理工學(xué)院趙俊華教授團(tuán)隊(duì)在IEEE TII上發(fā)表文章
近日，香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院趙俊華教授團(tuán)隊(duì)在IEEE旗下Trans系列的頂級(jí)期刊 IEEE Transactions on Industrial Informatics (IEEE TII) 發(fā)表以“An Inertia-based Data Recovery Scheme for False Data Injection Attack”為題的文章。
期刊介紹
IEEE TII為IEEE旗下Trans系列的頂級(jí)期刊，側(cè)重于以知識(shí)為基礎(chǔ)的工業(yè)自動(dòng)化作為一種手段，以提高工業(yè)制造和制造過(guò)程。這包含了一組使用信息分析、操作和分發(fā)的技術(shù)以實(shí)現(xiàn)工業(yè)環(huán)境中更高的效率、有效性、可靠性和/或安全性。該期刊的范圍包括報(bào)告、定義、提供討論論壇，并向讀者介紹智能和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、機(jī)器人、工廠(chǎng)通信和自動(dòng)化、柔性制造、視覺(jué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理等方面的最新發(fā)展。收稿范圍包括但不限于生物工程、通信，網(wǎng)絡(luò)與廣播、元器件，電路，設(shè)備及系統(tǒng)、計(jì)算與處理、工程材料，電介質(zhì)與等離子體、場(chǎng)，波和電磁、地球科學(xué)、電力，能源及工業(yè)應(yīng)用、機(jī)器人與控制系統(tǒng)、信號(hào)處理與分析、交通運(yùn)輸。IEEE TII最新影響因子為10.215，JCR分區(qū)Q1。
研究背景
由于信息物理電力系統(tǒng)暴露在網(wǎng)絡(luò)攻擊下的漏洞，其網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注，尤其是面向虛假數(shù)據(jù)注入攻擊。在遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊后，及時(shí)恢復(fù)測(cè)量值和狀態(tài)的真實(shí)值，對(duì)于確保后續(xù)系統(tǒng)的控制和運(yùn)行至關(guān)重要。然而，現(xiàn)有研究大多關(guān)注于網(wǎng)絡(luò)攻擊的檢測(cè)方法，忽略了檢測(cè)后的數(shù)據(jù)恢復(fù)工作。
研究方法
文章中作者首次發(fā)現(xiàn)了一種被定義為測(cè)量數(shù)據(jù)慣性（MDI）的電力系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)象。與電力系統(tǒng)中眾所周知的慣量不同，該現(xiàn)象以測(cè)量數(shù)據(jù)為中心，從數(shù)學(xué)上描述了測(cè)量數(shù)據(jù)長(zhǎng)期有規(guī)律、平穩(wěn)地變化的過(guò)程。
圖1 電力系統(tǒng)量測(cè)數(shù)據(jù)慣性現(xiàn)象
作者利用該現(xiàn)象推導(dǎo)出遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊前量測(cè)數(shù)據(jù)的粗值，并進(jìn)一步考慮電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與約束條件，提出一種數(shù)據(jù)恢復(fù)優(yōu)化模型，以準(zhǔn)確恢復(fù)受攻擊前的測(cè)量數(shù)據(jù)與系統(tǒng)狀態(tài)。
圖2 電力系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)在攻擊前、遭受攻擊、粗糙恢復(fù)值與所提優(yōu)化模型恢復(fù)值的對(duì)比
圖3 電力系統(tǒng)狀態(tài)在攻擊前、遭受攻擊、粗糙恢復(fù)值與所提優(yōu)化模型恢復(fù)值的對(duì)比
此外，作者考慮到系統(tǒng)每個(gè)狀態(tài)具有不同變化規(guī)律，以常見(jiàn)誤差指標(biāo)如相對(duì)誤差（RE）評(píng)估恢復(fù)的數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生不公平對(duì)待，尤其是幅值接近于0的數(shù)據(jù)。因此，作者基于狀態(tài)運(yùn)行區(qū)間，提出一種區(qū)間誤差（IE）評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，以評(píng)估數(shù)據(jù)恢復(fù)質(zhì)量。
表1?數(shù)據(jù)恢復(fù)相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)對(duì)比結(jié)果
表2?數(shù)據(jù)恢復(fù)區(qū)間誤差統(tǒng)計(jì)對(duì)比結(jié)果
研究結(jié)論
此工作中作者提出了一種數(shù)據(jù)恢復(fù)方案以恢復(fù)被網(wǎng)絡(luò)攻擊污染的測(cè)量值和系統(tǒng)狀態(tài)。該方案利用發(fā)現(xiàn)的量測(cè)數(shù)據(jù)慣性效應(yīng)推導(dǎo)出攻擊前測(cè)量值的粗值，然后將這些粗值用于所提出的數(shù)據(jù)恢復(fù)優(yōu)化模型，以接近真正的攻擊前值。同時(shí)，利用預(yù)先確定的狀態(tài)邊界作為約束條件，顯示攻擊前狀態(tài)變量的正常波動(dòng)。一個(gè)稱(chēng)為區(qū)間誤差的錯(cuò)誤準(zhǔn)則也被提出用以評(píng)估所提恢復(fù)方案的性能。此外，所提恢復(fù)方案在IEEE 30節(jié)點(diǎn)測(cè)試基準(zhǔn)上進(jìn)行了廣泛綜合的評(píng)估。從數(shù)值結(jié)果來(lái)看，所提出的恢復(fù)方案可以準(zhǔn)確地恢復(fù)被污染的測(cè)量值和狀態(tài)到攻擊前的值，對(duì)網(wǎng)絡(luò)攻擊顯示出較高的恢復(fù)精度。同時(shí)，案例研究還表明，恢復(fù)過(guò)程所需的時(shí)間足夠短，不影響后續(xù)操作，從而確保所提出的方案是一種遭遇網(wǎng)絡(luò)攻擊后的及時(shí)恢復(fù)策略。
