系統(tǒng)，屬于工控安全技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)控制系統(tǒng)是運(yùn)用控制理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、儀器儀表等技術(shù)，對生產(chǎn)過程的各種信息采集、分析、處理，并進(jìn)行優(yōu)化控制和合理的調(diào)度、管理，以達(dá)到提高生產(chǎn)效率的一種控制系統(tǒng)。工業(yè)控制系統(tǒng)安全可以分成三個(gè)方面，即功能安全、物理安全和信息安全。其中功能安全是為了達(dá)到設(shè)備和工廠安全功能，受保護(hù)的、和控制設(shè)備的安全相關(guān)部分必須正確執(zhí)行其功能，而且當(dāng)失效或故障發(fā)生時(shí)，設(shè)備或系統(tǒng)必須仍能保持安全條件或進(jìn)入到安全狀態(tài)。我們可以通過采集工控系統(tǒng)之間的信號發(fā)送的數(shù)據(jù)來進(jìn)行異常檢測，通過歷史模式和模型預(yù)測來判斷數(shù)據(jù)異常。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提供一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的可自感知異常的工控安全防護(hù)與報(bào)警系統(tǒng)，其基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，監(jiān)測控制系統(tǒng)之間的信號發(fā)送。當(dāng)有異于常規(guī)操作的情況發(fā)生時(shí)，自動(dòng)產(chǎn)生報(bào)警或是保護(hù)相關(guān)的設(shè)備拒絕指令。
[0004]該系統(tǒng)，其包括:
[0005]數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理模塊，用于監(jiān)控控制系統(tǒng)之間的信號發(fā)送，采集控制系統(tǒng)之間信號發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)處理成反應(yīng)信號發(fā)送方向和順序的信號流的形式，將所述信號流送入異常檢測單元；
[0006]異常檢測單元，用于接收相應(yīng)的信號流，并對所述信號流基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行異常性檢測，判斷是否有異常于常規(guī)操作的情況發(fā)生；
[0007]數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)歷史信號流數(shù)據(jù)庫樣本；
[0008]操作單元，用于根據(jù)異常檢測單元得出的結(jié)論，作出正常操作、發(fā)出報(bào)警或是產(chǎn)生相關(guān)的拒絕指令的操作。
[0009]其中，所述異常檢測單元包括預(yù)測模塊、分析模塊、判斷模塊和決策模塊。
[0010]其中，所述操作單元包括:
[0011 ]報(bào)警模塊，當(dāng)接收到?jīng)Q策模塊發(fā)送的報(bào)警信號時(shí)，所述報(bào)警模塊會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生報(bào)警；
[0012]保護(hù)模塊，當(dāng)接收到?jīng)Q策模塊發(fā)送的保護(hù)信號時(shí)，所述保護(hù)模塊會(huì)發(fā)出拒絕操作的指令，使控制系統(tǒng)無法進(jìn)行相關(guān)操作。
[0013]其中，所述預(yù)測模塊用于在假設(shè)無異常的情況下，提供信號流數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計(jì)預(yù)測數(shù)據(jù)。
[0014]其中，所述分析模塊用于接收預(yù)測模塊得出的統(tǒng)計(jì)預(yù)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述統(tǒng)計(jì)預(yù)測數(shù)據(jù)估算從數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理模塊獲取的下一次信號流數(shù)據(jù)。
[0015]其中，所述判斷模塊用于根據(jù)所述分析模塊估算的下一次信號流數(shù)據(jù)集的預(yù)測值和所述數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理模塊獲取的下一次信號流數(shù)據(jù)的實(shí)際值，對所述下一次信號流數(shù)據(jù)集的異常性進(jìn)行判斷。
[0016]其中，所述決策模塊用于接收所述判斷模塊作出的異常性判斷結(jié)果，根據(jù)所述異常性判斷結(jié)果作出正常操作、發(fā)出報(bào)警或是產(chǎn)生相關(guān)的拒絕指令的操作的決策，并將決策結(jié)果發(fā)送給操作單元，同時(shí)根據(jù)所述異常性判斷結(jié)果對所述預(yù)測模塊作出更新，將本次信號流數(shù)據(jù)集發(fā)送給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元以更新歷史信號流數(shù)據(jù)庫樣本。
[0017]其中，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元包括:
[0018]本地存儲(chǔ)模塊，用于將信號流數(shù)據(jù)集和樣本數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地服務(wù)器主機(jī)中；
[0019]網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)模塊，用于將本地服務(wù)器主機(jī)中的歷史數(shù)據(jù)的鏡像副本定期更新在云服務(wù)器中，避免因本地服務(wù)器主機(jī)損壞造成的損失。
[0020]本發(fā)明的有益效果包括:
