本發(fā)明涉及信息安全，尤其涉及一種智能電網(wǎng)環(huán)境下的圖像加密系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展和數(shù)字化轉(zhuǎn)型，海量的視覺(jué)傳感設(shè)備（如監(jiān)控?cái)z像頭、無(wú)人機(jī)、巡檢機(jī)器人）被廣泛部署于輸電、變電、配電等各個(gè)環(huán)節(jié)，用于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷和環(huán)境感知。這些設(shè)備產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)，不僅包含了電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，更可能涉及關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和潛在安全漏洞，具有極高的敏感性和價(jià)值。因此，如何保證這些圖像數(shù)據(jù)在采集、傳輸和存儲(chǔ)過(guò)程中的機(jī)密性、完整性和可用性，已成為智能電網(wǎng)安全防護(hù)體系中的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，針對(duì)圖像數(shù)據(jù)的加密與安全傳輸方案主要存在以下不足：

3、靜態(tài)與通用化的加密策略：大多數(shù)方案采用標(biāo)準(zhǔn)的、靜態(tài)的加密算法（如aes、des）和固定的密鑰。這種模式無(wú)法適應(yīng)智能電網(wǎng)中高度異構(gòu)化的設(shè)備環(huán)境。例如，對(duì)算力受限的前端攝像頭使用與中心服務(wù)器同樣復(fù)雜的加密算法，會(huì)極大地消耗其計(jì)算資源并增加處理時(shí)延；反之，若統(tǒng)一采用輕量級(jí)算法，則無(wú)法保證核心故障圖像在傳輸過(guò)程中的安全性。這種缺乏內(nèi)容敏感性和設(shè)備感知性的加密策略，導(dǎo)致了安全性與效率之間的嚴(yán)重失衡。

4、密鑰管理的脆弱性：傳統(tǒng)的密鑰管理方案通常依賴(lài)于預(yù)置密鑰或集中的密鑰分發(fā)中心。這種方式下，密鑰一旦在存儲(chǔ)或傳輸過(guò)程中被泄露，整個(gè)系統(tǒng)的安全便岌岌可危。此外，密鑰的生成過(guò)程與其所保護(hù)的設(shè)備實(shí)體、以及所處的業(yè)務(wù)環(huán)境狀態(tài)（如電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)）完全脫鉤，使得密鑰本身缺乏動(dòng)態(tài)性和情境關(guān)聯(lián)性，更容易被預(yù)測(cè)和攻擊。

5、對(duì)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)涞倪m應(yīng)性不足：智能電網(wǎng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)演化的網(wǎng)絡(luò)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)樵O(shè)備檢修、分布式能源（如光伏、風(fēng)電）的并網(wǎng)/離網(wǎng)、線路故障等因素而頻繁變化?，F(xiàn)有的加密傳輸方案通?；陟o態(tài)的、預(yù)設(shè)的路由，缺乏對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓膶?shí)時(shí)感知能力。當(dāng)關(guān)鍵通信鏈路發(fā)生擁堵或中斷時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法智能地、動(dòng)態(tài)地調(diào)整加密資源的分配和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)，可能導(dǎo)致重要故障圖像的傳輸延遲或失敗。

6、在復(fù)雜信道下的魯棒性欠缺：智能電網(wǎng)的通信環(huán)境復(fù)雜，尤其是在戶(hù)外和高壓環(huán)境下，無(wú)線信道常常受到強(qiáng)電磁干擾、信號(hào)衰落等影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生誤碼或丟包。傳統(tǒng)的加密算法本身不具備糾錯(cuò)能力，一旦密文在傳輸中出現(xiàn)哪怕一位的錯(cuò)誤，通常會(huì)導(dǎo)致整個(gè)數(shù)據(jù)塊解密失敗，圖像信息完全丟失，系統(tǒng)的可用性大打折扣。

7、因此，如何提供一種能夠根據(jù)圖像內(nèi)容、設(shè)備算力、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜托诺蕾|(zhì)量，進(jìn)行全鏈路、自適應(yīng)調(diào)整的智能化圖像加密與安全傳輸方案，是本領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的加密策略靜態(tài)、密鑰管理脆弱、無(wú)法適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)湟约霸趶?fù)雜信道下魯棒性欠缺等問(wèn)題中的至少一個(gè)。

