數字油田物聯網系統的安全問題與保障機制探析

張雷

（大慶油田信息技術公司軟件分公司，黑龍江 大慶 163000）

在信息化背景下，我國油田的生產作業流程大大增加了對電腦技術的應用，而物聯網系統在油田生產領域中的廣泛應用，則大大促進了數字油田的發展，同時也從根本上促進了油田生產管理水平的有效提高，為企業的現代化發展作出了重要的貢獻。物聯網生產管理系統，不但可以實現對當前油田井場中各種生產管理設備和參量數據的信息采集、傳遞和集中管理等，同時在此基礎上，油田中的生產管理部門還能夠利用對現場更復雜的生產過程，從而實現信息監控和集中管理等。不過，要想真正達到出物聯網系統在油田中生產過程中的最大效率，首先就必須實現對整個生產流程數據的安全與真實性，對各種安全問題都實現了嚴格管理，如此才能推動中國數字油田的高速發展。

1 數字油田

1.1 數字油田概念

數字油田的概念，源自于數字地球。而數字地球概念主要指的是，人類可以通過利用地球在地理坐標和空間位置上的極大差異性，將所有在世界范圍內的數字信息資源都加以有組織的統一存儲，并以此為基準來建立起一個統一的地理信息模型，這將可以給世界各地民眾帶來更為直接、更加簡單、更為快捷、更加便利的信息交換查詢方法與應用，而數字地球的定義則誕生于當時的主要目的，也正是希望為全人類提供信息公共服務的。在20 世紀90 年代初期，人們就開始產生了數字油田的概念了，在當時，人們對于數字油田仍然處于一個比較懵懂的概念，而且人們對這些定義也都仍處于萌芽階段，不過在后來這種思想就開始得到人們的普遍接受了。而隨之，人們也很快就對數字油田做出了以下定義：來自世界上各個地方的公司、運營商及其技術伙伴，都能夠通過聯合應用或借助通過技術手段提升后的強大數據挖掘、更為有力的數據挖掘工具、知識管理工具以及技術推進體系等，以更為高效的方式管理業務流程，并獲得了更大的收益。

1.2 數字油田發展

在21 世紀的初期，中國數字油田發展過程也就即將開始了萌芽階段，也就在此時，中國公司在油田的整體經營流程中也就開始形成了較為豐富的可視化技術和虛擬現實、智能油井、對監測裝置和生產流程的統一控制等新技術手段。在中國油田的整體經營鏈中，也建立了電子商務和ERP 系統等。而在21 世紀初期，我國同時又是世界數字油田科技與發展的重要啟動階段，在中國深大區以研究當前世界數字油田技術研究與發展中的關鍵性問題為宗旨召開的全國專項討論會上，來自海內外的專家學者們積極提出了通過運用先進IT 信息技術，來促進全球油田勘探科研、生產管理等工作的高度系統化、效益化的科技發展目標。而從2005 年開始，數字油田技術也步入了嶄新的發展階段，在美國達拉斯于2005 年10月召開了國際油田技術協會年會，并于年會著重介紹了Sell、Chevron 等實際運用于數字油田工程中的實際案例。同時，智慧油田工程也開始在世界各地全面推廣。

2 數字油田物聯網安全問題分析

物聯網中軟硬件的復雜性以及物聯網方案的多樣性，均構成了對物聯網系統復雜性極大的安全性挑戰。而對于目前技術手段已經比較完善的國際互聯網和中國移動通信網來說，其安全性系統也已經開始逐步走向成熟與完備，使得不管終端用戶或是系統開發人員都能夠在較為安全的環境中開展工作，從而獲得各種業務。但是由于中國目前對物聯網系統的安全性研發尚處在起步階段，再加上物聯網系統的多源異構特性，也導致了其安全性研發艱難。對于數字油田的生產物聯網系統，通常都設定為三層架構：井場感知底層、重大數據處理底層、生產信息管理基礎和技術服務底層。從實現的過程上而言，將在井場中收集到的大量數據經由無線網橋與無線傳感網匯總后傳送至生產調度中心，并完成了對數據的統一管理、保存與大統計分析，在整個信息收集管理的工作流程中既反映了生產物聯網安全的基本特點和需求，也展現了其存在的主要安全性問題。

