無人機巡檢網(wǎng)絡(luò)信息安全防護(hù)實踐

摘 要：近年來，隨著無人機在電力巡檢中應(yīng)用的越來越廣泛，無人機的安全問題越來越突出。分析了電力巡檢中無人機存在的安全問題，對其風(fēng)險因素進(jìn)行了分析，對電力巡檢無人機安全技術(shù)的原理、構(gòu)思及實現(xiàn)方式進(jìn)行討論，并針對其風(fēng)險因素的應(yīng)對方式進(jìn)行了淺析。

關(guān)鍵詞：無人機；電力巡檢；安全防護(hù)

中圖分類號：V243.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）36-0248-02

1 引 言

無人機電力巡檢是無人機行業(yè)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，隨著無人機技術(shù)的成熟和發(fā)展，無人機電力巡檢逐漸成為現(xiàn)實。如今無人機巡檢的工作效率是原來人工巡檢的8～10倍，電力巡檢工每天的工作效率有了質(zhì)的提升，也大大降低了巡檢人員的作業(yè)風(fēng)險。盡管無人機代替人工執(zhí)行電力巡檢有諸多優(yōu)越性，但電力行業(yè)關(guān)系國家經(jīng)濟(jì)民生安全，電網(wǎng)屬于國家戰(zhàn)略資源，無人機在巡檢信息傳輸?shù)倪^程中，就很容易導(dǎo)致電力信息的泄露或者無人機被劫持誘騙，所以如何保證國家戰(zhàn)略資源的安全，引起了國家有關(guān)部門的高度重視[1]。

2 無人機使用中存在的安全問題

近年來越來越多的無人機安全事件出現(xiàn)，不僅會泄露公司敏感數(shù)據(jù)，也會對電網(wǎng)財產(chǎn)造成重大的安全隱患。電力巡檢專用無人機在其控制流程中的每一部分都可能出現(xiàn)安全隱患，如：傳感器GPS數(shù)據(jù)欺騙風(fēng)險，數(shù)據(jù)鏈路和身份認(rèn)證風(fēng)險，線路碰撞風(fēng)險，無人機安全管控風(fēng)險。我們將無人機系統(tǒng)安全主要分為信息安全和物理安全兩大方面：①信息安全防護(hù)包括無人機傳感器、GPS安全、無人機終端安全、無人機鏈路安全和無人機地面站安全。②物理安全防護(hù)包括防碰撞、防雷電、無人機與電線、無人機與鳥類的碰撞等。

3 安全問題原因分析

電力無人機的安全問題可以分為無人機終端安全和設(shè)備碰撞安全兩部分。前者主要指無人機在正常操作過程中各個環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的信息安全隱患，而線路設(shè)備安全主要是指無人機可能對電力設(shè)備產(chǎn)生的碰撞安全。圖1給出了無人機系統(tǒng)的組成。無人機信息傳輸過程中，不透明不可控可能導(dǎo)致信息泄露、導(dǎo)航系統(tǒng)和傳感器欺騙導(dǎo)致無人機被劫持誘騙[2]。

4 無人機巡檢安全防護(hù)的風(fēng)險分析

（1）對無人機奪取無線電控制的風(fēng)險

伴隨著消費級無人機的逐漸普及，政府不得不采取一些強硬手段，來保障低空領(lǐng)域安全。政府通常采用一個接收器來追蹤并確定無人機，使用足夠強大的電子信號照射無人機，奪取其無線電控制。

同時，政府為了避免自我的無人機被對方操縱，科研部門希望借助阻截?zé)o人機使用的傳輸代碼，進(jìn)而控制這臺無人機，而將其引導(dǎo)返航，回歸到操作者手中[3]。

（2）對無人機進(jìn)行聲波干擾的風(fēng)險

陀螺儀是無人機中的關(guān)鍵組件，功能是提供機體傾斜、旋轉(zhuǎn)及方向角度等信息，以保持機體平衡。通過對陀螺儀進(jìn)行共振測試，發(fā)現(xiàn)可利用聲波使陀螺儀發(fā)生共振，從而擾亂無人機的平穩(wěn)飛行，輸出錯誤信息，從而導(dǎo)致無人機墜落。