2、本發(fā)明提供一種智能電網(wǎng)環(huán)境下的圖像加密系統(tǒng)，其特征在于，包括：

3、至少一個(gè)終端設(shè)備，所述終端設(shè)備包括：圖像采集單元，用于獲取電網(wǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)圖像；動(dòng)態(tài)密鑰生成單元，用于利用該終端設(shè)備的物理不可克隆特征與該終端設(shè)備關(guān)聯(lián)的電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)，通過(guò)超混沌系統(tǒng)生成動(dòng)態(tài)會(huì)話密鑰；以及分層加密單元，用于分析所述實(shí)時(shí)圖像并利用所述動(dòng)態(tài)會(huì)話密鑰對(duì)其執(zhí)行分層加密；至少一個(gè)邊緣設(shè)備，所述邊緣設(shè)備包括：數(shù)據(jù)接收與預(yù)處理單元，用于接收來(lái)自所述終端設(shè)備的加密數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換與完整性校驗(yàn)；以及協(xié)同加密單元，用于對(duì)接收到的加密數(shù)據(jù)中的高復(fù)雜度區(qū)域，執(zhí)行增強(qiáng)加密；以及，一個(gè)中心設(shè)備，所述中心設(shè)備包括：全局密鑰管理單元，用于生成并向所述終端設(shè)備和邊緣設(shè)備分發(fā)主密鑰；以及解密還原單元，用于對(duì)接收自所述邊緣設(shè)備的加密數(shù)據(jù)進(jìn)行解密與還原。

4、可選地，所述動(dòng)態(tài)密鑰生成單元被進(jìn)一步配置為：將所述物理不可克隆特征經(jīng)哈希處理后，作為所述超混沌系統(tǒng)的初始狀態(tài)值；并將實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)量化為一個(gè)負(fù)荷波動(dòng)因子，以動(dòng)態(tài)調(diào)制所述超混沌系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)。

5、可選地，所述中心設(shè)備還被配置為執(zhí)行以下動(dòng)作：分析所述解密還原單元輸出的數(shù)據(jù)，以識(shí)別電網(wǎng)的潛在運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)；并基于所述潛在運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，生成并下發(fā)調(diào)度指令或安全預(yù)警。

6、可選地，所述系統(tǒng)還包括一個(gè)區(qū)塊鏈存證模塊，該模塊被配置為：捕獲所述分層加密、增強(qiáng)加密及解密還原過(guò)程中的關(guān)鍵操作；并將所述關(guān)鍵操作記錄到一分布式賬本上。

7、可選地，所述分層加密單元被進(jìn)一步配置為執(zhí)行以下動(dòng)作：計(jì)算所述實(shí)時(shí)圖像中每個(gè)圖像塊的梯度熵值；將所述梯度熵值大于預(yù)設(shè)閾值的圖像塊判定為高復(fù)雜度區(qū)域；并采用第一加密策略加密所述高復(fù)雜度區(qū)域，采用與所述第一加密策略不同的第二加密策略加密非高復(fù)雜度區(qū)域。

8、可選地，所述系統(tǒng)還包括一個(gè)拓?fù)涓兄獋鬏斈K，該模塊被配置為：構(gòu)建并動(dòng)態(tài)更新表征當(dāng)前智能電網(wǎng)的拓?fù)鋱D；將所述拓?fù)鋱D輸入至圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，以計(jì)算出各條數(shù)據(jù)傳輸鏈路的優(yōu)先級(jí)；并根據(jù)所述優(yōu)先級(jí)調(diào)度所述終端設(shè)備與邊緣設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。

9、可選地，所述協(xié)同加密單元被進(jìn)一步配置為，采用一種混合加密算法對(duì)所述高復(fù)雜度區(qū)域執(zhí)行所述增強(qiáng)加密，該混合加密算法包括：利用超混沌系統(tǒng)對(duì)所述高復(fù)雜度區(qū)域進(jìn)行像素置亂；并進(jìn)一步利用aes算法對(duì)置亂后的像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行加密。

10、可選地，所述邊緣設(shè)備還包括一個(gè)低密度奇偶校驗(yàn)碼編碼單元，用于在數(shù)據(jù)發(fā)送前對(duì)其進(jìn)行編碼；所述中心設(shè)備中的解密還原單元還包括一個(gè)低密度奇偶校驗(yàn)碼解碼單元，該解碼單元被進(jìn)一步配置為：監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸信道的信道質(zhì)量參數(shù)；并根據(jù)所述信道質(zhì)量參數(shù)，自適應(yīng)地調(diào)整其解碼與糾錯(cuò)策略。

11、可選地，所述低密度奇偶校驗(yàn)碼解碼單元自適應(yīng)地調(diào)整其解碼策略包括：當(dāng)所述信道質(zhì)量參數(shù)指示信道質(zhì)量下降并超過(guò)一預(yù)設(shè)閾值時(shí)，增加用于解密的超混沌系統(tǒng)的迭代次數(shù)，和/或增加低密度奇偶校驗(yàn)碼解碼的迭代次數(shù)。

