CN108366047B - 基于博弈论的有源配电网数据安全高效传输优化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于博弈论的有源配电网数据安全高效传输优化方法，方法包括：基于有源配电网数据传输的安全性和高效性，构建多目标多约束条件的优化函数；根据监测的有源配电网的传输数据，判断是否采用博弈论模型进行传输优化；将优化函数中的安全性和高效性视为博弈中的两个参与者，确定安全性和高效性的策略集，及定义效用函数以建立博弈论模型；参与者在各自的策略集中选择策略，并利用效用函数计算，根据计算结果判断是否达到纳什均衡解，通过迭代，直到求得当前最优纳什均衡解即为达到终止条件的最终纳什均衡解；将所求得最终纳什均衡解应用，以达到传输所需的快速性和安全性。本发明可有效解决有源配电网数据传输的安全高效性问题。

Description

基于博弈论的有源配电网数据安全高效传输优化方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于博弈论的有源配电网数据安全高效传输优化方法及装置，属于电力信息安全的技术领域。

背景技术

随着无线通信、物联网等先进信息通信技术在有源配电网中的大量应用，整个有源配电网面临来自互联网的病毒、木马与黑客攻击的威胁日趋严重，同时来自信息通信网络内部的恶意攻击也可能使得整个有源配电网的控制网络崩溃。而现有的电力二次***安全防护方案中并没有考虑有源配电网信息通信网络内部以及与外部交互时的安全防护问题，特别是随着坚强智能电网不断深入建设，有源配电网具有更加复杂的接入环境、灵活多样的接入方式(如GPRS、WiFi以及光纤通信等)、数量庞大的智能接入终端(如各类分布式能源的信息采集终端、配电设备和线路运行状态监测终端等)和动态分布的海量接入数据。因此，保证传输过程中有源配电网大数据的安全性和高效性，对提高传输速度、减小数据存储空间以及降低数据传输安全风险等方面都具有十分重要的意义。

配电网***中针对数据传输现有的安全防护基本停留在数据加密、访问控制、授权等方面，单纯依靠这些安全手段难以满足有源配电网下多源海量数据传输的安全高效性。传统的数据传输方案为了保证安全性，通常增加加密等安全措施，而这些措施会加大传输端的计算耗时和待传输的数据量，因此需要牺牲部分高效性。也即安全性越高，安全措施越到位，其传输的高效性必将受影响，两者相互博弈，无法兼顾，难以平衡。因此，有必要从有源配电网数据传输安全性和高效性的角度构建多目标多约束的优化模型，寻找两者之间最优的平衡关系。当智能电网***与用户互动时这种问题尤为突出，当一些大型的企业用户需要查询自己过去或者现在的用电情况时，由于数据量较大，而且智能电网与用户交互间有过多的安全保护措施，所以导致传输数据时较慢，给用户带来较差的体验，这是一个需要解决的问题。

有源配电网数据安全高效传输主要需考虑俩个方面的问题：(1)如何保证有源配电网数据在于外部交互时保证传输的安全性。(2)在保证有源配电网数据传输过程中安全性的同时保证传输的高效性，即传输速度不会因为安全措施的施加而受到太大的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于博弈论的有源配电网数据安全高效传输优化方法及装置，用来解决有源配电网环境下的数据安全高效传输问题，本发明是一种策略性方法，通过使用本方法可以使得有源配电网数据实现既安全又高效的传输。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

基于博弈论的有源配电网数据安全高效传输优化方法，包括以下步骤：

基于有源配电网数据传输的安全性和高效性，构建多目标多约束条件的优化函数；

根据监测的有源配电网的传输数据，判断是否采用博弈论模型进行传输优化；

当判断需要采用博弈论模型优化时，将优化函数中的安全性和高效性视为博弈中的两个参与者，确定论模型中安全性和高效性的策略集，并且定义高效性的效用函数和安全性的效用函数，以建立博弈论模型；

所述博弈中两个参与者在各自的策略集中选择策略，并各自根据所选的策略利用效用函数进行计算，根据计算结果判断是否达到纳什均衡解，如果达到则和终止条件进行比对，当达到终止条件时则结束迭代；当没有达到终止条件时则继续选择策略，并计算效用值，求得下一个更优的纳什均衡解，直到求得当前最优纳什均衡解即为达到终止条件的最终纳什均衡解；

