本發明涉及變壓器控制領域,具體涉及一種基于多級安全的室內變壓器溫度控制系統。
背景技術:
室內變壓器是變壓器一個很重要的布置方式,其大多采用風冷或者油循環風冷,主要的溫度控制手段是調節風機的啟停和轉速。隨著集中控制的普及,集中控制端要處理的數據越來越大,這大大增加了一次投資和運行成本,因此利用云計算的強大計算能力來減輕負擔,成為本領域的趨勢。另外變壓器作為重要設備,其溫度控制的保密和安全性也是十分重要的。
技術實現要素:
針對上述問題,本發明提供一種基于多級安全的室內變壓器溫度控制系統。
本發明的目的采用以下技術方案來實現:
一種集中控制式室內變壓器溫度控制系統,包括溫度采集器,所述溫度采集器包括室內環境溫度測點和變壓器繞組溫度測點,分別用于測量室內環境溫度和變壓器繞組溫度,采集到的數據通過無線網絡傳送到集中控制端;
集中控制端,將收集到的數據經過加密后上傳至云網絡,并接收云網絡的計算結果,同時設置有人工操作窗口,所述人工操作窗口經過指紋驗證器后才能操作,用戶通過人工操作窗口強制獲得或者修改溫度數據;
云網絡,包括多個網絡節點和鏈路,其根據得到的室內環境溫度和變壓器繞組溫度來確定最佳的變壓器風機轉速,并將計算結果發送到集中控制端,集中控制端根據此結果來控制風機轉速,同時提供指紋樣本庫,指紋樣本庫儲存用于驗證用戶身份的指紋數據,將指紋驗證器輸入的指紋與指紋樣本庫的指紋數據相匹配,找到匹配的指紋后向人工操作窗口發出允許操作的指令;
所述安全防護系統用于為所述云網絡提供安全防護。
本室內變壓器溫度控制系統的有益效果為:設計了一種室內變壓器溫度控制系統,同時采集室內環境溫度和變壓器的繞組溫度作為原始數據,利用云計算對變壓器溫度進行科學管理,使得集中控制端的計算和儲存量大大減少。
附圖說明
利用附圖對本發明作進一步說明,但附圖中的實施例不構成對本發明的任何限制,對于本領域的普通技術人員,在不付出創造性勞動的前提下,還可以根據以下附圖獲得其它的附圖。
圖1為一種基于多級安全的室內變壓器溫度控制系統的結構框圖;
圖2是安全防護系統的結構框圖。
附圖標記:溫度采集器-1;集中控制端-2;指紋驗證器-3;云網絡-4;變壓器風機-5;安全防護系統-6;無線發送器-7;無線接收器-8;單片機-9;云網絡節點安全分級子系統-10;安全防護配置子系統-20;網絡安全監測子系統-30;云服務子系統-40;關聯矩陣生成模塊-11;最小生成樹模塊-12;分級模塊-13;更替模塊-14;光學指紋傳感器-15。
具體實施方式
結合以下實施例對本發明作進一步描述。
應用場景1:
如圖1所示的一種集中控制式室內變壓器溫度控制系統,包括溫度采集器1,所述溫度采集器1包括室內環境溫度測點和變壓器繞組溫度測點,分別用于測量室內環境溫度和變壓器繞組溫度,采集到的數據通過無線網絡傳送到集中控制端2;
集中控制端2,將收集到的數據經過加密后上傳至云網絡4,并接收云網絡4的計算結果,同時設置有人工操作窗口,所述人工操作窗口經過指紋驗證器3后才能操作,用戶通過人工操作窗口強制獲得或者修改溫度數據;
云網絡4,包括多個網絡節點和鏈路,其根據得到的室內環境溫度和變壓器繞組溫度來確定最佳的變壓器風機5轉速,并將計算結果發送到集中控制端2,集中控制端2根據此結果來控制風機轉速,同時提供指紋樣本庫,指紋樣本庫儲存用于驗證用戶身份的指紋數據,將指紋驗證器3輸入的指紋與指紋樣本庫的指紋數據相匹配,找到匹配的指紋后向人工操作窗口發出允許操作的指令。
安全防護系統6用于為所述云網絡提供安全防護。
本發明設計了一種室內變壓器溫度控制系統,同時采集室內環境溫度和變壓器的繞組溫度作為原始數據,利用云計算對變壓器溫度進行科學管理,使得集中控制端的計算和儲存量大大減少。
優選地,所述指紋驗證器3包括內置的無線接收器8、單片機9、無線發送器7和光學指紋傳感器15,所述光學指紋傳感器15用于用戶輸入指紋,所述無線發送器用于將接收到的指紋發送給指紋樣本庫進行匹配。
優選地,所述無線發送器7用于當無線接收器8故障時,從指紋樣本庫接收指紋數據,并儲存到單片機9上,然后通過單片機9對用戶輸入的指紋進行匹配。
優選地,如圖2所示,安全防護系統6包括云網絡節點安全分級子系統10、安全防護配置子系統20、網絡安全監測子系統30和云服務子系統40,所述網絡節點安全分級系統10通過計算網絡節點的重要性值將網絡節點分為4個不同的安全等級,所述安全防護配置子系統20根據云網絡節點安全分級子系統10的分級結果,為不同安全等級的網絡節點以及節點之間的鏈路提供不同的安全加密服務;所述網絡安全監測子系統30用于監測網絡節點狀態,所述云服務子系統40為整個安全防護云系統提供云支撐。
(1)云網絡節點安全分級子系統10包括關聯矩陣生成模塊11、最小生成樹模塊12、分級模塊13和更替模塊14:
云網絡節點安全分級子系統10的重要性值獲得主要基于以下理論:通過移除待測節點來評估該節點在該網絡中的地位,具體地說,如果待測節點被移除后,得到的新圖中生成樹的數目越少,那么該節點的重要性值就越大。
a、關聯矩陣生成模塊11:
用G表示一個具有m個網絡節點V和n條鏈路E的無向圖,其中V={V1,V2,…Vm},E={E1,E2,…En},用一個m×n的關聯矩陣R表示網絡結構中節點和鏈路的連接關系,矩陣R的一行對應網絡中的一個網絡節點,R的一列表示網絡節點與對應邊的關聯屬性的值,R中每個元素的值均為0或1,其中0代表鏈路與網絡節點不關聯,1代表鏈路與網絡節點關聯;例如,如果R中第m行第n列的元素為1,則代表第m個網絡節點與第n條鏈路關聯;
