★王文海，劉沛宇，謝辰承，武岳浙江大學(xué)

1　引言

隨著全球工業(yè)化與信息化的深度融合，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)已成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的核心支撐。通過將工業(yè)設(shè)備、生產(chǎn)流程、控制系統(tǒng)與信息技術(shù)有機(jī)結(jié)合，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了跨設(shè)備、跨系統(tǒng)、跨地域的高效協(xié)同，其核心目標(biāo)在于提升生產(chǎn)效率、降低運(yùn)營成本、優(yōu)化資源配置，并加速工業(yè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化進(jìn)程。然而，伴隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)復(fù)雜性與規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，其安全性也面臨著前所未有的挑戰(zhàn)[1]。

作為國家重大工程和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的核心支柱，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)已逐步發(fā)展為關(guān)鍵領(lǐng)域的“神經(jīng)中樞”、運(yùn)行中心及安全屏障。電力、煉化和公共服務(wù)等代表性的重大工程項(xiàng)目所依賴的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，不僅直接影響國民經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行效率，還在政治穩(wěn)定、社會(huì)發(fā)展、國防安全與民生保障等方面發(fā)揮著不可替代的作用。這些系統(tǒng)的安全性和可靠性，已成為國家經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。

然而，現(xiàn)有安全分析技術(shù)在應(yīng)對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)綜合安全需求時(shí)暴露出諸多局限性：一方面，其分析維度單一，難以對(duì)信息、功能、物理與工藝等多層次、多領(lǐng)域的綜合安全性進(jìn)行全面評(píng)估；另一方面，其動(dòng)態(tài)威脅預(yù)測(cè)能力不足，面對(duì)復(fù)雜多變的安全環(huán)境，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和應(yīng)對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)。此外，其跨領(lǐng)域安全耦合分析的能力薄弱，使得系統(tǒng)間復(fù)雜交互的風(fēng)險(xiǎn)隱患難以捕捉；其全生命周期安全保障的覆蓋能力缺失，導(dǎo)致在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行和優(yōu)化等階段，缺乏有效的安全支持。更為重要的是，現(xiàn)有技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證與優(yōu)化，缺乏在虛擬環(huán)境中對(duì)安全策略和功能變更的全面推演與驗(yàn)證手段，制約了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。

為解決上述問題，本文提出了一種基于數(shù)字孿生的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)綜合安全分析與驗(yàn)證平臺(tái)。該平臺(tái)以數(shù)字孿生技術(shù)為核心，通過構(gòu)建物理系統(tǒng)與虛擬模型的動(dòng)態(tài)映射，實(shí)現(xiàn)多維度、多階段的綜合安全分析。平臺(tái)不僅能夠支持對(duì)信息安全、功能完整性、物理設(shè)備安全及工藝流程的全方位安全驗(yàn)證，還能夠通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)潛在威脅的預(yù)測(cè)與系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)化。同時(shí)，通過引入硬件在環(huán)的驗(yàn)證手段，平臺(tái)可以在低風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境中高效模擬與驗(yàn)證復(fù)雜工業(yè)場(chǎng)景中的安全策略，降低實(shí)際生產(chǎn)中的試錯(cuò)成本。這種創(chuàng)新性的安全分析與驗(yàn)證方式，不僅為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全保障提供了理論支持和技術(shù)實(shí)現(xiàn)，還為未來工業(yè)的智能化發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2　研究背景

2.1　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)綜合安全

傳統(tǒng)安全策略多關(guān)注單一層面的威脅防御，如信息安全或物理安全，難以有效應(yīng)對(duì)跨層級(jí)、多領(lǐng)域的綜合安全需求。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)綜合安全的概念應(yīng)運(yùn)而生，它指的是在整個(gè)系統(tǒng)生命周期內(nèi)，涵蓋信息安全、功能完整性、物理設(shè)施安全及工藝流程優(yōu)化的多維度保障策略。綜合安全不再僅限于應(yīng)對(duì)單點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)，而是著眼于系統(tǒng)性威脅的預(yù)測(cè)與防御，確保系統(tǒng)的穩(wěn)健運(yùn)行和快速恢復(fù)能力。

