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作者：天津市市政工程設計研究總院 張泳

摘要：以某城市綜合管廊監控系統設計為例，探討城市綜合管廊監控系統信息安全設計。

關鍵詞：城市綜合管廊；工業控制系統（ICS）；信息安全

1　引言

2015年出臺的《國務院辦公廳關于推進城市地下綜合管廊建設的指導意見》指出，“地下綜合管廊是指在城市地下用于集中敷設電力、通信、廣播電視、給水、排水、熱力、燃氣等市政管線的公共隧道”。“推進城市地下綜合管廊建設，統籌各類市政管線規劃、建設和管理，解決反復開挖路面、架空線網密集、管線事故頻發等問題，有利于保障城市安全、完善城市功能、美化城市景觀、促進城市集約高效和轉型發展，有利于提高城市綜合承載能力和城鎮化發展質量，有利于增加公共產品有效投資、拉動社會資本投入、打造經濟發展新動力。”

在國務院的持續推動下，各地方開始高度重視地下管網等城市基礎設施建設。多省市積極出臺相關規劃，地下綜合管廊建設正加速推進。浙江省發布了《關于推進全省城市地下綜合管廊建設的實施意見》，提出浙江省地下綜合管廊建設的主要目標：2016~2020年全省開工建地下綜合管廊200公里以上，2016年開工建設80公里以上，到2020年建成150公里以上具有國內先進水平的地下綜合管廊。古城西安陸續開建了9條綜合管廊和14條纜線管廊，到2020年全部完工后，將建成全長73.13公里的干支線管廊、182.5公里的纜線管廊，為古都的城市運轉提供動力和保障。佛山市發布的《佛山市加快建設城市地下綜合管廊工作方案》要求，2016年至2020年全市新建地下綜合管廊力爭達到100公里，2017年全市新開工項目共7項，計劃建設規模25.83公里。雄安新區規劃建設起步區面積約100平方公里，中期發展區面積約200平方公里，遠期控制區面積約2000平方公里,按照住建部、發改委發布的《全國城市市政基礎設施規劃建設“十三五”規劃》設立的綜合管廊建設目標：到2020年，城市新區新建道路綜合管廊建設率達到30%，城市道路綜合管廊配建率達到2%，則雄安新區近、中、長期相應的地下管廊長度分別為96、192、1920公里。

相關統計數據顯示，截至2016年底，全國147個城市28個縣已累計開工建設城市地下綜合管廊2005公里，已建成的城市地下綜合管廊總長度為75.4公里。

地下綜合管廊是城市的超級大動脈，在實際規劃建設中，城市管線種類繁多，涉及管線單位十余家乃至二十余家，相關企業從技術性、安全性考慮，或從本企業利益出發，均有不同訴求。設計單位要在滿足技術性要求的前提下，設計出符合行業特點的安全策略，建立完善的系統防御，既保障相關管線單位行業信息的交互暢通，又保障這一關系到國計民生的基礎設施的安全、穩定運行。

2　城市綜合管廊監控系統簡介

按照GB50838-2015《城市綜合管廊工程技術規范》，一般將城市綜合管廊監控系統分以下主要子系統，如圖1所示。

圖1 城市綜合管廊監控系統

2.1　環境與設備監控系統

環境監控系統對綜合管廊內環境參數進行實時監測，包括氣體含量（含氧氣、甲烷、硫化氫）、溫濕度和集水井水位情況，出現異常情況時報警；同時對綜合管廊內通風設備、排水泵和照明設備等進行狀態監測和控制。

2.2　安全防范系統

視頻監控系統對綜合管廊內部環境、綜合管廊出入口等重要位置處實時全方位的圖像監控，使監控中心值班人員清楚了解綜合管廊現場實際情況，并及時獲得意外情況的圖像信息。防入侵監測系統采用紅外對射技術，當綜合管廊現場出現“非法入侵”情況，聯動現場聲光報警器，同時其報警信號通過區域控制單元送入監控中心監控工作站，監控畫面相應位置閃爍，并產生語音報警信號。門禁系統通過門禁控制，對監控中心和綜合管廊出入口等處實施出入管理，強化綜合管廊安全防范功能。電子巡查系統對綜合管廊現場巡查行為進行記錄并進行監管和考核，能有效地對管理維護人員的巡邏工作進行管理。

