物聯網在交通機電系統中的應用與數據安全性

摘要：隨著物聯網（IoT）技術的迅速發展，交通機電系統正逐漸經歷著一場前所未有的革命。旨在探討物聯網在交通機電系統中的廣泛應用，以及由此帶來的數據安全性挑戰。對于物聯網在交通機電系統中的具體應用，分別行人上高速預警系統、ETC門架智能PDU遠程控制以及視頻遠程監控等方面進行了探討。在此基礎上，結合物聯網在交通機電系統應用過程中的數據安全性，提出了針對性策略，進而有助于推動物聯網在交通機電系統中應用的不斷深入，從而保障交通機電系統的安全高效運行。

關鍵詞：物聯網；交通機電系統；數據安全性

一、前言

隨著城市化進程的快速推進和全球人口的持續增長，現代交通系統面臨著前所未有的挑戰，物聯網（Internet of" Things，IoT）技術的嶄露頭角為交通機電系統帶來了革命性的變革和機遇。物聯網通過專用網絡連接各種終端設備、傳感器和控制系統，實現了實時數據采集、分析和智能控制，為遠程控制和數據上傳提供備用鏈路，進一步提升了交通系統的管理效率、可靠性和安全性。然而，這一技術的廣泛應用也伴隨著一系列數據安全性挑戰，如數據隱私、網絡攻擊和數據泄露等問題。因此，探討物聯網在交通機電系統中的應用及相關的數據安全性問題具有非常重要的現實意義。

二、物聯網在交通機電系統中的具體應用

（一）行人上高速預警系統

行人上高速預警系統旨在提高交通安全并減少事故發生。該系統利用傳感器、攝像頭、互聯設備以及智能算法等技術，能夠監測到從收費站進入高速公路上的行人并進行預警。首先，該系統會在收費站區域部署多個攝像頭，這些攝像頭覆蓋了收費站出入口的關鍵區域，可以實時監測是否有行人進入。其次，通過圖像處理和計算機視覺技術，系統能夠識別和跟蹤行人的位置、行動以及可能的危險行為，并通過廣場喇叭對行人進行提示，通知當班人員對行人進行勸返。最后，系統還可以將實時數據傳輸到路網管理中心，監控人員可以通過視頻進行遠程監控、錄像留證和干預，從而有效地防止行人上高速引發安全事故。

（二）ETC門架智能PDU遠程控制

ETC門架智能PDU（電源分配單元）遠程控制旨在提高ETC（電子不停車收費）系統的效率和可管理性。該系統通過物聯網技術將門架上的電源分配單元與中央控制中心連接起來，實現了遠程監控和管理的能力，具體操作如下：

首先，每個ETC門架上都安裝了智能PDU，它負責為ETC設備提供電力供應，并能夠監測電源的狀態和負載情況。這些PDU通過物聯網連接到中央控制中心，以便實時傳輸數據。其次，中央控制中心配備了專門的監控系統，可以遠程訪問和控制每個門架上的PDU。這意味著操作人員可以隨時監測電源分配情況，追蹤電源故障或負載異常，并采取必要的措施。最后，系統還具備自動化功能，可以根據需要對電源進行遠程重啟或切換，以最小化停機時間和服務中斷。

（三）視頻遠程監控和隧道內機電設備

在視頻遠程監控方面，通過部署攝像頭和物聯網設備，系統能夠實時監視高速公路各個關鍵區域，包括交叉口、隧道、匝道、收費站和車道，捕捉交通流量、道路狀況和事件等信息，并將這些信息傳輸到中央監控中心。在監控中心，操作人員可以同時查看多個攝像頭的畫面，利用智能分析算法識別關鍵事件，如交通事故、擁堵、車輛違規行為，并實時發送警報，以便交通管理部門快速采取行動。隧道內的機電設備也受益于物聯網技術，包括車道指示器、交通信號燈、霧燈設備、情報板和視頻設備等，這些設備連接到中央控制系統，形成一個智能網絡。系統可以監測和管理這些設備，支持遠程控制和靈活調整，同時具備自動化和警報功能，確保隧道的安全性和運行效率。