在實(shí)際應(yīng)用中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全隱患主要體現(xiàn)在以下方面：（1）信息安全威脅：網(wǎng)絡(luò)攻擊、數(shù)據(jù)泄露及惡意軟件可能導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)失真或關(guān)鍵指令被篡改；（2）功能完整性風(fēng)險(xiǎn)：系統(tǒng)控制邏輯受到干擾可能引發(fā)功能失效或誤動(dòng)作；（3）物理設(shè)施脆弱性：關(guān)鍵設(shè)備因物理攻擊或意外故障可能直接威脅生產(chǎn)安全；（4）工藝流程多樣性：工藝優(yōu)化不完善可能導(dǎo)致資源浪費(fèi)、效率降低，甚至安全事故。

綜合安全的提出不僅順應(yīng)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)日益復(fù)雜的需求，更是對(duì)傳統(tǒng)安全策略的創(chuàng)新與延展。通過整合多領(lǐng)域安全模型、構(gòu)建實(shí)時(shí)感知與動(dòng)態(tài)優(yōu)化機(jī)制，綜合安全能夠提升系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)未知威脅與快速恢復(fù)中的能力，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的可靠運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)保障。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的綜合安全必將成為我國工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)可靠穩(wěn)定、安全可信、優(yōu)質(zhì)高效的重要前提。

2.2　現(xiàn)有問題與挑戰(zhàn)

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的復(fù)雜性和規(guī)模的快速增長，其綜合安全需求呈現(xiàn)出高度復(fù)雜化和多樣化的特征。然而，傳統(tǒng)安全分析技術(shù)在應(yīng)對(duì)這一需求時(shí)顯現(xiàn)出明顯的局限性，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

單一維度的分析范式。當(dāng)前的大多數(shù)安全分析技術(shù)主要是針對(duì)信息安全、網(wǎng)絡(luò)攻擊防護(hù)或物理設(shè)備防護(hù)進(jìn)行分離的單一維度分析。例如，網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)側(cè)重于防御數(shù)據(jù)泄露和網(wǎng)絡(luò)攻擊，而功能安全分析更關(guān)注設(shè)備邏輯和硬件完整性。這種分散的分析方法難以有效捕捉系統(tǒng)間復(fù)雜交互引發(fā)的綜合性安全隱患。

動(dòng)態(tài)威脅的預(yù)測(cè)能力不足。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的動(dòng)態(tài)性極強(qiáng)，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)通信拓?fù)浼肮に嚵鞒坛３ｋS時(shí)間發(fā)生變化。然而，傳統(tǒng)技術(shù)多基于靜態(tài)模型或歷史規(guī)則進(jìn)行分析，缺乏對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的深度挖掘和對(duì)潛在威脅的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)能力，從而導(dǎo)致對(duì)突發(fā)安全事件反應(yīng)遲緩。

跨領(lǐng)域安全耦合分析的缺失。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)涉及多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，包括控制工程、信息技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)及機(jī)械設(shè)備等。現(xiàn)有安全技術(shù)通常聚焦于某一領(lǐng)域內(nèi)部的安全問題，缺乏多領(lǐng)域安全要素的耦合分析能力，尤其在功能、信息、物理和工藝之間的復(fù)雜交互關(guān)系中容易出現(xiàn)分析盲區(qū)。

全面覆蓋生命周期的能力不足。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)綜合安全需求貫穿系統(tǒng)設(shè)計(jì)、部署、運(yùn)行及維護(hù)的全生命周期。然而，現(xiàn)有分析技術(shù)通常集中于運(yùn)行階段，對(duì)設(shè)計(jì)階段的安全性驗(yàn)證、部署階段的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及維護(hù)階段的安全優(yōu)化關(guān)注不足，導(dǎo)致整體安全保障的連續(xù)性和全面性受到限制。

系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證與優(yōu)化的困難。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，安全保障的實(shí)現(xiàn)需要將安全策略部署在實(shí)際的復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行驗(yàn)證。傳統(tǒng)技術(shù)缺乏高效的系統(tǒng)級(jí)仿真驗(yàn)證能力，導(dǎo)致在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用安全策略時(shí)可能出現(xiàn)不兼容、性能下降甚至引發(fā)新的安全隱患的問題。

