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工业物联网中基于任务紧急程度的资源分配算法

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电信科学 2024年第3期40卷 29-38页

作者：邹虹卓赛张鸿张明兴吴大鹏重庆邮电大学通信与信息工程学院重庆400065 先进网络与智能互联技术重庆市高校重点实验室重庆400065 泛在感知与互联重庆市重点实验室重庆400065

工业物联网中任务的生成通常具有连续性和周期性,并且任务对时延要求很高,这给系统成本带来了挑战。为应对这一挑战,提出了一种基于任务紧急程度的成本最小化资源分配算法。通过遗传算法优化任务的卸载策略和系统的资源分配策略,对于卸... 详细信息

工业物联网中任务的生成通常具有连续性和周期性,并且任务对时延要求很高,这给系统成本带来了挑战。为应对这一挑战,提出了一种基于任务紧急程度的成本最小化资源分配算法。通过遗传算法优化任务的卸载策略和系统的资源分配策略,对于卸载的任务,根据任务的紧急程度进行调度,并在满足时延要求的前提下计算任务的最优发射功率。仿真结果表明,所提算法有效改善了系统总能耗成本。

关键词：工业物联网资源分配遗传算法

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工业物联网中基于区块链的跨域信任认证机制

小型微型计算机系统 2024年第4期45卷 975-983页

作者：魏双吴旭张震广西大学计算机与电子信息学院南宁530004

随着工业物联网(IIoT)制造流程变得越来越复杂,整个制造过程通常由多个管理域协作完成.IIoT设备的身份和可信度在跨域协作中难以得到保障,现有研究缺乏一种同时考虑设备可信度和身份认证的适当方法.此外,区块链因其可靠的特性在身份认... 详细信息

随着工业物联网(IIoT)制造流程变得越来越复杂,整个制造过程通常由多个管理域协作完成.IIoT设备的身份和可信度在跨域协作中难以得到保障,现有研究缺乏一种同时考虑设备可信度和身份认证的适当方法.此外,区块链因其可靠的特性在身份认证和信任管理领域得到了广泛的应用,但现有研究所采用的区块链单链架构无法满足大规模IIoT多域场景的可扩展性需求.因此,本文提出一种主从链架构以实现可扩展的跨域信任认证机制(MSBCTA).MSBCTA利用信任票据有效组合匿名身份认证和信任管理方法,既能实现跨域身份认证和隐私保护,又能动态评估设备的可信度.此外,MSBCTA采用单向哈希链实现高效的密钥协商方法,保证IIoT设备后续通信的安全.安全性分析和性能评估表明了MSBCTA的可行性和有效性.

关键词：主从链工业物联网跨域认证信任隐私保护

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面向工业物联网时序数据的异常检测方法

计算机工程与应用 2024年第12期60卷 270-282页

作者：谢伟卢士达时宽治王虹岚顾荣斌黄君李静国网上海市电力公司上海200122 国网上海市电力公司信息通信公司上海200072 南京航空航天大学计算机科学与技术学院南京211106

作为第四次工业革命重要基石,工业互联网将孤立的工业系统转化为连接的网络,是数字产业化的重要拓展方向,工业物联网环境中的异常检测对自动化决策具有重要意义。针对现有大多数方法未能有效地考虑传感器间复杂的未知拓扑关系以及工业... 详细信息

作为第四次工业革命重要基石,工业互联网将孤立的工业系统转化为连接的网络,是数字产业化的重要拓展方向,工业物联网环境中的异常检测对自动化决策具有重要意义。针对现有大多数方法未能有效地考虑传感器间复杂的未知拓扑关系以及工业物联网时序数据内在的不同尺度模式导致异常检测精度有待提升的问题,提出了一种面向工业物联网时序数据的多尺度时空特征融合无监督异常检测方法MSTSAD,构建了一种新颖的双向时空特征提取模块依次捕获多个时间序列之间的相关性和双向依赖性。设计了多尺度门控时间卷积神经网络自适应地提取时间序列的多尺度时序特征,并引入双仿射实现多尺度时序特征和时空特征的交叉融合,增强模型对原始数据的特征提取。提出了结合对抗训练的变分自编码器来放大异常的重构误差并增强模型对训练数据噪声的抗干扰能力,提高了模型对异常数据的区分能力。在GPW、ECG5000、Occupancy和SWaT四个公开数据集上与五种先进方法进行了对比实验,实验结果表明,MSTSAD的F1分数提升了0.015~0.047。

