一、國(guó)內(nèi)外工控網(wǎng)絡(luò)安全動(dòng)態(tài)

1.國(guó)內(nèi)研究動(dòng)態(tài) 

隨著國(guó)家“兩化融合”工作的推進(jìn)和《網(wǎng)絡(luò)安全法》[1]的正式實(shí)施，國(guó)家關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施保護(hù)已經(jīng)成為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題?！毒W(wǎng)絡(luò)安全法》明確提出：對(duì)公共通信和信息服務(wù)、能源、交通、水利、金融、公共服務(wù)、電子政務(wù)等重要行業(yè)和領(lǐng)域的關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)在網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)制度的基礎(chǔ)上，實(shí)行重點(diǎn)保護(hù)。作為重要的國(guó)家關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施，工業(yè)控制系統(tǒng)因運(yùn)行可靠性要求高、受破壞后造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響巨大等特點(diǎn)，其網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題引起了國(guó)家和行業(yè)的普遍重視。

2011年，工業(yè)和信息化部發(fā)布《關(guān)于加強(qiáng)工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全管理通知》[2]，明確了重點(diǎn)領(lǐng)域工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全管理要求，并強(qiáng)調(diào)了“誰(shuí)主管誰(shuí)負(fù)責(zé)、誰(shuí)運(yùn)營(yíng)誰(shuí)負(fù)責(zé)、誰(shuí)使用誰(shuí)負(fù)責(zé)”的原則。2014年，中央與國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)相繼對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全和中國(guó)能源企業(yè)的工控網(wǎng)絡(luò)安全做出重要整改。隨著相關(guān)國(guó)家政策的推出，我國(guó)工控安全產(chǎn)業(yè)發(fā)展加速，市場(chǎng)增速正呈現(xiàn)不斷上升趨勢(shì)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年為3.13億元，2017年達(dá)到3.66億元，2018年增長(zhǎng)至4.28億元，但由于起步較晚，我國(guó)工控安全產(chǎn)業(yè)未來(lái)還有很大的市場(chǎng)發(fā)展空間。

2.國(guó)外研究動(dòng)態(tài)

近年，全球工業(yè)控制系統(tǒng)面臨嚴(yán)峻的網(wǎng)絡(luò)攻擊形勢(shì)[3]：針對(duì)性強(qiáng)，直擊關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施；破壞力度大，造成工控系統(tǒng)癱瘓；攻擊范圍廣，波及全球多個(gè)國(guó)家。西方發(fā)達(dá)國(guó)家，尤其是美國(guó)在很早以前就開(kāi)展了工控網(wǎng)絡(luò)安全方面的研究。從2007年起，美國(guó)國(guó)土安全局就經(jīng)常組織工控網(wǎng)絡(luò)安全攻防演習(xí)。通過(guò)模擬交通、電力等各重要工業(yè)部門(mén)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)遭到攻擊的場(chǎng)景，制定應(yīng)對(duì)和防范措施，以此來(lái)不斷提高工控網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)水平。

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)安全的研究受到國(guó)際知名自動(dòng)化廠商的重視，比如西門(mén)子、羅克韋爾自動(dòng)化、施耐德電氣等不斷推出針對(duì)自家產(chǎn)品攻擊所對(duì)應(yīng)的防范措施和相應(yīng)的工控網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品。西門(mén)子中國(guó)研究院[4]從2010年開(kāi)始就設(shè)立了專(zhuān)門(mén)的工業(yè)信息安全研究部門(mén)，數(shù)年來(lái)協(xié)助西門(mén)子德國(guó)總部研發(fā)機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了一系列工控網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品。2014年3月，西門(mén)子在北京設(shè)立首家“西門(mén)子工業(yè)信息安全實(shí)驗(yàn)室”[5]。到目前為止，德國(guó)和美國(guó)憑借其雄厚的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)信息安全領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先世界其它國(guó)家。尤其是針對(duì)PLC控制系統(tǒng)[6]的底層、控制層和現(xiàn)場(chǎng)層的網(wǎng)絡(luò)安全解決方案。

3.工控網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全重要性

通過(guò)國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)分析，可以看出工控網(wǎng)絡(luò)安全已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)，為了定量分析其研究現(xiàn)狀和趨勢(shì)，本文以知網(wǎng)和專(zhuān)利網(wǎng)的數(shù)據(jù)為大數(shù)據(jù)來(lái)源，通過(guò)關(guān)聯(lián)分析、聚類(lèi)分析和知識(shí)圖譜等技術(shù)對(duì)工控網(wǎng)絡(luò)安全進(jìn)行研究。

