一種用于工業互聯網安全應急響應的數字孿生技術

鐘云杰，王會成，朱云強，羅 春，李 毅，鄭 熠

（1 新鳳鳴集團股份有限公司 浙江 桐鄉 314513）

（2 浙江五疆科技發展有限公司 浙江 桐鄉 314513）

0 引言

數字孿生技術能夠實時模擬和監測工業系統的運行狀況，并與真實系統保持同步更新。 這為實時監測、檢測和分析安全威脅提供了有力支持。 然而，目前仍存在工業互聯網安全領域的研究和應用不足的情況。 在當今工業互聯網迅猛發展的背景下，安全威脅逐漸成為一個嚴峻的挑戰。 為了有效保護工業系統的安全性，研究人員紛紛尋求創新的解決方案。 數字孿生技術作為一種潛力巨大的工具，為工業互聯網安全提供了新的可能性［1］。 本文旨在研究并實現基于數字孿生技術的工業互聯網安全應急響應系統，以應對不斷增加的安全威脅。

1 數字孿生內涵

數字孿生技術在工業互聯網安全應急響應中的應用，同樣是基于物理模型、傳感器更新和設備運行歷史數據等多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程。 它通過整合這些數據來源，在虛擬空間中映射裝備的全生命周期過程。 通過對物理實體的力、熱、聲、光、電、磁等多物理量進行實時動態仿真，數字孿生技術能夠降低方案優化、參數調整、預測診斷等措施的試錯成本。

為了實現工業互聯網安全應急響應，數字孿生技術以現實世界的物理實體為參照，在計算機中通過三維建模技術構建對應的虛擬實體，并通過數據交互技術實現現實世界與虛擬世界之間的雙向數據交互。 以物理實體、虛擬實體、孿生數據、連接和服務的數字孿生五維模型，為數字孿生技術在工業互聯網安全應急響應中的具體應用提供了思路。 數字孿生五維模型如圖1 所示。

數字孿生認識規律如圖2 所示。 在工業互聯網安全應急響應的實踐中，可以基于數字孿生技術構建完整的數字孿生模型。 通過將工業互聯網作為連接通道，將工業軟件及智能算法作為服務端，科技人員或管理人員可以在虛擬世界中低成本地實現對實際物理世界的認識、控制、預測和改造。

圖2 數字孿生認識規律

數字孿生技術的應用可以通過實踐和認識的反復過程，優化參數，進行仿真計算，并將不合理的推斷、決策和低級錯誤在數字孿生模型中暴露出來。 經過云端決策中心的分析判斷后，最佳的數字孿生測試方案可以被移植到工業互聯網實際物理世界中，從而顯著降低安全應急響應的風險和成本，提高成功率［2］。

數字孿生技術在工業互聯網安全應急響應中的應用，為應對安全事件提供了一種低成本、可重復性強的方法。通過在虛擬世界中模擬數據的采集與分析、設備故障的預測與診斷、災害的預防與治理以及應急響應措施的設計與規劃等方面的應用，數字孿生技術為工業互聯網安全提供了有效的解決方案。

2 工業互聯網應急響應

工業互聯網應急響應是確保工業互聯網安全的重要組成部分，其目標是應對網絡安全事件和威脅而制定一系列應急措施和響應機制［3］。 在分析工業互聯網的應急響應時，可以從幾個方面進行闡述。 首先，在應急響應計劃方面，需要建立完善的應急預案，明確各類網絡安全事件的響應流程、責任分工和信息溝通渠道，以確保在事件發生時能夠迅速、有效地應對［4］。 其次，對于威脅監測與情報分析，需要建立實時監測系統，對工業互聯網的網絡流量、設備狀態和入侵行為進行監控和分析，并及時收集、整理和研判網絡威脅情報，為應急響應提供有力支持。 最后，建立安全事件響應團隊和完善的演練機制也至關重要。 團隊成員應具備專業的安全技術和應急處置能力，并經過定期的演練和培訓來提升應對能力［5］。 通過綜合考慮和實施這些措施，可以提升工業互聯網的應急響應能力，降低網絡安全事件對工業互聯網運營的風險，從而確保工業互聯網系統的安全可靠運行。