綜上所述，傳統(tǒng)安全分析技術(shù)在面對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)綜合安全需求時(shí)存在明顯的不足，難以滿足當(dāng)前復(fù)雜工業(yè)場(chǎng)景下對(duì)多維度、多階段安全保障的需求。因此，亟需一種能夠結(jié)合信息、功能、物理和工藝等多維度要素的創(chuàng)新型安全分析方法，以有效應(yīng)對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的綜合安全挑戰(zhàn)。

2.3　數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生（Digital Twin）技術(shù)是一種通過創(chuàng)建物理實(shí)體、系統(tǒng)或過程的虛擬模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)其實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析和優(yōu)化的技術(shù)。它結(jié)合了物理世界與虛擬世界，通過傳感器、數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)反饋等手段，將物理對(duì)象的狀態(tài)、行為和環(huán)境特征數(shù)字化，再通過模擬和分析，精確地反映物理系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況^[2~4]。

數(shù)字孿生技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，推動(dòng)了多個(gè)行業(yè)的創(chuàng)新和效率提升。在智能制造領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)可用于模擬和優(yōu)化生產(chǎn)過程，幫助提高效率和產(chǎn)品質(zhì)量^[5]。此外，數(shù)字孿生技術(shù)也被用于預(yù)測(cè)維護(hù)需求^[6、7]、提高建筑安全性^[8]、增強(qiáng)供應(yīng)鏈韌性^[9]、支撐水資源安全管理^[10]等。

3　基于數(shù)字孿生的綜合安全分析與驗(yàn)證平臺(tái)

3.1　框架設(shè)計(jì)

基于數(shù)字孿生的綜合安全分析與驗(yàn)證平臺(tái)的整體框架如圖1所示。該平臺(tái)主要由虛擬層、實(shí)物層和數(shù)字孿生層三部分構(gòu)成。這一框架通過多層次協(xié)作和緊密聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全的全面監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)評(píng)估和有效驗(yàn)證。

圖1 基于數(shù)字孿生的綜合安全分析與驗(yàn)證框架

虛擬層是平臺(tái)的展示與交互界面，同時(shí)也是設(shè)備虛擬化的實(shí)現(xiàn)區(qū)域。在這一層中，平臺(tái)能夠以直觀的方式顯示場(chǎng)景的整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括系統(tǒng)中各設(shè)備、節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的連接關(guān)系。此外，虛擬層還承擔(dān)了設(shè)備虛擬化的任務(wù)，可以將實(shí)物層控制器的操作員站以虛擬機(jī)形態(tài)呈現(xiàn)，從而為用戶提供便捷的可視化交互手段。在安全分析過程中，虛擬層不僅支持場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)展示，還能夠直觀反映系統(tǒng)狀態(tài)和安全策略的實(shí)施效果。

實(shí)物層由工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的實(shí)際控制器和其他實(shí)物設(shè)備組成，是數(shù)字孿生技術(shù)與物理世界連接的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。通過網(wǎng)絡(luò)，實(shí)物層設(shè)備與虛擬層進(jìn)行通信，傳輸設(shè)備狀態(tài)信息、網(wǎng)絡(luò)流量等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。此外，實(shí)物層還通過輸入輸出（I/O）映射接口，與數(shù)字孿生層中的模型保持同步連接。這種雙向通信確保了平臺(tái)能夠獲取精準(zhǔn)的物理設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)。

數(shù)字孿生層是平臺(tái)的核心功能模塊，承載了被控設(shè)備的數(shù)字孿生模型。通過實(shí)時(shí)更新和多維度數(shù)據(jù)集成，數(shù)字孿生層實(shí)現(xiàn)了對(duì)物理設(shè)備的全面建模和動(dòng)態(tài)仿真，涵蓋設(shè)備的尺寸、物理、化學(xué)、行為等多方面特性。該層不僅可以實(shí)時(shí)反映被控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，還能夠在虛擬環(huán)境中模擬各種安全場(chǎng)景、測(cè)試安全策略，并支持對(duì)潛在威脅和系統(tǒng)異常的預(yù)測(cè)和評(píng)估。此外，數(shù)字孿生層與實(shí)物層和虛擬層的緊密交互，使其成為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)與綜合安全分析的重要中樞。