[0021]1、通過機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對控制系統(tǒng)之間信號發(fā)送進(jìn)行異常檢測，從而提供在假設(shè)無異常情況下信號流狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)分布預(yù)測，提高了工控系統(tǒng)的異常識別率，同時(shí)節(jié)約了大量的人力。
[0022]2、所述工控安全防護(hù)與報(bào)警系統(tǒng)可自感知異常，并在發(fā)現(xiàn)異常后，作出自動(dòng)產(chǎn)生報(bào)警或是保護(hù)相關(guān)的設(shè)備拒絕指令的操作。
[0023]3、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)模塊可將本地服務(wù)器主機(jī)中的歷史數(shù)據(jù)的鏡像副本定期更新在云服務(wù)器中，避免因服務(wù)器主機(jī)損壞造成的損失。
【附圖說明】
[0024]通過閱讀下文優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述，各種其他的優(yōu)點(diǎn)和益處對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將變得清楚明了。附圖僅用于示出優(yōu)選實(shí)施方式的目的，而并不認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。而且在整個(gè)附圖中，用相同的參考符號表示相同的部件。在附圖中:
[0025]圖1是本發(fā)明基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的可自感知的工控安全防護(hù)與報(bào)警系統(tǒng)的框架圖。
[0026]圖2是本發(fā)明中檢測步驟示意方框圖。
[0027]圖3是本發(fā)明中信號流數(shù)據(jù)集的異常性判斷方法流程圖。
[0028]圖4是本發(fā)明中決策模塊進(jìn)行決策的步驟示意方框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面將參照附圖更詳細(xì)地描述本公開的示例性實(shí)施方式。雖然附圖中顯示了本公開的示例性實(shí)施方式，然而應(yīng)當(dāng)理解，可以以各種形式實(shí)現(xiàn)本公開而不應(yīng)被這里闡述的實(shí)施方式所限制。相反，提供這些實(shí)施方式是為了能夠更透徹地理解本公開，并且能夠?qū)⒈竟_的范圍完整的傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。
[0030]如圖1所示，本發(fā)明公開一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的可自感知異常的工控安全防護(hù)與報(bào)警系統(tǒng)，其包括:數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理模塊，用于監(jiān)控控制系統(tǒng)之間的信號發(fā)送，采集控制系統(tǒng)之間信號發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)處理成反應(yīng)信號發(fā)送方向與順序的信號流的形式，將其送入異常檢測單元，用于檢測異常;異常檢測單元，用于接收相應(yīng)的信號流數(shù)據(jù)，并對所述數(shù)據(jù)基于機(jī)器學(xué)習(xí)框架進(jìn)行異常性檢測，得出是否有異常于常規(guī)操作的情況發(fā)生的結(jié)論;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)歷史信號流數(shù)據(jù)庫樣本;操作單元，用于根據(jù)異常檢測單元得出的結(jié)論，作出正常操作、發(fā)出報(bào)警或是產(chǎn)生相關(guān)的拒絕指令的操作。
[0031]如圖2所示，本發(fā)明提出的所述基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的可自感知異常的工控安全防護(hù)與報(bào)警系統(tǒng)中，檢測步驟包括:1、獲取數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行預(yù)處理;2、對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并判斷;3、決策控制系統(tǒng)是否有異常;4、將決策結(jié)果發(fā)送給操作單元并進(jìn)行相關(guān)操作。
[0032]本發(fā)明提出的所述基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的可自感知異常的工控安全防護(hù)與報(bào)警系統(tǒng)中，所述異常檢測單元包括:預(yù)測模塊，用于提供在假設(shè)無異常的情況下，信號流數(shù)據(jù)集的預(yù)測數(shù)據(jù);分析模塊，用于接收預(yù)測模塊得出的統(tǒng)計(jì)預(yù)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述預(yù)測數(shù)據(jù)估算從數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理模塊獲取的下一次信號流數(shù)據(jù);判斷模塊，用于根據(jù)下一次信號流數(shù)據(jù)集的預(yù)測值和實(shí)際值，對所述下一次信號流數(shù)據(jù)集的異常性進(jìn)行判斷;決策模塊，用于接收判斷模塊作出的異常性判斷結(jié)果，根據(jù)所述異常性判斷結(jié)果作出正常操作、發(fā)出報(bào)警或是產(chǎn)生相關(guān)的拒絕指令的操作的決策，并將決策結(jié)果發(fā)送給操作單元，同時(shí)根據(jù)所述異常性判斷結(jié)果對所述預(yù)測模塊作出更新，將本次信號流數(shù)據(jù)集發(fā)送給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元以更新歷史信號流數(shù)據(jù)庫樣本。