二、研究方法

本文通過(guò)Scrapy爬蟲(chóng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和清洗，存儲(chǔ)到Hive數(shù)據(jù)庫(kù)里，利用K-Means聚類(lèi)思想以及Pandas、TensorFlow、Numpy等庫(kù)進(jìn)行知識(shí)圖譜分析。

三、大數(shù)據(jù)結(jié)果分析

大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)人類(lèi)的數(shù)據(jù)駕馭能力提出了新的挑戰(zhàn)，也為人們獲得更為深刻、全面的洞察能力提供了前所未有的空間與潛力[7]。工業(yè)4.0的到來(lái)標(biāo)志著智能化時(shí)代的到來(lái)，標(biāo)志著利用信息化技術(shù)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)變革時(shí)代的到來(lái)，也標(biāo)志著大數(shù)據(jù)滲透到當(dāng)今工控網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域，成為重要生產(chǎn)因素點(diǎn)的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。

1.申請(qǐng)與公開(kāi)數(shù)量趨勢(shì)

圖1是2001~2020年專(zhuān)利申請(qǐng)量和公開(kāi)量的發(fā)展趨勢(shì)。從圖中可以看出，從2014年開(kāi)始，專(zhuān)利的申請(qǐng)量與公開(kāi)量呈上升趨勢(shì)，特別是2017年以來(lái)，二者的數(shù)量逐年急劇增長(zhǎng)，對(duì)仍未結(jié)束的2020年本文不做過(guò)多分析。一般專(zhuān)利公開(kāi)和專(zhuān)利申請(qǐng)相比有一定滯后，因此同一年中申請(qǐng)專(zhuān)利數(shù)量高于公開(kāi)專(zhuān)利數(shù)量。近年隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，專(zhuān)利數(shù)量持續(xù)穩(wěn)步上升，通過(guò)宏觀層面的發(fā)展趨勢(shì)可以看出，工控網(wǎng)絡(luò)安全越來(lái)越受到社會(huì)各界人士的重視。

圖1 2001~2020年專(zhuān)利申請(qǐng)與公開(kāi)數(shù)量趨勢(shì)

2.生命周期

圖2是2010~2019年期間專(zhuān)利技術(shù)所處的發(fā)展階段，其中第一維度為申請(qǐng)人數(shù)量，第二維度為專(zhuān)利數(shù)量。從圖中可以看出申請(qǐng)人數(shù)量和專(zhuān)利數(shù)量均隨年份的增加而增加，2017~2018年期間申請(qǐng)人數(shù)量和專(zhuān)利數(shù)量都有顯著提高，本圖獲取的數(shù)據(jù)針對(duì)的研究對(duì)象可以是某件專(zhuān)利文獻(xiàn)所代表技術(shù)的生命周期，也可以是某一技術(shù)領(lǐng)域整體技術(shù)的生命周期。從整體的上升趨勢(shì)可以推測(cè)未來(lái)工控網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域具有強(qiáng)大而持久的生命力。

圖2 生命周期

3.申請(qǐng)人專(zhuān)利價(jià)值

專(zhuān)利價(jià)值度是參考技術(shù)穩(wěn)定性、技術(shù)先進(jìn)性和保護(hù)范圍三個(gè)方面20余個(gè)參數(shù)，對(duì)專(zhuān)利進(jìn)行分析后得出的關(guān)于專(zhuān)利價(jià)值的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。研究申請(qǐng)人專(zhuān)利的價(jià)值度評(píng)分分布情況，可以宏觀了解申請(qǐng)人的專(zhuān)利質(zhì)量，從而客觀評(píng)價(jià)申請(qǐng)人在專(zhuān)利方面的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。

圖3是申請(qǐng)人的專(zhuān)利價(jià)值度的分布情況，價(jià)值度在0~10范圍內(nèi)，申請(qǐng)人的價(jià)值度大部分集中在5~8之間。從圖中可以看出在眾多申請(qǐng)人中，江蘇亨通工控安全研究院有限公司、國(guó)家電網(wǎng)公司、浙江大學(xué)、華東師范大學(xué)和杭州安恒信息技術(shù)股份有限公司位于前列，這些申請(qǐng)人的專(zhuān)利價(jià)值較高，有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。北京威努特技術(shù)有限公司、國(guó)家電網(wǎng)有限公司、陜西思科銳迪網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)有限責(zé)任公司、中國(guó)科學(xué)院信息工程研究所以及南京南瑞信息通信科技有限公司緊隨其后。