b.最小生成樹模塊12:
用(i,j)代表無向圖G中連接網絡節點Vi與網絡節點Vj的鏈路,ω(Vi,Vj)代表此鏈路的權重,若存在T為E的子集且為無循環圖,使得ω(T)最小,就將T稱為G的最小生成樹,則G中最小生成樹總數τ(G)=det(RRT),其中det(.)代表行列式生成函數,;
c.分級模塊13:
由下式得到節點Vi的重要性值ri:其中τ(G)為由最小生成樹計算模塊得到的最小生成樹總數;k為關聯矩陣R中第i行非零元素的數量,Z是移除R的第i行和第i行的非零元素所在列之后得到的新的矩陣,det(Zi)代表Z的行列式;ri的值越大,即節點顯示出越高的重要性,當ri的值取1的時候,則表示Vi是該網絡中最重要的網絡節點,一旦該網絡節點被破壞圖的連通性就會極大程度地被破壞,從而造成網絡通信中斷;按以上方法分別計算所有網絡節點的重要性值,同時設定分級閾值T1、T2、T3,且T1>T2>T3,如果ri>T1,則將該網絡節點標記為重要節點,如果T1>ri>T2,則將該網絡節點標記為次重要節點,如果T2>ri>T3,則將該網絡節點標記為中間節點,如果ri小于T3,則將該網絡節點標記為邊緣節點,并且將重要節點、次重要節點、中間節點和邊緣節點的安全等級分別記為等級1、等級2、等級3和等級4;T3=0.25,邊緣節點數不會超過總網絡節點數的30%;
d.更替模塊14:
每當網絡節點數量或者節點位置發生變化時,自動重新計算每個網絡節點的重要性值,并重新進行安全分級和標記;
(2)安全防護配置子系統20:在安全等級相同的網絡節點之間,采用基于網絡層的安全網際協議IPSec進行信息交互,提供通道級的信息安全防護,IPSec協議將密碼技術應用于網絡層,提供點到點數據傳輸的包括安全認證、數據加密、訪問控制、完整性鑒別的安全服務;不同安全等級的網絡節點之間采用工作在網絡層協議之上的應用層協議進行信息交互,應用層的安全以PKI系統為基礎,用密碼技術確保信息文件傳輸、共享和使用的安全,具體來說采用以下的加密方式進行加密:
a.對于安全等級為n1的網絡節點A和安全等級為n2的網絡節點B,當A要向B傳送信息MES時,首先由A向B發送請求,B返回丨n1-n2丨個隨機數RD1,B保留RD1;
b.A用預先分配的密匙對每個RD1進行數字簽名,并產生丨n1-n2丨個對應的隨機數RD2;將RD1和RD2組成一個丨n1-n2丨×丨n1-n2丨階的矩陣,利用矩陣加密技術對信息MES進行加密,將加密結果發送到B;由于n1和n2的取值范圍均為1-4,容易知對于不同安全等級的網絡節點來說,該矩陣最大為3×3階矩陣,最小為1×1矩陣,而對于安全等級相同的網絡節點來說,n1-n2=0,即不進行矩陣加密的操作;當安全等級越級傳遞級數越高,丨n1-n2丨就越大,則加密矩陣的階數越大,加密安全性就越好,而對于同級或者越級不大時,加密算法的計算量相應降低,有較強的自適應性。
c.B調用解密函數對加密后的信息進行解密,得到RD1′和信息MES,將RD1和RD1′進行比較匹配,如果匹配成功則接收并保留MES,如果不一致則將MES返還A或者將其丟棄;
(3)網絡安全監測子系統30,用于監測網絡節點數和網絡節點位置,其包括感知模塊和傳輸模塊:
所述感知模塊通過在網絡節點周圍部署大量無線傳感器實現,由于網絡節點并不知道自身位置,所述無線傳感器通過接受網絡節點無線信號,結合自身與其他傳感器位置關系,對網絡節點位置進行定位;
(4)云服務子系統40,包括云存儲模塊和云計算模塊:
所述云存儲模塊包括公有云存儲子模塊和私有云存儲子模塊,所述公有存儲云子模塊主要存儲網絡節點分級數據,其存儲內容外界可進行自由訪問,所述私有云存儲子模塊主要存儲密匙和解密函數,只有通過身份驗證的人員才能夠進行訪問;
所述云計算模塊通過部署SOA服務器實現,包括公有云計算子模塊和私有云計算子模塊,所述公有云計算子模塊為云網絡節點安全分級子系統和網絡安全監測子系統提供計算支撐,所述私有云計算子模塊為安全防護配置子系統提供計算支撐,各類用戶通過終端程序獲取云端數據。
在此實施例中設計了一種室內變壓器溫度控制系統,同時采集室內環境溫度和變壓器的繞組溫度作為原始數據,利用云計算對變壓器溫度進行科學管理,使得集中控制端的計算和儲存量大大減少;網絡系統節點安全分級系統10采用最小生成樹為基礎的節點重要性計算,能較精確、計算量較小地計算網絡節點的重要性,并以此為依據對網絡內的節點進行安全分級,T3=0.25,邊緣節點數不會超過總網絡節點數的30%;安全防護配置子系統20對不同安全等級的網絡節點之間的信息傳遞采用不同的加密策略,而且當安全等級越級傳遞越高(丨n1-n2丨越大時),則加密矩陣的階數越大,加密安全性就越好,而對于同級或者越級不大時,加密算法的計算量相應降低,有較強的自適應性;設置網絡安全監測子系統,能夠及時采集網絡節點數據,定位準確。
優選地,所述網絡安全監測子系統中網絡節點的具體定位操作如下:
以網絡節點為圓心,r為半徑畫圓,落在圓內的無線傳感器數量為n,第i個無線傳感器接受到該網絡節點的信號強度對應為qi,i=1,2,…,n;
網絡節點的位置(x,y)如下:
所述傳輸模塊用于將感知模塊的監測結果傳輸到云服務子系統40。
在此實施例中設置云服務模塊,能夠節約存儲空間,提高計算速度,節約時間成本。
應用場景2:
如圖1所示的一種集中控制式室內變壓器溫度控制系統,包括溫度采集器1,所述溫度采集器1包括室內環境溫度測點和變壓器繞組溫度測點,分別用于測量室內環境溫度和變壓器繞組溫度,采集到的數據通過無線網絡傳送到集中控制端2;
