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★張亞彬，張鑫，王麟琨，劉瑤機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所

★孫鐵良，黃河，呂峰國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司油氣調(diào)控中心

1　引言

油氣管網(wǎng)場站工控系統(tǒng)是一個典型的信息物理系統(tǒng)（Cyber Physical System，CPS）應(yīng)用，它將物理過程的控制與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)緊密結(jié)合，實現(xiàn)了對油氣傳輸、處理和儲存等過程的監(jiān)測與控制。油氣管網(wǎng)場站涉及到大量的物理設(shè)備（如輸油泵、壓縮機組）和復(fù)雜的工藝流程（如過濾、分離），任何功能上的故障或異常都可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問題，如設(shè)備損毀、油氣泄漏甚至爆炸。因此，將安全功能內(nèi)嵌到油氣管網(wǎng)場站工控系統(tǒng)中，可實時監(jiān)測和預(yù)測潛在的功能故障，以便及時采取措施防止事故的發(fā)生，保障了物理設(shè)備和生產(chǎn)過程的安全。油氣場站的工控系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接大量傳感器、控制器和執(zhí)行器，其面臨的信息安全威脅日益增多。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全措施如防火墻、入侵檢測系統(tǒng)等，雖然能提供一定的防護(hù)，但在面對復(fù)雜的新型攻擊時仍顯不足。因此，有必要通過多層次的安全機制，增強網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的抗攻擊能力，減少因網(wǎng)絡(luò)攻擊導(dǎo)致的系統(tǒng)故障和生產(chǎn)中斷。此外，CPS的特性使得功能安全和信息安全緊密相關(guān)，傳統(tǒng)的信息安全與功能安全分治方法難以有效應(yīng)對復(fù)雜的綜合安全威脅。因此，有必要將功能安全和信息安全融合，實現(xiàn)安全機制的協(xié)同防御，提高系統(tǒng)的整體安全水平。

為了提升工控系統(tǒng)防御安全的自主性和自適應(yīng)性，本文提出了融合功能安全與信息安全的場站工控系統(tǒng)融合安全策略，即將功能安全機制與信息安全協(xié)同機制融入進(jìn)場站工控系統(tǒng)中，使其具備自主感知、自主分析和自主響應(yīng)的能力，對于保障油氣管網(wǎng)場站的物理過程安全和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全、實現(xiàn)協(xié)同防御、提升自主性和自適應(yīng)能力、保障生產(chǎn)過程的連續(xù)性和可靠性等具有重要意義。

2　融合安全防護(hù)策略的理念

融合安全防護(hù)策略是工業(yè)控制系統(tǒng)與物理生產(chǎn)系統(tǒng)不斷融合環(huán)境下衍生出的安全防護(hù)需求，是面向網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字化業(yè)務(wù)，將信息安全與功能安全內(nèi)置到CPS系統(tǒng)的全生命周期內(nèi)，從體系化、全局化視角構(gòu)建的動態(tài)的CPS整體安全防御體系，保障了工業(yè)控制系統(tǒng)與物理生產(chǎn)系統(tǒng)的整體運行安全。該策略要求在信息物理系統(tǒng)內(nèi)部建設(shè)功能安全能力、信息安全能力、功能安全與信息安全協(xié)同能力，使得CPS系統(tǒng)具備自身免疫能力。融合安全防護(hù)策略的特點概況如下：

（1）整體安全。整體安全是指安全系統(tǒng)具備層層設(shè)防、協(xié)同防御的能力。融合安全防護(hù)策略對信息安全事件具有自我感知、自我響應(yīng)能力；對于信息物理跨域攻擊事件，具有信息安全能力與功能安全能力聯(lián)動效應(yīng)，實現(xiàn)跨域攻擊鏈的全域感知、跨域評估、協(xié)同響應(yīng)，保證物理生產(chǎn)系統(tǒng)連續(xù)安全運行。

（2）沖突消解。沖突消解本質(zhì)上是解決了功能安全與信息安全沖突問題，確保了信息安全技術(shù)的架構(gòu)、配置和功能等對功能安全的影響處于可接受水平。針對優(yōu)化后的功能安全技術(shù)和信息安全技術(shù)，分析信息安全技術(shù)的架構(gòu)、配置和功能對功能安全的增強、沖突和協(xié)同作用；當(dāng)兩者存在沖突時開展沖突風(fēng)險評估，依據(jù)風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化信息安全技術(shù)。此時，信息安全技術(shù)防護(hù)的能力等級仍將符合系統(tǒng)風(fēng)險評估的等級要求。

