一、國內(nèi)外工控網(wǎng)絡(luò)安全動態(tài)

1.國內(nèi)研究動態(tài) 

隨著國家“兩化融合”工作的推進(jìn)和《網(wǎng)絡(luò)安全法》[1]的正式實施，國家關(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)域的熱點話題?！毒W(wǎng)絡(luò)安全法》明確提出：對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)安全等級保護(hù)制度的基礎(chǔ)上，實行重點保護(hù)。作為重要的國家關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施，工業(yè)控制系統(tǒng)因運行可靠性要求高、受破壞后造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響巨大等特點，其網(wǎng)絡(luò)安全問題引起了國家和行業(yè)的普遍重視。

2011年，工業(yè)和信息化部發(fā)布《關(guān)于加強工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全管理通知》[2]，明確了重點領(lǐng)域工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全管理要求，并強調(diào)了“誰主管誰負(fù)責(zé)、誰運營誰負(fù)責(zé)、誰使用誰負(fù)責(zé)”的原則。2014年，中央與國家發(fā)展和改革委員會相繼對網(wǎng)絡(luò)安全和中國能源企業(yè)的工控網(wǎng)絡(luò)安全做出重要整改。隨著相關(guān)國家政策的推出，我國工控安全產(chǎn)業(yè)發(fā)展加速，市場增速正呈現(xiàn)不斷上升趨勢，據(jù)統(tǒng)計，2016年為3.13億元，2017年達(dá)到3.66億元，2018年增長至4.28億元，但由于起步較晚，我國工控安全產(chǎn)業(yè)未來還有很大的市場發(fā)展空間。

2.國外研究動態(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[3]：針對性強，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，波及全球多個國家。西方發(fā)達(dá)國家，尤其是美國在很早以前就開展了工控網(wǎng)絡(luò)安全方面的研究。從2007年起，美國國土安全局就經(jīng)常組織工控網(wǎng)絡(luò)安全攻防演習(xí)。通過模擬交通、電力等各重要工業(yè)部門控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)遭到攻擊的場景，制定應(yīng)對和防范措施，以此來不斷提高工控網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)水平。

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

3.工控網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全重要性

通過國內(nèi)外研究動態(tài)分析，可以看出工控網(wǎng)絡(luò)安全已經(jīng)成為研究熱點，為了定量分析其研究現(xiàn)狀和趨勢，本文以知網(wǎng)和專利網(wǎng)的數(shù)據(jù)為大數(shù)據(jù)來源，通過關(guān)聯(lián)分析、聚類分析和知識圖譜等技術(shù)對工控網(wǎng)絡(luò)安全進(jìn)行研究。

二、研究方法

本文通過Scrapy爬蟲進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和清洗，存儲到Hive數(shù)據(jù)庫里，利用K-Means聚類思想以及Pandas、TensorFlow、Numpy等庫進(jìn)行知識圖譜分析。

三、大數(shù)據(jù)結(jié)果分析

大數(shù)據(jù)時代對人類的數(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的到來標(biāo)志著智能化時代的到來，標(biāo)志著利用信息化技術(shù)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)變革時代的到來，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)因素點的時代已經(jīng)到來。

1.申請與公開數(shù)量趨勢

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

圖1 2001~2020年專利申請與公開數(shù)量趨勢

2.生命周期

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

圖2 生命周期

3.申請人專利價值

專利價值度是參考技術(shù)穩(wěn)定性、技術(shù)先進(jìn)性和保護(hù)范圍三個方面20余個參數(shù)，對專利進(jìn)行分析后得出的關(guān)于專利價值的綜合評價指標(biāo)。研究申請人專利的價值度評分分布情況，可以宏觀了解申請人的專利質(zhì)量，從而客觀評價申請人在專利方面的競爭實力。

圖3是申請人的專利價值度的分布情況，價值度在0~10范圍內(nèi)，申請人的價值度大部分集中在5~8之間。從圖中可以看出在眾多申請人中，江蘇亨通工控安全研究院有限公司、國家電網(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，這些申請人的專利價值較高，有較強的競爭實力。北京威努特技術(shù)有限公司、國家電網(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 申請人專利價值

4.國內(nèi)外研究熱點分析

國內(nèi)外研究熱點分析的是工控網(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分類號所對應(yīng)的技術(shù)方向如表1所示。通過分析研究熱點可以了解分析對象覆蓋的技術(shù)類別，以及各技術(shù)分支的創(chuàng)新熱度，有助于對行業(yè)整體認(rèn)識，并對研發(fā)重點和研發(fā)路線進(jìn)行適應(yīng)性地調(diào)整。另外，通過分析各主要技術(shù)方向在不同國家或地區(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)來源國。

表1 IPC分類號對應(yīng)技術(shù)方向

（1）國內(nèi)研究熱點情況

圖4為國內(nèi)研究熱點分布圖，可以看出，工控網(wǎng)絡(luò)安全覆蓋10余種技術(shù)類別，其中H04L（數(shù)字信息的傳輸）的專利數(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（基于特定計算模型的計算機(jī)系統(tǒng)）和G06K（數(shù)據(jù)識別，數(shù)據(jù)表示等）這幾種技術(shù)分支的專利數(shù)量也在前列。由此推測，社會各界對工控網(wǎng)絡(luò)安全所覆蓋的技術(shù)類別有一定的的創(chuàng)新熱度，其中H04L、G06F、G05B、G06N以及G06K的創(chuàng)新熱度尤其高。

圖4 國內(nèi)研究熱點

（2）全球研究熱點情況

圖5是全球研究熱點分布情況，第一維度為專利公開國別或地域，第二維度為IPC分類號。顯然，這10余種專利技術(shù)類別主要集中在中國?？梢酝茰y，中國是工控網(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)來源國。

圖5 全球研究熱點

5.全球地域排名

圖6展示的是全球?qū)＠_的國家或地域中，工控網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域的專利數(shù)量在不同地區(qū)的分布和排名情況。通過圖表可以了解到該領(lǐng)域在中國的技術(shù)創(chuàng)新比較活躍，再一次證明了工控網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域在中國的市場所具有的巨大潛力。中國政府對工業(yè)信息安全很重視，2014年2月，習(xí)近平總書記親自擔(dān)任中國網(wǎng)絡(luò)安全和信息化小組組長，標(biāo)志著網(wǎng)絡(luò)安全正式成為中國國家戰(zhàn)略的一部分，同時，《工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全評估規(guī)范與驗收規(guī)范》國家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。2014年4月，國家發(fā)展和改革委員會新組建的國家能源局召集主要在華工業(yè)自動化廠商會議，商討中國能源企業(yè)的工控網(wǎng)絡(luò)安全問題和解決方案，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)域在中國發(fā)展的強有力保障。

圖6 全球地域分布

四、結(jié)論

本文從專利申請與公開數(shù)量趨勢、生命周期、申請人專利價值、國內(nèi)外研究熱點、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，通過大數(shù)據(jù)結(jié)果展示與分析可以得出，我國的工業(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)域受到了越來越多社會各界人士的關(guān)注。隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，工控網(wǎng)絡(luò)安全將得到更大的發(fā)展。