（3）無人機信號干擾的風(fēng)險

無人機無法獲得足夠精確的自身坐標(biāo)數(shù)據(jù)。因此，各國無人機的飛行控制均采用GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合的方式。無人機在照相時還需要知道自己的精確位置，因此無人機上安裝了GPS信號接收機。

正是如此，無人機的GPS信號接收機容易遭受電子干擾，導(dǎo)致無人機只能依靠基于陀螺儀的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，無法獲得足夠精確的自身坐標(biāo)數(shù)據(jù)。如果沒有精確的地形連測，借助于照相機和攝像機獲得的情報將沒有任何價值，此時的無人機頂多是一臺會飛的相機，無論是從軍事角度，還是從民用的測繪角度，都意味著損失。

（4）黑客滲透攻擊的風(fēng)險

黑客們通過無人機內(nèi)置的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)和開放的遠(yuǎn)程端口，向無人機的實時操作系統(tǒng)發(fā)起的攻擊。通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，攻擊者可以斷開無人機擁有者的FreeFlight控制應(yīng)用并使之與自己配對，然后獲得完整的控制權(quán)限。甚至，黑客們還能通過Bebop模型，將正在天上飛的無人機“一鍵拿下”。連接到目標(biāo)無人機之后，獲得了訪問控制器的root權(quán)限，隨后自然是可以肆意地進(jìn)行破壞，甚至讓無人機直接掉到地上。

5 無人機系統(tǒng)組成與安全防護(hù)的關(guān)系

無人機系統(tǒng)包括終端安全、反GPS欺騙、基于激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)的無人機高壓線路、桿塔探測、電力專用無人機安全標(biāo)準(zhǔn)、基于全國產(chǎn)“龍芯”、“申威”等通用CPU的無人機飛行控制與任務(wù)等。實際上這些內(nèi)容都是圍繞無人機展開的。下面主要介紹無人機的相關(guān)組成，從中可以看到以上研究內(nèi)容和無人機的關(guān)系[4]。

旋翼無人機的系統(tǒng)組成如圖3所示，包括無人機自主飛行控制系統(tǒng)，其中含有飛控系統(tǒng)、電機、電調(diào)、遙控接收機、姿態(tài)參考系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和任務(wù)執(zhí)行系統(tǒng)，同時，還需要地面控制臺、圖傳地面顯示系統(tǒng)、遙控裝置。

下面介紹每部分的功能和作用：

飛控系統(tǒng)：無人機的控制中心，接收各個傳感器的信息并運算，連接其他各模塊的為一個整體；（基于國產(chǎn)通用CPU的無人機飛行控制與任務(wù)）。

電機：無人機執(zhí)行機構(gòu)，為無人機提供動力；（電力專用無人機安全標(biāo)準(zhǔn)）。

電調(diào)：驅(qū)動控制設(shè)備，為無人機提供能量轉(zhuǎn)換，接收飛控系統(tǒng)的直接命令；（電力專用無人機安全標(biāo)準(zhǔn)）。

遙控接收機：接收遙控裝置的命令并發(fā)送給飛控系統(tǒng)；（終端安全）。

姿態(tài)參考系統(tǒng)：給飛控系統(tǒng)反饋當(dāng)前無人機的準(zhǔn)確實時姿態(tài)，為飛控系統(tǒng)提供動力反饋提供支持；（電力專用無人機安全標(biāo)準(zhǔn)）。

導(dǎo)航定位系統(tǒng)：如GPS、RTK等定位設(shè)備，可以給飛控系統(tǒng)提供當(dāng)前無人機的實時位置；（反GPS欺騙）。

通信系統(tǒng)：飛控系統(tǒng)與地面站控制臺之間相互通信的設(shè)備及通信協(xié)議，飛控系統(tǒng)可以發(fā)送無人機當(dāng)前的實時狀態(tài)同時也可以接受地面控制臺的控制指令，而通信系統(tǒng)就是兩者之間的橋梁；（終端安全、電力專用無人機安全標(biāo)準(zhǔn)）。

