科研速递 | 理工学院赵俊华教授团队在IEEE TII上发表文章

近日，香港中文大学（深圳）理工学院赵俊华教授团队在IEEE旗下Trans系列的顶级期刊 IEEE Transactions on Industrial Informatics (IEEE TII) 发表以“An Inertia-based Data Recovery Scheme for False Data Injection Attack”为题的文章。

期刊介绍

IEEE TII为IEEE旗下Trans系列的顶级期刊，侧重于以知识为基础的工业自动化作为一种手段，以提高工业制造和制造过程。这包含了一组使用信息分析、操作和分发的技术以实现工业环境中更高的效率、有效性、可靠性和/或安全性。该期刊的范围包括报告、定义、提供讨论论坛，并向读者介绍智能和计算机控制系统、机器人、工厂通信和自动化、柔性制造、视觉系统、数据采集和信号处理等方面的最新发展。收稿范围包括但不限于生物工程、通信，网络与广播、元器件，电路，设备及系统、计算与处理、工程材料，电介质与等离子体、场，波和电磁、地球科学、电力，能源及工业应用、机器人与控制系统、信号处理与分析、交通运输。IEEE TII最新影响因子为10.215，JCR分区Q1。

研究背景

由于信息物理电力系统暴露在网络攻击下的漏洞，其网络安全问题越来越受到关注，尤其是面向虚假数据注入攻击。在遭受网络攻击后，及时恢复测量值和状态的真实值，对于确保后续系统的控制和运行至关重要。然而，现有研究大多关注于网络攻击的检测方法，忽略了检测后的数据恢复工作。

研究方法

文章中作者首次发现了一种被定义为测量数据惯性（MDI）的电力系统运行现象。与电力系统中众所周知的惯量不同，该现象以测量数据为中心，从数学上描述了测量数据长期有规律、平稳地变化的过程。

图1 电力系统量测数据惯性现象

作者利用该现象推导出遭受网络攻击前量测数据的粗值，并进一步考虑电力系统运行状态与约束条件，提出一种数据恢复优化模型，以准确恢复受攻击前的测量数据与系统状态。

图2 电力系统测量数据在攻击前、遭受攻击、粗糙恢复值与所提优化模型恢复值的对比

图3 电力系统状态在攻击前、遭受攻击、粗糙恢复值与所提优化模型恢复值的对比

此外，作者考虑到系统每个状态具有不同变化规律，以常见误差指标如相对误差（RE）评估恢复的数据会产生不公平对待，尤其是幅值接近于0的数据。因此，作者基于状态运行区间，提出一种区间误差（IE）评判标准，以评估数据恢复质量。

表1 数据恢复相对误差统计对比结果

表2 数据恢复区间误差统计对比结果

研究结论

此工作中作者提出了一种数据恢复方案以恢复被网络攻击污染的测量值和系统状态。该方案利用发现的量测数据惯性效应推导出攻击前测量值的粗值，然后将这些粗值用于所提出的数据恢复优化模型，以接近真正的攻击前值。同时，利用预先确定的状态边界作为约束条件，显示攻击前状态变量的正常波动。一个称为区间误差的错误准则也被提出用以评估所提恢复方案的性能。此外，所提恢复方案在IEEE 30节点测试基准上进行了广泛综合的评估。从数值结果来看，所提出的恢复方案可以准确地恢复被污染的测量值和状态到攻击前的值，对网络攻击显示出较高的恢复精度。同时，案例研究还表明，恢复过程所需的时间足够短，不影响后续操作，从而确保所提出的方案是一种遭遇网络攻击后的及时恢复策略。

作者简介

香港中文大学（深圳）赵俊华教授和梁高琪教授为本文的共同通讯作者。

赵俊华教授分别于2003年和2007年在西安交通大学和澳大利亚昆士兰大学获得学士和博士学位。赵俊华教授是香港中文大学（深圳）理工学院副教授，深圳高等金融研究院能源市场与能源金融实验室主任，深圳人工智能与机器人研究院研究员，招商银行总部特聘能源行业专家。长期从事智能电网、能源经济、低碳转型、人工智能等领域研究。在加入港中大（深圳）之前，他担任澳大利亚纽卡斯尔大学智能电网中心的高级讲师，并兼任主任科学家。他已发表了120多篇学术论文，其中60多篇发表在国内外的顶尖期刊上。他一次获得浙江省自然科学奖，两次获得湖南省科技进步奖，一次获得中电联“电力科技创新奖”，2014年IEEE电力与能源大会最佳论文奖，并4次获得国家科学技术部“F5000”中国精品科技期刊顶尖学术论文奖。2017年，因对澳大利亚能源系统研究做出突出贡献，赵俊华教授被澳大利亚达沃斯论坛（ADC Forum）授予了青年科学家奖（Young Scientist of the Future）。2020-21年两次被斯坦福大学与Mendeley Data评为“全球前2%顶尖科学家”；同时入选“终身科学影响力排行榜”和“年度科学影响力排行榜。他领导或参与了30多个重要的研究和工业项目，包括由澳大利亚政府资助的“智能电网，智能城市”大规模试点项目，由澳洲联邦科学院（CSIRO）资助的两个旗舰研究项目，国家自然科学基金重大研究计划、国家自然科学基金面上项目等。先后参与了国内多个电力市场的规则设计工作，其研究成果在工业界产生了重要影响，参与开发的多个软件产品先后应用于纽约爱迪生公司、港灯集团、广东省能源集团、中海油、大唐发电等大型能源企业。他是《IEEE Transactions on Network Science and Engineering》和《Energy Conversion and Economics》的编委会委员。

梁高琪教授分别于2012年和2017年在华北电力大学和澳大利亚纽卡斯尔大学获得学士和博士学位，目前担任香港中文大学（深圳）理工学院研究助理教授。发表学术论文34篇，目前，4篇文章入选“Essential Science Indicators（ESI）高被引文章”，Google scholar引用1900余次，h-index为10，i10-index为13。其研究兴趣集中于智能电网信息物理安全、电力市场、碳市场等。参与撰写了《深圳市人工智能产业发展白皮书》与《粤港澳大湾区绿色发展蓝皮书（2019）》；参与完成了IEEE Standards P2781 “负荷建模与仿真”标准的制定；参与开发了国内首套商用电力现货市场仿真软件平台NEMS，并已成功应用于广东省能源集团、中海油、大唐发电等大型能源企业。

本文第一作者：阮嘉祺

阮嘉祺2019年硕士毕业于深圳大学，同年加入香港中文大学（深圳）理工学院赵俊华科学团队攻读博士学位。阮嘉祺的研究兴趣包括智能电网的网络安全与需求响应，取得一系列研究成果，已发表SCI论文四篇。

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