第四代工業革命industry4.0戰略實施中的信息安全問題分析

程曉蕾

（1.合肥工業大學，安徽 合肥 230009；2.萬博科技職業學院，安徽 合肥 230031）

1 德國工業4.0 戰略

為在最新一輪的工業革命中搶占先機，在德國工程院、西門子公司、弗勞恩霍夫協會等德國頂尖學術界和產業界的強烈推動下，德國政府于2013年4月在漢諾威工業博覽會上正式推出“工業4.0”戰略.工業4.0是德國在全面分析美國、中國、俄羅斯以及印度等國家的工業發展優勢和不足的基礎上，為提升德國制造工業的全球競爭力、保護國內制造業、支持工業領域革命性技術研發及創新，而制定出的.為使德國成為向全球性挑戰提供解決問題方案的領導者，“高科技2020戰略”聚焦在五個德國未來發展優先領域，包括：氣候/能源、健康/飲食、移動性、安全和通信，該戰略瞄準10-15年后的中期科學技術的發展目標，同時制定了具體創新戰略措施與實施路線圖.其中，工業4.0是德國政府明確未來十大戰略之一.值得一提的是，2014年，德國總理默克爾在公開或私下多次向中國國家總理李克強推薦德國的工業4.0戰略，并與中國政府簽訂了合作協議.

工業4.0的實施被公認為屬于第四次工業革命.與前三次工業革命不同的是，工業4.0應對的是對電力和信息技術進行實時管理，使效率增益與資源生產率貫穿整個價值網絡.智能輔助系統幫助工人從執行具體任務中解放出來，使工人專注于創新增值活動.針對技術工人短缺的世界性問題，工業4.0有助于延長工人工齡，能夠提升工人的生產能力，為其提高良好的職業發展機遇.工業4.0涉及的關鍵領域包括：（1）標準化及參考架構；（2）管理復雜系統；（3）全面寬頻的基礎設施；（4）安全和保障；（5）組織和設計；（6）培訓和持續的職業發展；（7）規章制度；（8）資源利用效率.

2 工業4.0 的安全問題

以前，人們對IT的威脅認識不多，對其對設備和機器安全性的重視不夠，隨著惡意軟件Duqu、Stuxnet和flame嚴重威脅工控信息系統的安全，工業IT安全逐漸受到設備制造商與運營商的重視.特別是，2010年伊朗核電站遭到“震網病毒”攻擊事件引起各國對工業控制系統信息安全的擔憂，隨后各工業大國將工控的安全問題提升到戰略級別，如，我國工信部曾發文《關于加強工業控制系統信息安全管理的通知》，明確加強工業信息安全緊迫性與重要性.2014年2月27日，中國中央網絡安全和信息化領導小組成立，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平任組長，其指出我國網絡信息安全面臨的形勢任務復雜、艱巨，這標志著我國把信息化和網絡信息安全列入國家發展最高戰略方向之一，意義極為重大.

工業4.0戰略的安全性是第四次工業革命順利實施的重要保障，其中制造設備及其生產產品的安全性極為重要.安全性主要包括：（1）對人及環境是安全的；（2）設備和其產品是安全的，特別是保護生產的關鍵數據及其操作模式，避免誤操作以及未被允許的訪問.前者考慮的是生產設備和制造產品方面的因素，后者涉及的生產安全受到整體機制約束，應制定的法規和標準管理系統的確保系統的正常運營.

從工業3.0時代（信息技術與機電結合）開始，制造業對生產和信息安全的要求急劇增長.目前，許多工業3.0中出現的操作安全與信息安全的解決方案仍未完全完成，特別在安全保障領域提供的方案不全面，隨著工業4.0時代的到來，信息安全需更高質量的安全標準，此外，工業4.0提出許多額外安全要求.工業4.0的智能化制造體系將大量工作人員、計算機系統、自動化元件和機器設備整合成一個有機系統，具有高度網絡化的系統結構，在系統組件間發生高度時間性的數據與信息交換，此外，體系中具有自主意識的工作人員（工人及管理者）涉入到系統的價值鏈中，基于信息物理系統（CPS,Cyber-Physical Systems）的工業4.0面臨的調整異常嚴峻的安全性威脅.除運營安全外，網絡安全以及未知不可預測的第三方訪問是工業4.0遇到的新的安全問題.

相對于傳統的工業模式，工業4.0戰略的運營需要一個更為積極的安全保障方案，此外，解決問題方案不斷變化且需要在實際中修訂和完善.因此，工業4.0的安全保障不能機械地分拆成各個功能部件，而應該根據實際情況及時調整和發展.在方案的應變過程中，為實現時間的快速響應，通過跨部門的綜合信息交流支持非常重要，此外，風險評估指標監測等措施將有助于阻止軟件病毒的快速傳播和網絡攻擊.