（3）“三同步”原則。“三同步”是指CPS系統(tǒng)建設(shè)與融合安全防護(hù)能力建設(shè)需要同步規(guī)劃、同步建設(shè)和同步運行，實現(xiàn)對融合安全防護(hù)的全生命周期管控，做好建設(shè)與運行的相結(jié)合、安全感知與安全響應(yīng)的相結(jié)合。同步規(guī)劃是融合安全防護(hù)的起點和關(guān)鍵，強調(diào)關(guān)口前移，實現(xiàn)融合安全防護(hù)與CPS的深度結(jié)合和全面覆蓋。同步建設(shè)是融合安全防護(hù)策略的落地和保障，強調(diào)CPS建設(shè)時引入信息安全能力、功能安全能力、信息安全與功能安全協(xié)同能力。同步運行是指融合安全防護(hù)的生命，通過規(guī)劃、建設(shè)形成的安全能力需要具備運營、技術(shù)、人員和管理規(guī)范，形成一個完整的體系，輸出安全能力，提升完全防御整體水平。

3　融合安全防護(hù)策略的技術(shù)框架

融合安全策略是結(jié)合油氣管網(wǎng)場站工控網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)，基于風(fēng)險驅(qū)動設(shè)計和能力導(dǎo)向設(shè)計的總體思想，通過全域態(tài)勢動態(tài)感知、信息安全與功能安全協(xié)同、風(fēng)險決策動態(tài)適配等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建多層次、協(xié)同聯(lián)動的CPS系統(tǒng)縱深防御體系，其主要框架如圖1所示。

圖1 場站融合安全策略的技術(shù)框架

針對由硬件故障、人員誤操作等帶來的異常狀態(tài)，通過功能安全監(jiān)測模塊進(jìn)行實時的動態(tài)監(jiān)測，并將異常狀態(tài)參數(shù)傳送給系統(tǒng)。系統(tǒng)判斷當(dāng)前的工藝異常是否大于可接受閾值，如果工藝異常小于可接受閾值，則繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測，如果工藝異常大于可接受閾值，根據(jù)需要啟動功能安全的各級保護(hù)層。針對場站工業(yè)控制系統(tǒng)可能面臨的信息安全攻擊，通過信息安全監(jiān)測模塊進(jìn)行實時的動態(tài)監(jiān)測，如果沒有發(fā)現(xiàn)異常，則繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測。如果信息安全監(jiān)測模塊發(fā)現(xiàn)了異常，則啟動信息安全預(yù)警聯(lián)動機制。在這個過程中，利用多域指令級對比措施分析當(dāng)前的信息安全攻擊是否已經(jīng)影響現(xiàn)場工藝參數(shù)/儀器儀表狀態(tài)，如果已經(jīng)影響到現(xiàn)場工藝參數(shù)/儀器儀表狀態(tài)，則需要綜合考慮功能安全與信息安全帶來的影響。針對后果等級較高的場景，建議安全儀表系統(tǒng)與基本過程控制系統(tǒng)（Basic Process Control System，BPCS）實行物理隔離，在其他一般的場景下可實施邏輯隔離。

3.1　場站全時全域動態(tài)感知

場站全時全域動態(tài)感知是指全面、快速、準(zhǔn)確地獲得場站工業(yè)控制系統(tǒng)和物理生產(chǎn)系統(tǒng)的安全運行狀態(tài)，是保障站場安全運行的重要基礎(chǔ)。從場站物理設(shè)備設(shè)施危險事件或事故成因來看，信息安全事件、設(shè)備物理故障、人為誤操作、自然環(huán)境因素等是引起傳輸數(shù)據(jù)異常、業(yè)務(wù)邏輯異常、工藝參數(shù)異常的原因。基于此，全域態(tài)勢動態(tài)感知要素的監(jiān)測是指對導(dǎo)致場站生產(chǎn)系統(tǒng)運行態(tài)勢發(fā)生改變的各種不確定要素和過程變量進(jìn)行動態(tài)測量。感知維度涉及網(wǎng)絡(luò)安全感知、設(shè)備安全感知、業(yè)務(wù)邏輯感知、工藝參數(shù)感知、用戶行為分析等。

