An Explainable and Privacy-Preserving Federated Learning Model for Threat Detection in Cyber-Physical-Social Systems
Notice bibliographique
Résumé
Cyber-physical-social systems (CPSS), the technological backbone of infrastructures such as energy, aerospace, transportation, and human-centric applications, are increasingly prone to cyberattacks due to their interconnected nature. Existing threat detection models focus on performance metrics, while effective, often overlook the reliability and privacy of data in CPSS and lack explainability in detecting anomalies. This article introduces an innovative federated learning (FL) model in threat detection for the resilience assessment and enhancement of CPSS. It is not only explainable and privacy-preserving (PP) but also ensures the reliable operation of systems by addressing their inherent vulnerabilities. It addresses current shortcomings, emphasizing the often-neglected accuracy and reliability in literature. In this regard, we reinforce privacy by utilizing differential privacy (DP) and partially homomorphic encryption (PHE), especially the Paillier homomorphic cryptosystem, for secure model update aggregation in the FL environment. The system’s resilience against malicious attempts is heightened by ensuring a reliable aggregation process. To enhance model transparency and facilitate effective responses to threats, we integrate SHapley Additive exPlanations (SHAP) for detailed predictive contribution breakdowns and discern relationships between CPSS’ sensors, cyber components, and social interactions for aberration detection. This improves system reliability by clarifying the contribution of each sensor, device, or social actor, and identifying potential points of failure. The efficacy of our model was rigorously evaluated on three representative CPSS datasets: Secure Water Treatment (SWaT), Gas Pipeline, and UNSW-NB15. It achieved anomaly detection accuracies of 97.46%, 98.85%, and 93.60%, respectively, outperforming several baseline methods. Our model maintains strong privacy guarantees through cryptographic techniques and provides meaningful explainability during anomaly detection, fostering greater trust and reliability in critical CPSS operations.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,004 | 0,013 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,002 |
| Communication savante | 0,002 | 0,004 |
| Science ouverte | 0,002 | 0,003 |
| Intégrité de la recherche | 0,002 | 0,002 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».