一种基于同态加密的地下管线数据隐私保护方法与流程

本发明涉及数据加密，特别是一种基于同态加密的地下管线数据隐私保护方法。

背景技术：

1、在城市基础设施精细化管理与地下空间安全治理需求不断提升的背景下，多权属单位共同参与的地下管线数据协同处理已成为数字化建设中的重要内容。为实现跨单位的数据交换、查询与统计，常规方法通常通过制定统一的数据结构、字段表达规范和传输格式，使来自不同单位的地下管线坐标、压力等级、管径、铺设年代及材质类别能够在同一表达体系内实现兼容与解析。同时，在多方数据合作过程中，现有方法普遍采用加密传输、访问控制、权限划分等方式，使不同单位能够在不直接共享原始记录的情况下完成授权范围内的数据使用，从而在一定程度上兼顾数据可用性与安全性。

2、然而，现有方法仍存在两方面的局限性：其一，在跨单位协同处理过程中，传统的加密传输和访问受控方式主要保护数据在传输和存储环节的安全，而在执行跨单位联合统计、条件筛选或空间范围判定等操作时，仍可能涉及明文中间结果的生成与交互，导致协作计算阶段的数据暴露边界不够清晰；其二，在面对多维属性筛选与空间约束并存的查询需求时，常规方法往往需要由单一协作方集中执行筛选逻辑，各单位难以对筛选过程、统计过程和统计输出过程形成共同控制，从而在多方平等协作和安全可靠的数据处理方面仍存在进一步提升空间。

技术实现思路

1、鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明提供了一种基于同态加密的地下管线数据隐私保护方法解决了跨单位地下管线协同查询中空间范围判断、属性条件筛选和统计聚合难以在同态加密状态下连续完成，以及统计输出难以由多个权属单位共同控制的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

4、本发明提供了一种基于同态加密的地下管线数据隐私保护方法，其包括，对来自不同权属单位的地下管线原始数据执行格式统一和整数化表达，并对整数化表达后的地下管线原始数据执行全同态加密运算，生成地下管线密文编码；根据不同权属单位提出的空间范围和属性条件，生成目标边界比特密文，并通过密文比较电路生成空间命中密文标志和属性命中密文标志；基于空间命中密文标志和属性命中密文标志生成联合密文筛选标志，并根据联合密文筛选标志对地下管线字段值密文执行密文筛选，生成筛选后的地下管线密文编码；对联合密文筛选标志和筛选后的地下管线密文编码进行密文统计处理，生成地下管线命中数量统计密文和地下管线属性聚合密文；基于多方共同参与的门限解密方式，对地下管线命中数量统计密文和地下管线属性聚合密文执行联合解密处理，生成地下管线命中数量明文值和地下管线属性聚合明文值。

5、作为本发明所述基于同态加密的地下管线数据隐私保护方法的一种优选方案，其中：所述对来自不同权属单位的地下管线原始数据执行格式统一和整数化表达包括，对不同权属单位提供的地下管线坐标、地下管线压力等级、地下管线管径、地下管线铺设年代以及地下管线材质类别，分别对坐标单位、压力等级描述方式、管径数值单位、年代记录方式以及材质类别的描述方式进行格式统一；对格式统一后的地下管线坐标、地下管线压力等级、地下管线管径、地下管线铺设年代以及地下管线材质类别分别执行整数化表达，形成整数形式的地下管线坐标、整数形式的地下管线压力等级、整数形式的地下管线管径、整数形式的地下管线铺设年代和整数形式的地下管线材质类别；由每一个地下管线权属单位在本单位内部提取同类地下管线字段的本单位字段整数下界和本单位字段整数上界，经协同汇总形成字段边界记录表；根据字段边界记录表中的字段整数下界和字段整数上界确定字段比特长度，并将整数形式的地下管线坐标、整数形式的地下管线压力等级、整数形式的地下管线管径、整数形式的地下管线铺设年代和整数形式的地下管线材质类别分别按照字段比特长度展开为字段比特序列。

