基于混沌的智能塔機(jī)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳加密算法的應(yīng)用研究

王鵬飛 WANG Peng-fei；劉世濤 LIU Shi-tao；陳公正 CHEN Gong-zheng；史云飛 SHI Yun-fei

（中建八局第二建設(shè)有限公司，濟(jì)南 250014）

0 引言

塔機(jī)在我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)中扮演了舉足輕重的角色，其廣泛應(yīng)用于建筑、交通等領(lǐng)域的物料運(yùn)輸場(chǎng)合。近年來(lái)，隨著互聯(lián)網(wǎng)及智能化技術(shù)的飛速發(fā)展，塔機(jī)相關(guān)技術(shù)依舊停留在數(shù)年前的水平，發(fā)展并不迅速，其功能、安全保障措施、工作流程和商業(yè)模式水平還有很大的提升空間。隨著無(wú)線通信技術(shù)尤其是5G通信技術(shù)的發(fā)展，其高速率、低延遲和大連接的特點(diǎn)非常適用于對(duì)可靠性、安全性和實(shí)時(shí)性要求較高的工業(yè)場(chǎng)合，那么，采用遠(yuǎn)程遙控的方式駕駛塔機(jī)逐步得以實(shí)現(xiàn)。智能遙控塔機(jī)技術(shù)將司機(jī)從塔機(jī)上面的司機(jī)室解放下來(lái)，使得塔機(jī)的駕駛操作更為簡(jiǎn)單直觀，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)塔機(jī)的自動(dòng)化運(yùn)行，大大提高了塔機(jī)的安全性和工作效率。

智能遙控塔機(jī)的無(wú)線通信技術(shù)一般采用3G/4G/5G數(shù)據(jù)流量通信、Wi-Fi通信、小無(wú)線通信或其他高穩(wěn)定性無(wú)線通信的一種或多種。在工程現(xiàn)場(chǎng)，如何確保信號(hào)的穩(wěn)定性，保障塔機(jī)遙控駕駛的安全穩(wěn)定運(yùn)行是至關(guān)重要的，目前也有較多的針對(duì)性研究。但是，針對(duì)智能塔機(jī)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)加密的研究較少，原因可能是工程現(xiàn)場(chǎng)一般比較偏遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)受到惡意讀取和入侵的可能性較低。即便如此，數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩砸膊荒鼙缓鲆?，因?yàn)橐坏┧C(jī)的傳感器參數(shù)和控制指令遭到惡意篡改，則極大地影響智能塔機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，甚至出現(xiàn)事故造成人員傷亡。

本文所提出的基于混沌的智能塔機(jī)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳加密算法，實(shí)現(xiàn)了塔機(jī)遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)的加密，在沒(méi)有獲取正確密鑰的前提下，無(wú)法解密數(shù)據(jù)，更無(wú)法干擾和入侵?jǐn)?shù)據(jù)包，確保了智能塔機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

1 混沌加密

1.1 混沌映射

Logistic映射是一種簡(jiǎn)單的動(dòng)力系統(tǒng)，目前應(yīng)用較廣，其定義如下：

其中，X是迭代計(jì)算結(jié)果，λ是常量。分析混沌動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)X∈（0，1）且λ∈（3.469，4]時(shí)，工作于混沌態(tài)。分析Feigenbaum分叉圖也可以得出上述結(jié)論，如圖1所示。

圖1 Feigenbaum分叉

圖2則顯示了初始值分別是X=0.667（實(shí)線）和0.687（虛線），且常量λ=3.899時(shí)，相應(yīng)的Logistic映射輸出值。圖3則顯示了參數(shù)初始值是X=0.667且不同的常量λ=3.899（實(shí)線）和3.755（虛線）時(shí)，相應(yīng)的Logistic映射輸出值。從圖2和圖3可知，當(dāng)Logistic映射處于混沌狀態(tài)時(shí)，其初值敏感性和參數(shù)敏感性良好，可用于迭代數(shù)據(jù)加密。

圖2 初值敏感性

圖3 參數(shù)敏感性

1.2 基于Logistic映射的加密解密算法

①加載需要加密的二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列，以bit為單位，得到初值序列{S（i）}，一共i個(gè)bit；②采用唯一的初值X和常量λ分別用迭代方程X=λX（1-X）進(jìn)行迭代計(jì)算，一共計(jì)算i次，得到結(jié)果{X（i）}，則{X（i）}一共含有i個(gè)數(shù)據(jù)；③得到密鑰{X，λ}；④對(duì){X（i）}中的每個(gè)數(shù)據(jù)做判斷，生成{Y（i）}，其對(duì)應(yīng)關(guān)系是當(dāng)X（i）≥0.5時(shí)Y（i）=1，當(dāng)X（i）<0.5時(shí)，Y（i）=0；⑤做異或運(yùn)算，{Z（i）}={S（i）}XOR{Y（i）}，得到加密結(jié)果{Z（i）}，完成加密；⑥傳輸含有{Z（i）}的加密數(shù)據(jù)包；⑦接收者采用事先約定好的{X，λ}密鑰，采用迭代運(yùn)算得到{Y（i）}；⑧做異或運(yùn)算，{S’（i）}={Y（i）}XOR{Z（i）}，得到計(jì)算結(jié)果{S’（i）}，完成解密，即{S’（i）}應(yīng)等于{S（i）}。