将所求得最终纳什均衡解应用到有源配电网的数据传输中，以达到传输所需的快速性和安全性。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法中构建多目标多约束条件的优化函数为：

s.t.R(x_i)≥0

ρ(x_i)≥0

其中x_i表示第i个影响有源配电网数据传输的安全风险，R(x_i)表示第i个风险对应的风险值，ρ(x_i)表示在第i个安全风险影响下的数据传输效率，表示影响有源配电网数据传输安全风险值最小，表示有源配电网数据传输效率最大。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法还包括建立数据传输知识规则库，将监测的有源配电网的传输数据输入数据传输知识规则库进行判断是否采用博弈论模型进行传输优化。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法中终止条件包括设立的终止函数，具体为：

其中，E_i为高效性E的终止函数；S_i为安全性S的终止函数；P_i和V_i和V_i分别为求解出的当前纳什均衡解；P₀表示数据传输时达到***所能承受的最高攻击值；V₀为数据传输时能达到用户需求的最低速率。

基于博弈论的有源配电网数据安全高效传输优化装置，包括：

数据传输监视器，用于监测的有源配电网的传输数据，并据此判断是否采用博弈论模型进行传输优化；

模型生成器，用于基于有源配电网数据传输的安全性和高效性构建多目标多约束条件的优化函数；且当判断需要采用博弈论模型优化时，将优化函数中的安全性和高效性视为博弈中的两个参与者，确定论模型中安全性和高效性的策略集，及定义高效性的效用函数和安全性的效用函数，以建立博弈论模型；

算法终止器，用于根据所述博弈中两个参与者在各自的策略集中选择策略，并各自根据所选的策略利用效用函数进行计算，根据计算结果判断是否达到纳什均衡解，如果达到则和终止条件进行比对，当达到终止条件时则结束迭代；当没有达到终止条件时则继续选择策略，并计算效用值，求得下一个更优的纳什均衡解，直到求得当前最优纳什均衡解即为达到终止条件的最终纳什均衡解；

数据传输操作核心，用于将所求得最终纳什均衡解应用到有源配电网的数据传输中，以达到传输所需的快速性和安全性。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明基于博弈论的有源配电网数据安全高效传输优化方法及装置，是针对有源配电网下复杂网络的传输环境下数据能够更加高效安全传输的保障机制。了确保有源配电网的数据在传输过程中的安全性和高效性，通过数据监视器时时刻刻检测当前网络状况，并对是否需要利用该博弈模型算法进行判断，一旦需要模型生成器便生成该博弈模型，并利用该模型解决数据传输过程的高效性和安全性的矛盾问题，当模型解除最优方案时便可将其应用到当前传输过程中。

本方法是一种策略性的方法，通过建立博弈论模型用以解决有源配电网数据安全和高效传输的优化问题，从而解决了有源配电网数据传输的安全高效性问题。

附图说明

图1为本发明基于博弈论的有源配电网数据安全高效传输优化方法的流程示意图。

图2为本发明基于博弈论的有源配电网数据安全高效传输优化装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

如图1所示本发明设计了一种基于博弈论的有源配电网数据安全高效传输优化方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：基于有源配电网数据传输的安全性和高效性构建一个多目标多约束条件的优化函数：

s.t.R(x_i)≥0

ρ(x_i)≥0

其中x_i表示第i个影响有源配电网数据传输的安全风险，R(x_i)表示第i个风险对应的风险值，ρ(x_i)表示在第i个安全风险影响下的数据传输效率，表示影响有源配电网数据传输安全风险值最小，表示有源配电网数据传输效率最大，转到步骤二。

步骤二：不断监测数据传输过程，获得监测的有源配电网的传输数据，并根据当前传输的状态，判断是否采用博弈论模型进行传输优化，一旦达到使用该模型的状态，则进入步骤三进行建模。

该过程，优选地还包括建立数据传输知识规则库，将监测的有源配电网的传输数据输入数据传输知识规则库进行判断是否采用博弈论模型进行传输优化。

步骤三：建立博弈论模型用于解决步骤一中有源配电网数据传输的安全性和高效性的优化问题，将优化函数中的安全性和高效性视为博弈中的两个参与者，设安全性为S,高效性为E，转到步骤四。