為積極應對智能化制造的工業4.0的安全性威脅，需要從以下幾個角度加強技術支持：

（1）從設計上確保安全.在傳統的工業信息安全維護上，主要采用物理措施防護應對外部攻擊威脅，例如，采用訪問限制以及其他中控安全措施隔絕外部環境，維護自身運行.而在基于信息物理系統的工業4.0戰略的生產系統中，通過簡單地把與安全功能相關措施添加了整個系統中是遠遠不夠的，在信息安全領域，必須從設備生產設計階段將安全措施添加到系統中，此安全措施還需要能夠動態調整.

（2）安全措施.實施安全策略及架構標準能夠賦予系統的高度保密性、可用性和完整性，并能促使網絡化及異構組件間相互作用.維護工業數字化過程中的知識產權及數據都需要制造商與運營商預先提供一個可靠的解決方案.在工業4.0中，采取全球性的安全保障措施非常有必要，需要考慮加密程序及認證程序對時間關鍵功能以及資源可用性的影響.另外，采用雙重策略（雙保險）保障工業4.0的安全，首先，升級工廠內部的安保措施，在機械的設備維護以及更新上加強保障，提出可操作的緊急預案；其次，為新工廠及新機器制定解決預案.從第3次到第4次工業革命的過渡階段中，為實現盡可能的無縫和平穩過渡，設備的提供者與運營商都需要深刻理解兩代工業革命的差異，特別是屬于第四代工業革命的工業4.0戰略中的整個價值鏈中涉及所有執行者的安全及架構問題.

（3）安全意識.工業4.0面對安全的挑戰多方面的，除了技術因素外，安全解決方案還包括商業、心理和教育等問題.由于缺乏標準化的安全保障操作平臺，難以提供高質量安全的解決方案.現有基礎設施不能擴大或升級，許多安全解決方案固定化，調整的空間非常小，影響安全措施的同步升級和更新.工業4.0的產業鏈長，需要各產業鏈所有者的相互信任和信賴，各價值鏈中合作者的網絡聯系、心理以及教育水平等因素在一定程度上直接決定工業4.0安全實施.

（4）數據安全保護.隨著物聯網技術的成熟及在智能工廠中廣泛應用，產生大數據.在工業4.0的產業鏈中，涉及數以千計的公司以及研究機構，不僅關聯機構是動態的，而且可能出現動態公司網絡的變化，形成全新的價值鏈.工業4.0背景下的智能制造能夠自主產生大量新數據，且能夠根據需要向外傳輸，這些龐大的數據庫中絕大部分都是無害數據，但是也存在部分重要敏感數據，在智能機器向外傳送過程中，不可避免地超過可控范圍，一些對外發生的數據可能被競爭對手或第三方利用，從而對其自身企業產生風險，如果企業想要保護自身競爭優勢，避免信息泄漏對其產生的負面影響，可以通過共享收費來平衡各產業鏈上的企業利益，保證產業鏈上各企業公平共享信息資源.在信息共享交換費用的方式上可以采用動態定價模式，也可以采用固定定價模式，同時，需要簽訂相應的合作協議，以維護各方利益.

企業的數據一般可分為商業秘密數據和貿易秘密數據.目前，大部分企業的數據保護監管僅僅解決涉及自身直接利益，以及涉及企業前途的敏感領域，能夠保護并追究對方責任的僅僅適用于非法泄露的前提下.在智能制造過程中產生的大數據的背景下，大量數據被合法獲得，甚至一些應該保密信息也被對手合法獲取，隨后這些關鍵信息可能被用于其他目的.在工業4.0的體系中各價值鏈的自我約束能夠較好堵住法律的漏洞，例如簽訂保密協議，將大量的數據控制在一定的范圍內，將大量產生的新數據限制于產業鏈內，從而堵住數據外泄的渠道，保護各方的利益.

（5）數據安全的責任.工業4.0戰略下的各價值鏈上公司間的數據需要互相交換，資源共享，包括一些敏感數據，這些數據不可避免產生一定風險，這些數據有可能被非法占有和使用，或者通過非法途徑泄漏給第三方，也有可能接受信息的一方的IT安全措施不足，被第三方黑客攻克，導致關鍵數據泄漏而其受法律保護的難度也極大.為解決大數據條件下的數據安全，可通過明確技術標準，確定附加措施，懲罰違反協議的行為.工業4.0的智能制造設備收到智能控制，產生的數據涉及產品所有領域，包括形狀、性能、材質等，一旦信息泄漏必然產生嚴重后果.信息泄漏的責任者不僅承擔產品損失的法律責任，還需承擔智能網絡失誤產生的責任，因此，責任認定的方法是非常重要的.由于自主系統部署與整個價值鏈的網絡上，缺乏結構透明度使其不可能明確地肯定誰執行某一特定的動作，產生的數據也難以確定是哪個特定智能機器發出的，在法律責任方面具有不確定性.為明確責任，企業裝配生產線上配有自主數據處理系統，對生產設施和產品的安全性方面承擔法律責任.如果合作人希望避免在法律上負連帶責任，并對另外合伙人具有追償權，那么，在項目實施前，各方需要通過協議、合同等形式明確各自系統的法律責任.