关键词：工业物联网异常检测多尺度时空信息

工业物联网中基于信息熵的联邦增量学习算法与优化

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电子与信息学报 2024年

作者：杨睿哲谢欣儒滕颖蕾李萌孙艳华张大君北京工业大学信息学部北京工业大学先进信息网络北京实验室北京邮电大学电子工程学院卡尔顿大学

面对工业生产过程中大规模、多样且随时间增长的数据和机器学习任务，该文提出一种基于信息熵的联邦增量学习(FIL)与优化方法。基于联邦框架，各本地计算节点可利用本地数据进行模型训练，并计算信息平均熵上传至服务器，以此辅助识别... 详细信息

面对工业生产过程中大规模、多样且随时间增长的数据和机器学习任务，该文提出一种基于信息熵的联邦增量学习(FIL)与优化方法。基于联邦框架，各本地计算节点可利用本地数据进行模型训练，并计算信息平均熵上传至服务器，以此辅助识别类增任务；全局服务器则根据本地反馈的平均熵选择参与当前轮次训练的本地节点，并判决任务是否产生增量后，进行全局模型下发与聚合更新。提出方法结合平均熵和阈值进行不同情况下的节点选择，实现低平均熵下的模型稳定学习和高平均熵下的模型增量式扩展。在此基础上，采用凸优化，在资源有限的情况下自适应地调整聚合频率和资源分配，最终实现模型的有效收敛。仿真结果表明，在不同的情景下，该文所提方法都可以加速模型收敛并提升训练精度。

关键词：工业物联网联邦增量学习信息平均熵

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一种面向工业物联网的远程安全指令控制方案

计算机工程 2024年第3期50卷 28-35页

作者：陈纪成包子健罗敏何德彪武汉大学国家网络安全学院空天信息安全与可信计算教育部重点实验室湖北武汉430072

随着工业领域对智能化要求的不断提高,工业物联网(IIoT)得到了快速发展,其可以有效提高工业生产中的流程效率和决策质量,具有广阔的应用前景。然而,近年来IIoT的安全问题逐渐凸显。针对远程指令控制这一应用场景,设计一种基于SM9标识密... 详细信息

随着工业领域对智能化要求的不断提高,工业物联网(IIoT)得到了快速发展,其可以有效提高工业生产中的流程效率和决策质量,具有广阔的应用前景。然而,近年来IIoT的安全问题逐渐凸显。针对远程指令控制这一应用场景,设计一种基于SM9标识密码算法的两方协同群签名算法,并结合区块链实现面向IIoT的远程安全指令控制方案,以保障IIoT中远程指令操作的安全性。该方案基于国密SM9标准,群管理员审核指令,并与发起指令签署请求的用户协同完成群签名,群签名在保护签名者身份隐私的同时可以由群管理员在必要时公开签名者身份。通过引入区块链技术,实现IIoT平台的去中心化管理,并通过智能合约获取指令执行历史数据,方便后续审计与追责。此外,方案在签名验证阶段通过批量验证来有效减少计算消耗。安全性及性能分析结果表明:在签名数量超过20条时,该方案通过批量验证的方式可以使得计算量减少50%以上;相较对比方案,所提方案在IIoT环境下安全性和实用性更高。

关键词： SM9标识密码算法群签名两方协同签名工业物联网区块链

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工业物联网边缘侧隐私保护策略研究与设计

工业物联网边缘侧隐私保护策略研究与设计

作者：张博北方工业大学

学位级别：硕士

工业物联网边缘侧中的边缘设备节点靠近数据源,在数据的采集、处理、存储和工业控制中扮演着重要角色,其中的关键节点拥有工业生产的隐私数据,在整个工业生产过程至关重要。然而,这些设备节点由于其特殊的部署环境、网络连接、资源限制... 详细信息