2.1 感知層安全問題

數字油田物聯網信息系統中，人們在從第一步的信息感知采集中就可能面臨一些安全問題。因為感知的信號收集裝置，如感應器和RFID 終端等裝置，本身就會受到外界影響和破壞。在RFID 產品感知信息的過程中，會接觸到很多的特殊情形：首先，放在被感知物體上的識別標記，通常都能夠被合法的RFID 閱讀器所訪問或讀出(讀取操作簡單)。但假如是被未經許可的使用者所做出讀寫動作的，其標識中數據的安全、完整性也將無法獲得保障。其次，因為目前RFID 閱讀器大多為手持的移動式閱讀器。所以有可能還存在著假冒甚至非授權的服務訪問問題。

2.2 網絡傳輸層安全問題

數字油田物聯網系統中，在互聯網傳播環節的安全問題，也一樣是無法避免的。由于物聯網系統本來是專門針對互聯網傳播而設計的，也因此使得在網絡中所出現的安全問題，也一樣可以復制給物聯網系統。所以就延續了在油田物聯網體系中的傳統無線網橋技術，而引入了采用IP 傳輸機制的數據型無線網橋，這樣使得在整個網絡傳輸層上所有信息都能夠采用IP 數據包的形式傳遞。而盡管延續了在油田企業專網系統中，已推出了行為審計、流量管理、輿情分析、防火墻等硬件設備來增強了安全保護能力，但依然存在著部分安全威脅。而在互聯網發展中所面臨的傳統信息安全問題，也同樣地為物聯網系統帶來了安全性威脅。

2.3 應用層安全問題

應用層的服務范圍包括了從公司生產調度中的海量信息處理、數據重組和數據反饋，到以網絡形式為企業各類人員服務的各類業務。期間，以網絡傳輸方式而言經歷了從公司內部各個范圍內不同的無線傳感網、無線網橋，最后才進入了企業專網即互聯網；從綜合服務的實際情況出發，原則實現了對不同層級權限相同的用戶注冊和管理。

3 數字油田物聯網系統的數據通信技術

3.1 工業無線網絡 WIA 技術

它更適合于自動生產系統和工業設備，是一個全球的無線網絡標準系統，是由中國企業自行研制，但同時也是一個安全、可信的網絡體系。它由骨干的Mesh 網絡和分簇的架構所共同組成，其中前者不但能增加了端到端間的通信安全，還能更進一步拓展了我國在油地物聯網的發展渠道。

3.2 國產設備的相關技術簡要

有一項新技術標準名為WIA-PA，意思就是能夠將中國全部電子制造業生產流程全部智能化的無線網絡技術標準，也因此這個專利的內容具有全球化標準特性，有由國家工業管理委員會所提出，除了在全世界的工業行業中被普遍重視之外，也獲得了世界工業聯合會的支持，被國際電工委員會所積極認可，并在測控技術和管理領域中的國際無線網絡規范和全國化規范，國際編號為IEC62601。工業與自動工業無線網絡關鍵技術為中科院工業智能化研究所研究，已經成為現代工業與自動管理技術應用上的重大突破，同時也是首次進入世界，并被現代工業高速自動控制所廣泛應用，這也將是當前全世界工業間自動技術工作領域中最重大的科技重大突破和又一次新技術展現，它不但改善了中國制造業的產品生產傳統模式、減少了對生產設備的投資，同時也更重要的是將中國制造業由傳統產品型發展成為現代服務個性、高端工業型，提升生產力、革新、改型發展水平，為產業現代化創造了有利條件和為工業未來發展提供了基石。