這一框架通過虛擬層的設(shè)備虛擬化與拓?fù)湔故尽?shí)物層的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與網(wǎng)絡(luò)連接，以及數(shù)字孿生層的高精度仿真與動(dòng)態(tài)交互，實(shí)現(xiàn)了從物理設(shè)備到虛擬環(huán)境的全方位安全分析。通過將物理與數(shù)字世界深度融合，該平臺(tái)能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)安全分析技術(shù)的不足，提供跨領(lǐng)域、全生命周期的安全支持，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的高效運(yùn)行與安全保障提供了可靠的技術(shù)支撐。

3.2　核心應(yīng)用流程

基于數(shù)字孿生的綜合安全分析與驗(yàn)證平臺(tái)的核心應(yīng)用流程包括以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟，形成了一套完整、高效的安全分析閉環(huán)系統(tǒng)。

首先，根據(jù)具體的安全分析任務(wù)確定分析場(chǎng)景。這一步驟需要明確待分析系統(tǒng)的范圍、目標(biāo)及場(chǎng)景中的關(guān)鍵要素，例如涉及的設(shè)備類型、交互關(guān)系以及潛在的威脅場(chǎng)景。通過對(duì)分析需求的清晰定義，為后續(xù)的模型構(gòu)建和分析提供明確的方向。

接著，基于場(chǎng)景需求構(gòu)建數(shù)字孿生模型。平臺(tái)采用NGM^[11]作為核心建模工具。NGM工具具備非因果、多領(lǐng)域、多尺度建模能力，能夠處理復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)建模需求。它支持聯(lián)立方程的求解和大規(guī)模并行處理，同時(shí)提供專業(yè)的參數(shù)分析與優(yōu)化方法，使得模型的構(gòu)建和驗(yàn)證過程更加精準(zhǔn)和高效。此外，NGM還支持模型交換與聯(lián)合仿真，為跨領(lǐng)域、多系統(tǒng)的集成分析提供了便利。NGM工具覆蓋了煉油、化工、電廠等工業(yè)流程的全流程單元設(shè)備建模，并內(nèi)置豐富的物性數(shù)據(jù)庫和多種適配的物性方法包。這些功能使得它能夠滿足不同工業(yè)場(chǎng)景下的建模需求。利用NGM構(gòu)建的數(shù)字孿生模型，能夠全面映射物理系統(tǒng)的尺寸、物理、化學(xué)和行為特性。這些模型通過對(duì)設(shè)備進(jìn)行精細(xì)的數(shù)字化仿真，提供了高度貼近真實(shí)環(huán)境的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使安全分析人員可以在其中開展多維度的系統(tǒng)研究。

在模型搭建完成后，搭建真實(shí)控制系統(tǒng)并與數(shù)字孿生系統(tǒng)形成閉環(huán)。這一階段通過將物理設(shè)備與數(shù)字孿生層實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互，使得數(shù)字孿生模型能夠動(dòng)態(tài)反映物理系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)也能通過虛擬層的策略測(cè)試和仿真結(jié)果，反向優(yōu)化物理系統(tǒng)的運(yùn)行模式和安全策略。這種閉環(huán)聯(lián)動(dòng)機(jī)制確保了物理世界與虛擬環(huán)境之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步和交互，為安全分析的精確性和有效性提供了技術(shù)保障。

最后，安全分析人員在平臺(tái)中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面的分析。在這一階段，分析人員利用平臺(tái)提供的虛擬環(huán)境，模擬各種故障場(chǎng)景和安全事件，通過觀察數(shù)字孿生系統(tǒng)的響應(yīng)行為和安全策略的適應(yīng)性，識(shí)別潛在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。此外，平臺(tái)支持對(duì)不同的安全策略和配置方案進(jìn)行測(cè)試和比較，幫助分析人員驗(yàn)證策略的可行性，并制定優(yōu)化后的安全防護(hù)措施。