工业物联网边缘侧中的边缘设备节点靠近数据源,在数据的采集、处理、存储和工业控制中扮演着重要角色,其中的关键节点拥有工业生产的隐私数据,在整个工业生产过程至关重要。然而,这些设备节点由于其特殊的部署环境、网络连接、资源限制和管理复杂度等因素,在数据流通过程中,相较于其他节点更容易面临隐私数据泄漏的风险。本文针对上述工业物联网边缘节点面临的数据安全流通问题,将边缘节点流通的数据分为隐私数据和常规数据,针对不同类型数据的特点设计出不同的数据流通策略,从而实现工业物联网边缘侧的隐私保护。主要内容如下:(1)针对工业物联网边缘节点的隐私数据安全流通的问题,基于边缘计算架构,提出一种基于区块链的边缘节点安全多方计算方法,该方法采用外包计算模型执行安全多方计算任务,并设计了公平性保障机制,强化对外包计算节点的管理;对于安全多方计算过程中的隐私数据安全问题,提出了基于可验证秘密共享的数据流通协议,协议通过链上链下多阶段协同的方式执行安全多方计算任务,保证了边缘节点隐私数据秘密共享输入的正确性以及外包计算节点安全多方计算结果的正确性。通过此方法,边缘节点实现了以明文不出本地的安全多方计算的方式达到隐私数据共享的目的,并且该方法提高了工业物联网边缘侧系统的安全性。根据相关方法对比与仿真测试分析证明了该方法更加适合工业物联网场景,且基于所提方法进行安全多方计算的计算节点具有较高的计算效率。(2)针对工业物联网边缘节点的常规数据在符合安全准则的条件下高效流通的问题,基于边缘计算架构,提出一种基于区块链和布隆过滤器的边缘节点数据共享方法。该方法链上存储由数据共享方边缘节点生成的验证索引,保证了验证索引信息的不可篡改性;同时,在链外设置辅助查询服务,监听区块链的出块信息,构造双层布隆过滤器结构的辅助查询块,实现了基于数据共享方设备号和时间属性的查询方式。通过该方式查询出的可验证共享数据,可以与链上的验证索引信息进行对比验证,保证了查询结果的正确性。通过性能测试与对比分析证明了该方法构造的辅助查询块具有较高的随机查询效率和较低的错误率。

关键词：工业物联网边缘计算区块链安全多方计算布隆过滤器

非线性能量采集的工业物联网非线性信息年龄分析

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计算机工程 2024年

作者：许晋贾向东韩向花张兴元南京邮电大学江苏省无线通信重点实验室西北师范大学计算机科学与工程学院

针对工业物联网(Industrial Internet of Things， IIoT)中对信息新鲜性日益增长的需求，提出一种基于非线性能量采集(Energy Harvest， EH)的IIoT监控系统，配备电池容量大小为B的传感器节点从无线电站(Wireless Power Station， WPS)... 详细信息

针对工业物联网(Industrial Internet of Things， IIoT)中对信息新鲜性日益增长的需求，提出一种基于非线性能量采集(Energy Harvest， EH)的IIoT监控系统，配备电池容量大小为B的传感器节点从无线电站(Wireless Power Station， WPS)使用非线性EH技术采集射频能量(Radio Frequency， RF)进行充电，电池充满后将采集到的数据发送给数据采集节点。此外，为了避免在复杂场景中需要设置多个非线性信息年龄(Age of Information， AoI)算法所导致的系统较为复杂的问题，提出函数f(t)=a(ea△t-1)，a≠0来描述不同的非线性AoI，并通过调节参数a来控制函数图像形状。在推导系统非线性AoI封闭表达式的同时引入系统能量效率(Energy Efficiency， EE)，以二者的比值Ψ作为系统的性能指标。鉴于问题较为复杂，采用一维搜索方法来寻找最优电池容量。通过系统仿真和数值分析，证明了使系统Ψ最小化的电池容量B存在。此外，信道衰落参数、状态更新大小、WPS发射功率等参数都会对系统的性能产生影响，在相关系统的优化设计时都需要考虑。当WPS发射功率为0.5w时，指数型非线性AoI下的Ψ是对数型非线性AoI下Ψ的2倍，是线性AoI下Ψ的1.8倍。