集中控制端2,將收集到的數據經過加密后上傳至云網絡4,并接收云網絡4的計算結果,同時設置有人工操作窗口,所述人工操作窗口經過指紋驗證器3后才能操作,用戶通過人工操作窗口強制獲得或者修改溫度數據;
云網絡4,包括多個網絡節點和鏈路,其根據得到的室內環境溫度和變壓器繞組溫度來確定最佳的變壓器風機5轉速,并將計算結果發送到集中控制端2,集中控制端2根據此結果來控制風機轉速,同時提供指紋樣本庫,指紋樣本庫儲存用于驗證用戶身份的指紋數據,將指紋驗證器3輸入的指紋與指紋樣本庫的指紋數據相匹配,找到匹配的指紋后向人工操作窗口發出允許操作的指令。
安全防護系統6用于為所述云網絡提供安全防護。
本發明設計了一種室內變壓器溫度控制系統,同時采集室內環境溫度和變壓器的繞組溫度作為原始數據,利用云計算對變壓器溫度進行科學管理,使得集中控制端的計算和儲存量大大減少。
優選地,所述指紋驗證器3包括內置的無線接收器8、單片機9、無線發送器7和光學指紋傳感器15,所述光學指紋傳感器15用于用戶輸入指紋,所述無線發送器用于將接收到的指紋發送給指紋樣本庫進行匹配。
優選地,所述無線發送器7用于當無線接收器8故障時,從指紋樣本庫接收指紋數據,并儲存到單片機9上,然后通過單片機9對用戶輸入的指紋進行匹配。
優選地,如圖2所示,安全防護系統6包括云網絡節點安全分級子系統10、安全防護配置子系統20、網絡安全監測子系統30和云服務子系統40,所述網絡節點安全分級系統10通過計算網絡節點的重要性值將網絡節點分為4個不同的安全等級,所述安全防護配置子系統20根據云網絡節點安全分級子系統10的分級結果,為不同安全等級的網絡節點以及節點之間的鏈路提供不同的安全加密服務;所述網絡安全監測子系統30用于監測網絡節點狀態,所述云服務子系統40為整個安全防護云系統提供云支撐。
(1)云網絡節點安全分級子系統10包括關聯矩陣生成模塊11、最小生成樹模塊12、分級模塊13和更替模塊14:
云網絡節點安全分級子系統10的重要性值獲得主要基于以下理論:通過移除待測節點來評估該節點在該網絡中的地位,具體地說,如果待測節點被移除后,得到的新圖中生成樹的數目越少,那么該節點的重要性值就越大。
a、關聯矩陣生成模塊11:
用G表示一個具有m個網絡節點V和n條鏈路E的無向圖,其中V={V1,V2,…Vm},E={E1,E2,…En},用一個m×n的關聯矩陣R表示網絡結構中節點和鏈路的連接關系,矩陣R的一行對應網絡中的一個網絡節點,R的一列表示網絡節點與對應邊的關聯屬性的值,R中每個元素的值均為0或1,其中0代表鏈路與網絡節點不關聯,1代表鏈路與網絡節點關聯;例如,如果R中第m行第n列的元素為1,則代表第m個網絡節點與第n條鏈路關聯;
b.最小生成樹模塊12:
用(i,j)代表無向圖G中連接網絡節點Vi與網絡節點Vj的鏈路,ω(Vi,Vj)代表此鏈路的權重,若存在T為E的子集且為無循環圖,使得ω(T)最小,就將T稱為G的最小生成樹,則G中最小生成樹總數τ(G)=det(RRT),其中det(.)代表行列式生成函數,;
c.分級模塊13:
由下式得到節點Vi的重要性值ri:其中τ(G)為由最小生成樹計算模塊得到的最小生成樹總數;k為關聯矩陣R中第i行非零元素的數量,Z是移除R的第i行和第i行的非零元素所在列之后得到的新的矩陣,det(Zi)代表Z的行列式;ri的值越大,即節點顯示出越高的重要性,當ri的值取1的時候,則表示Vi是該網絡中最重要的網絡節點,一旦該網絡節點被破壞圖的連通性就會極大程度地被破壞,從而造成網絡通信中斷;按以上方法分別計算所有網絡節點的重要性值,同時設定分級閾值T1、T2、T3,且T1>T2>T3,如果ri>T1,則將該網絡節點標記為重要節點,如果T1>ri>T2,則將該網絡節點標記為次重要節點,如果T2>ri>T3,則將該網絡節點標記為中間節點,如果ri小于T3,則將該網絡節點標記為邊緣節點,并且將重要節點、次重要節點、中間節點和邊緣節點的安全等級分別記為等級1、等級2、等級3和等級4;T3=0.28,邊緣節點數不會超過總網絡節點數的27%;
d.更替模塊14:
每當網絡節點數量或者節點位置發生變化時,自動重新計算每個網絡節點的重要性值,并重新進行安全分級和標記;
(2)安全防護配置子系統20:在安全等級相同的網絡節點之間,采用基于網絡層的安全網際協議IPSec進行信息交互,提供通道級的信息安全防護,IPSec協議將密碼技術應用于網絡層,提供點到點數據傳輸的包括安全認證、數據加密、訪問控制、完整性鑒別的安全服務;不同安全等級的網絡節點之間采用工作在網絡層協議之上的應用層協議進行信息交互,應用層的安全以PKI系統為基礎,用密碼技術確保信息文件傳輸、共享和使用的安全,具體來說采用以下的加密方式進行加密:
a.對于安全等級為n1的網絡節點A和安全等級為n2的網絡節點B,當A要向B傳送信息MES時,首先由A向B發送請求,B返回丨n1-n2丨個隨機數RD1,B保留RD1;
b.A用預先分配的密匙對每個RD1進行數字簽名,并產生丨n1-n2丨個對應的隨機數RD2;將RD1和RD2組成一個丨n1-n2丨×丨n1-n2丨階的矩陣,利用矩陣加密技術對信息MES進行加密,將加密結果發送到B;由于n1和n2的取值范圍均為1-4,容易知對于不同安全等級的網絡節點來說,該矩陣最大為3×3階矩陣,最小為1×1矩陣,而對于安全等級相同的網絡節點來說,n1-n2=0,即不進行矩陣加密的操作;當安全等級越級傳遞級數越高,丨n1-n2丨就越大,則加密矩陣的階數越大,加密安全性就越好,而對于同級或者越級不大時,加密算法的計算量相應降低,有較強的自適應性。