6、作为本发明所述基于同态加密的地下管线数据隐私保护方法的一种优选方案，其中：所述对整数化表达后的地下管线原始数据执行全同态加密运算，生成地下管线密文编码包括，采用支持密文加法、密文乘法和布尔比较电路评价的全同态加密算法生成公钥、评价密钥和解密密钥份额；通过公钥对整数形式的地下管线坐标、整数形式的地下管线压力等级、整数形式的地下管线管径、整数形式的地下管线铺设年代和整数形式的地下管线材质类别执行全同态加密运算，生成地下管线字段值密文；通过公钥对字段比特序列中的每一个比特值执行全同态加密运算，生成地下管线字段比特密文；由地下管线字段值密文和地下管线字段比特密文共同形成地下管线密文编码。

7、作为本发明所述基于同态加密的地下管线数据隐私保护方法的一种优选方案，其中：所述根据不同权属单位提出的空间范围和属性条件，生成目标边界比特密文包括，当不同权属单位提出地下管线空间范围查询需求时，按照与地下管线坐标相同的整数化方式，将查询方提交的空间边界数据转换为整数形式的目标空间范围下界和整数形式的目标空间范围上界，并根据空间边界数据中的坐标字段名称形成空间判断字段集合；当不同权属单位提出地下管线属性条件查询需求时，按照与地下管线压力等级、地下管线管径、地下管线铺设年代和地下管线材质类别相同的整数化方式，将查询方提交的属性条件边界数据转换为整数形式的目标属性下界和整数形式的目标属性上界，并根据属性条件边界数据中的字段名称形成属性条件字段集合；当属性条件字段集合包含地下管线材质类别字段时，目标属性下界和目标属性上界均取查询方提交的同一材质类别名称经整数化映射后形成的整数形式的地下管线材质类别；对参与查询判断的每一类地下管线字段，根据目标提交下界、目标提交上界、字段边界记录表中的字段整数下界和字段整数上界，形成目标有效下界和目标有效上界；当目标有效下界大于目标有效上界时，将本类地下管线字段的区间命中密文标志设置为加密状态下的未命中状态常数；当目标有效下界小于或者等于目标有效上界时，将目标有效下界和目标有效上界按照字段整数下界执行偏移处理，形成非负目标下界值和非负目标上界值，并将非负目标下界值和非负目标上界值分别按照字段比特长度展开为目标下界比特序列和目标上界比特序列；对目标下界比特序列和目标上界比特序列中的每一个比特值执行全同态加密运算，形成目标下界比特密文和目标上界比特密文。

8、作为本发明所述基于同态加密的地下管线数据隐私保护方法的一种优选方案，其中：所述通过密文比较电路生成空间命中密文标志和属性命中密文标志包括，在评价密钥支持下，通过密文比较电路对地下管线字段比特密文、目标下界比特密文和目标上界比特密文进行比较，生成区间命中密文标志；所述密文比较电路包括不小于目标有效下界的密文比较电路和不大于目标有效上界的密文比较电路；通过不小于目标有效下界的密文比较电路，生成不小于目标有效下界的密文标志；通过不大于目标有效上界的密文比较电路，生成不大于目标有效上界的密文标志；将不小于目标有效下界的密文标志和不大于目标有效上界的密文标志执行同态乘法，生成区间命中密文标志；对同一条地下管线记录中属于空间判断字段集合的全部坐标字段区间命中密文标志执行同态乘法，生成空间命中密文标志；当查询方未提出任何空间范围条件时，将空间命中密文标志设置为加密状态下的命中状态常数；对同一条地下管线记录中属于属性条件字段集合的全部属性字段区间命中密文标志执行同态乘法，生成属性命中密文标志；当查询方未提出任何属性条件时，将属性命中密文标志设置为加密状态下的命中状态常数。

9、作为本发明所述基于同态加密的地下管线数据隐私保护方法的一种优选方案，其中：所述基于空间命中密文标志和属性命中密文标志生成联合密文筛选标志包括，在评价密钥支持下，对同一条地下管线记录的空间命中密文标志和属性命中密文标志执行同态乘法，形成联合密文筛选标志。