步骤四：高效性E的策略集设为Se＝(e₁,e₂...e_n)，其中e_i为高效性E可选择的策略以提高传输速率，其中i∈(1,2...n)；安全性S的策略集设为Ss＝(s₁,s₂...s_n)，其中s_j为安全性S可选择的策略以降低对当前的攻击能力，其中j∈(1,2...n)转到步骤五。

步骤五：定义E高效性的效用函数为其中V_正表示正常传输时，即没有安全风险时传输的速率，V(e_i)为关于策略e_i的速度函数，V₀为数据传输时能达到用S^s＝(s₁,s₂,...s_n)户需求的最低速率，转到步骤六。

步骤六：定义S安全性的效用函数为其中S_当表示当前网络传输环境下***受到的攻击值，S(s_i)为关于策略s_i的攻击值函数，S₀表示数据传输时达到***所能承受的最高攻击值，转到步骤七。

步骤七:所述博弈中两个参与者在策略集中选择各自的策略，并各自根据所选的策略利用效用函数进行计算，根据计算结果判断是否达到纳什均衡解；是则转到步骤九，否则继续步骤八。

步骤八：首先对终止条件中定义终止函数为终止函数为该算法结束的条件，其中P_i和V_i分别为求解出的当前纳什均衡解，即为步骤一中多目标多约束优化函数求解出最优纳什均衡解，转到步骤十。

步骤九：当达到纳什均衡解后，继续向下计算，计算当前的纳什均衡解是否达到更优的纳什均衡解；是则跳到步骤十，否则还原到当前***最优的纳什均衡解，并转回步骤八。

步骤十：查看是否达到***的终止函数，如果达到则迭代结束并终止算法，则将所求的纳什均衡解应用到数据传输的过程中，否则转回步骤九。

步骤十一：循环上述步骤八操作至步骤十，直到达到终止条件为止,最后求得的终止条件下的纳什均衡解即为最后求得的最优纳什均衡解。

通过上述优化过程，求解出最优解，迭代的过程就是为了找到满足终止条件即当前网络状态下客户对数据传输的要求，以达到传输所需的快速性和安全性。

基于上述方法，本发明还提出一种基于博弈论的有源配电网数据安全高效传输优化装置，如图2所示，它主要包括四个部分：数据传输监视器，模型生成器，算法终止器，数据传输操作核心。图中的数据传输操作核心包括了在数据在传输时，对数据进行安全高效传输所需的所有具体操作。本发明增加了其它的部分并不影响对数据本身的传输，只是保证数据传输更加安全有效地进行。

数据传输监视器，主要用于有源配电网下的数据传输主要由实时不间断采集的数据通过无线公网传输和汇聚后通过专用光纤方式传输至后台主站***进行分析两种情况。当采集得到的数据需要通过无线公网进行传输时，便需要同时考虑到安全性和高效性的问题，需要检测当前的网络状态是否有存在被攻击的情况或者属于正常传输的状态，当网络状态正常时便可以以原有的传输方式进行数据的传输，如果当前网络状态存在不安全的情况时，便需要运用本申请的博弈模型进行数据传输的优化，以达到数据传输所要求的高效和安全。有源配电网环境下的数据是否需要启动该机制使用该传输优化方法来进行更加高效和安全的传输分别取决于该数据在传输过程中是否发生各种泄露行为和取决于传输的速率是否满足后台分析***对传输速率的需求。为了及时判断出当前有源配电网环境下的各类数据是否需要使用该方法，在本方法中，建立一个数据传输知识规则库，把当前反映待传输的数据是否需要进行安全防护和优化其传输速率的条件输入到数据传输知识规则库中，用户定时探测网络中数据传输的状态情况以及数据资源的传输安全与否和传输速率情况，然后查询数据传输知识规则库来判断当前数据传输是否需要使用该方法进行对数据传输过程的优化。

模型生成器：主要用于生成该博弈论模型，其中包括生成博弈者S和E，和博弈者所需要选择的策略集S^E和S^S，效用函数用来计算博弈者的效用值，和最终的终止条件即优化函数的最优解本算法将原组合优化问题的解空间映射到双人博弈的策略组合空间,通过理性主体的效用最大化行为达到一个纳什均衡解。