c.B調用解密函數對加密后的信息進行解密,得到RD1′和信息MES,將RD1和RD1′進行比較匹配,如果匹配成功則接收并保留MES,如果不一致則將MES返還A或者將其丟棄;
(3)網絡安全監測子系統30,用于監測網絡節點數和網絡節點位置,其包括感知模塊和傳輸模塊:
所述感知模塊通過在網絡節點周圍部署大量無線傳感器實現,由于網絡節點并不知道自身位置,所述無線傳感器通過接受網絡節點無線信號,結合自身與其他傳感器位置關系,對網絡節點位置進行定位;
(4)云服務子系統40,包括云存儲模塊和云計算模塊:
所述云存儲模塊包括公有云存儲子模塊和私有云存儲子模塊,所述公有存儲云子模塊主要存儲網絡節點分級數據,其存儲內容外界可進行自由訪問,所述私有云存儲子模塊主要存儲密匙和解密函數,只有通過身份驗證的人員才能夠進行訪問;
所述云計算模塊通過部署SOA服務器實現,包括公有云計算子模塊和私有云計算子模塊,所述公有云計算子模塊為云網絡節點安全分級子系統和網絡安全監測子系統提供計算支撐,所述私有云計算子模塊為安全防護配置子系統提供計算支撐,各類用戶通過終端程序獲取云端數據。
在此實施例中設計了一種室內變壓器溫度控制系統,同時采集室內環境溫度和變壓器的繞組溫度作為原始數據,利用云計算對變壓器溫度進行科學管理,使得集中控制端的計算和儲存量大大減少;網絡系統節點安全分級系統10采用最小生成樹為基礎的節點重要性計算,能較精確、計算量較小地計算網絡節點的重要性,并以此為依據對網絡內的節點進行安全分級,T3=0.28,邊緣節點數不會超過總網絡節點數的27%;安全防護配置子系統20對不同安全等級的網絡節點之間的信息傳遞采用不同的加密策略,而且當安全等級越級傳遞越高(丨n1-n2丨越大時),則加密矩陣的階數越大,加密安全性就越好,而對于同級或者越級不大時,加密算法的計算量相應降低,有較強的自適應性;設置網絡安全監測子系統,能夠及時采集網絡節點數據,定位準確。
優選地,所述網絡安全監測子系統中網絡節點的具體定位操作如下:
以網絡節點為圓心,r為半徑畫圓,落在圓內的無線傳感器數量為n,第i個無線傳感器接受到該網絡節點的信號強度對應為qi,i=1,2,…,n;
網絡節點的位置(x,y)如下:
所述傳輸模塊用于將感知模塊的監測結果傳輸到云服務子系統40。
在此實施例中設置云服務模塊,能夠節約存儲空間,提高計算速度,節約時間成本。
應用場景3:
如圖1所示的一種集中控制式室內變壓器溫度控制系統,包括溫度采集器1,所述溫度采集器1包括室內環境溫度測點和變壓器繞組溫度測點,分別用于測量室內環境溫度和變壓器繞組溫度,采集到的數據通過無線網絡傳送到集中控制端2;
集中控制端2,將收集到的數據經過加密后上傳至云網絡4,并接收云網絡4的計算結果,同時設置有人工操作窗口,所述人工操作窗口經過指紋驗證器3后才能操作,用戶通過人工操作窗口強制獲得或者修改溫度數據;
云網絡4,包括多個網絡節點和鏈路,其根據得到的室內環境溫度和變壓器繞組溫度來確定最佳的變壓器風機5轉速,并將計算結果發送到集中控制端2,集中控制端2根據此結果來控制風機轉速,同時提供指紋樣本庫,指紋樣本庫儲存用于驗證用戶身份的指紋數據,將指紋驗證器3輸入的指紋與指紋樣本庫的指紋數據相匹配,找到匹配的指紋后向人工操作窗口發出允許操作的指令。
安全防護系統6用于為所述云網絡提供安全防護。
本發明設計了一種室內變壓器溫度控制系統,同時采集室內環境溫度和變壓器的繞組溫度作為原始數據,利用云計算對變壓器溫度進行科學管理,使得集中控制端的計算和儲存量大大減少。
優選地,所述指紋驗證器3包括內置的無線接收器8、單片機9、無線發送器7和光學指紋傳感器15,所述光學指紋傳感器15用于用戶輸入指紋,所述無線發送器用于將接收到的指紋發送給指紋樣本庫進行匹配。
優選地,所述無線發送器7用于當無線接收器8故障時,從指紋樣本庫接收指紋數據,并儲存到單片機9上,然后通過單片機9對用戶輸入的指紋進行匹配。
優選地,如圖2所示,安全防護系統6包括云網絡節點安全分級子系統10、安全防護配置子系統20、網絡安全監測子系統30和云服務子系統40,所述網絡節點安全分級系統10通過計算網絡節點的重要性值將網絡節點分為4個不同的安全等級,所述安全防護配置子系統20根據云網絡節點安全分級子系統10的分級結果,為不同安全等級的網絡節點以及節點之間的鏈路提供不同的安全加密服務;所述網絡安全監測子系統30用于監測網絡節點狀態,所述云服務子系統40為整個安全防護云系統提供云支撐。
(1)云網絡節點安全分級子系統10包括關聯矩陣生成模塊11、最小生成樹模塊12、分級模塊13和更替模塊14:
云網絡節點安全分級子系統10的重要性值獲得主要基于以下理論:通過移除待測節點來評估該節點在該網絡中的地位,具體地說,如果待測節點被移除后,得到的新圖中生成樹的數目越少,那么該節點的重要性值就越大。
a、關聯矩陣生成模塊11:
用G表示一個具有m個網絡節點V和n條鏈路E的無向圖,其中V={V1,V2,…Vm},E={E1,E2,…En},用一個m×n的關聯矩陣R表示網絡結構中節點和鏈路的連接關系,矩陣R的一行對應網絡中的一個網絡節點,R的一列表示網絡節點與對應邊的關聯屬性的值,R中每個元素的值均為0或1,其中0代表鏈路與網絡節點不關聯,1代表鏈路與網絡節點關聯;例如,如果R中第m行第n列的元素為1,則代表第m個網絡節點與第n條鏈路關聯;
b.最小生成樹模塊12:
用(i,j)代表無向圖G中連接網絡節點Vi與網絡節點Vj的鏈路,ω(Vi,Vj)代表此鏈路的權重,若存在T為E的子集且為無循環圖,使得ω(T)最小,就將T稱為G的最小生成樹,則G中最小生成樹總數τ(G)=det(RRT),其中det(.)代表行列式生成函數,;
c.分級模塊13:
由下式得到節點Vi的重要性值ri:其中τ(G)為由最小生成樹計算模塊得到的最小生成樹總數;k為關聯矩陣R中第i行非零元素的數量,Z是移除R的第i行和第i行的非零元素所在列之后得到的新的矩陣,det(Zi)代表Z的行列式;ri的值越大,即節點顯示出越高的重要性,當ri的值取1的時候,則表示Vi是該網絡中最重要的網絡節點,一旦該網絡節點被破壞圖的連通性就會極大程度地被破壞,從而造成網絡通信中斷;按以上方法分別計算所有網絡節點的重要性值,同時設定分級閾值T1、T2、T3,且T1>T2>T3,如果ri>T1,則將該網絡節點標記為重要節點,如果T1>ri>T2,則將該網絡節點標記為次重要節點,如果T2>ri>T3,則將該網絡節點標記為中間節點,如果ri小于T3,則將該網絡節點標記為邊緣節點,并且將重要節點、次重要節點、中間節點和邊緣節點的安全等級分別記為等級1、等級2、等級3和等級4;T3=0.30,邊緣節點數不會超過總網絡節點數的32%;
d.更替模塊14:
每當網絡節點數量或者節點位置發生變化時,自動重新計算每個網絡節點的重要性值,并重新進行安全分級和標記;
(2)安全防護配置子系統20:在安全等級相同的網絡節點之間,采用基于網絡層的安全網際協議IPSec進行信息交互,提供通道級的信息安全防護,IPSec協議將密碼技術應用于網絡層,提供點到點數據傳輸的包括安全認證、數據加密、訪問控制、完整性鑒別的安全服務;不同安全等級的網絡節點之間采用工作在網絡層協議之上的應用層協議進行信息交互,應用層的安全以PKI系統為基礎,用密碼技術確保信息文件傳輸、共享和使用的安全,具體來說采用以下的加密方式進行加密:
a.對于安全等級為n1的網絡節點A和安全等級為n2的網絡節點B,當A要向B傳送信息MES時,首先由A向B發送請求,B返回丨n1-n2丨個隨機數RD1,B保留RD1;
b.A用預先分配的密匙對每個RD1進行數字簽名,并產生丨n1-n2丨個對應的隨機數RD2;將RD1和RD2組成一個丨n1-n2丨×丨n1-n2丨階的矩陣,利用矩陣加密技術對信息MES進行加密,將加密結果發送到B;由于n1和n2的取值范圍均為1-4,容易知對于不同安全等級的網絡節點來說,該矩陣最大為3×3階矩陣,最小為1×1矩陣,而對于安全等級相同的網絡節點來說,n1-n2=0,即不進行矩陣加密的操作;當安全等級越級傳遞級數越高,丨n1-n2丨就越大,則加密矩陣的階數越大,加密安全性就越好,而對于同級或者越級不大時,加密算法的計算量相應降低,有較強的自適應性。
c.B調用解密函數對加密后的信息進行解密,得到RD1′和信息MES,將RD1和RD1′進行比較匹配,如果匹配成功則接收并保留MES,如果不一致則將MES返還A或者將其丟棄;
(3)網絡安全監測子系統30,用于監測網絡節點數和網絡節點位置,其包括感知模塊和傳輸模塊:
所述感知模塊通過在網絡節點周圍部署大量無線傳感器實現,由于網絡節點并不知道自身位置,所述無線傳感器通過接受網絡節點無線信號,結合自身與其他傳感器位置關系,對網絡節點位置進行定位;
(4)云服務子系統40,包括云存儲模塊和云計算模塊:
所述云存儲模塊包括公有云存儲子模塊和私有云存儲子模塊,所述公有存儲云子模塊主要存儲網絡節點分級數據,其存儲內容外界可進行自由訪問,所述私有云存儲子模塊主要存儲密匙和解密函數,只有通過身份驗證的人員才能夠進行訪問;
所述云計算模塊通過部署SOA服務器實現,包括公有云計算子模塊和私有云計算子模塊,所述公有云計算子模塊為云網絡節點安全分級子系統和網絡安全監測子系統提供計算支撐,所述私有云計算子模塊為安全防護配置子系統提供計算支撐,各類用戶通過終端程序獲取云端數據。
在此實施例中設計了一種室內變壓器溫度控制系統,同時采集室內環境溫度和變壓器的繞組溫度作為原始數據,利用云計算對變壓器溫度進行科學管理,使得集中控制端的計算和儲存量大大減少;網絡系統節點安全分級系統10采用最小生成樹為基礎的節點重要性計算,能較精確、計算量較小地計算網絡節點的重要性,并以此為依據對網絡內的節點進行安全分級,T3=0.30,邊緣節點數不會超過總網絡節點數的32%;安全防護配置子系統20對不同安全等級的網絡節點之間的信息傳遞采用不同的加密策略,而且當安全等級越級傳遞越高(丨n1-n2丨越大時),則加密矩陣的階數越大,加密安全性就越好,而對于同級或者越級不大時,加密算法的計算量相應降低,有較強的自適應性;設置網絡安全監測子系統,能夠及時采集網絡節點數據,定位準確。
優選地,所述網絡安全監測子系統中網絡節點的具體定位操作如下:
以網絡節點為圓心,r為半徑畫圓,落在圓內的無線傳感器數量為n,第i個無線傳感器接受到該網絡節點的信號強度對應為qi,i=1,2,…,n;
網絡節點的位置(x,y)如下:
所述傳輸模塊用于將感知模塊的監測結果傳輸到云服務子系統40。
在此實施例中設置云服務模塊,能夠節約存儲空間,提高計算速度,節約時間成本。
應用場景4:
如圖1所示的一種集中控制式室內變壓器溫度控制系統,包括溫度采集器1,所述溫度采集器1包括室內環境溫度測點和變壓器繞組溫度測點,分別用于測量室內環境溫度和變壓器繞組溫度,采集到的數據通過無線網絡傳送到集中控制端2;