這一核心應(yīng)用流程通過明確的任務(wù)劃分和嚴(yán)密的步驟執(zhí)行，不僅實(shí)現(xiàn)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的綜合安全分析，還提供了靈活的策略驗(yàn)證手段，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行和優(yōu)化中的安全需求提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

3.3　平臺(tái)主要優(yōu)勢(shì)

相比于傳統(tǒng)安全分析方法，本平臺(tái)通過引入數(shù)字孿生技術(shù)，具備以下主要優(yōu)勢(shì)：

（1）多維度安全綜合評(píng)估。現(xiàn)有安全分析技術(shù)往往只關(guān)注單一的安全維度，難以對(duì)信息安全、功能安全、物理安全和工藝安全等多層次的安全需求進(jìn)行綜合評(píng)估。本平臺(tái)能夠建立物理設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和業(yè)務(wù)流程的虛擬副本，從而在數(shù)字環(huán)境中對(duì)各個(gè)層次的安全性進(jìn)行全方位的監(jiān)控和評(píng)估。通過將信息、功能和物理層面的安全數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，本平臺(tái)可以提供跨層次、跨領(lǐng)域的綜合安全分析，幫助安全人員全面了解系統(tǒng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

（2）動(dòng)態(tài)威脅預(yù)測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別。現(xiàn)有技術(shù)在應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)安全威脅時(shí)能力不足，尤其在面對(duì)不斷變化的安全環(huán)境時(shí)，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)字孿生技術(shù)能夠反映出系統(tǒng)狀態(tài)的變化，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)分析，數(shù)字孿生可以實(shí)現(xiàn)對(duì)安全威脅的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)，提前發(fā)現(xiàn)潛在的漏洞或攻擊行為，為系統(tǒng)提供預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，從而提高系統(tǒng)對(duì)突發(fā)安全事件的應(yīng)對(duì)能力。

（3）跨領(lǐng)域安全耦合分析。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通常涉及多個(gè)領(lǐng)域和子系統(tǒng)之間的復(fù)雜交互，現(xiàn)有技術(shù)在跨領(lǐng)域安全耦合分析方面的能力較弱，無法有效捕捉系統(tǒng)間交互帶來的風(fēng)險(xiǎn)隱患。數(shù)字孿生技術(shù)能夠模擬和仿真不同系統(tǒng)、不同領(lǐng)域之間的交互過程，通過虛擬環(huán)境中的多維度數(shù)據(jù)整合，揭示出潛在的耦合風(fēng)險(xiǎn)和交互問題。例如，它可以在生產(chǎn)系統(tǒng)、信息系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之間進(jìn)行深度分析，識(shí)別系統(tǒng)間不當(dāng)交互可能導(dǎo)致的安全漏洞，從而提供更為精確的安全防護(hù)方案。

（4）全生命周期的安全保障。現(xiàn)有的安全技術(shù)缺乏全生命周期的保障，無法在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和優(yōu)化等各個(gè)階段提供有效的安全支持。數(shù)字孿生技術(shù)可以貫穿整個(gè)系統(tǒng)生命周期，從設(shè)計(jì)階段開始進(jìn)行安全評(píng)估和優(yōu)化。在系統(tǒng)開發(fā)過程中，利用數(shù)字孿生模型模擬各種場(chǎng)景和風(fēng)險(xiǎn)情況，幫助設(shè)計(jì)人員在早期階段識(shí)別安全隱患并加以修正；在運(yùn)行階段，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)態(tài)反饋，進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)和漏洞修復(fù)；在優(yōu)化階段，數(shù)字孿生還可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)安全策略進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，確保系統(tǒng)始終處于安全的狀態(tài)。

（5）虛擬環(huán)境中的安全策略驗(yàn)證與優(yōu)化。現(xiàn)有技術(shù)缺乏在對(duì)安全策略和功能變更的全面推演與驗(yàn)證手段，導(dǎo)致系統(tǒng)級(jí)的驗(yàn)證與優(yōu)化存在困難。數(shù)字孿生技術(shù)通過創(chuàng)建高度還原的虛擬模型，能夠在不影響實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的情況下，進(jìn)行各種安全策略的驗(yàn)證和優(yōu)化。通過模擬不同的攻擊場(chǎng)景、故障狀態(tài)和應(yīng)急響應(yīng)策略，數(shù)字孿生可以幫助企業(yè)測(cè)試和驗(yàn)證安全防護(hù)措施的有效性，確保安全策略在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性和可靠性，從而提高整個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全水平。