3.3 設備技術概念

WIA-PA 技術的研究核心和目標，主要是利用網絡和無線傳感器技術進行融合。更多的離散設備工業廠商在智能控制器中也廣泛使用了WIA-PA 技術，最具體的表現在如下方面：（1）針對靜態設備的使用，能夠包含在控制器內部設備與控制器之間的自動智能化應用、以及在控制器與互聯網設備之間的手動切換。（2）針對重復性的工作動作，可以做到末端執行器化，像機器人那樣重復性地固定運行。（3）不同軌道形式的搬運設備如吊車、機車等。（4）在工廠工作運轉中可以自主運動和自主運轉的機械裝置等。

3.4 WIA-PA 技術的標準要求

WIA-PA 技術能夠被國際市場廣泛認可，對技術的需求與標準事業相當高的，最簡單的技術標準便是對工業行業在智能應用領域中的具體工作過程進行規范，最重要的技術標準便是按照國際相關標準，對工業的智能工作過程進行監視、測試與管理，以保證工業無線管理系統的順利工作，以上便是工業無線網絡標準技術中針對工業生產智能化發展過程的具體規范規定。

4 數字油田物聯網系統的保障機制

4.1 感知層安全保障

在對感知層進行安全保護的過程中，主要根據RFID技術的系統特性采取了以下措施。首先，可對物體的標簽進行物理防護。如果對于一些無源濾波的標簽，出現了非法訪問的讀取錯誤或是損壞的情形，那些對標簽合法的讀取器就可以設置為在kill 的指令發出時限內，對標簽定義為永久無效的狀態。其次，它還能夠使用加密技術進行保護。對于標簽內信息也進行了保密管理，當合法的電子閱讀器在對其內容進行閱讀過程中，在借助公鑰技術進行解碼以后就可以讀出信息。但如果設備在室內機房中，那么就需要有機關專門加以監督管理，這樣保證了任何對設備進行訪問的活動，都是獲得相關部門同意和許可的。

4.2 網絡層安全保障

在對無線網絡的傳感器實施安全保護的過程中，人們還可能通過消息驗證法、數據加密法、節點間的數據檢查法等方式實現安全保護系統。在消息核對法中，接收者將需要對其所傳輸的消息數據進行核對，并確保消息內容具有完整性，從而證實消息是由合法節點所傳輸的。在數據加密法中，將要求其所傳輸的消息數據僅可以向被授權的用戶檢索，但一旦不是許可消息數據將無法完成對用戶的檢索，還可以利用保密制度來對所傳輸的消息數據進行保密管制，以使攻擊者對其所傳輸的數據無法正確讀出消息。但在節點數據檢查法中，則必須對所有聚合節點的數據實際時更新性進行審查，并由所有聚合節點對最新的所收數據包進行檢測確認，來看其是不是節點最新數據包。同時，還必須檢測數據包中沒有由惡意節點所傳遞的消息。

4.3 應用層安全保障

在對應用層安全的維護中，可以采用的措施相當多。可對數據庫的存取方式授權范圍進行設定，或者根據不同等級和授權范圍的管理人員而設定對不同存取方式的授權，或利用授權來對數據中所存放的內容加以管理；可以通過數據備份手段，定期對歷史數據進行備份管理，并進行異地備份操作；根據不同權限的使用情況，對他們的信息也可以進行針對性維護，防止他們信息的泄露出現；也可利用密碼技術進行數據保護，這些技術分為數字簽名和數字證書等。

5 結語

綜上所述，數字油田物聯網安全問題已變成了當前數字油田建設的關鍵所在，因而要充分保證當前中國數字油田的安全發展，就需要針對數字油田物聯網系統的感知級、網絡級與應用級，就各所對應的安全問題展開深入分析研討，并需要進行有針對性的安全建設和社會保障體系，如此才可以保障當前數字油田的物聯網系統實現有序、平穩地運轉。