本发明中将纳什均衡状态下的问题解称为纳什均衡解。如果求解的当前纳什均衡解优于上一回合寻找到的纳什均衡解，则更新，否则舍弃该解。通过上述的过程最终到达全局最优解。

(1)将高效性E和安全性S作为该博弈模型的俩个博弈者；

(2)将高效性E的策略集设为S^e＝(e₁,e₂,...e_n)，其中e_i为高效性E可选择的策略以提高传输速率，其中i∈(1,2...n)；安全性S的策略集设为S^s＝(s₁,s₂,...s_n)，其中s_j为安全性S可选择的策略以降低对当前的攻击能力，其中j∈(1,2...n)。

(3)定义E高效性的效用函数为其中V_正表示正常传输时，即没有安全风险时传输的速率，V(e_i)为关于策略e_i的速度函数，V₀为数据传输时能达到用户需求的最低速率；定义S安全性的效用函数为其中S_当表示当前网络传输环境下***受到的攻击值，S(s_i)为关于策略s_i的攻击值函数，S₀表示数据传输时达到***所能承受的最高攻击值。

算法终止器：主要用于当该博弈论模型初始化完成后，就进行该算法的迭代计算，博弈者从策略集中选择策略，然后根据效用函数计算该策略下的效用值，并判断当前所求效用值是否达到第一个纳什均衡解，当得到第一个均衡解后，继续在策略集中选择策略，计算效用值，求得下个均衡解，并判断是否达到算法的终止条件，如果没有便返回之前的***当前纳什最优解，向下继续计算纳什均衡解，直到达到终止条件，终止算法。

从算法的描述过程可知，该算法可以看作一个纳什均衡解空间中的随机过程。并且由于下一个纳什均衡解建立在前一个纳什均衡解的基础上，将来状态的条件概率分布仅仅依靠于当前状态。也就是说,给定当前状态,将来状态与过去状态条件独立。所以该演化过程是一个具有马尔科夫性质的离散时间随机过程。

(1)利用数据传输监视器检测当前网络传输状态的情况，如果没有达到需要动用该模型时，便正常传输；但当检测到***需要利用本方法时，便开始进行算法的迭代计算。

(2)计算P_当，P_当为当前传输状态下的***的被攻击值，给定当前***在正常传输数据时的速度V_正。

(3)所述俩个博弈者从策略集中选择策略，根据各自的效用函数和计算当前策略下的效用值，并检查是否得到纳什均衡解。其中V_正表示正常传输时，即没有安全风险时传输的速率，V(e_i)为关于策略e_i的速度函数，V₀为数据传输时能达到用户需求的最低速率；S_当表示当前网络传输环境下***受到的攻击值，S(s_i)为关于策略s_i的攻击值函数，S₀表示数据传输时达到***所能承受的最高攻击值。

(4)如果当达到纳什均衡解后，继续向下计算，计算是否达到更优的纳什均衡解，是则检查是否达到了终止函数的需求，如果达到了就终止该算法，否则还原到当前***最优的纳什均衡解，并向下继续寻找下一个纳什均衡，直到达到***的最终终止条件，终止算法。

数据传输操作核心：主要用于将所求得最终纳什均衡解应用到有源配电网的数据传输中，以达到传输所需的快速性和安全性。在原本正常进行的数据传输过程中，同样需要对数据传输过程进行监控，数据传输操作核心起到的就是这种保证传输过程能够顺利的进行，也同时保证了不需要此模型时数据传输的过程中的高效和安全。

为了验证本发明能够有效实现有源配电网数据安全和高效传输的优化问题，特列举出如下应用实例。

由于有源配电网中的数据具有数据量大、数据接入用户不可控、电网外部信息接入多样化和用户隐私安全风险严重等信息安全特点。假设一个企业这时需要查询自己过去一年的用电情况与状态，这时它便需要登录自己的账户，从电网***中下载自己去年到现在的用电情况，这时便采用该博弈论模型，根据当前网络环境的状态，进行数据传输的高效安全选择，最后达到既安全又高效的传输效果。

其具体的实施方案为：

(1)对当前传输的网络状态进行监控，针对不同的网络状况，进行当前博弈论模型的建模，对算法所需要的几个部分进行初始化，如博弈者安全性S和博弈者高效性E，俩个博弈者各自的策略集，效用函数，根据策略集所得出的当前***状态集合θ等。

(2)初始化建模结束后，便进行算法的迭代计算，俩个博弈者选择自己的策略，并根据效用函数计算各自的效用函数，直到达到第一个纳什均衡为止，检查是否达到了算法结束的终止条件，如果达到最优解便结束当前算法，使用算法求得的结果作为传输的方法；如果没有达到算法的终止条件，便继续当前算法，求得下一个纳什均衡，一次一次的计算下次去直到达到算法终止的最终条件。