但是一旦專用網絡不能使用，上述的各種功能就無法實現。為了應對專用網絡的部分失效，高速公路管理部門可引入物聯網作為備用通信渠道。

首先是傳感器和設備部署。在高速公路上部署的物聯網傳感器和設備，包括通信模塊、攝像頭、傳感器和無線網絡設備。這些設備分布在關鍵位置，如隧道機房，配電房等。其次是自主通信功能。物聯網設備具備自主通信功能，能夠檢測到專用網絡故障并自動啟動。它們使用低功耗無線通信技術，通過基站，確保能夠建立穩定的通信鏈路。最后是數據傳輸與監控，物聯網設備將實時數據傳輸到物聯網云平臺，包括交通流量、道路狀況和緊急事件報告。交通管理人員可以通過云平臺遠程監控交通狀況，并根據情況采取措施[1]。

三、數據保護策略與措施

（一）數據加密

1.傳輸加密

首先，加密通信協議的選擇是至關重要的。常用的加密通信協議如SSL/TLS可用于保護數據在網絡傳輸過程中的安全。這些協議使用強大的加密算法來加密數據，以確保只有授權的接收方可以解密和訪問數據。其次，端到端加密是一種重要的傳輸加密方式。在高速公路機電系統中，端到端加密確保數據在發送方和接收方之間的整個傳輸路徑上都是加密的，而不僅僅是在通信通道中。這意味著在傳輸途中，即使網絡節點被攻擊，也無法解密數據。最后，密鑰管理是確保傳輸加密安全的關鍵。密鑰用于加密和解密數據，因此必須進行有效的密鑰管理，包括生成、分發、更新和存儲密鑰。密鑰應該是強密碼，且定期更換以減少潛在的攻擊。

2.存儲加密

存儲加密確保數據在存儲介質上安全存儲，即使在物理設備丟失或遭受盜竊的情況下也能保持機密。存儲加密可以涵蓋以下重要方面：

首先，全磁盤加密（Full Disk Encryption，FDE）是一種常見的存儲加密方法，可用于保護整個存儲設備（如硬盤或固態硬盤）。這種加密技術會對存儲設備上的所有數據進行加密，包括操作系統、應用程序和用戶文件。只有在被授權的用戶登錄并提供正確的解密密鑰或密碼時，數據才能被解密并訪問。其次，文件級加密是一種更細粒度的存儲加密方法，它允許用戶為特定文件或文件夾設置加密。這意味著只有被授權的用戶才能訪問加密文件，即使其他部分的存儲介質未加密。這種方法在需要特定文件級別的訪問控制時非常有用，例如保護敏感文檔或配置文件。最后，密鑰管理也是存儲加密的關鍵。密鑰用于加密和解密存儲介質上的數據。因此，密鑰必須受到嚴格的保護，包括合適的密鑰生成、存儲和分發措施。定期更換密鑰是一個重要的措施，以增加安全性。

（二）訪問控制

1.用戶身份驗證

首先，用戶身份驗證通常涉及用戶名和密碼的使用。每個用戶都會被分配一個唯一的用戶名和相應的密碼，這些憑證必須保密并僅由用戶知曉。當用戶嘗試登錄系統時，他們必須提供正確的用戶名和密碼才能獲得訪問權限。其次，多因素身份驗證（MFA）也越來越常見，尤其對于高度敏感的系統和數據。MFA要求用戶提供多個驗證因素，通常包括知識因素（如密碼）、擁有因素（如智能卡或手機），以及生物識別因素（如指紋或虹膜掃描）。這種多因素的方法大大增加了身份驗證的安全性，因為攻擊者需要破解多個因素才能獲得訪問權限。再次，許多高級身份驗證方法還包括單點登錄（SSO）和令牌化。SSO允許用戶使用一組憑證（通常是用戶名和密碼）訪問多個系統，而不需要多次輸入憑證。最后，所有的身份驗證活動應該被記錄和監控，以便系統管理員能夠檢測和響應異常的登錄嘗試。如果系統檢測到可疑活動，它應該能夠自動觸發警報并采取措施來保護系統的安全性。

2.權限管理

首先，權限分配是權限管理的核心。系統管理員需要明確定義不同用戶角色或用戶組在系統中的權限，通常以權限集合或角色的形式來進行。例如，一個管理員角色可以具有對系統配置進行更改的權限，而操作員角色可能只能查看數據而不能修改配置。其次，最小特權原則是權限管理的基本原則之一。這意味著用戶應該只獲得完成其工作所需的最小權限。這有助于減少潛在的濫用權限和錯誤配置的風險。系統管理員需要定期審查和更新權限以確保其適應用戶的工作需求。最后，權限管理還包括訪問控制列表（ACL）和角色基礎的訪問控制（RBAC）等技術，這些技術允許管理員更精細地控制用戶對數據和系統資源的訪問。ACL允許管理員為每個資源分配特定的用戶或用戶組訪問權限，而RBAC則通過將用戶分配到角色并為角色分配權限來簡化權限管理[2]。

