劉璐璐，賈俊強，蔣詩百，楊麗娜，馬占軍

（國網(wǎng)新疆電力有限公司信息通信公司，新疆烏魯木齊 830001）

配電終端是指整個配電開關(guān)監(jiān)控終端回路，由輸電網(wǎng)絡(luò)、供電裝置、傳輸線路等多個設(shè)備結(jié)構(gòu)共同組成。在實際應(yīng)用過程中，配電終端既負責(zé)調(diào)節(jié)電力元件兩端的負載電壓水平，也可以將傳輸電流的數(shù)值水平控制在既定范圍內(nèi)[1]。隨著配電終端網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積的增大，電力數(shù)據(jù)的輸出量也不斷增大。對于加密主機而言，配電終端數(shù)據(jù)輸出量的增大會導(dǎo)致密鑰文本的約束作用能力下降，從而造成數(shù)據(jù)加密耗時的大幅延長。

李春華[2]等提出了OFDM-PON 系統(tǒng)中的基于信道相位信息的動態(tài)加密方案。該加密方案只能定義靜態(tài)密鑰文本，雖然保障了加密設(shè)備對于同層傳輸數(shù)據(jù)的處理能力，但卻難以實現(xiàn)對分層傳輸信息的加密處理，這也是導(dǎo)致密文模板完善水平始終相對較低的主要原因。為解決上述問題，提出基于樸素貝葉斯的配電終端數(shù)據(jù)聯(lián)合分層加密算法。樸素貝葉斯是在貝葉斯定理特征條件的基礎(chǔ)上建立的獨立假設(shè)型分類方法，可以在決策樹組織的作用下，根據(jù)概率統(tǒng)計原則確定樣本數(shù)據(jù)的分類標(biāo)準(zhǔn)[3]。與其他類型的分類方法相比，樸素貝葉斯模型的誤判率更低，可以在保障樣本數(shù)據(jù)完整性的同時，建立多個樣本集合，一方面實現(xiàn)了對多類型數(shù)據(jù)信息的按需轉(zhuǎn)存，另一方面也可以避免非同類數(shù)據(jù)進入同一樣本存儲集合中。在運算過程中，樸素貝葉斯模型同時結(jié)合了先驗概率系數(shù)與后驗概率系數(shù)，能夠避免主觀偏見對于樣本數(shù)據(jù)分類結(jié)果造成的影響，既解決了樣本信息獨立使用而造成的過擬合問題，也使得樣本集合的完整性水平得到了保證[4]。

1 配電終端數(shù)據(jù)處理

配電終端數(shù)據(jù)處理以樸素貝葉斯模型和決策樹結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，并可以根據(jù)挖掘深度指標(biāo)的取值結(jié)果確定加密指令的執(zhí)行與傳輸速度。

1.1 樸素貝葉斯模型

處理配電終端數(shù)據(jù)時，樸素貝葉斯模型將明文樣本作為未被編碼的信息參量，將密文樣本作為完成編碼的信息參量，在不違背加密原則的情況下，明文樣本、密文樣本之間存在相互轉(zhuǎn)化的可能，且轉(zhuǎn)化規(guī)則的編碼形式始終受到樸素貝葉斯模型的直接約束[5-6]。規(guī)定表示配電終端數(shù)據(jù)的編碼特征，其定義表達式為：

其中，α表示信息參量標(biāo)記系數(shù)最小取值，n表示標(biāo)記系數(shù)最大取值，β表示編碼信息提取系數(shù)，iα表示基于系數(shù)α的密文樣本，in表示基于系數(shù)n的密文樣本。在式（1）的基礎(chǔ)上，設(shè)δ、ε表示兩個隨機選取的貝葉斯節(jié)點計數(shù)值，且δ≠ε的不等式條件恒成立，ΔU表示配電終端數(shù)據(jù)密文樣本的單位累積量，聯(lián)立上述物理量，可將樸素貝葉斯模型表達式定義為：

配電終端數(shù)據(jù)聯(lián)合分層加密處理需要樸素貝葉斯模型與決策樹組織的共同配合，故而在制定加密算法時，需要根據(jù)求解所得的模型表達式完善決策樹組織的具體連接形式。

1.2 決策樹

決策樹組織是實現(xiàn)配電終端數(shù)據(jù)聯(lián)合分層加密處理的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，決策樹組織的連接形式如圖1所示。

圖1 決策樹組織連接形式

密文數(shù)據(jù)樣本輸出量決定了決策樹組織對配電終端數(shù)據(jù)加密的處理能力[7]。在離散節(jié)點數(shù)量為e1，過渡節(jié)點數(shù)量為e2的情況下，可以將決策樹組織中的密文數(shù)據(jù)樣本輸出量求解結(jié)果表示為：