(3)在该算法求解出最优解的时候，便利用该结果进行数据当前的传输。通过本发明的方法很好的实现了有源配电网数据安全和高效传输的优化。

综上，本发明通过建立博弈论模型用以解决有源配电网数据安全和高效传输的优化问题，从而解决了有源配电网数据传输的安全高效性问题。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (3)

1.基于博弈论的有源配电网数据安全高效传输优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于有源配电网数据传输的安全性和高效性，构建多目标多约束条件的优化函数为：

s.t.R(x_i)≥0

ρ(x_i)≥0

其中，表示影响有源配电网数据传输安全风险值最小，表示有源配电网数据传输效率最大；x_i表示第i个影响有源配电网数据传输的安全风险，R(x_i)表示第i个风险对应的风险值，ρ(x_i)表示在第i个安全风险影响下的数据传输效率；

根据监测的有源配电网的传输数据，判断是否采用博弈论模型进行传输优化；

当判断需要采用博弈论模型优化时，将优化函数中的安全性和高效性视为博弈中的两个参与者，确定博弈论模型中安全性和高效性的策略集，并且定义高效性的效用函数和安全性的效用函数，以建立博弈论模型；

所述博弈中两个参与者在各自的策略集中选择策略，并各自根据所选的策略利用效用函数进行计算，根据计算结果判断是否达到纳什均衡解，如果达到则和终止条件进行比对，当达到终止条件时则结束迭代；当没有达到终止条件时则继续选择策略，并计算效用值，求得下一个更优的纳什均衡解，直到求得当前最优纳什均衡解即为达到终止条件的最终纳什均衡解；其中，终止条件包括设立终止函数，具体为：

公式中，E_i为高效性E的终止函数；S_i为安全性S的终止函数；P_i和V_i分别为求解出的当前纳什均衡解；P₀表示数据传输时达到***所能承受的最高攻击值；V₀为数据传输时能达到用户需求的最低速率；

将所求得最终纳什均衡解应用到有源配电网的数据传输中，以达到传输所需的快速性和安全性。

2.根据权利要求1所述基于博弈论的有源配电网数据安全高效传输优化方法，其特征在于：所述方法还包括建立数据传输知识规则库，将监测的有源配电网的传输数据输入数据传输知识规则库进行判断是否采用博弈论模型进行传输优化。

3.基于博弈论的有源配电网数据安全高效传输优化装置，其特征在于，包括：

数据传输监视器，用于监测的有源配电网的传输数据，并据此判断是否采用博弈论模型进行传输优化；

模型生成器，用于基于有源配电网数据传输的安全性和高效性构建多目标多约束条件的优化函数，且当判断需要建采用博弈论模型优化时，将优化函数中的安全性和高效性视为博弈中的两个参与者，确定论模型中安全性和高效性的策略集，及定义高效性的效用函数和安全性的效用函数，以建立博弈论模型；其中，优化函数具体为：

s.t.R(x_i)≥0

ρ(x_i)≥0

公式中，表示影响有源配电网数据传输安全风险值最小，表示有源配电网数据传输效率最大；x_i表示第i个影响有源配电网数据传输的安全风险，R(x_i)表示第i个风险对应的风险值，ρ(x_i)表示在第i个安全风险影响下的数据传输效率；

算法终止器，用于根据所述博弈中两个参与者在各自的策略集中选择策略，并各自根据所选的策略利用效用函数进行计算，根据计算结果判断是否达到纳什均衡解，及在达到纳什均衡解时将其和终止条件进行比对，当达到终止条件时则结束迭代；当没有达到终止条件时则继续选择策略，并计算效用值，求得下一个更优的纳什均衡解，直到求得当前最优纳什均衡解即为达到终止条件的最终纳什均衡解；其中，终止条件包括设立终止函数，具体为：

公式中，E_i为高效性E的终止函数；S_i为安全性S的终止函数；P_i和V_i分别为求解出的当前纳什均衡解；P₀表示数据传输时达到***所能承受的最高攻击值；V₀为数据传输时能达到用户需求的最低速率；

数据传输操作核心，用于将所求得最终纳什均衡解应用到有源配电网的数据传输中，以达到传输所需的快速性和安全性。