圖3 申請(qǐng)人專(zhuān)利價(jià)值

4.國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)分析

國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)分析的是工控網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域中各技術(shù)方向的數(shù)量分布情況。其中IPC分類(lèi)號(hào)所對(duì)應(yīng)的技術(shù)方向如表1所示。通過(guò)分析研究熱點(diǎn)可以了解分析對(duì)象覆蓋的技術(shù)類(lèi)別，以及各技術(shù)分支的創(chuàng)新熱度，有助于對(duì)行業(yè)整體認(rèn)識(shí)，并對(duì)研發(fā)重點(diǎn)和研發(fā)路線進(jìn)行適應(yīng)性地調(diào)整。另外，通過(guò)分析各主要技術(shù)方向在不同國(guó)家或地區(qū)的數(shù)量分布情況可以掌握重要技術(shù)方向在全球范圍內(nèi)的主要技術(shù)來(lái)源國(guó)。

表1 IPC分類(lèi)號(hào)對(duì)應(yīng)技術(shù)方向

（1）國(guó)內(nèi)研究熱點(diǎn)情況

圖4為國(guó)內(nèi)研究熱點(diǎn)分布圖，可以看出，工控網(wǎng)絡(luò)安全覆蓋10余種技術(shù)類(lèi)別，其中H04L（數(shù)字信息的傳輸）的專(zhuān)利數(shù)量遙遙領(lǐng)先，G06F（電數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理）、G05B（一般的控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng)）、G06N（基于特定計(jì)算模型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）和G06K（數(shù)據(jù)識(shí)別，數(shù)據(jù)表示等）這幾種技術(shù)分支的專(zhuān)利數(shù)量也在前列。由此推測(cè)，社會(huì)各界對(duì)工控網(wǎng)絡(luò)安全所覆蓋的技術(shù)類(lèi)別有一定的的創(chuàng)新熱度，其中H04L、G06F、G05B、G06N以及G06K的創(chuàng)新熱度尤其高。

圖4 國(guó)內(nèi)研究熱點(diǎn)

（2）全球研究熱點(diǎn)情況

圖5是全球研究熱點(diǎn)分布情況，第一維度為專(zhuān)利公開(kāi)國(guó)別或地域，第二維度為IPC分類(lèi)號(hào)。顯然，這10余種專(zhuān)利技術(shù)類(lèi)別主要集中在中國(guó)。可以推測(cè)，中國(guó)是工控網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域的重要技術(shù)方向在全球范圍內(nèi)的主要技術(shù)來(lái)源國(guó)。

圖5 全球研究熱點(diǎn)

5.全球地域排名

圖6展示的是全球?qū)＠_(kāi)的國(guó)家或地域中，工控網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域的專(zhuān)利數(shù)量在不同地區(qū)的分布和排名情況。通過(guò)圖表可以了解到該領(lǐng)域在中國(guó)的技術(shù)創(chuàng)新比較活躍，再一次證明了工控網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域在中國(guó)的市場(chǎng)所具有的巨大潛力。中國(guó)政府對(duì)工業(yè)信息安全很重視，2014年2月，習(xí)近平總書(shū)記親自擔(dān)任中國(guó)網(wǎng)絡(luò)安全和信息化小組組長(zhǎng)，標(biāo)志著網(wǎng)絡(luò)安全正式成為中國(guó)國(guó)家戰(zhàn)略的一部分，同時(shí)，《工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全評(píng)估規(guī)范與驗(yàn)收規(guī)范》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。2014年4月，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)新組建的國(guó)家能源局召集主要在華工業(yè)自動(dòng)化廠商會(huì)議，商討中國(guó)能源企業(yè)的工控網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題和解決方案，并責(zé)成各能源企業(yè)盡快完成整改。這些都是工控網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域在中國(guó)發(fā)展的強(qiáng)有力保障。

圖6 全球地域分布

四、結(jié)論

本文從專(zhuān)利申請(qǐng)與公開(kāi)數(shù)量趨勢(shì)、生命周期、申請(qǐng)人專(zhuān)利價(jià)值、國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)、全球地域排名等方面分析了工控網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)大數(shù)據(jù)結(jié)果展示與分析可以得出，我國(guó)的工業(yè)信息安全目前在很多行業(yè)的研究和應(yīng)用都處于蓬勃發(fā)展的階段，工控網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域受到了越來(lái)越多社會(huì)各界人士的關(guān)注。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，工控網(wǎng)絡(luò)安全將得到更大的發(fā)展。