2.3　通信系統

應急通信與調度系統通過以太網實現各電話之間的相互呼叫，并通過設置的語音網關實現與外部市話聯系功能。系統通過應急調度平臺和綜合管廊現場揚聲器廣播，實現遠程調度功能。無線通信與人員定位系統對綜合管廊內部實現無線信號覆蓋，在手機上安裝相應的APP軟件，結合應急通信與調度系統實現無線語音通話功能。工作人員攜帶定位卡或智能手機（預裝APP軟件）進入綜合管廊，實現人員定位功能，在緊急情況下指導綜合管廊現場人員及時疏散，確保人身安全。

2.4　預警與報警系統

火災自動報警系統實時接收感溫光纜的火災檢測信號或手動火災報警按鈕的報警信號，在綜合管廊內部進行聲光報警，以警示管廊內部的工作人員。同時監控中心進行聲光報警，軟件界面彈窗報警，系統聯動視頻監控系統切換至火災報警區域畫面，警示監控中心工作人員采取相關措施。當燃氣管線入廊時，系統對可燃氣體含量進行實時監測，當濃度出現異常時進行報警并與通風系統進行聯動。

2.5　消防系統

消防系統一般獨立于其他子系統，在綜合管廊現場每個防火分區設置氣體滅火控制器、滅火裝置、滅火裝置動作指示燈和緊急啟停按鈕等設備。當火災發生時，遠程控制或者本地按下緊急啟停按鈕，滅火控制器啟動管廊內部的滅火裝置。

2.6　地理信息系統

采用地理特征數據庫技術，管理多類型、大規模地理特征數據，提供精確的空間分析計算。幫助人們較直觀地了解到管線現狀，為管網設施運維提供依據，實現與管網設施相關的應急響應輔助決策，幫助用戶提高綜合管線事故的快速處置能力。

3　城市綜合管廊監控系統設計

城市綜合管廊監控系統一般由監控中心、監控室、現場檢測及控制三部分組成。通過集成和互聯管廊內的自動化系統，為運維人員提供一個完整的、統一的監控平臺。監控中心是整個監控系統的核心，它聯系、協調、控制和管理各子系統的工作。監控室一般設置大屏幕，用于監控綜合管廊內的實時情況。現場檢測及控制部分主要由接入層交換機、網絡攝像頭、現場區域控制器ACU等組成。其中ACU負責采集管廊內的檢測信號，并根據信號對管廊內設備進行控制。綜合管廊監控系統主要由上位監控軟件平臺、監控主干網、各子系統等組成。

以我院設計的某城市綜合管廊監控系統為例：

3.1　環境與設備監控系統

在變電站及防火分區設置控制單元ACU，采集該區域內通風機、排水泵、照明系統、配電系統、電源裝置、液位、液壓井蓋等設備工況；根據預設運行控制管理原則，控制該區域內通風機、排水泵、照明系統、液壓井蓋等設備。

在監控中心設置監控計算機、管理計算機、數據庫服務器、安防工作站、UPS電源、打印機、拼接大屏幕系統等，并采集配電系統等設備工況。

3.2　安全防范系統

在管廊每個防火分區內每隔一定距離、每個投料口設置攝像機，對管廊內情況進行跟蹤監視；在每個投料口和防火門兩側設置紅外對射報警裝置，用于非法入侵報警；在每個人員出入口、監控中心等入口處設置門禁系統，對出入人員進行限制，對出入事件進行記錄；采用離線式電子巡查系統，管廊內每個分區設置巡查點，巡查人員使用巡查機對巡查點進行讀取，巡查機通過通信機座將數據傳輸到安防工作站。

3.3　通信系統

在控制中心配置通信機柜，引入市話中繼線，用于控制中心內對外通信聯系，及控制中心與管廊內光纖電話通信；每個防火分區構建無線覆蓋網絡，接入該區域以太網控制網路中，并獲取該分區接入設備地址和信息，巡檢人員通過配備的專用設備或者可穿戴設備，進入管廊中做日常維護，各個控制器都能夠知道該人員在哪個分區，并通知控制中心該人員具體位置。

3.4　消防系統

監控中心消防控制室設置火災自動報警系統中央工作站、線性感溫光纖探測系統主機，各變電站設置分布式集中報警控制器，其內設火災集中報警控制器主機、氣體滅火控制器、電氣火災監控主機、線性感溫光纖檢測系統主機等。各分布式集中報警控制器通過信號總線及總線I/O模塊對現場消防系統設備進行監控。