2 智能塔機(jī)數(shù)據(jù)序列

目前，建筑行業(yè)針對(duì)塔機(jī)的安全生產(chǎn)設(shè)置有塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由塔機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺(tái)、塔機(jī)檢測(cè)儀主機(jī)（一般包括主機(jī)板、塔機(jī)狀態(tài)顯示器、視頻監(jiān)控顯示器、通信模塊、傳感器接口、指令接口、視頻接口等）、各種傳感器如高度傳感器、幅度傳感器、重量傳感器、回轉(zhuǎn)傳感器、傾角傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器等等，多個(gè)監(jiān)控?cái)z像頭如吊鉤監(jiān)控視頻、卷?yè)P(yáng)機(jī)監(jiān)控視頻、駕駛室監(jiān)控視頻等等所組成。該系統(tǒng)塔機(jī)檢測(cè)儀主機(jī)端按照功能主要分為塔機(jī)黑盒子部分和視頻監(jiān)控部分，均可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)重要參數(shù)的無(wú)線上傳。其中，塔機(jī)黑盒子主要監(jiān)控塔機(jī)相關(guān)參數(shù)包括：重量、高度、幅度、角度、傾角、空間限位、防碰撞等。

最近，塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能得以擴(kuò)展，即在原有硬件的基礎(chǔ)上增加或者升級(jí)相應(yīng)的通信技術(shù)，使得塔機(jī)駕駛員在不需要攀爬至塔機(jī)駕駛室的情況下，在地面上同樣可以使用遙控器進(jìn)行遙控。為了考慮該種塔機(jī)駕駛的安全性，原有塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)必須采用無(wú)線通信技術(shù)和手持遙控器進(jìn)行參數(shù)共享，顯然，無(wú)論是采用云服務(wù)器中轉(zhuǎn)的方式，還是采用網(wǎng)絡(luò)直連的方式，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩允欠浅１匾?。保障這些數(shù)據(jù)的安全性，首選的方式即為數(shù)據(jù)加密技術(shù)。

智能塔機(jī)及其無(wú)線遠(yuǎn)程遙控器的數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，即遙控端須將駕駛控制信號(hào)傳送至塔機(jī)，而塔機(jī)須將傳感器、五限位等信息傳送至遙控端，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 塔機(jī)遙控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和遙控端裝置大多都以ARM Cortex-A系列的處理器為核心，其浮點(diǎn)運(yùn)算能力大大增強(qiáng)，即便進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)的迭代運(yùn)算，也不會(huì)影響控制指令和傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

這里以上述系統(tǒng)需要傳輸?shù)年P(guān)鍵參數(shù)為例，講述數(shù)據(jù)序列的構(gòu)成。

2.1 控制指令序列

控制指令序列主要是由遙控端向塔機(jī)發(fā)送的控制指令，基本控制指令一般有升降控制、變幅控制、回轉(zhuǎn)控制、緊急制動(dòng)等，智能塔機(jī)的諸如障礙物設(shè)置、障礙物預(yù)警和避障、多塔機(jī)防碰撞等智能化功能，均由以上基本控制指令經(jīng)過(guò)運(yùn)算后達(dá)成。

2.2 傳感數(shù)據(jù)序列

傳感數(shù)據(jù)序列主要是由塔機(jī)向遙控端發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)，一般有：第一，五限位狀態(tài)，分別是高度限位、幅度限位、回轉(zhuǎn)限位、重量限位和角度限位，該類(lèi)數(shù)據(jù)均由相應(yīng)的專(zhuān)用設(shè)備生成；第二，塔機(jī)參數(shù)，分別是設(shè)備序列號(hào)、塔臂高、塔頂高、前臂長(zhǎng)、尾臂長(zhǎng)、塔機(jī)中心坐標(biāo)、吊鉤位置坐標(biāo)、倍率、起重量、安全起重量、額定力矩、力矩百分比、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、駕駛員信息等，該類(lèi)數(shù)據(jù)是人工設(shè)置和存儲(chǔ)的；第三，傳感器狀態(tài)，主要包括的數(shù)據(jù)如表1所示。第四，報(bào)警信息，分別是報(bào)警優(yōu)先級(jí)狀態(tài)、各傳感器越限報(bào)警、傾翻報(bào)警（前傾、側(cè)傾、后傾等）、障礙物接近預(yù)警、障礙物高度報(bào)警、多塔機(jī)碰撞報(bào)警等等。