集中控制端2,將收集到的數據經過加密后上傳至云網絡4,并接收云網絡4的計算結果,同時設置有人工操作窗口,所述人工操作窗口經過指紋驗證器3后才能操作,用戶通過人工操作窗口強制獲得或者修改溫度數據;
云網絡4,包括多個網絡節點和鏈路,其根據得到的室內環境溫度和變壓器繞組溫度來確定最佳的變壓器風機5轉速,并將計算結果發送到集中控制端2,集中控制端2根據此結果來控制風機轉速,同時提供指紋樣本庫,指紋樣本庫儲存用于驗證用戶身份的指紋數據,將指紋驗證器3輸入的指紋與指紋樣本庫的指紋數據相匹配,找到匹配的指紋后向人工操作窗口發出允許操作的指令。
安全防護系統6用于為所述云網絡提供安全防護。
本發明設計了一種室內變壓器溫度控制系統,同時采集室內環境溫度和變壓器的繞組溫度作為原始數據,利用云計算對變壓器溫度進行科學管理,使得集中控制端的計算和儲存量大大減少。
優選地,所述指紋驗證器3包括內置的無線接收器8、單片機9、無線發送器7和光學指紋傳感器15,所述光學指紋傳感器15用于用戶輸入指紋,所述無線發送器用于將接收到的指紋發送給指紋樣本庫進行匹配。
優選地,所述無線發送器7用于當無線接收器8故障時,從指紋樣本庫接收指紋數據,并儲存到單片機9上,然后通過單片機9對用戶輸入的指紋進行匹配。
優選地,如圖2所示,安全防護系統6包括云網絡節點安全分級子系統10、安全防護配置子系統20、網絡安全監測子系統30和云服務子系統40,所述網絡節點安全分級系統10通過計算網絡節點的重要性值將網絡節點分為4個不同的安全等級,所述安全防護配置子系統20根據云網絡節點安全分級子系統10的分級結果,為不同安全等級的網絡節點以及節點之間的鏈路提供不同的安全加密服務;所述網絡安全監測子系統30用于監測網絡節點狀態,所述云服務子系統40為整個安全防護云系統提供云支撐。
(1)云網絡節點安全分級子系統10包括關聯矩陣生成模塊11、最小生成樹模塊12、分級模塊13和更替模塊14:
云網絡節點安全分級子系統10的重要性值獲得主要基于以下理論:通過移除待測節點來評估該節點在該網絡中的地位,具體地說,如果待測節點被移除后,得到的新圖中生成樹的數目越少,那么該節點的重要性值就越大。
a、關聯矩陣生成模塊11:
用G表示一個具有m個網絡節點V和n條鏈路E的無向圖,其中V={V1,V2,…Vm},E={E1,E2,…En},用一個m×n的關聯矩陣R表示網絡結構中節點和鏈路的連接關系,矩陣R的一行對應網絡中的一個網絡節點,R的一列表示網絡節點與對應邊的關聯屬性的值,R中每個元素的值均為0或1,其中0代表鏈路與網絡節點不關聯,1代表鏈路與網絡節點關聯;例如,如果R中第m行第n列的元素為1,則代表第m個網絡節點與第n條鏈路關聯;
b.最小生成樹模塊12:
用(i,j)代表無向圖G中連接網絡節點Vi與網絡節點Vj的鏈路,ω(Vi,Vj)代表此鏈路的權重,若存在T為E的子集且為無循環圖,使得ω(T)最小,就將T稱為G的最小生成樹,則G中最小生成樹總數τ(G)=det(RRT),其中det(.)代表行列式生成函數,;
c.分級模塊13:
由下式得到節點Vi的重要性值ri:其中τ(G)為由最小生成樹計算模塊得到的最小生成樹總數;k為關聯矩陣R中第i行非零元素的數量,Z是移除R的第i行和第i行的非零元素所在列之后得到的新的矩陣,det(Zi)代表Z的行列式;ri的值越大,即節點顯示出越高的重要性,當ri的值取1的時候,則表示Vi是該網絡中最重要的網絡節點,一旦該網絡節點被破壞圖的連通性就會極大程度地被破壞,從而造成網絡通信中斷;按以上方法分別計算所有網絡節點的重要性值,同時設定分級閾值T1、T2、T3,且T1>T2>T3,如果ri>T1,則將該網絡節點標記為重要節點,如果T1>ri>T2,則將該網絡節點標記為次重要節點,如果T2>ri>T3,則將該網絡節點標記為中間節點,如果ri小于T3,則將該網絡節點標記為邊緣節點,并且將重要節點、次重要節點、中間節點和邊緣節點的安全等級分別記為等級1、等級2、等級3和等級4;T3=0.33,邊緣節點數不會超過總網絡節點數的35%;
d.更替模塊14:
每當網絡節點數量或者節點位置發生變化時,自動重新計算每個網絡節點的重要性值,并重新進行安全分級和標記;
(2)安全防護配置子系統20:在安全等級相同的網絡節點之間,采用基于網絡層的安全網際協議IPSec進行信息交互,提供通道級的信息安全防護,IPSec協議將密碼技術應用于網絡層,提供點到點數據傳輸的包括安全認證、數據加密、訪問控制、完整性鑒別的安全服務;不同安全等級的網絡節點之間采用工作在網絡層協議之上的應用層協議進行信息交互,應用層的安全以PKI系統為基礎,用密碼技術確保信息文件傳輸、共享和使用的安全,具體來說采用以下的加密方式進行加密:
a.對于安全等級為n1的網絡節點A和安全等級為n2的網絡節點B,當A要向B傳送信息MES時,首先由A向B發送請求,B返回丨n1-n2丨個隨機數RD1,B保留RD1;
b.A用預先分配的密匙對每個RD1進行數字簽名,并產生丨n1-n2丨個對應的隨機數RD2;將RD1和RD2組成一個丨n1-n2丨×丨n1-n2丨階的矩陣,利用矩陣加密技術對信息MES進行加密,將加密結果發送到B;由于n1和n2的取值范圍均為1-4,容易知對于不同安全等級的網絡節點來說,該矩陣最大為3×3階矩陣,最小為1×1矩陣,而對于安全等級相同的網絡節點來說,n1-n2=0,即不進行矩陣加密的操作;當安全等級越級傳遞級數越高,丨n1-n2丨就越大,則加密矩陣的階數越大,加密安全性就越好,而對于同級或者越級不大時,加密算法的計算量相應降低,有較強的自適應性。