（6）加密技術.在工業4.0產業鏈的復雜體系中，某些元件有可能受到國內以及國際貿易限制，加密技術能夠保證信息物理系統的完整性和保密性.在軟件保護技術領域，目前主要采用序列號保護、時間限制、KeyFile保護、CD-check、軟件狗、軟盤加密、軟件與硬件信息結合等措施.在國際市場上，各國家在加密技術上有特殊的要求，如中國只允許在許可證設定的范圍內進行加密產品出口和使用，歐盟只允許加密技術適用于歐洲和一些特定國家，包括美國、日本和加拿大.有些公司希望通過加密技術實現其產品的市場壟斷地位，容易造成產品的技術和貿易壁壘.

（7）基于工控系統安全的策略

工控系統的安全不僅直接影響企業的生產，員工的生命財產安全，而且還可能涉及行業或者國家層面的安全.2012年4月10日的深圳停電事故導致福田、龍崗和羅湖三區停電2個多小時，直接經濟損失近10億元.2013年11月22日的中石化濰坊分公司的輸油管破裂，直接經濟損失超過7.5億元，此外還造成大量無辜人員群死群傷的惡性后果.2013年6月美國前情報人員愛德華·約瑟夫·斯諾登將美國國家安全局監聽項目的文件披露給《華盛頓郵報》和《http://baike.baidu.com/view/229336.htm衛報》；2013年6月21日，斯諾登再次曝光英國“顳颥”秘密監視項目.斯諾登的“棱鏡門”折射出我國信息安全存在的隱憂.全世界的企業竊密事件不可勝數，嚴重影響工業制造以及貿易的正常運轉，其中我國也是信息安全的受害國，2013年，國家互聯網應急中心（CNCERT）接收境內網絡安全時間報告30684案例，比2012年增長71.2%.

工業4.0戰略將資源、物、事、人、信息以及服務進行互聯，革新并改造現有的制造業，將智能機器、生產設施以及存儲系統融入信息/物理系統中.普渡大學提出了經典的整合自動化與信息化的5層控制模型，分別為：L1層/現場設備層；L2層/過程控制層；L3層/生產執行層；L4層/經營管理層；L5層/戰略決策層.外部的互聯網以及內部惡意攻擊都可能造成整個網絡信息外泄，甚至系統崩潰，影響最大的威脅來自第三方的現場操作，遠程撥號攻擊以及野外搭線的網絡攻擊.國際安全手冊《工業控制系統安全指南》（NIST SP800-82）對工控的網絡威脅做了詳細描述，并闡述系統存在的信息安全風險以及網絡的脆弱性.不同領域強調的安全側重點有較大的差別，軍工系統強調信息保密，電力系統強調調度系統不中斷，石化強調生產連續性，工業4.0不僅強調整個系統運行的穩定性，還重視信息保密，目前企業界普通采用的工業企業信息化集成系統（GT/T 26335-2010）中涉及的信息化總體架構不能適應工業4.0，特別是工控信息安全需要適當調整.

任何企業都非常重視生產安全，工業網絡中采用協議與網絡檢測與防護確保信息安全.目前，國際上流行的通訊協議名稱及其提供廠商分別為：Modbus/英國Modicon公司、Profibus/德國Siemens公司、OPC/OPC基金會、FoundationFieldbus/英國FisherRosemount公司、Ethernet/IP/ODVA組織、ControlNet/英國Rockwell公司、DeviceNet/英國AllenBradley公司、CC-Link/日本三菱電機公司、EtherCAT/德國倍福、P-Net/丹麥ProcessData公司、WorldFIP/法國Alston、Interbus/德國Phoenix Contact公司、CAN/德國RoberBosch公司.

3 結束語

隨著設備的智能化和控制系統網絡化的發展，軟件對機械設備制造產品具有明顯的增值作用，設備中嵌入的軟件組件數量急劇上升.工業4.0涉及語音信號、圖像高速率和大數據傳輸，以太網與控制網絡技術的成熟催生兩者相互結合，多標準工業控制網絡互聯技術、無線技術、嵌入式技術等技術在網絡化浪潮的推動下加速融合，拓展了工控的發展空間，帶來了新的機遇，同時，對信息安全也提出了更高要求.在智能工業的工業4.0中，網絡系統安全特別受到重視，采取積極策略保證網絡安全，預防黑客，網絡間諜第三方所造成的侵害是工業4.0實施的關鍵.工業4.0相關的大量元器件間互動產生的大數據和設備數據交換相關的管理平臺也是全新的自動化控制理念.通過集散控制系統，以及建設IT網絡安全高效的通信平臺有助于解決工業4.0的信息安全問題.

〔1〕繆學勤.Industry 4.0 新工業革命與工業自動化轉型升級[J].石油化工自動化,2014,50(1):1-6.

〔2〕張曙.工業4.0 和智能制造.機械設計與制造工程[J].2014,34(8):1-6.

〔3〕Jay Lee,Hung-An Kao,Shanhu Yang.Service innovation and smart analytics for Industry 4.0 and big data environment [J].Procedia CIRP,2014(16):3-8.