表1 傳感器數(shù)據(jù)

上述數(shù)據(jù)一般由塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)從相應(yīng)的傳感器、設(shè)備或者存儲(chǔ)單元中讀取，或者人工設(shè)置，擴(kuò)展無(wú)線通信接口后，采用一定的算法加密后傳輸至無(wú)線遠(yuǎn)程遙控器。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 數(shù)據(jù)加密

以部分傳感器數(shù)據(jù)為例，實(shí)現(xiàn)混沌加密和解密。傳感器數(shù)據(jù)、類(lèi)型和精度分別是：溫度（雙字節(jié)、精確到0.1℃）、濕度（雙字節(jié)、精確到0.1RH%）、風(fēng)速（雙字節(jié)、精確到0.1m/s）、風(fēng)向（雙字節(jié)、精確到1°）、吊重（雙字節(jié)、精確到1kg），一共10個(gè)字節(jié)。私有協(xié)議中，凡是精確到小數(shù)點(diǎn)0.1位的數(shù)據(jù)，分別做乘以十處理。

假設(shè)在某時(shí)刻，上述傳感數(shù)據(jù)分別是：30.3℃、47.2RH%、1.2m/s、120°和1500kg，即為數(shù)據(jù)的初始序列，其對(duì) 應(yīng) 的 十 六 進(jìn) 制 分 別 是：{S（80）}={0x2f，0x01，0xd8，0x01，0x0c，0x00，0x78，0x00，0x05，0xdc}，一共包括10個(gè)字節(jié)，共有80個(gè)bit，即i=80，也就是迭代次數(shù)。

取X=0.1155，λ=3.851，構(gòu)成密鑰{0.1155，4.851}，進(jìn)行迭代運(yùn)算，得到80個(gè)數(shù)據(jù)運(yùn)算結(jié)果是{X（80）}。

做判斷，當(dāng)X（80）≥0.5時(shí)Y（i）=1，當(dāng)X（80）<0.5時(shí)，Y（80）=0。將{Y（80）}按位組合為十六進(jìn)制格式，得到{Y（80）}={0X2E，0XBE，0XEF，0XBD，0X75，0X77，0XFB，0XF5，0XFE，0X6B}，共10個(gè)字節(jié)。

執(zhí)行異或運(yùn)算，{Z（80）}={S（80）}XOR{Y（80）}，得到{Z（80）}={0X01，0XBF，0X37，0xBC，0X79，0X77，0X83，0XF5，0XF2，0XB7}。

{Z（80）}即加密數(shù)據(jù)的結(jié)果，可以通過(guò)無(wú)線通信方式從塔機(jī)傳至遙控端。

3.2 解密步驟

遙控端接收到塔機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù){Z（80）}。由于共享密鑰{0.1155，4.851}，遙控端進(jìn)行混沌迭代計(jì)算80次，得到運(yùn)算結(jié)果{Y（80）}，將{Y（80）}和{Z（80）}進(jìn)行異或運(yùn)算，即{S’（80）}={Y（80）}XOR{Z（80）}={}，{S’（80）}即為結(jié)果。

經(jīng)對(duì)比，{S’（80）}與{S（80）}完全一致，數(shù)據(jù)解密成功。

3.3 密鑰的匹配

由于塔機(jī)和遙控端需要共享相同的密鑰，顯然，密鑰并不能隨著控制指令和傳感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，一般由塔機(jī)和遙控器首次綁定匹配時(shí)一次性確認(rèn)，密鑰數(shù)據(jù)在值域內(nèi)隨機(jī)取值。若需要重新確定密鑰，則將塔機(jī)和遙控器解除綁定后重新匹配即可。另一方面，密鑰也可以由塔機(jī)駕駛員以權(quán)限密碼的形式，人工輸入到塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中。密鑰的匹配方法并不僅限于上述兩種，只要能保證密鑰不泄露，并且塔機(jī)和遙控端能夠共享同一個(gè)密鑰即可。

4 結(jié)論

提出了一種基于混沌的智能塔機(jī)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳加密算法，算法流程明確了數(shù)據(jù)的加密算法、數(shù)據(jù)的解密和密鑰的匹配方法，實(shí)現(xiàn)了智能塔機(jī)雙向遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)的加密。利用混沌加密特性，使得在沒(méi)有獲取正確密鑰的前提下，進(jìn)行密鑰的暴力破解、數(shù)據(jù)包入侵、數(shù)據(jù)解密等可能性非常低，數(shù)據(jù)安全可以得到全方位的保障。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，本算法適用于保障智能塔機(jī)的數(shù)據(jù)安全可靠傳輸。