[0033]如圖3所示，本發(fā)明提出的所述基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的可自感知異常的工控安全防護(hù)與報(bào)警系統(tǒng)中，所述判斷模塊對所述下一次信號流數(shù)據(jù)集的異常性進(jìn)行判斷的方法包括以下步驟:
[0034]3.1、比較所述預(yù)測值與從數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理模塊獲取的下一次信號流數(shù)據(jù)的實(shí)際值，得出兩者的差值A(chǔ) ;
[0035]3.2、從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元獲取與所測信號流數(shù)據(jù)具有相同的時(shí)間步長和系統(tǒng)操作背景的歷史數(shù)據(jù)庫樣本，計(jì)算該樣本的標(biāo)準(zhǔn)差；
[0036]3.3、比較所述差值與標(biāo)準(zhǔn)差范圍:
[0037]如果差值Δ不在[-δ，δ]的范圍之內(nèi)，計(jì)算偏離值P，其中P=I I Δ卜δ|，判斷模塊將偏離值P發(fā)送給決策模塊;如果差值A(chǔ)在[_δ，δ ]的范圍之內(nèi)，判斷模塊向決策模塊發(fā)送一個(gè)肯定信號，確定無異常情況。
[0038]如圖4所示，本發(fā)明提出的所述基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的可自感知異常的工控安全防護(hù)與報(bào)警系統(tǒng)中，所述決策模塊進(jìn)行決策的方法包括以下步驟:
[0039]4.1、決策模塊接收判斷模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)為偏離值P，則進(jìn)行步驟4.2，若數(shù)據(jù)為一個(gè)肯定信號，則進(jìn)行步驟4.3;
[0040]4.2、決策模塊接收偏離值P，將偏離值P與已設(shè)定的判定值λ進(jìn)行比較，若偏離值P小于判定值λ，決策模塊向操作單元的報(bào)警模塊發(fā)送報(bào)警信號;若偏離值P大于等于判定值λ，決策模塊則向操作單元的保護(hù)模塊發(fā)送保護(hù)信號。同時(shí)，決策模塊在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中更新本次的信號流數(shù)據(jù)樣本，并標(biāo)記為異常事件；
[0041]4.3、決策模塊接收到肯定信號，則將相應(yīng)的判斷模塊與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，用于檢測下一次的信號流數(shù)據(jù)。
[0042]本發(fā)明提出的所述基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的可自感知異常的工控安全防護(hù)與報(bào)警系統(tǒng)中，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元包括:本地存儲(chǔ)模塊，用于本地存儲(chǔ)信號流數(shù)據(jù)集、樣本數(shù)據(jù)，將所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地服務(wù)器主機(jī)中；網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)模塊，用于將本地服務(wù)器主機(jī)中的歷史數(shù)據(jù)的鏡像副本定期更新在云服務(wù)器中，避免因服務(wù)器主機(jī)損壞造成的損失。
[0043]本發(fā)明提出的所述基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的可自感知異常的工控安全防護(hù)與報(bào)警系統(tǒng)中，所述操作單元包括:報(bào)警模塊，當(dāng)接收到?jīng)Q策模塊發(fā)送的報(bào)警信號時(shí)，所述報(bào)警模塊會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生報(bào)警;保護(hù)模塊，當(dāng)接收到?jīng)Q策模塊發(fā)送的保護(hù)信號時(shí)，所述保護(hù)模塊會(huì)發(fā)出拒絕操作的指令，使控制系統(tǒng)無法進(jìn)行相關(guān)操作。
[0044]本發(fā)明與傳統(tǒng)工控安全防護(hù)與報(bào)警系統(tǒng)相比，通過機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對控制系統(tǒng)之間信號發(fā)送進(jìn)行異常檢測，從而提供在假設(shè)無異常情況下信號流狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)分布預(yù)測，提高了工控系統(tǒng)的異常識別率，同時(shí)節(jié)約了大量的人力。
[0045]本發(fā)明與傳統(tǒng)工控安全防護(hù)與報(bào)警系統(tǒng)相比，所述工控安全防護(hù)與報(bào)警系統(tǒng)可自感知異常，并在發(fā)現(xiàn)異常后，作出自動(dòng)產(chǎn)生報(bào)警或是保護(hù)相關(guān)的設(shè)備拒絕指令的操作。
[0046]本發(fā)明與傳統(tǒng)工控安全防護(hù)與報(bào)警系統(tǒng)相比，通過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)模塊可將本地服務(wù)器主機(jī)中的歷史數(shù)據(jù)的鏡像副本定期更新在云服務(wù)器中，避免因服務(wù)器主機(jī)損壞造成的損失。
