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工信部人工智能赋能中小企业典型应用场景案例(科研领域)

多智能体系统如何防范拒绝服务攻击?

2026-07-22
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在高度互联的工业与数字时代,智能设备的协同无处不在,例如机器人编队、智能电网调控以及自动驾驶车队等。这些系统通常被称为“多智能体系统”(Multi-Agent Systems, MAS)。在这些系统中,各个智能体需要通过无线网络与周围的伙伴进行信息交互,以实现整体的“趋同”(Consensus),即步调一致、状态收敛。


然而,无线通信网络也时刻面临着来自网络空间的威胁。其中,最常见且具有破坏性的威胁之一便是拒绝服务(DoS,Denial-of-Service)攻击。攻击者通过恶意干扰或切断通信链路,导致智能体之间无法正常收发数据。就像是必须依靠对讲机保持阵型的飞行编队中,突然有人加入了强力干扰电台,让队员们陷入了“失联”状态。为了解决这一难题,研究人员提出了一种创新的事件触发控制策略,确保多智能体系统在遭受周期性能源有限的DoS攻击时,依然能够安全、有序地实现协同趋同。


传统的控制方法需要智能体之间进行持续不断的信息交互,这不仅极大地消耗了网络带宽,也给恶意攻击者留下了更多可乘之机。为了克服这一缺陷,研究团队引入了事件触发控制(ETC)理念,核心思想就是:“只有必要时,才进行通信”。


研究人员设计了一种特殊的事件触发协议,并建立了两套不同的组合测量方式:一套对应“领航者与跟随者(Leader-Follower)”之间,另一套对应“跟随者与跟随者(Follower-Follower)”之间。


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图1展示了这种基于时间序列的攻击与防御策略:基于时间序列的攻击策略示意图(以周期  为例)。整个周期  被划分为两部分:红色代表没有DoS攻击的安全通信区域 ,绿色代表DoS攻击活跃的攻击区域 。


在这个框架下,智能体并不是每时每刻都在向网络发送数据,而是通过触发条件判断当前状态误差是否超过了阈值。只有误差超标时,才会触发一次数据更新;而在安全的通信区内,通过合理调度能够有效降低控制器更新的频率,从而极大地节省网络资源。 为了验证该理论的有效性,研究团队进行了一组模拟实验。实验设计了包含1个领航者和4个跟随者的多智能体系统。


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文章中的图2展示了在周期  秒、且设定统一的攻击时间下,DoS攻击在多个周期内的交替出现情况。DoS攻击的时间序列(以  为例)。红色条块表示攻击激活区域,此时通信网络遭到破坏,信息无法交互。


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图2所对应的攻击背景下,研究人员记录了各个智能体的事件触发时刻。文章的图3呈现了这一结果:在安全通信区域内,四个智能体会根据自身状态自主触发通信更新;而在红色的攻击区域内,由于网络被切断,没有任何事件被触发。

研究人员通过Lyapunov稳定性理论和归纳法,推导出了系统能够实现安全趋同的充分条件,并通过数学方法证明了该协议能够有效排除“芝诺行为”(Zeno behavior,即在有限时间内发生无限次触发的异常现象)。最终的仿真结果印证了理论推导。


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图4:五个智能体的状态演化轨迹。尽管在初期受到扰动且网络中不断穿插着DoS攻击的干扰,各个跟随者(虚线)的轨迹最终都成功追随上了领航者(红线)的轨迹,实现了完美的协同趋同。


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图6:总趋同误差的演化。从曲线可以看出,总误差随着时间推移不断衰减,最终平稳收敛趋近于零,证明该控制策略在对抗周期性拒绝服务攻击时的较好稳定性。


学者介绍:徐勇,北京理工大学自动化学院教授、博士生导师,国家自然科学基金优秀青年科学基金获得者。主要研究方向包括集群无人系统分布式协同控制、网络化系统攻击检测、安全分析与防御控制,以及强化学习、数据驱动与机器学习等人工智能方法,聚焦无人车/无人机集群路径规划、决策与协同编队控制等问题。


DOI:10.1109/TCYB.2019.2918402

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