式中，η表示配電終端數(shù)據(jù)的加密有效率，γ表示密碼文本分層傳輸系數(shù)的初始賦值。在樸素貝葉斯模型作用下，密文數(shù)據(jù)樣本輸出量越大，表示決策樹組織對配電終端數(shù)據(jù)的加密處理能力越強[8]。

1.3 數(shù)據(jù)挖掘深度

數(shù)據(jù)挖掘深度也稱為加密指令的聯(lián)合執(zhí)行深度。在分層標(biāo)準(zhǔn)保持不變的情況下，樸素貝葉斯模型對于配電終端數(shù)據(jù)的編碼作用能力也保持不變，而由于決策樹組織的存在，待加密數(shù)據(jù)可以借助離散節(jié)點進入過渡節(jié)點，此時將挖掘深度指標(biāo)保持在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值區(qū)間之內(nèi)，可以保障主機元件對配電終端數(shù)據(jù)聯(lián)合分層加密處理能力[9-10]。設(shè)Amax表示配電終端數(shù)據(jù)在決策樹組織中的最大累積量，?表示數(shù)據(jù)挖掘系數(shù)，ι、κ表示兩個不為零的加密數(shù)據(jù)聯(lián)合度量值，sι表示度量值為ι時的密文信息分層標(biāo)準(zhǔn)，sκ表示度量值為κ時的密文信息分層標(biāo)準(zhǔn)，f表示基于樸素貝葉斯模型的數(shù)據(jù)樣本密鑰特征。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（3），可將配電終端數(shù)據(jù)挖掘深度表示為：

如果配電終端數(shù)據(jù)密文模板的編碼形式相同，那么這些數(shù)據(jù)樣本的挖掘深度值也相等。

2 聯(lián)合分層加密算法

2.1 數(shù)據(jù)分層標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)據(jù)分層標(biāo)準(zhǔn)是主機元件完成配電終端數(shù)據(jù)聯(lián)合分層加密處理的關(guān)鍵參考條件，根據(jù)密文樣本取值量的不同，分層標(biāo)準(zhǔn)的劃分規(guī)則也有所不同，在樸素貝葉斯模型的作用下，待加密的配電終端數(shù)據(jù)總量越多，分層標(biāo)準(zhǔn)的劃分規(guī)則越細致[11-12]。規(guī)定表示待加密配電終端數(shù)據(jù)的中位數(shù)，求解式為：

設(shè)λ表示配電終端數(shù)據(jù)聯(lián)合標(biāo)記系數(shù)，表示加密處理過程中的關(guān)鍵分層指標(biāo)，聯(lián)立式（5），可將數(shù)據(jù)分層標(biāo)準(zhǔn)表達式定義為：

推導(dǎo)數(shù)據(jù)分層標(biāo)準(zhǔn)表達式時，要求系數(shù)取值不能等于密碼文本分離系數(shù)的最小值與最大值。

2.2 密鑰創(chuàng)建

編碼密鑰的創(chuàng)建必須參考配電終端數(shù)據(jù)明文信息的當(dāng)前輸出量，在樸素貝葉斯模型的作用下，更改決策樹組織的連接形式，從而在適應(yīng)配電終端數(shù)據(jù)分層標(biāo)準(zhǔn)的同時，匹配數(shù)據(jù)樣本信息與密碼樣本[13-14]。設(shè)z表示配電終端數(shù)據(jù)的原碼系數(shù)，Cz表示原碼z的明文譯碼結(jié)果，μ表示明文編譯系數(shù)，聯(lián)立上述物理量，可將原碼編譯向量表示為：

聯(lián)立式（6）、式（7），可將基于樸素貝葉斯的配電終端數(shù)據(jù)密鑰表達式定義為：

其中，?表示配電終端數(shù)據(jù)的分層加密速率。為使密鑰文本能夠適應(yīng)配電終端數(shù)據(jù)的分層加密需求，要求系數(shù)?的取值必須大于自然數(shù)“1”。

2.3 加密系數(shù)

加密系數(shù)決定了主機元件對配電終端數(shù)據(jù)的處理能力。當(dāng)待加密信息保持分層傳輸狀態(tài)時，樸素貝葉斯模型對決策樹組織的約束作用能力會不斷減弱，不但會導(dǎo)致密鑰文本完整性的下降，還有可能造成配電終端數(shù)據(jù)大量堆積的問題。但在已知加密系數(shù)求解結(jié)果的基礎(chǔ)上，控制配電終端數(shù)據(jù)的輸出量水平，則能夠有效促進密鑰文本的分層傳輸能力，使得文本信息的完整性得到保障[15-16]。加密系數(shù)求解表達式為：

其中，ρ表示配電終端數(shù)據(jù)的聯(lián)合分布密度，m1、m2表示兩個不相等的密鑰文本轉(zhuǎn)碼系數(shù)。在配電終端數(shù)據(jù)聯(lián)合分層加密處理的過程中，加密系數(shù)求解結(jié)果大于零，表示數(shù)據(jù)信息傳輸方向為正，加密系數(shù)求解結(jié)果小于零，表示數(shù)據(jù)信息傳輸方向為負。