关键词：工业物联网非线性能量采集传输正确概率非线性信息年龄能量效率

基于区块链的工业物联网隐私保护协作学习系统

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计算机应用研究 2024年

作者：林峰斌王灿吴秋新李涵秦宇龚钢军北京信息科技大学理学院华北电力大学北京市能源电力信息安全工程技术研究中心中国科学院软件研究所

为了在保护数据隐私的前提下，充分利用异构的工业物联网节点数据训练高精度模型，提出了一种基于区块链的隐私保护两阶段协作学习系统。首先，使用分组联邦学习框架，根据参与节点的算力将其划分为不同组，每个组通过联邦学习训练一个... 详细信息

为了在保护数据隐私的前提下，充分利用异构的工业物联网节点数据训练高精度模型，提出了一种基于区块链的隐私保护两阶段协作学习系统。首先，使用分组联邦学习框架，根据参与节点的算力将其划分为不同组，每个组通过联邦学习训练一个适合其算力的全局模型。其次，引入分割学习，使节点能够与移动边缘计算服务器协作训练更大规模的模型，并采用差分隐私技术进一步保护数据隐私。将训练好的模型存储在区块链上，通过区块链的共识算法进一步防止恶意节点的攻击，保护模型安全。最后，为了结合多个异构全局模型的优点并进一步提高模型精度，使用每个全局模型的特征提取器从用户数据中提取特征，并将这些特征用作训练集训练更高精度的复杂模型。实验结果表明该系统在Fashion-MNIST和CIFAR-10数据集上的性能优于传统联邦学习的性能，能够应用于工业物联网场景中以获得高精度模型。

关键词：区块链工业物联网隐私保护协作学习联邦学习分割学习

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基于国密的工业物联网门限签密方案

计算机工程 2024年

作者：李斯琦田有亮彭长根贵州大学公共大数据国家重点实验室贵州大学计算机科学与技术学院贵州大学密码学与数据安全研究所贵州大学贵州省大数据产业发展应用研究院

针对工业物联网中SCADA系统与终端设备之间通信易受篡改、窃听、假冒等攻击的问题，提出一种基于国密的门限签密方案 (SM-TSC)。首先，将终端设备注册、分组，基于Shamir秘密共享设计群组秘密值分配方法，防止工业物联网场景下终端设备... 详细信息

针对工业物联网中SCADA系统与终端设备之间通信易受篡改、窃听、假冒等攻击的问题，提出一种基于国密的门限签密方案 (SM-TSC)。首先，将终端设备注册、分组，基于Shamir秘密共享设计群组秘密值分配方法，防止工业物联网场景下终端设备节点权力过于集中所造成的密钥泄露、签密伪造等问题。其次，利用国密SM2签名算法作为基础，结合国密SM3算法、国密SM4算法以及群组秘密值分配方法，设计一种安全高效的面向群组的门限签密算法，保障SCADA系统与终端设备群组之间通信消息的真实性和机密性。最后，在随机谕言机模型下，利用安全归约方法对SM-TSC方案进行安全性分析。分析结果表明，SM-TSC方案在自适应选择密文攻击下能达到语义安全，在自适应选择消息攻击下是存在性不可伪造的，可以有效保障群组通信中数据的机密性和真实性。实验分析表明，与现有的基于椭圆曲线的门限签密方案相比，SM-TSC方案在门限签密阶段和解签密阶段中计算开销分别降低了75%与79.66%，因此在工业物联网群组通信中具有更高的适用性。

关键词：签密国密算法门限密码学可证明安全工业物联网