c.B調用解密函數對加密后的信息進行解密,得到RD1′和信息MES,將RD1和RD1′進行比較匹配,如果匹配成功則接收并保留MES,如果不一致則將MES返還A或者將其丟棄;
(3)網絡安全監測子系統30,用于監測網絡節點數和網絡節點位置,其包括感知模塊和傳輸模塊:
所述感知模塊通過在網絡節點周圍部署大量無線傳感器實現,由于網絡節點并不知道自身位置,所述無線傳感器通過接受網絡節點無線信號,結合自身與其他傳感器位置關系,對網絡節點位置進行定位;
(4)云服務子系統40,包括云存儲模塊和云計算模塊:
所述云存儲模塊包括公有云存儲子模塊和私有云存儲子模塊,所述公有存儲云子模塊主要存儲網絡節點分級數據,其存儲內容外界可進行自由訪問,所述私有云存儲子模塊主要存儲密匙和解密函數,只有通過身份驗證的人員才能夠進行訪問;
所述云計算模塊通過部署SOA服務器實現,包括公有云計算子模塊和私有云計算子模塊,所述公有云計算子模塊為云網絡節點安全分級子系統和網絡安全監測子系統提供計算支撐,所述私有云計算子模塊為安全防護配置子系統提供計算支撐,各類用戶通過終端程序獲取云端數據。
在此實施例中設計了一種室內變壓器溫度控制系統,同時采集室內環境溫度和變壓器的繞組溫度作為原始數據,利用云計算對變壓器溫度進行科學管理,使得集中控制端的計算和儲存量大大減少;網絡系統節點安全分級系統10采用最小生成樹為基礎的節點重要性計算,能較精確、計算量較小地計算網絡節點的重要性,并以此為依據對網絡內的節點進行安全分級,T3=0.33,邊緣節點數不會超過總網絡節點數的35%;安全防護配置子系統20對不同安全等級的網絡節點之間的信息傳遞采用不同的加密策略,而且當安全等級越級傳遞越高(丨n1-n2丨越大時),則加密矩陣的階數越大,加密安全性就越好,而對于同級或者越級不大時,加密算法的計算量相應降低,有較強的自適應性;設置網絡安全監測子系統,能夠及時采集網絡節點數據,定位準確。
優選地,所述網絡安全監測子系統中網絡節點的具體定位操作如下:
以網絡節點為圓心,r為半徑畫圓,落在圓內的無線傳感器數量為n,第i個無線傳感器接受到該網絡節點的信號強度對應為qi,i=1,2,…,n;
網絡節點的位置(x,y)如下:
所述傳輸模塊用于將感知模塊的監測結果傳輸到云服務子系統40。
在此實施例中設置云服務模塊,能夠節約存儲空間,提高計算速度,節約時間成本。
應用場景5:
如圖1所示的一種集中控制式室內變壓器溫度控制系統,包括溫度采集器1,所述溫度采集器1包括室內環境溫度測點和變壓器繞組溫度測點,分別用于測量室內環境溫度和變壓器繞組溫度,采集到的數據通過無線網絡傳送到集中控制端2;
集中控制端2,將收集到的數據經過加密后上傳至云網絡4,并接收云網絡4的計算結果,同時設置有人工操作窗口,所述人工操作窗口經過指紋驗證器3后才能操作,用戶通過人工操作窗口強制獲得或者修改溫度數據;
云網絡4,包括多個網絡節點和鏈路,其根據得到的室內環境溫度和變壓器繞組溫度來確定最佳的變壓器風機5轉速,并將計算結果發送到集中控制端2,集中控制端2根據此結果來控制風機轉速,同時提供指紋樣本庫,指紋樣本庫儲存用于驗證用戶身份的指紋數據,將指紋驗證器3輸入的指紋與指紋樣本庫的指紋數據相匹配,找到匹配的指紋后向人工操作窗口發出允許操作的指令。
安全防護系統6用于為所述云網絡提供安全防護。
本發明設計了一種室內變壓器溫度控制系統,同時采集室內環境溫度和變壓器的繞組溫度作為原始數據,利用云計算對變壓器溫度進行科學管理,使得集中控制端的計算和儲存量大大減少。
優選地,所述指紋驗證器3包括內置的無線接收器8、單片機9、無線發送器7和光學指紋傳感器15,所述光學指紋傳感器15用于用戶輸入指紋,所述無線發送器用于將接收到的指紋發送給指紋樣本庫進行匹配。
優選地,所述無線發送器7用于當無線接收器8故障時,從指紋樣本庫接收指紋數據,并儲存到單片機9上,然后通過單片機9對用戶輸入的指紋進行匹配。
優選地,如圖2所示,安全防護系統6包括云網絡節點安全分級子系統10、安全防護配置子系統20、網絡安全監測子系統30和云服務子系統40,所述網絡節點安全分級系統10通過計算網絡節點的重要性值將網絡節點分為4個不同的安全等級,所述安全防護配置子系統20根據云網絡節點安全分級子系統10的分級結果,為不同安全等級的網絡節點以及節點之間的鏈路提供不同的安全加密服務;所述網絡安全監測子系統30用于監測網絡節點狀態,所述云服務子系統40為整個安全防護云系統提供云支撐。
(1)云網絡節點安全分級子系統10包括關聯矩陣生成模塊11、最小生成樹模塊12、分級模塊13和更替模塊14:
云網絡節點安全分級子系統10的重要性值獲得主要基于以下理論:通過移除待測節點來評估該節點在該網絡中的地位,具體地說,如果待測節點被移除后,得到的新圖中生成樹的數目越少,那么該節點的重要性值就越大。
a、關聯矩陣生成模塊11:
用G表示一個具有m個網絡節點V和n條鏈路E的無向圖,其中V={V1,V2,…Vm},E={E1,E2,…En},用一個m×n的關聯矩陣R表示網絡結構中節點和鏈路的連接關系,矩陣R的一行對應網絡中的一個網絡節點,R的一列表示網絡節點與對應邊的關聯屬性的值,R中每個元素的值均為0或1,其中0代表鏈路與網絡節點不關聯,1代表鏈路與網絡節點關聯;例如,如果R中第m行第n列的元素為1,則代表第m個網絡節點與第n條鏈路關聯;
b.最小生成樹模塊12:
用(i,j)代表無向圖G中連接網絡節點Vi與網絡節點Vj的鏈路,ω(Vi,Vj)代表此鏈路的權重,若存在T為E的子集且為無循環圖,使得ω(T)最小,就將T稱為G的最小生成樹,則G中最小生成樹總數τ(G)=det(RRT),其中det(.)代表行列式生成函數,;
c.分級模塊13:
由下式得到節點Vi的重要性值ri:其中τ(G)為由最小生成樹計算模塊得到的最小生成樹總數;k為關聯矩陣R中第i行非零元素的數量,Z是移除R的第i行和第i行的非零元素所在列之后得到的新的矩陣,det(Zi)代表Z的行列式;ri的值越大,即節點顯示出越高的重要性,當ri的值取1的時候,則表示Vi是該網絡中最重要的網絡節點,一旦該網絡節點被破壞圖的連通性就會極大程度地被破壞,從而造成網絡通信中斷;按以上方法分別計算所有網絡節點的重要性值,同時設定分級閾值T1、T2、T3,且T1>T2>T3,如果ri>T1,則將該網絡節點標記為重要節點,如果T1>ri>T2,則將該網絡節點標記為次重要節點,如果T2>ri>T3,則將該網絡節點標記為中間節點,如果ri小于T3,則將該網絡節點標記為邊緣節點,并且將重要節點、次重要節點、中間節點和邊緣節點的安全等級分別記為等級1、等級2、等級3和等級4;T3=0.35,邊緣節點數不會超過總網絡節點數的37%;
d.更替模塊14:
每當網絡節點數量或者節點位置發生變化時,自動重新計算每個網絡節點的重要性值,并重新進行安全分級和標記;
(2)安全防護配置子系統20:在安全等級相同的網絡節點之間,采用基于網絡層的安全網際協議IPSec進行信息交互,提供通道級的信息安全防護,IPSec協議將密碼技術應用于網絡層,提供點到點數據傳輸的包括安全認證、數據加密、訪問控制、完整性鑒別的安全服務;不同安全等級的網絡節點之間采用工作在網絡層協議之上的應用層協議進行信息交互,應用層的安全以PKI系統為基礎,用密碼技術確保信息文件傳輸、共享和使用的安全,具體來說采用以下的加密方式進行加密:
a.對于安全等級為n1的網絡節點A和安全等級為n2的網絡節點B,當A要向B傳送信息MES時,首先由A向B發送請求,B返回丨n1-n2丨個隨機數RD1,B保留RD1;
b.A用預先分配的密匙對每個RD1進行數字簽名,并產生丨n1-n2丨個對應的隨機數RD2;將RD1和RD2組成一個丨n1-n2丨×丨n1-n2丨階的矩陣,利用矩陣加密技術對信息MES進行加密,將加密結果發送到B;由于n1和n2的取值范圍均為1-4,容易知對于不同安全等級的網絡節點來說,該矩陣最大為3×3階矩陣,最小為1×1矩陣,而對于安全等級相同的網絡節點來說,n1-n2=0,即不進行矩陣加密的操作;當安全等級越級傳遞級數越高,丨n1-n2丨就越大,則加密矩陣的階數越大,加密安全性就越好,而對于同級或者越級不大時,加密算法的計算量相應降低,有較強的自適應性。
c.B調用解密函數對加密后的信息進行解密,得到RD1′和信息MES,將RD1和RD1′進行比較匹配,如果匹配成功則接收并保留MES,如果不一致則將MES返還A或者將其丟棄;
(3)網絡安全監測子系統30,用于監測網絡節點數和網絡節點位置,其包括感知模塊和傳輸模塊:
所述感知模塊通過在網絡節點周圍部署大量無線傳感器實現,由于網絡節點并不知道自身位置,所述無線傳感器通過接受網絡節點無線信號,結合自身與其他傳感器位置關系,對網絡節點位置進行定位;
(4)云服務子系統40,包括云存儲模塊和云計算模塊:
所述云存儲模塊包括公有云存儲子模塊和私有云存儲子模塊,所述公有存儲云子模塊主要存儲網絡節點分級數據,其存儲內容外界可進行自由訪問,所述私有云存儲子模塊主要存儲密匙和解密函數,只有通過身份驗證的人員才能夠進行訪問;
所述云計算模塊通過部署SOA服務器實現,包括公有云計算子模塊和私有云計算子模塊,所述公有云計算子模塊為云網絡節點安全分級子系統和網絡安全監測子系統提供計算支撐,所述私有云計算子模塊為安全防護配置子系統提供計算支撐,各類用戶通過終端程序獲取云端數據。
在此實施例中設計了一種室內變壓器溫度控制系統,同時采集室內環境溫度和變壓器的繞組溫度作為原始數據,利用云計算對變壓器溫度進行科學管理,使得集中控制端的計算和儲存量大大減少;網絡系統節點安全分級系統10采用最小生成樹為基礎的節點重要性計算,能較精確、計算量較小地計算網絡節點的重要性,并以此為依據對網絡內的節點進行安全分級,T3=0.35,邊緣節點數不會超過總網絡節點數的37%;安全防護配置子系統20對不同安全等級的網絡節點之間的信息傳遞采用不同的加密策略,而且當安全等級越級傳遞越高(丨n1-n2丨越大時),則加密矩陣的階數越大,加密安全性就越好,而對于同級或者越級不大時,加密算法的計算量相應降低,有較強的自適應性;設置網絡安全監測子系統,能夠及時采集網絡節點數據,定位準確。
優選地,所述網絡安全監測子系統中網絡節點的具體定位操作如下:
以網絡節點為圓心,r為半徑畫圓,落在圓內的無線傳感器數量為n,第i個無線傳感器接受到該網絡節點的信號強度對應為qi,i=1,2,…,n;
網絡節點的位置(x,y)如下:
所述傳輸模塊用于將感知模塊的監測結果傳輸到云服務子系統40。
在此實施例中設置云服務模塊,能夠節約存儲空間,提高計算速度,節約時間成本。
最后應當說明的是,以上實施例僅用以說明本發明的技術方案,而非對本發明保護范圍的限制,盡管參照較佳實施例對本發明作了詳細地說明,本領域的普通技術人員應當理解,可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換,而不脫離本發明技術方案的實質和范圍。