4　城市綜合管廊監控系統信息安全設計

4.1　系統風險評估

4.1.1　信息系統安全保護等級的確定

根據GB/T22240-2008《信息安全技術 信息系統安全等級保護定級指南》，確定該管廊信息系統安全保護等級為第三級，即“信息系統受破壞后，會對社會秩序和公共利益造成嚴重損害，或者對國家安全造成損害。”同時，根據GB/T22239-2008《信息安全技術 信息系統安全等級保護基本要求》，確定該管廊基本安全保護能力為第三級，即“能夠在統一安全策略下防護系統免受來自外部有組織的團體、擁有較為豐富資源的威脅源發起的惡意攻擊、較為嚴重的自然災害，以及其他相當危害程度的威脅所造成的主要資源損害，能夠發現安全漏洞和安全事件，在系統遭到損害后，能夠較快恢復絕大部分功能。”

4.1.2　風險因素

通常ICS（Industrial Control System，工業控制系統）風險評估的范圍主要包含三個大的方面：物理安全、技術安全和管理安全。物理安全包含防雷、防火、防盜、溫濕度控制等方面；技術安全包括設備安全、網絡安全、主機的安全等；管理安全通常涉及制度、流程、安全意識、機構等。

ICS在硬件方面存在的風險包括，硬件配置的脆弱性，對關鍵設備（包括監控中心設備、現場設備、便攜設備、移動設備、外存儲設備等）的物理防護措施不充分，未授權用戶接觸ICS設備，遠程訪問，系統組成未經審計的調整和變更等；軟件方面存在的風險包括，軟件配置的安全措施不足，ICS系統內的明文傳輸，現場總線協議的公開性與安全性之間的矛盾，專用軟件的漏洞等。

對于市政管廊項目，ICS硬件方面的風險在項目執行過程中就已經產生，ICS中的產品選擇、標準等，可以被投標商、供應商、承包商、最終用戶等獲得相關信息，甚至被他人通過互聯網上獲得相關信息。當這些信息和資源被提供給潛在的入侵者，攻擊者就可以用其所掌握的控制系統知識，采用網絡上的攻擊軟件和數據挖掘工具，獲得未經授權的訪問ICS的控制權。

ICS網絡方面的脆弱性，包括網絡配置漏洞、硬件漏洞、網絡邊界漏洞、監控和記錄漏洞、無線連接漏洞等。

對于市政管廊項目，遠程訪問的需求與系統安全的矛盾尤其突出。不僅管廊工程的ICS維護工程師和技術人員有遠程監視和操控ICS系統需求，入廊的各管線產權企業更希望其企業網絡與管廊ICS網絡之間無縫連接，可以使其企業決策者獲得與其有關的管線的關鍵數據。但兩者對可靠性的要求存在較大差異，ICS系統是將人員和設備的安全作為首要目標，而IT系統一般將性能、數據的完整性和保密性作為首要需求。ISC廠商越來越多的使用OPC協議，包括TCP/IP的標準化技術，這些開放的協議、標準的使用，增加了ICS網絡的脆弱性。

4.2　設計解決方案

4.2.1　ICS平臺

（1）設備的選擇

ICS內硬件設備的選擇，必須嚴格按照項目確定的信息系統安全保護等級進行選擇。按照國家互聯網信息辦公室、工業和信息化部、公安部、國家認證認可監督管理委員會2017年1號文“關于發布《網絡關鍵設備和網絡安全專用產品目錄（第一批）的公告》”（以下簡稱“產品目錄”）的要求，路由器、交換機、服務器（機架式）、可編程邏輯控制器（PLC）等，均需采用安全認證合格或符合安全檢測要求的產品。

（2） 對關鍵設備設計必要的物理防護措施

訪問和使用監控中心及其設備、現場設備、便攜設備、移動存儲設備等，設置包括物理訪問隔離、控制、監測等措施。

4.2.2　網絡

（1） 基本原則

在網絡配置方面需要考慮的因素包括：數據流量控制、安全設備配置、數據加密傳輸、網絡設備密碼、訪問控制措施等。

在網絡硬件上需考慮網絡設備的物理防護、物理環境的控制、關鍵網絡設備的冗余配置等。

定義網絡邊界。在網絡邊界處安裝防火墻，進行非法流量控制，自動生成日志，安裝安全監控設備。

在通信方面，禁止非法路徑，采用更安全的通信協議，對身份（用戶、設備等）進行驗證及分級管理，對數據的完整性進行校驗，對無線客戶端和接入點進行必要的認證，對無線客戶端和接入點之間數據傳輸進行加密保護。