圖傳地面顯示系統(tǒng)：接收無人機機載攝像機當(dāng)前所拍攝圖像，并在地面端實時顯示；（高壓線路、桿塔探測）。

遙控裝置：給接收機發(fā)送控制信號，飛控系統(tǒng)解算后執(zhí)行相應(yīng)命令。（終端安全）。

6 無人機系統(tǒng)安全防護(hù)的方式淺析

（1）無人機航跡規(guī)劃與避撞

由于無人機領(lǐng)域的發(fā)展，各類避撞、航跡規(guī)劃算法層出不窮。動態(tài)航跡規(guī)劃的目的是根據(jù)飛行器的位置、任務(wù)要求和周圍環(huán)境的情況實時設(shè)定每架飛機的飛行路徑，確保飛機可以躲避飛行區(qū)域中的障礙物并且完成指定任務(wù)[5]。

我們基于A*搜索、遺傳、模擬退火、蟻群、粒子群、勢能函數(shù)等通用優(yōu)化算法進(jìn)行研究，可以提出一套完備的適用于低空復(fù)雜空域的動態(tài)避撞算法。在實際應(yīng)用中，考慮到計算復(fù)雜度和實用性的關(guān)系，本項目擬采用結(jié)合勢能函數(shù)和增強學(xué)習(xí)的方法來做無人機航跡規(guī)劃。

基于勢能函數(shù)的算法主要借鑒物理勢場的原理，將飛行器在環(huán)境中的運動視為一種在虛擬人工受力場中的運動。勢場中存在引力極和斥力極，其中目標(biāo)點對飛行器產(chǎn)生的是引力，障礙物對飛行器產(chǎn)生的是斥力，最后通過求合力來控制飛行器的運動。該方法的優(yōu)點是相對于空間法更適合于動態(tài)環(huán)境，缺點是缺乏全局信息，不能處理局部極小值，如圖4所示。

（2）基于TPM的可信計算

可信計算的核心是稱為TPM（TrustedPlatformModule）（可信平臺模塊）的安全芯片，作為可信計算技術(shù)的核心，TPM被業(yè)內(nèi)喻為安全PC產(chǎn)業(yè)鏈的“信任原點”，旨在將PC變成一個安全可信的計算平臺。在實際應(yīng)用中，TPM安全芯片被嵌入到PC主板之上。

7 結(jié)束語

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，發(fā)電量與用電量逐年上升，國家能源局等對電力安全可靠性提出新要求，電力巡檢關(guān)系電力安全可靠性與國計民生，戰(zhàn)略地位與實際剛性需求突出。隨著無人機巡檢應(yīng)用的廣泛深入，保護(hù)戰(zhàn)略資源的安全，開展各種防干擾手段對其的影響研究以及干擾監(jiān)測設(shè)備的研究都變得越來越緊迫。

參考文獻(xiàn)

[1]陸 璐.國家電網(wǎng)無人機電力線路安全巡檢系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)研究[J].科技尚品，2016（10）.

[2]劉 勇，陳海濱，劉 方.基建現(xiàn)場巡檢無人機智能感知系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2018（15）.

[3]李 棟.基于無人機視覺的輸電線路安全距離巡檢系統(tǒng)研究[D].廣西大學(xué)，2016.

[4]張昌賽，劉正軍，楊樹文，等.大型無人機輸電線路巡檢數(shù)據(jù)采集與處理關(guān)鍵技術(shù)[J].測繪通報，2017（s1）：136～139.

[5]張澤浩.基于動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的無人機巡檢輸電線路故障診斷研究[D].華北電力大學(xué)（北京），2016.

收稿日期：2018-11-13

作者簡介：朱 敏（1992-），男，助理工程師，本科，主要從事信息安全工作。

羅 晨（1990-），男，助理工程師，研究生，主要從事信息運維工作。

毛幼軍（1970-），男，高級工程師，本科，主要從事信息系統(tǒng)管理工作。