[发明专利]一种工业控制系统状态机构建方法

权利要求书

1.一种工业控制系统状态机构建方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

第一步，数据预处理

针对二进制协议的特性，选取1bit作为处理单位；处理数据时以每个单位为依据进行切割；将数据的每一个单位作为一个特征，数据长度最大的协议命令得到一个长度为m的序列；以数据长度最大的协议命令为基准，将数据长度不同的协议命令以零位补偿的方式进行基准化处理，一个协议包的n个协议命令经过数据预处理后得到一个n×m的二维矩阵；该二维矩阵里面的元素为高维空间的坐标，抽象图形表示形式为高维空间中的点；

第二步，采用BLOCK-DBSCAN算法对数据进行分类

设置BLOCK-DBSCAN算法参数，其中，ε为近邻区域半径，设定MinPts为以点P为中心、以ε为半径的邻域内点的数量；N_ε(P)为包含点P的以ε为半径的邻域内点的数量，如果N_ε(P)大于Minpts,则P为一个核心点；

将一个协议包的抽象图形通过覆盖树扫描，筛选出满足如下条件的点：

N_ε/2(p)＞＝MinPts (1)

其中N_ε/2(p)表示为以p点为中心、ε/2为半径的近邻域中点的数量，该公式表示为在P点的ε/2近邻域内的样本点数量大于MinPts；设置如下两条定义：

定义1：将所有满足公式(1)的核心点P点命名为内核心点，其余核心点被全部命名为外部核心点；

定义2：对于任意属于内部核心点T的ε/2近邻域内且N_ε/2(Q)＜MinPts的Q点，任意Q点都为一个核心点；

将筛选出来的点进行内核心点和外核心点的分类判别达到聚类判断；

分三种情况处理任意两个内核心点t、q：

(1)当d_q,t＜ε时，直接将t和q合并成一个集群；

(2)当d_q,t＞2ε时，不能将其合并为一个集群；

(3)当ε＜d_q,t＜＝2ε时，较为复杂，引入DBSCAN基本定义进行分类判断：

1)若样本X是Y的ε邻域中的样本，则X由Y密度直达；

2)存在样本序列Y₁,Y₂,...,Y_n，其中Y₁的核心对象为Y，Y_n的核心对象为X，且Y_i+1由Y_i密度直达，则Y由X密度可达；

在当前条件下，t与q为非密度直达，迭代寻找t、q两个内核区域中距离最小的两个点K₁、K₂；如果这两点K₁、K₂满足条件dist(K₁,K₂)＜ε，则t由q密度可达，将两个内核心点t、q合并为一个群集；

对于任意一个外核心点p，识别其ε邻域内的所有边界点是否存在点N与任意内核心点存在密度可达，如果存在则将p、N合并为集群；

对于边界点的划分，如果任意边界点m距离内核心点q较远，d_m，q＞1.5ε，m对于任意内核心点q的临近区域内的点都不符合密度可达；否则需要逐个判别内核心点q的ε/2邻域中每个点是否密度可达，若密度可达则将m与q合并成一个群；

第三步，针对不同工业控制系统数据做自适应参数优化

对一个协议包的抽象图形采用K-平均最近邻算法和数学期望生成ε列表；K-平均最近邻算法即计算数据集中每个数据点与其K个最近邻点之间的平均值，以K为变量对数据集进行遍历得到ε参数列表；对于ε参数列表，依次求出每个ε参数对应的邻域对象数量，求出MinPts，公式为：

式中，P_i为第i个对象的ε邻域对象数量；n为数据集中的对象总数，即一个协议包的抽象图形中点的个数；

针对得到的ε参数列表和MinPts参数列表，得到相应的聚类数目；聚类数目随着K值的增大而减小，选择聚类数目不小于3且最稳定、最小的取值区间内的最小K值对应的ε参数和MinPts参数，作为第二步中BLOCK-DBSCAN算法的最佳参数；

第四步，引入奖罚机制对聚类结果进行再分类

根据第二步中的分类规则和第三步中获得的最适宜参数对该协议包数据进行分类，得到若干聚类；然后分别对每一个聚类子类中的点所涉及的协议命令进行奖罚遍历，依次选择每一个子类中的点所涉及的协议命令，与该子类中的点所涉及的其它的协议命令依次进行每一位逐一比对，分数奖罚机制如下：

其中，S_i,j表示两个协议命令i、j每一位的原始信息特征进行对比，J表示被对比的序列是否出现0位，P_i,j为两个协议命令的相似度数值；对于同一个子类，P_i,j为固定值；根据每一个协议命令与该子类中的协议命令逐一对比所得的总分，对每一个子类中的协议命令打标签，总分相等的协议命令的标签相同；

第五步，利用APTA树构建工业协议状态机

协议包数据为按发送时间排布的数据阵列，经过第四步处理后，协议包数据中的每一条协议命令均带有标签；首先建立APTA树基础模型，APTA树的节点从根部到枝节为按时间先后；将每个会话协议包数据按发送时间逐条遍历，将该条协议命令的标签与APTA树的对应顺序的节点的标签进行比对，若协议命令的标签与节点标签一致，则将该协议命令更新为当前节点的孩子；若对应时刻点的节点中不存在该协议命令的标签，则在当前节点对应的枝节层中新建一个节点并将该协议命令的标签作为该节点的标签；协议包数据中协议命令经过上述方法进行处理后，得到APTA树型的工业协议状态机。