（三）網絡架構保護層級

1.防火墻設置

首先，邊界防火墻通常位于高速公路機電系統與外部網絡（如互聯網）之間，充當了第一道防線。邊界防火墻通過檢查傳入和傳出的網絡流量，根據預定義的規則和策略來允許或拒絕流量。這些規則可以基于協議、端口、源IP、目標IP等多個因素來定義。其次，內部防火墻通常位于高速公路機電系統內部，用于細化網絡內部的安全控制。內部防火墻幫助隔離不同的部門、系統或用戶組，以確保只有被授權的實體可以訪問特定資源。這有助于防止內部的橫向移動攻擊。最后，防火墻還可以實施深度包檢測（Deep Packet Inspection，DPI）和入侵檢測/入侵防御系統（IDS/IPS），以檢測和阻止潛在的網絡攻擊和惡意流量。DPI分析數據包的內容，而IDS/IPS檢測異常行為并采取相應的措施。

2.子網隔離

首先，子網隔離涉及將網絡劃分為多個獨立的子網，每個子網包含一組特定設備或功能。例如，一個子網可以包含監控攝像頭和相關的監控系統，另一個子網可以包含交通信號設備和相關的控制系統。這種劃分有助于將網絡流量和訪問隔離在特定的區域內，減少了攻擊者在整個網絡中傳播的可能性。其次，隔離可以通過網絡設備（如交換機和路由器）上的訪問控制列表（ACL）或虛擬局域網（VLAN）等技術來實現。ACL可以限制不同子網之間的通信，只允許特定類型的流量通過，而VLAN可以將不同的設備劃分到不同的虛擬網絡中，使它們相互隔離。同時，隔離還應該包括物理隔離措施。例如，在數據中心中，可以使用不同的網絡交換機和物理線纜來隔離不同的子網，確保它們在物理上分離。

3.安全網關

安全網關位于系統內部和外部網絡之間的安全控制點，用于監視、過濾和保護流經系統的網絡流量。

首先，安全網關充當了網絡流量的哨兵，它可以檢測和阻止惡意流量、網絡攻擊、惡意軟件和病毒等威脅。這通過使用各種安全策略和技術來實現，包括入侵檢測和入侵防御系統（IDS/IPS）、反病毒掃描、內容過濾以及應用程序層防火墻等。其次，安全網關具有訪問控制和策略制定的功能，允許管理員定義哪些類型的流量可以通過，哪些應該被拒絕。這可以根據協議、端口、源IP、目標IP、應用程序等多個因素來制定策略。這種精確的控制幫助系統管理員確保只有被授權的流量能夠進入系統，同時阻止不必要的或有害的流量。同時，安全網關還支持加密和解密流量的功能，以確保敏感數據在傳輸過程中得到保護。這對于加密流量的檢查和內容審查非常重要，以便防止惡意活動的隱藏[3]。

（四）防止外網攻擊

1.入侵檢測系統（IDS）

入侵檢測系統（IDS）是一種監測網絡流量和系統活動的安全工具，用于檢測和報告潛在的入侵、惡意行為和異常活動。以下是有關IDS的詳細闡述：

首先，IDS可以分為兩種主要類型：網絡入侵檢測系統（NIDS）和主機入侵檢測系統（HIDS）。NIDS監測網絡流量，檢查流經網絡的數據包，以識別異常模式和簽名，可能表明存在攻擊。HIDS則安裝在單個主機上，監測該主機上的活動和文件系統，以尋找異常行為和已知攻擊模式。兩者可以在系統中共同使用，提供全面的入侵檢測覆蓋。其次，IDS使用各種檢測技術來識別潛在入侵。這包括基于簽名的檢測，它通過比對已知攻擊模式的特征來識別攻擊。還有基于行為的檢測，它分析網絡流量或主機活動的正常行為模式，并警告或阻止與此不符的活動。此外，IDS還可以結合使用黑名單、白名單、異常檢測和機器學習等技術，以增強檢測精度和減少誤報率。最后，IDS不僅可以檢測入侵和惡意行為，還可以記錄事件并生成警報。當IDS檢測到潛在的攻擊或異常活動時，它會觸發警報，通知安全管理員或相關團隊，以便他們能夠及時采取措施來應對威脅。此外，IDS還可以生成日志，這些日志可用于安全事件調查、合規性檢查和性能分析。