3 設計和實施基于數字孿生的應急響應系統

3.1 應急響應系統的組成和架構

基于數字孿生技術的應急響應系統如圖3 所示。

圖3 應急響應系統架構

（1）物理實體：指實際的工業互聯網系統、設備、傳感器等物理實體，在數字孿生系統中作為參考對象存在。

（2）虛擬實體：通過三維建模技術，在計算機中構建與物理實體相對應的虛擬實體，實現了物理實體在虛擬空間中的映射。

（3）孿生數據：包括物理實體和虛擬實體在工作過程中產生的數據，例如傳感器數據、歷史數據等。 這些數據在數字孿生系統中進行交互和分析，用于實時監測、檢測和分析安全威脅。

（4）連接和服務：用于實現現實世界與虛擬世界之間的雙向數據交互。 通過工業互聯網作為連接通道，將工業軟件及智能算法作為服務端，實現在虛擬世界中對實際物理世界的認識、控制、預測和改造［6］。

3.2 創建數字孿生模型

數字孿生模型的創建涉及以下步驟：

（1）傳感器數據采集：使用各種傳感器設備實時監測物理實體的參數和狀態數據，如溫度、壓力、加速度等。 這為建模和分析提供了必要的實時數據，是數字孿生模型的基礎。

（2）歷史數據收集：匯總物理實體過去的運行數據，包括設備狀態和故障記錄。 這些數據可以來自傳感器、控制系統日志和維護記錄，為建立數字孿生模型提供了寶貴的參考信息。

（3）數據清理與預處理：對采集到的數據進行噪聲過濾、異常值檢測、數據插補等操作，以確保數據的準確性和完整性［7］。 這一步驟至關重要，因為高質量的數據是模型建立的基礎。

（4）模型建立：利用建模技術，對清理后的數據進行處理和分析，構建數字孿生模型。 這一過程可以基于物理原理或機器學習算法來實現。 建模的目的在于揭示物理實體的內在關聯和行為規律，從而為后續的分析和優化提供支持。

（5）模型驗證與優化：將建立的數字孿生模型與實際物理實體進行對比和驗證，以不斷提高模型的準確性和可靠性。 模型可以用于預測、監控和優化物理實體的運行狀態和性能，從而為決策支持和問題解決提供有力工具。

3.3 安全威脅實時監測、檢測與分析

通過數字孿生技術，可以實現對工業互聯網系統的實時檢測和分析，以識別和應對安全威脅。 具體步驟包括：

（1）實時監測：數字孿生技術利用虛擬模型實時獲取物理實體的狀態和參數數據，并將其與預設的安全閾值進行比較，以檢測潛在的安全問題。 這一過程涉及傳感器數據采集和數字孿生模型的實時更新，從而持續監測和深入分析物理實體的運行狀態。 如果某個參數超出了設定的安全范圍，系統會立即發出警報，以采取及時的糾正措施。這種實時監測有助于識別可能存在的安全漏洞和異常行為，以維護工業互聯網系統的安全性。

（2）安全威脅檢測：借助數字孿生模型，系統對物理實體的運行狀態進行評估和分析，以識別可能存在的安全威脅、漏洞和異常行為。 數字孿生模型能夠模擬物理實體的行為，并將其與實際運行過程進行詳盡比對。 通過這種對比分析，可以發現不符合正常行為的模式或異常情況，從而確定潛在的安全威脅。 例如，如果某個設備的工作狀態與該設備在相同工況下的歷史數據存在明顯差異，就可能存在安全問題。 安全威脅檢測可以借助數據挖掘和機器學習算法等手段，對數據進行深入分析和模式識別，從而提高檢測潛在威脅的準確度和敏感度［8］。