3 實驗分析

針對配電終端數(shù)據(jù)加密處理能力的驗證，可以對數(shù)據(jù)樣本加密耗時進行分析。在穩(wěn)定的配電終端運動環(huán)境中，數(shù)據(jù)樣本加密耗時影響密文模板的完整性，對于配電主機而言，若數(shù)據(jù)樣本總存儲量相對較大，實施加密處理時，如果樣本加密耗時較短，那么表示信息參量在加密主機與耗電設(shè)備之間的傳輸速率較快，單位時間內(nèi)數(shù)據(jù)樣本的傳輸量較大。由于待篩選數(shù)據(jù)較多，配電主機可以選擇更合適的信息參量用于定義密文模板，故而所得密文模板的完整性也就相對較高。

實驗過程中，首先搭建如圖2 所示的配電終端數(shù)據(jù)傳輸回路，利用560-TX PRO 設(shè)備對已輸出數(shù)據(jù)樣本進行聚合處理，再借助XT32 處理器去除不滿足實驗需求的樣本參量，完成上述處理步驟后，TR-A3設(shè)備再次聚合信息參量，并將這些數(shù)據(jù)反饋回配電終端主機，以供其進行后續(xù)的加密處理。

圖2 配電終端數(shù)據(jù)傳輸回路

利用基于樸素貝葉斯的配電終端數(shù)據(jù)聯(lián)合分層加密算法控制終端主機，在加密處理已篩選數(shù)據(jù)文本的過程中，記錄加密耗時的數(shù)值變化情況，所得數(shù)據(jù)為實驗組變量；再利用OFDM-PON 型加密方案控制終端主機，在加密處理已篩選數(shù)據(jù)文本的過程中，記錄加密耗時的數(shù)值變化情況，所得數(shù)據(jù)為對照組變量；對比實驗組、對照組變量數(shù)據(jù)，總結(jié)實驗規(guī)律。

實驗的樣本對象包含順序傳輸數(shù)據(jù)、逆序傳輸數(shù)據(jù)兩種。順序傳輸情況下，首次聚合的樣本總量大于二次聚合；逆序傳輸情況下，首次聚合的樣本總量小于二次聚合。

分別采用實驗組、對照組加密方法，得到配電終端數(shù)據(jù)加密耗時的具體數(shù)值對比結(jié)果，如圖3 所示。

圖3 配電終端數(shù)據(jù)加密耗時

1）順序數(shù)據(jù)傳輸：當(dāng)配電終端數(shù)據(jù)傳輸方向為順序時，數(shù)據(jù)加密耗時的均值水平相對較低，當(dāng)配電終端數(shù)據(jù)輸出量達到9×109MB 時，實驗組最大耗時結(jié)果為7.5 ms，對照組最大耗時結(jié)果為33.4 ms，二者差值為25.9 ms。

2）逆序數(shù)據(jù)傳輸：當(dāng)配電終端數(shù)據(jù)傳輸方向為逆序時，數(shù)據(jù)加密耗時的均值水平相對較高，當(dāng)配電終端數(shù)據(jù)輸出量達到9×109MB 時，實驗組最大耗時結(jié)果為27.3 ms，對照組最大耗時結(jié)果為53.3 ms，二者差值為26.0 ms。

整個實驗過程中，對照組配電終端數(shù)據(jù)加密耗時始終大于實驗組。

綜上可得實驗結(jié)論為：

1）OFDM-PON 型加密方案在處理配電終端數(shù)據(jù)時，所需的加密耗時相對較長，特別是當(dāng)數(shù)據(jù)信息傳輸方向為逆序時，該方法所需加密耗時超過了50 ms，不能有效解決密文模板完整性較差的問題。

2）基于樸素貝葉斯的加密算法可以較好地解決配電終端數(shù)據(jù)加密耗時過長的問題，當(dāng)數(shù)據(jù)信息傳輸方向為順向時，該方法所需加密耗時也不會超過30 ms，對于完善數(shù)據(jù)樣本密文模板能夠起到一定的促進性作用。

4 結(jié)束語

新型配電終端數(shù)據(jù)聯(lián)合分層加密算法以樸素貝葉斯模型為基礎(chǔ)，在計算數(shù)據(jù)挖掘深度的同時，建立完整的分層處理標(biāo)準(zhǔn)，再聯(lián)合密鑰文本，確定加密系數(shù)指標(biāo)的具體計算結(jié)果。與OFDM-PON 型加密方案相比，基于樸素貝葉斯模型的加密算法可以有效解決配電終端數(shù)據(jù)加密耗時過長的問題，對于完善密文模板起到了明顯的促進性作用。