2.入侵防御系統（IPS）

入侵防御系統（IPS）在檢測到潛在入侵后采取主動措施來阻止攻擊，以保護系統的安全性。以下是有關IPS的詳細闡述：

首先，IPS使用與入侵檢測系統（IDS）類似的檢測技術來識別潛在的入侵和攻擊。它可以檢測網絡流量和系統活動中的異常模式、簽名和已知攻擊模式。然而，與IDS不同的是，IPS不僅能夠警告或報告潛在威脅，還可以主動采取措施來阻止攻擊。這包括阻止惡意IP地址、禁用惡意流量或阻止特定的攻擊類型。其次，IPS通常結合了多種阻止和預防技術。這包括基于簽名的阻止，它使用已知攻擊的特征來識別和攔截攻擊。還有基于行為的阻止，它分析流量和活動的行為模式，以便檢測不符合正常行為的活動。同時，IPS還可以采用黑名單和白名單，以及其他防護措施，以提高系統的安全性。IPS的主動響應可以包括臨時阻止惡意流量、關閉漏洞、隔離受感染的系統或通知安全管理員。這種主動響應有助于減輕攻擊對系統的影響，并提高了系統的安全性和彈性[4]。

3.安全漏洞管理

安全漏洞管理涉及識別、評估、修復和監控系統中存在的潛在安全漏洞，以減少攻擊者利用這些漏洞的機會。以下是關于安全漏洞管理的詳細闡述：

首先，安全漏洞管理開始于漏洞的識別。這包括對系統、應用程序、操作系統和第三方組件進行定期的漏洞掃描和評估，以查找已知漏洞和潛在的風險。漏洞掃描工具可以自動檢測并報告系統中存在的漏洞，包括已公開披露的漏洞以及可能的未公開漏洞。其次，評估漏洞的嚴重性和影響是下一步。不同的漏洞可能具有不同的風險級別，因此需要對它們進行分類和優先級排序。評估可能包括確定漏洞的潛在威脅程度、容易被利用的可能性以及潛在影響，以幫助決定哪些漏洞需要優先解決。最后，修復漏洞是安全漏洞管理的核心步驟。一旦識別和評估了漏洞，必須立即采取措施來修復它們。修復可以包括應用安全補丁、更新或升級受影響的軟件、配置更嚴格的訪問控制，或者采取其他必要的步驟來消除漏洞。

（五）交通機電系統數據安全案例

某高速公路系統發生了一起網絡攻擊事件，涉及了數據泄露和系統的安全性。

為了應對數據泄露隱患和系統安全隱患，管理部門采取以下對策：

1.修補系統漏洞

首先是識別并修補系統中的安全漏洞，并確保網絡不存在非法接入，這包括升級應用程序，定期應用安全補丁和排查網絡接入設備。

2.強化訪問控制

重新評估和加強對系統的訪問控制，確保只有經授權的用戶可以進行數據訪問。采用多因素身份驗證、強密碼策略和訪問審計，以提高安全性。

3.數據加密

所有存儲在系統中的敏感數據應進行加密，包括通行數據、視頻數據等信息。同時，還應加強對數據傳輸過程中的加密措施，確保數據在傳輸時不容易被黑客截取。

4.監控和響應

建立實時監控系統，以檢測異常活動和安全事件。制定響應計劃，以便在發生安全事件時能夠迅速采取行動，降低損害[5]。

四、結語

綜上所述，物聯網在交通機電系統中的應用將繼續推動交通領域的現代化和智能化。然而，保護數據安全性仍然是一個至關重要的挑戰，需要采用綜合性的措施來應對。只有確保數據的安全性，才能更好地實現智能交通、提高效率，并確保用戶的隱私和安全。

參考文獻

[1]高藝瑋.基于“物聯網”技術的智能交通管理平臺構建路徑研究[J].交通科技與管理，2023（15）：6-8.

[2]尹翰，張園園，張睿.基于物聯網的交通運輸管理系統設計[J].自動化與儀器儀表，2023（06）：106-110.

[3]王文輝，曾蘊銳，吳曉.基于物聯網大數據的智能交通策略分析[J].電子技術，2023，52（06）：96-97.

[4]趙林.窄帶物聯網交通安全設施監控系統應用研究[J].天津建設科技，2020，30（03）：38-40.

[5]叢瑞，裴娜.物聯網交通中的數據安全研究[J].交通企業管理，2018，33（03）：88-90.

作者單位：福建省寧德高速公路有限公司

■ 責任編輯：尚丹