（3）安全分析：在檢測到安全威脅后，系統可以利用數字孿生模型和歷史數據進行進一步分析，以確定威脅的等級和潛在影響，并提供預測和建議。 這有助于評估威脅的嚴重程度以及對系統運行的可能影響。 同時，還可以利用數字孿生模型進行模擬和仿真，驗證不同的對策和防御措施的有效性。 此外，安全分析還可以通過回顧和總結歷史安全事件的數據，為未來的威脅提供預測和建議。 通過對安全事件數據的積累和分析，可以不斷提升數字孿生模型的性能并改進安全防護措施。

綜合而言，通過實時監測、安全威脅檢測和安全分析，數字孿生技術有助于工業互聯網系統實現對安全威脅的檢測和分析，提供預測和建議，從而增強系統的安全性和魯棒性。

3.4 基于數字孿生模型的決策和應對策略

基于數字孿生模型的決策和應對策略可以參考以下步驟：

（1）決策支持：數字孿生模型提供的數據和分析結果可以輔助決策者制定應急響應策略和措施，并進行風險評估。 借助通過數字孿生模型獲得的實時監測、檢測和分析的結果，決策者可以了解系統的當前狀態、潛在的威脅以及可能的影響。 基于這些信息，決策者可以制定應對策略，包括備用方案、緊急修復措施和資源分配等。

決策支持還包括風險評估，通過數字孿生模型的分析，可以評估不同應對措施的效果和風險程度。 決策者可以根據評估結果選擇最合適的策略，以降低風險并確保系統的安全。

（2）應急響應計劃：根據數字孿生模型的分析結果，制定和優化應急響應計劃是有效進行安全事件處理的關鍵。 應急響應計劃包括明確的安全事件處理流程、詳細的責任分工和高效的信息溝通機制。 通過數字孿生模型的數據和分析，可以更準確地確定不同安全事件的緊急程度和處理優先級，進而指導應急響應團隊在事件發生時迅速采取行動。

應急響應計劃的優化也需要基于數字孿生模型的實時監測和分析結果，不斷更新和改進，以應對不斷變化的安全威脅。

（3）應急演練：通過數字孿生模型進行虛擬演練，可以評估和驗證應急響應計劃的可行性和有效性，同時發現潛在問題并加以改進。 應急演練是指在模擬環境下進行的實際場景演練，利用數字孿生模型模擬不同的安全事件，并根據應急響應計劃采取相應的應對措施。 通過演練，可以評估響應團隊的反應速度、協調能力和決策準確性，發現并解決潛在的問題，從而提高整個應急響應體系的效能和適應性。

（4）實施應對策略：根據數字孿生模型的建議，采取相應的應對策略是確保工業互聯網系統安全可靠運行的重要步驟。 應對策略可以包括隔離受影響的系統、修復漏洞、恢復正常運行等。 數字孿生模型能夠提供對應急響應措施的評估和預測，決策者可以根據模型輸出的指導意見有針對性地采取措施，從而降低安全風險并縮短系統恢復時間。

通過設計和實施基于數字孿生的應急響應系統，可以提高工業互聯網的安全性和應急響應能力。 數字孿生模型作為決策支持的強大工具，可以為決策者提供準確而及時的信息，幫助他們制定有效的應對策略和措施。

4 結語

本文提出了一種基于數字孿生技術的工業互聯網安全應急響應系統的構建方案。 通過數字孿生技術的實時模擬和監測能力，該系統能夠有效應對日益增多的安全威脅，從而提高工業系統的安全性和應急響應能力。 數字孿生技術能夠實時模擬和監測工業系統的運行狀況，并提供準確的實時數據，為應急響應提供有力支持。 本文詳細闡述了基于數字孿生的應急響應系統的組成和架構，包括數據采集、歷史數據收集、數據清理與預處理以及模型建立等關鍵步驟。 這些步驟的實施能夠提供高質量的數據支持，為決策者制定有效的應急響應策略提供重要參考。 該系統能夠實時監測、檢測和分析安全威脅，并使決策者能夠快速應對風險，保護工業系統的穩定運行。 基于數字孿生技術的應急響應系統在提高工業互聯網系統安全和應急響應能力方面具有較大的潛力。