（2）防御架構

基于系統網絡架構和存在的安全隱患，結合系統網絡安全要求，設計了一套深度防御架構策略，將整個系統劃分為分站控系統（N組）、站控系統（M組），監控中心、管理信息層以及遠程接入等幾個區域。

將各個分站控系統、站控系統通過安全隔離平臺進行相互隔離，防止站控系統內病毒擴散，相互感染。該安全隔離平臺對數據采集過程中遇到的數據泄露、病毒入侵等威脅進行全面監測、過濾、報警和阻斷。

在監控中心設置安全審計平臺，用于對本項目的網絡進行安全審計，快速識別系統中存在的非法操作、異常事件、外部攻擊及實時告警；設置安全監管平臺，統一管理、部署各網絡安全終端，監控終端所在網絡的數據流量與安全事件，對安全威脅進行分析、審計、追蹤、日志管理等。

在監控中心和信息管理層、管線產權單位遠程接入端之間部署專業的網絡邊界入侵檢測及防御平臺，防止來自信息管理層網、管線產權單位遠程接入端針對管廊項目ICS的攻擊和病毒感染。

對于網絡中的USB接入設備、無線接入設備等，均設置相應的安全隔離平臺進行隔離。

上述安全隔離平臺、安全審計平臺、安全監管平臺、網絡邊界入侵檢測及防御平臺等，均需滿足“產品目錄”的要求。

根據上述原則，最終確定的本項目ICS系統信息安全設計方案如圖2所示（未包括消防報警系統、通信系統）。

該系統信息安全設計完成后，還應模擬現實威脅和攻擊進行安全驗證，并在項目的整個生命周期內不斷地進行監測和修正。

圖2 ICS信息安全設計方案

5　結語

2015年《國務院辦公廳關于推進城市地下綜合管廊建設的指導意見》指出，“地下綜合管廊應配套建設消防、供電、照明、通風、給排水、視頻、標識、安全與報警、智能管理等附屬設施，提高智能化監控管理水平，確保管廊安全運行。要滿足各類管線獨立運行維護和安全管理需要，避免產生相互干擾。”2017年6月1日，《中華人民共和國網絡安全法》正式實施，將網絡安全提高到了一個前所未有的高度。在第三章“網絡運行安全”第二節“關鍵信息基礎設施的運行安全”中明確說明：“國家對公共通信和信息服務、能源、交通、水利、金融、公共服務、電子政務等重要行業和領域，以及其他一旦遭到破壞、喪失功能或者數據泄露，可能嚴重危害國家安全、國計民生、公共利益的關鍵信息基礎設施，在網絡安全等級保護制度的基礎上，實行重點保護。”

地下綜合管廊是城市的超級大動脈，容納了城市的能源、公共通信、給水、排水等重要的市政公用設施，作為關鍵基礎設施，保障其安全、穩定地運行，就是保障城市的安全、宜居、可持續發展，其工業控制系統信息安全需要重點關注、重點保護。綜合管廊項目的ICS設計工程師在項目設計之初，應該與工業信息安全工程師、IT工程師一起，仔細評估系統風險，推敲設計架構，從ICS自身、網絡等方面，全面設計綜合管廊的工業控制系統信息安全策略，保障綜合管廊工業控制系統信息安全，確保城市超級大動脈的安全運行。

作者簡介：

張泳（1971-），男，碩士，教授級高級工程師。現任天津市市政工程設計研究總院第四設計研究院電氣自動化專業技術負責人，青年首席設計師。自參加工作以來，一直從事市政工程中的電氣、自動化設計工作，具有扎實的理論基礎和工程設計經驗，擔任多項大型市政工程、重點項目的專業負責人（鄭州市污水處理廠、石家莊橋西污水處理廠中水回用、湖北省宜昌市三峽壩區固體廢棄物處理場、天津市咸陽路污水處理廠、安哥拉萬博市供水系統改造、鄭州市馬頭崗污水處理廠、咸陽路污水處理廠升級改造工程、中新天津生態城污水庫治理、天津市張貴莊污水處理及再生利用工程等），并有針對性地提出了若干控制策略指導工程實踐。

摘自《自動化博覽》2018年1月刊