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BCE-FL: A Secure and Privacy-Preserving Federated Learning System for Device Fault Diagnosis Under Non-IID Condition in IIoT

计算机科学 上传 计算机安全 云计算 边缘计算 激励 信息隐私 计算机网络 物联网 操作系统 经济 微观经济学
作者
Yiming Xiao,Haidong Shao,Lin Jian,Zhiqiang Huo,Bin Liu
出处
期刊:IEEE Internet of Things Journal [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:11 (8): 14241-14252 被引量:32
标识
DOI:10.1109/jiot.2023.3340745
摘要

Traditional device fault diagnostic methods in Industrial Internet of Things (IIoT) require nodes to upload local data to the cloud, which, however, may lead to privacy leakage issues. Although Federated learning (FL) methods can protect the privacy of data, many challenges still need to be addressed. For example, the nonindependently and identically distributed (non-IID) issue in FL prevents the convergence of global model. Moreover, FL lacks detection mechanism to resist poisoning attacks from malicious nodes, and it requires incentive mechanism to encourage nodes to share their resources. To address these challenges, this article proposes a secure and privacy-preserving FL system that leverages blockchain and edge computing technology. Specifically, a feature-contrastive loss function is constructed to train an unbiased global model under the non-IID condition. Additionally, a Byzantine-tolerance scoring mechanism is designed to resist poisoning attacks, and a reputation-based incentive algorithm is developed to estimate the rewards or penalties owed to nodes. The proposed method is applied to two case studies: 1) chiller fault diagnosis for heating, ventilation and air conditioning systems and 2) gearbox fault diagnosis for wind turbines in IIoT. Experimental results show the superior performance of the proposed method.

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