12、可選地，所述中心設(shè)備還包括一個(gè)聯(lián)邦學(xué)習(xí)中心模塊，該模塊被配置為：聚合來(lái)自多個(gè)所述邊緣設(shè)備的加密模型參數(shù)更新；在本地訓(xùn)練一個(gè)全局優(yōu)化模型；并將優(yōu)化后的模型參數(shù)下發(fā)至各邊緣設(shè)備。

13、本發(fā)明的另一方面還提供了一種智能電網(wǎng)環(huán)境下的圖像加密方法，該方法包括由前述任一系統(tǒng)方案執(zhí)行的、與各單元或模塊的功能相對(duì)應(yīng)的加密、傳輸及解密步驟。

14、具體而言，本發(fā)明通過(guò)提供一種“端-邊-云”協(xié)同的、全鏈路自適應(yīng)的圖像加密安全體系，將加密策略與設(shè)備物理特征、業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)浼靶诺纻鬏斮|(zhì)量深度耦合。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明能夠在保證高級(jí)別安全性的同時(shí)，兼顧異構(gòu)設(shè)備的計(jì)算效率和復(fù)雜信道下的傳輸魯棒性，顯著提升了智能電網(wǎng)環(huán)境下關(guān)鍵圖像數(shù)據(jù)安全防護(hù)的智能化水平和綜合性能。

15、為了更直觀地展示本發(fā)明的工作流程，以下提供一個(gè)簡(jiǎn)化的算法流程實(shí)例。

16、在一個(gè)具體的場(chǎng)景中，當(dāng)一個(gè)id為t-001的終端設(shè)備采集到包含設(shè)備故障的圖像時(shí)：1.動(dòng)態(tài)密鑰生成：該設(shè)備提取其唯一的puf特征“a1b2c3d4”，并感知到當(dāng)前負(fù)荷波動(dòng)因子為2.3?；趐uf特征和當(dāng)前負(fù)荷波動(dòng)因子這兩個(gè)實(shí)時(shí)參數(shù)，其內(nèi)部的超混沌系統(tǒng)被動(dòng)態(tài)配置，并迭代1000次以生成一個(gè)256位的動(dòng)態(tài)會(huì)話密鑰。2.分層加密與協(xié)同增強(qiáng)加密：該設(shè)備將圖像分塊，并計(jì)算出包含故障點(diǎn)的圖像塊，該圖像塊的梯度熵大于預(yù)設(shè)閾值4.0，從而判定其為高復(fù)雜度區(qū)域。隨即，終端設(shè)備對(duì)該區(qū)域執(zhí)行一次強(qiáng)加密（strongencryption），具體可采用chaos-speck算法（一種將混沌置亂與speck算法級(jí)聯(lián)的加密方案）。數(shù)據(jù)傳輸至邊緣設(shè)備后，該已被強(qiáng)加密的高復(fù)雜度區(qū)域，會(huì)再次被執(zhí)行一次增強(qiáng)加密（enhancedencryption），該增強(qiáng)加密是指在已有加密層之上的二次加密，具體可采用hyperchaos-aes算法（一種將四維超混沌置亂與aes算法級(jí)聯(lián)的混合加密方案）。3.拓?fù)涓兄獋鬏敚号c此同時(shí)，中心設(shè)備的gnn模型判定承載該故障圖像數(shù)據(jù)的核心鏈路其傳輸優(yōu)先級(jí)為0.95，并據(jù)此為其分配了更高的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源和更頻繁的密鑰更新策略。4.抗干擾與自適應(yīng)解密：數(shù)據(jù)在傳輸中受到干擾，信道誤碼率（ber）上升至8%。5.執(zhí)行自適應(yīng)的解碼與還原：中心設(shè)備的解密還原單元在檢測(cè)到此情況后，會(huì)觸發(fā)自適應(yīng)解密機(jī)制，自動(dòng)將用于解密的超混沌系統(tǒng)的迭代次數(shù)從常規(guī)的1000次增加至1200次，并執(zhí)行50次低密度奇偶校驗(yàn)碼解碼迭代，最終成功將圖像清晰度恢復(fù)至98%以上。

17、本實(shí)施例清晰地展示了本發(fā)明在實(shí)際應(yīng)用中，如何通過(guò)多設(shè)備、多階段的智能協(xié)同，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵圖像數(shù)據(jù)端到端的、高安全、高可靠的加密與傳輸。

18、上述說(shuō)明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，而可依照說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容予以實(shí)施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更明顯易懂，以下特舉本發(fā)明的具體實(shí)施方式。