（1）網(wǎng)絡(luò)安全感知：鑒于油氣管網(wǎng)場站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、應(yīng)用程序的規(guī)模化和復(fù)雜化特點，靈活采用網(wǎng)絡(luò)入侵檢測技術(shù)和主機入侵檢測技術(shù)相結(jié)合的方式。網(wǎng)絡(luò)入侵檢測技術(shù)監(jiān)控整個場站的網(wǎng)絡(luò)流量，識別可疑活動和已知攻擊模式，適合對外部攻擊和網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行中央管理。主機入侵檢測系統(tǒng)技術(shù)面向特定的主機，監(jiān)控系統(tǒng)文件和日志，檢測異常行為。

（2）設(shè)備安全感知：主要包括終端設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和固件/軟件的完整性檢查。終端設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測是指監(jiān)測所有連接設(shè)備的健康狀態(tài)，包括傳感器、控制器、執(zhí)行器等，確保它們正常運行且未被篡改。設(shè)備安全狀態(tài)監(jiān)測內(nèi)容主要包括通信狀態(tài)（即監(jiān)測設(shè)備與控制系統(tǒng)的連接狀態(tài)，確保數(shù)據(jù)傳輸及時且可靠）、性能指標(biāo)（如處理速度、響應(yīng)時間、功耗等，以確保其在合理范圍內(nèi)運行）、故障檢測（諸如傳感器失效、控制器錯誤配置等）、所處環(huán)境監(jiān)控等。固件完整性檢測主要是定期檢查設(shè)備固件是否與廠商提供的最新版本一致，防止被破壞而長時間未發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的安全漏洞。

（3）業(yè)務(wù)邏輯感知：主要包括場站操作過程監(jiān)控和控制網(wǎng)絡(luò)危險報文檢測。場站操作過程監(jiān)控側(cè)重于監(jiān)測生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵行為指標(biāo)，按照可接受的閾值設(shè)置預(yù)警機制，一旦監(jiān)測到異常情況（如設(shè)備啟停過程不符合規(guī)范），便自動發(fā)出警報，從而確保生產(chǎn)流程按照預(yù)定的操作規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。網(wǎng)絡(luò)危險報文檢測是指建立模型對發(fā)送和接收的組態(tài)報文進(jìn)行完整性驗證，以檢測與歷史（或上文）數(shù)據(jù)不符的通信行為，及時發(fā)現(xiàn)偽裝或篡改的報文。

（4）工藝參數(shù)感知：通過多種類型的傳感器，實時監(jiān)測和采集關(guān)鍵的工藝參數(shù)以確保生產(chǎn)運行的安全性、可靠性和高效性。所有這些數(shù)據(jù)通過通信協(xié)議實時傳送到控制中樞，控制中樞通過對歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，識別操作過程中的異常模式，并提供預(yù)警。

（5）用戶行為分析：用戶行為分析是保護(hù)場站工業(yè)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的關(guān)鍵措施。它主要是通過建立用戶正常行為的基線模型，發(fā)現(xiàn)異常登錄行為、權(quán)限提升行為和不尋常的訪問模式等。

3.2　信息安全與功能安全協(xié)同

在油氣管網(wǎng)場站工控系統(tǒng)中，信息安全保護(hù)層與功能安全保護(hù)層的有效協(xié)同是確保系統(tǒng)持久安全可靠的重要基礎(chǔ)。兩安保護(hù)層協(xié)同是建立在安全一體化風(fēng)險評估基礎(chǔ)上的，而一體化風(fēng)險評估重點關(guān)注信息安全事件可能對功能安全的影響，如黑客攻擊破壞安全儀表系統(tǒng)的控制邏輯。將信息安全防護(hù)作為外部屏障抵御病毒和惡意攻擊，功能安全措施作為工業(yè)控制系統(tǒng)的免疫系統(tǒng)開展主動防御和響應(yīng)，當(dāng)信息安全防護(hù)失效，病毒或攻擊侵入時，功能安全措施應(yīng)能及時發(fā)現(xiàn)異常/偏差并觸發(fā)保護(hù)（如導(dǎo)入安全狀態(tài)）；與此同時應(yīng)在工控系統(tǒng)部署信息安全探測措施（如探針）實時監(jiān)測運行異常，通過系統(tǒng)異常行為分析（如工藝參數(shù)偏離、異常報文等）判斷并發(fā)出異常事件報警。同時，通過定期的檢驗測試來評估工業(yè)控制系統(tǒng)健康狀態(tài)和功能安全與信息安全一體化防護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)。功能安全系統(tǒng)在信息安全防護(hù)下運行，信息安全防護(hù)對功能安全的負(fù)面影響應(yīng)控制在可接受范圍，確保工業(yè)控制系統(tǒng)在信息安全防護(hù)失效后可通過功能安全實現(xiàn)風(fēng)險可控。