10、作为本发明所述基于同态加密的地下管线数据隐私保护方法的一种优选方案，其中：所述根据联合密文筛选标志对地下管线字段值密文执行密文筛选，生成筛选后的地下管线密文编码包括，在评价密钥支持下，将联合密文筛选标志分别与地下管线坐标字段值密文、地下管线压力等级字段值密文、地下管线管径字段值密文、地下管线铺设年代字段值密文以及地下管线材质类别字段值密文执行同态乘法，形成筛选后的地下管线字段值密文；当联合密文筛选标志的明文含义为命中状态时，筛选后的地下管线字段值密文承载地下管线字段的整数值；当联合密文筛选标志的明文含义为未命中状态时，筛选后的地下管线字段值密文承载置零字段值；由筛选后的地下管线字段值密文形成筛选后的地下管线密文编码。

11、作为本发明所述基于同态加密的地下管线数据隐私保护方法的一种优选方案，其中：所述对联合密文筛选标志和筛选后的地下管线密文编码进行密文统计处理包括，在评价密钥支持下，将全部地下管线记录的联合密文筛选标志在密文状态下执行累加处理，生成地下管线命中数量统计密文；当查询方提交的统计输出需求中载有字段累计统计时，根据字段累计统计中列明的字段名称，形成属性聚合字段集合；对属性聚合字段集合中的每一类地下管线字段，将全部地下管线记录的筛选后的地下管线字段值密文在密文状态下执行累加处理，生成字段累计密文；当查询方提交的统计输出需求中载有材质类别分项统计时，根据查询方统计输出需求中列明的材质类别名称形成材质类别统计清单，并根据材质类别统计清单形成材质类别分项密文计数标志；将全部地下管线记录在各材质类别下的材质类别分项密文计数标志在密文状态下执行累加处理，生成材质类别分项数量统计密文；地下管线属性聚合密文由字段累计密文和材质类别分项数量统计密文中的至少一种形成。

12、作为本发明所述基于同态加密的地下管线数据隐私保护方法的一种优选方案，其中：所述联合解密处理包括，将地下管线命中数量统计密文、属性聚合字段集合中各地下管线字段的字段累计密文以及材质类别分项数量统计密文，按照查询方提交的统计输出需求整理为待解密密文清单；多个地下管线权属单位分别持有解密密钥份额，解密密钥份额由全同态加密算法在密钥生成阶段拆分形成；每一个参与解密的地下管线权属单位使用本单位持有的解密密钥份额，对待解密密文清单中的每一个密文项执行部分解密操作，形成数量部分解密值、字段累计部分解密值或者材质类别分项部分解密值。

13、作为本发明所述基于同态加密的地下管线数据隐私保护方法的一种优选方案，其中：所述联合解密处理还包括，对同一密文项形成的多个部分解密值进行数量核验；当同一密文项收集到的部分解密值数量达到门限数量时，按照全同态加密算法配套的门限合并规则，对多个部分解密值执行合并处理，恢复相应明文值；所述门限数量为不少于两个且不超过参与门限解密的地下管线权属单位总数的整数；对地下管线命中数量统计密文形成的多个数量部分解密值执行合并处理，生成地下管线命中数量明文值；对字段累计密文形成的多个字段累计部分解密值执行合并处理，生成字段累计明文值；对材质类别分项数量统计密文形成的多个材质类别分项部分解密值执行合并处理，生成材质类别分项数量明文值；地下管线属性聚合明文值由字段累计明文值和材质类别分项数量明文值中的至少一种形成。

14、本发明有益效果为：通过地下管线字段值密文、地下管线字段比特密文、目标边界比特密文和密文比较电路的协同处理，使空间范围判断和属性条件筛选能够在不解密单条地下管线字段值的情况下完成，减少跨单位协同查询过程中明文字段值和明文筛选状态的暴露；通过联合密文筛选标志分别参与命中数量统计和字段值筛选，使地下管线命中数量统计密文与地下管线属性聚合密文的数据来源相互区分；通过多方门限解密方式恢复统计明文值，使统计输出由多个地下管线权属单位共同参与控制，兼顾地下管线数据协同利用和隐私保护需求。