[0047]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)所述以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的工控安全防護(hù)與報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于，其包括: 數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理模塊，用于監(jiān)控控制系統(tǒng)之間的信號發(fā)送，采集控制系統(tǒng)之間信號發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)處理成反應(yīng)信號發(fā)送方向和順序的信號流的形式，將所述信號流送入異常檢測單元； 異常檢測單元，用于接收相應(yīng)的信號流，并對所述信號流基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行異常性檢測，判斷是否有異常于常規(guī)操作的情況發(fā)生； 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)歷史信號流數(shù)據(jù)庫樣本； 操作單元，用于根據(jù)異常檢測單元得出的結(jié)論，作出正常操作、發(fā)出報(bào)警或是產(chǎn)生相關(guān)的拒絕指令的操作。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的工控安全防護(hù)與報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于，所述異常檢測單元包括預(yù)測模塊、分析模塊、判斷模塊和決策模塊。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的工控安全防護(hù)與報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于，所述操作單元包括: 報(bào)警模塊，當(dāng)接收到?jīng)Q策模塊發(fā)送的報(bào)警信號時(shí)，所述報(bào)警模塊會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生報(bào)警； 保護(hù)模塊，當(dāng)接收到?jīng)Q策模塊發(fā)送的保護(hù)信號時(shí)，所述保護(hù)模塊會(huì)發(fā)出拒絕操作的指令，使控制系統(tǒng)無法進(jìn)行相關(guān)操作。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的工控安全防護(hù)與報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)測模塊用于在假設(shè)無異常的情況下，提供信號流數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計(jì)預(yù)測數(shù)據(jù)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的工控安全防護(hù)與報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于，所述分析模塊用于接收預(yù)測模塊得出的統(tǒng)計(jì)預(yù)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述統(tǒng)計(jì)預(yù)測數(shù)據(jù)估算從數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理模塊獲取的下一次信號流數(shù)據(jù)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的工控安全防護(hù)與報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于，所述判斷模塊用于根據(jù)所述分析模塊估算的下一次信號流數(shù)據(jù)集的預(yù)測值和所述數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理模塊獲取的下一次信號流數(shù)據(jù)的實(shí)際值，對所述下一次信號流數(shù)據(jù)集的異常性進(jìn)行判斷。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的工控安全防護(hù)與報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于，所述決策模塊用于接收所述判斷模塊作出的異常性判斷結(jié)果，根據(jù)所述異常性判斷結(jié)果作出正常操作、發(fā)出報(bào)警或是產(chǎn)生相關(guān)的拒絕指令的操作的決策，并將決策結(jié)果發(fā)送給操作單元，同時(shí)根據(jù)所述異常性判斷結(jié)果對所述預(yù)測模塊作出更新，將本次信號流數(shù)據(jù)集發(fā)送給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元以更新歷史信號流數(shù)據(jù)庫樣本。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的工控安全防護(hù)與報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元包括: 本地存儲(chǔ)模塊，用于將信號流數(shù)據(jù)集和樣本數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地服務(wù)器主機(jī)中； 網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)模塊，用于將本地服務(wù)器主機(jī)中的歷史數(shù)據(jù)的鏡像副本定期更新在云服務(wù)器中，避免因本地服務(wù)器主機(jī)損壞造成的損失。
【文檔編號】G06Q10/04GK106096789SQ201610456945
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月22日
【發(fā)明人】黃滟鴻, 郭欣, 史建琦, 李昂, 方徽星
【申請人】華東師范大學(xué)