以CPS为核心的工业互联网安全风险及监管控制

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摘要：〔摘要〕数字与传统基建深度融合，工业互联网成为新基建的重要战场，新基建产生新业态、新发展，也必将衍生出不同于传统环境的风险，因此工业互联网在发展新基建的同時必须警惕新风险的降临，预防与控制工业互联网风险愈发重要。工业互联网以信息物理融合系

　　〔摘要〕数字与传统基建深度融合，工业互联网成为新基建的重要战场，新基建产生新业态、新发展，也必将衍生出不同于传统环境的风险，因此工业互联网在发展“新基建”的同時必须警惕新风险的降临，预防与控制工业互联网风险愈发重要。工业互联网以信息物理融合系统(Cyber physical systems，简称CPS)为关键技术，论文梳理以CPS为核心的工业互联网安全风险特征，提出“新基建”建设背景下工业互联网应持续加强CPS标准体系建设，推进政府与社会多方主体协同共治，建设数据要素预警库，加强风险监测、数据治理与应急管理。

　　〔关键词〕新基建; 信息物理融合系统; 工业互联网; 安全风险; 预防与控制

　　一、 问题的提出

　　当前正处于新一轮产业变革和科技革命时期，网络科技高速发展，大数据、人工智能等与社会生活的各个领域深度结合，2020年3月4日，中共中央政治局常务委员会召开会议提出，加快数据中心、5G网络、物联网等新型基础设施的建设进度。工业互联网是新基建的重要战场，由新基建衍生出的新型生产力正在催生新业态与新模式。

　　信息物理融合系统(Cyber physical systems，简称CPS)被认为是工业互联网中的关键核心技术，将信息世界中的通信控制技术和物理世界中的实体设备高效集成，形成智能化体系，优化配置资源。新一代工业以CPS为基础推进信息化与工业化深度融合[1]，而工业互联网借助CPS技术将网络与实体连接起来，实现智能化发展[2]，诸如CPS应用于电力行业，可对配电网运行产生影响影响[3];利用CPS、智能传感等技术可建设智能船厂[4]。

　　与此同时，工业互联网中数字技术与实体经济的深度融合亦伴随不断飙升的安全风险：以CPS为核心的工业互联网风险隐蔽特性强、被攻击路径增多，且波及范围广泛、涉及多方主体，风险来源具有极大不确定性，易致风险链，危及工业互联网基础设施安全、工业数据安全，这对其风险监管提出了新的诉求。工业互联网发展需要更好的制度环境[5]，尤其在新基建背景之下，关注以CPS为核心的工业互联网安全风险及监管控制问题，形成风险链防范的安全理念，对保障工业互联网安全具有重要现实价值，有助于探索拓展已有监管机制的新业态，及时推动工业互联网的安全运营，构建面向数字经济的安全保障体系。

　　二、 以CPS为核心的工业互联网应用

　　互联网及新一代信息技术与工业系统全方位融合形成工业互联网。工业互联网相当于工业领域的“操作系统”，以数据中心为重要支撑，以人工智能为关键技术，并以新型工业生产环境CPS为核心，成为推动工业领域新兴发展的重要基础。在该背景下，信息网络融合于国家关键基础行业，电力、交通、石化、制造业等日益趋于智能化，各个行业的控制系统之间逐步实现远程控制及信息互联互通。工业互联网的广泛应用也能够有效推动人工智能、数据中心等新型基础设施的发展，提升数字经济时代下“新基建”的建设成效[6]。

　　(一) CPS界定

　　CPS将信息世界与物理世界紧密融合，信息在异构网络间传递最终又反馈给物理空间，帮助工业互联网构建新时代应用场景。论文所指CPS体系结构包括物理层、数据传输层和应用层三个层面(见图1)，三个层面相互协调，相互配合，共同架构CPS完整体系。物理层：主要包括传感器和执行器，传感器主要负责感知物理信息，将物理世界中的信息融入到计算过程中，进行协调沟通，物理层最大的特性便是实时性，需要实时感知外界信息，而执行器负责执行系统的控制命令，进行动态控制;数据传输层：信息物理系统具有异构性，是由不同网络架构而成的，网络之间信息互通，将数据实时传输，起到上传下达的作用，同时进行数据分析与数据处理，在该层面中将多种数据综合计算，对数据准确分析，选择出最优方案，为更好地服务于应用层奠定基础;应用层：在经历了物理层和数据传输层之后，到达了信息物理系统的最顶层——应用层，通过前述对信息的感知、传输与处理之后，应用层将信息进行配置，通过任务的调度与执行等，应用于现实实践中，服务于人们的生活。

　　CPS是信息世界与物理世界深度融合的智能控制系统[7]。如图1所示，它利用嵌入式软件，从被控的对象和环境中感知信息，通过数据传输层的计算功能来处理分析被控对象的当前状况，最后再根据已建立的模型计算和控制规则形成决策结果，向执行器发出操作指令。在具体的应用中，以上过程是一个“感知-分析-决策-执行”的循环往复过程，直到实现既定的控制目标[8]。在实际运行中，大量传感设备利用无线通讯组成网络，协调完成对物理环境的检测，然后对相应信息深入分析、融合处理，并将所得数据通过异构网络传送给应用层，最终和执行设备共同调控，保证系统运行的连贯有效性。

　　(二) 以CPS为核心的工业互联网应用实践

　　全球工业领域正逐步实现信息化，德国提出工业 40计划、美国发展工业互联网、中国实施“互联网+”战略，工业生产从以往的设备自动化模式逐渐转向以网络科技为基础的智能化生产方式。工业互联网以CPS为核心，将信息空间与物理空间紧密融合。至此，CPS在工业互联网中得到广泛应用。诸如：将CPS 运用到电力运行过程中，可解决电能在生产服务过程中产生的复杂问题，使智能电网能够实时检测故障，快速隔离故障，避免损失，还可以实现对电价的实时调整以及电力的优化调度，随着大量新能源发电的应用，CPS可以帮助智能电网了解用户发电用电的信息并给出针对性服务，通过采集到的信息对电网进行建模分析，实现远程监控;基于CPS的交通系统通过散布于道路、人和交通工具中的各种智能感应装置进行行车信息的实时采集、传递和处理决策，可实现“人-车”以及“车-车”之间的自治与协调，目前，汽车中应用的ACC、ESP、自动泊车系统等技术都属于汽车CPS技术研究的新进展，汽车CPS技术不但可以提高单辆汽车行驶的安全性、可靠性和节能性，而且还可以实现智能调度，有效减轻城市交通压力，通过CPS技术，可以实现交通信息的实时通信，对车辆流量进行有效控制，促进行车安全[9];CPS可应用于船舶制造，利用CPS来采集存储船厂实体空间包含的有关装备、位置、时间、环境等数据，以船舶制造的内在机理为基础，进行仿真建模;CPS还可应用于钢铁制造过程，实现对产品的个性化定制、精准管控产品质量、提高钢铁的质量及生产效率、降低生产成本，在钢铁制造过程中，CPS为其中每个环节建立端到端的工程数字化集成，采集每台装备的生产数据、质量参数及设备健康指数等数据，并且依照指令来实现智能化控制;CPS还能够帮助工厂优化生产流程、提高生产效率，传统生产线上用人工检测的方式进行质量检测，这种方式耗时长且见效慢，现在很多工厂使用以CPS为基础的视觉工具，从而自动检测出各种缺陷，优化质检流程[10]。

　　推荐阅读：互联网经济杂志(月刊)于2014年创刊，本刊坚持为社会主义服务的方向，坚持以马克思列宁主义、毛泽东思想和邓小平理论为指导。

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