綜上所述，數(shù)字孿生技術(shù)通過實(shí)現(xiàn)物理與數(shù)字世界的實(shí)時(shí)連接，提供了一個(gè)多維度、跨領(lǐng)域、全生命周期的安全分析與預(yù)測(cè)平臺(tái)，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全方面的多項(xiàng)局限。它不僅能實(shí)現(xiàn)綜合安全評(píng)估、動(dòng)態(tài)威脅預(yù)測(cè)、跨領(lǐng)域風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和全生命周期的安全保障，還能通過虛擬環(huán)境中的推演與驗(yàn)證，優(yōu)化安全策略，提升系統(tǒng)的整體安全性。因此，數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全中的應(yīng)用具有重要的價(jià)值和潛力，能夠?yàn)楣I(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供更加可靠和全面的安全防護(hù)。

4　應(yīng)用前景分析

本文提出的基于數(shù)字孿生的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)綜合安全分析與驗(yàn)證平臺(tái)在人員培訓(xùn)和流程熟悉方面具有重要作用。該平臺(tái)為新員工提供了一個(gè)安全、可控的環(huán)境，使其在實(shí)際操作前能夠全面了解工控系統(tǒng)的各項(xiàng)功能和流程。這種培訓(xùn)方式降低了培訓(xùn)成本，提高了培訓(xùn)的有效性，有助于新員工快速掌握操作技能，從而減少因操作不當(dāng)引發(fā)的事故和故障。

此外，平臺(tái)可以對(duì)工控系統(tǒng)進(jìn)行全面的測(cè)試驗(yàn)證。在實(shí)際生產(chǎn)中，系統(tǒng)的升級(jí)和調(diào)整可能帶來未知的風(fēng)險(xiǎn)，而通過虛擬環(huán)境進(jìn)行推演分析，可以在不影響實(shí)際生產(chǎn)的情況下評(píng)估各種調(diào)整的效果。這種預(yù)演能力使得企業(yè)能夠在決策過程中更加科學(xué)合理，降低了因系統(tǒng)不穩(wěn)定引發(fā)的經(jīng)濟(jì)損失。

平臺(tái)的推廣應(yīng)用將為相關(guān)行業(yè)的綠色發(fā)展和可持續(xù)運(yùn)營做出重要貢獻(xiàn)。隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)和低碳排放的要求日益提高，行業(yè)面臨著巨大的社會(huì)壓力。

通過數(shù)字孿生平臺(tái)的應(yīng)用，可以優(yōu)化生產(chǎn)工藝，降低能源消耗，從而有效減少碳排放和環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。這不僅有助于企業(yè)實(shí)現(xiàn)環(huán)保目標(biāo)，也符合全球推動(dòng)綠色發(fā)展的政策方向。

5　總結(jié)與展望

本文提出的基于數(shù)字孿生的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)綜合安全分析與驗(yàn)證平臺(tái)，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的高效與安全運(yùn)行提供了全面的理論和實(shí)踐支持。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入發(fā)展，數(shù)字孿生在更多復(fù)雜工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，將在推動(dòng)工業(yè)智能化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型中發(fā)揮更加重要的作用。

作者簡介

王文海（1967-），男，浙江寧波人，研究員，博士，現(xiàn)就職于浙江大學(xué)，主要從事控制裝備及綜合安全方面的研究。

劉沛宇（1993-），男，山東濰坊人，研究員，博士，現(xiàn)就職于浙江大學(xué)，主要從事工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全方面的研究。

謝辰承（1993-），男，浙江杭州人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于浙江大學(xué)，主要從事工控安全方面的研究。

武　岳（1994-），男，吉林長春人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于浙江大學(xué)，主要從事工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全方面的研究。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2025年1月刊