3.3　風(fēng)險決策動態(tài)適配

風(fēng)險決策動態(tài)適配是充分考慮場站工業(yè)控制系統(tǒng)狀態(tài)的動態(tài)性，依據(jù)風(fēng)險評估結(jié)果實時調(diào)整風(fēng)險管理的決略。風(fēng)險決策動態(tài)適配本質(zhì)上是在線的風(fēng)險評估與決策邏輯，并且綜合考慮信息安全風(fēng)險和功能安全風(fēng)險。獨立的功能安全評估可參考標(biāo)準(zhǔn)IEC61508，單獨的信息安全評估可參考標(biāo)準(zhǔn)IEC62443，一體化風(fēng)險評估宜從CPS視角開展網(wǎng)絡(luò)物理攻擊風(fēng)險評估，建立一系列的網(wǎng)絡(luò)物理攻擊風(fēng)險評估模型，如：攻擊者通過入侵網(wǎng)絡(luò)，篡改傳遞到物理生產(chǎn)系統(tǒng)的控制指令和傳感器的數(shù)據(jù)；通過DDoS等手段，攻擊者可以使控制系統(tǒng)無法正常工作；又如：通過控制指令改變物理設(shè)備的工作狀態(tài)，導(dǎo)致設(shè)備損壞或故障。

基于3.1節(jié)場站全時全域動態(tài)感知獲取的數(shù)據(jù)，實時識別異常行為，并作為3.3節(jié)的風(fēng)險決策與應(yīng)急聯(lián)動的輸入，基于不同的風(fēng)險評估結(jié)果，從成本、效益和安全性等多個目標(biāo)進(jìn)行平衡，適配最優(yōu)的決策方案。基于風(fēng)險評估結(jié)果和環(huán)境變化，根據(jù)3.3節(jié)動態(tài)適配風(fēng)險控制策略，實施相應(yīng)的功能安全措施和信息安全措施。

4　結(jié)論

針對油氣管網(wǎng)場站的傳統(tǒng)信息安全與功能安全分治方式難以有效應(yīng)對復(fù)雜的綜合安全威脅的問題，本文提出了油氣管網(wǎng)場站工控系統(tǒng)融合安全防護(hù)策略，通過全域態(tài)勢動態(tài)感知、信息安全與功能安全協(xié)同、風(fēng)險決策動態(tài)適配等關(guān)鍵技術(shù)，保障了油氣管網(wǎng)場站的整體安全，實現(xiàn)了功能安全與信息安全的協(xié)同防御能力。

★基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2023YFB3107703）

作者簡介

張亞彬（1986-），男，河北保定人，高級工程師，博士，現(xiàn)就職于機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所，主要研究方向為智能制造與工控安全共性關(guān)鍵技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)研制。

張　鑫（1990-），男，山東聊城人，高級工程師，博士，現(xiàn)就職于機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所，主要研究方向為風(fēng)險評估等共性關(guān)鍵技術(shù)研究及標(biāo)準(zhǔn)研制。

王麟琨（1974-），男，黑龍江佳木斯人，教授級高工，博士，現(xiàn)就職于機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所，主要研究方向為現(xiàn)場總線、機電控制。

劉　瑤（1987-），女，江蘇泰州人，高級工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所，主要研究方向為功能安全、工控信息安全及安全一體化。

孫鐵良（1967-），男，山東德州人，高級工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司油氣調(diào)控中心，主要研究方向為自動化控制、通信和工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全等。

黃　河（1984-），男，重慶永川人，高級工程師，碩士，現(xiàn)就職于國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司油氣調(diào)控中心，主要研究方向為自動化控制和工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全等。

呂　峰（1969-），男，山東威海人，正高級工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司油氣調(diào)控中心，主要研究方向為自動化控制和工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全等。

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摘自《自動化博覽》2025年1月刊