作者簡(jiǎn)介
香港中文大學(xué)（深圳）趙俊華教授和梁高琪教授為本文的共同通訊作者。
趙俊華教授分別于2003年和2007年在西安交通大學(xué)和澳大利亞昆士蘭大學(xué)獲得學(xué)士和博士學(xué)位。趙俊華教授是香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院副教授，深圳高等金融研究院能源市場(chǎng)與能源金融實(shí)驗(yàn)室主任，深圳人工智能與機(jī)器人研究院研究員，招商銀行總部特聘能源行業(yè)專(zhuān)家。長(zhǎng)期從事智能電網(wǎng)、能源經(jīng)濟(jì)、低碳轉(zhuǎn)型、人工智能等領(lǐng)域研究。在加入港中大（深圳）之前，他擔(dān)任澳大利亞紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)智能電網(wǎng)中心的高級(jí)講師，并兼任主任科學(xué)家。他已發(fā)表了120多篇學(xué)術(shù)論文，其中60多篇發(fā)表在國(guó)內(nèi)外的頂尖期刊上。他一次獲得浙江省自然科學(xué)獎(jiǎng)，兩次獲得湖南省科技進(jìn)步獎(jiǎng)，一次獲得中電聯(lián)“電力科技創(chuàng)新獎(jiǎng)”，2014年IEEE電力與能源大會(huì)最佳論文獎(jiǎng)，并4次獲得國(guó)家科學(xué)技術(shù)部“F5000”中國(guó)精品科技期刊頂尖學(xué)術(shù)論文獎(jiǎng)。2017年，因?qū)Π拇罄麃喣茉聪到y(tǒng)研究做出突出貢獻(xiàn)，趙俊華教授被澳大利亞達(dá)沃斯論壇（ADC Forum）授予了青年科學(xué)家獎(jiǎng)（Young Scientist of the Future）。2020-21年兩次被斯坦福大學(xué)與Mendeley Data評(píng)為“全球前2%頂尖科學(xué)家”；同時(shí)入選“終身科學(xué)影響力排行榜”和“年度科學(xué)影響力排行榜。他領(lǐng)導(dǎo)或參與了30多個(gè)重要的研究和工業(yè)項(xiàng)目，包括由澳大利亞政府資助的“智能電網(wǎng)，智能城市”大規(guī)模試點(diǎn)項(xiàng)目，由澳洲聯(lián)邦科學(xué)院（CSIRO）資助的兩個(gè)旗艦研究項(xiàng)目，國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等。先后參與了國(guó)內(nèi)多個(gè)電力市場(chǎng)的規(guī)則設(shè)計(jì)工作，其研究成果在工業(yè)界產(chǎn)生了重要影響，參與開(kāi)發(fā)的多個(gè)軟件產(chǎn)品先后應(yīng)用于紐約愛(ài)迪生公司、港燈集團(tuán)、廣東省能源集團(tuán)、中海油、大唐發(fā)電等大型能源企業(yè)。他是《IEEE Transactions on Network Science and Engineering》和《Energy Conversion and Economics》的編委會(huì)委員。
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梁高琪教授分別于2012年和2017年在華北電力大學(xué)和澳大利亞紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)獲得學(xué)士和博士學(xué)位，目前擔(dān)任香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院研究助理教授。發(fā)表學(xué)術(shù)論文34篇，目前，4篇文章入選“Essential Science Indicators（ESI）高被引文章”，Google scholar引用1900余次，h-index為10，i10-index為13。其研究興趣集中于智能電網(wǎng)信息物理安全、電力市場(chǎng)、碳市場(chǎng)等。參與撰寫(xiě)了《深圳市人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(shū)》與《粵港澳大灣區(qū)綠色發(fā)展藍(lán)皮書(shū)（2019）》；參與完成了IEEE Standards P2781 “負(fù)荷建模與仿真”標(biāo)準(zhǔn)的制定；參與開(kāi)發(fā)了國(guó)內(nèi)首套商用電力現(xiàn)貨市場(chǎng)仿真軟件平臺(tái)NEMS，并已成功應(yīng)用于廣東省能源集團(tuán)、中海油、大唐發(fā)電等大型能源企業(yè)。
本文第一作者：阮嘉祺
阮嘉祺2019年碩士畢業(yè)于深圳大學(xué)，同年加入香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院趙俊華科學(xué)團(tuán)隊(duì)攻讀博士學(xué)位。阮嘉祺的研究興趣包括智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全與需求響應(yīng)，取得一系列研究成果，已發(fā)表SCI論文四篇。
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