基于层次分析法的SCADA系统安全评价

引言

SCADA（监视控制与数据采集）系统在电力、水利、石油天然气、化工、交通运输等各个领域得到了非常广泛的应用。随着计算机网络技术及通信技术的迅速发展，SCADA系统已不再像以往那样，是一个相对安全的物理隔离的系统。如今很多SCADA系统已与企业网络互联，变得相对开放透明，这使得SCADA系统面临诸多安全问题，如恶意病毒、信息泄漏和篡改、系统不能使用等。SCADA系统是工业控制系统的核心，是国家关键基础设施的重要组成部分，所以加强SCADA系统的安全已经成为工业控制中一个不可忽略的问题，人们也越来越多地关注SCADA系统的安全性问题。SCADA系统的安全评价是分析安全性水平、提高系统安全性的重要手段。

目前，安全评价的方法有很多，通常包括定性安全评价方法和定量安全评价方法以及定量与定性结合的方法。常用的定性安全评价方法有安全检查表法、专家现场咨询观察法、故障假设分析法等，定量安全评价法包括故障树分析法、事件树分析法等，而定量与定性结合的安全评价法通常为层次分析法与模糊综合评判法。本文将采用层次分析法对SCADA系统的安全性进行综合评价，来提高系统的安全性。

1SCADA系统的安全性分析

SCADA系统主要由控制中心、通信网络和现场设备（可编程逻辑控制PLC、远程终端单元RTU和智能控制设备LED）组成。控制中心是SCADA系统中安全性比较薄弱的环节，其组态软件主要是基于Windows、Unix、Linux等操作系统的，这些操作系统本身具有其脆弱性，所以使得控制中心极易受到恶意代码和病毒的攻击。SCADA系统的通信网络部分很可能出现一些漏洞，这些漏洞也是攻击者主要攻击的目标。随着通信技术的发展，SCADA系统已逐渐与企业网络互联，因此SCADA系统很容易受到基于TCP/IP协议的攻击威胁。即使采用防火墙将它们隔离，在很大程度上起到防范的作用，但对于内部人员有意或无意的破坏也是无能为力的。而对于安装在基层各站的现场设备PLC、RTU、LED、传感器、通信设备等，很容易受到就近的雷击、高压电缆等的浪涌或雷电电磁脉冲的破坏，从而导致系统停止工作或者操作失灵,甚至于降低设备的使用寿命，使之带来不可估量的经济损失。SCADA系统的操作与维护人员，是与系统接触最密切的人，他们的安全意识、专业素质及责任心，也关系到SCADA系统的安全性问题，所以，建立健全各种安全管理制度是SCADA系统安全运行的有力保证。

2SCADA系统层次分析综合评价模型的建立

2.1SCADA系统安全评价指标体系的建立

科学地全面地建立一个SCADA系统安全评价指标体系是进行安全评价的关键，所建立的指标体系应该符合科学性、独立性、系统性、层次性以及实用性等原则。本文通过参阅各种资料及专家咨询，建立的SCADA系统安全评价指标体系如图1所示。

2.2SCADA系统安全评价指标权重的确定

在SCADA系统安全评价的各个指标中，每个因素指标对SCADA系统的安全影响程度是不同的。为了恰当地表示出各个因素的影响程度，需要对各因素赋予相应的权重值。安全评价指标权重的确定方法很多，有Delphi法(专家评议法)、专家调查法、层次分析法等，本文依据层次分析法来确定指标的权重。

首先，将安全评价各指标因素分为目标层、准则层和指标层，接着采用因素的两两比较，构造出各层次的所有判别矩阵，来将定性的因素定量化。构造两两比较判断矩阵时，评价者需要比较两个因素哪一个更重要，重要多少，因而需要对重要多少赋予一定的数值，采用1〜9比例标度的重要度定义如表1所列。

由以上两两比较的方法，得出各层次的判别矩阵如下：

在得出判别矩阵后，可求出矩阵的特征根λ与特征向量W，再计算其最大特征根：

求出最大特征根以后，还需要判断判别矩阵的一致性，其一致性指标为：

如果CI=0，则完全一致，CI越大，一致性越差，对于1阶或2阶的判别矩阵，通常满足一致性。为了满足一致性，需将一致性指标CI与平均随机一致性指标RI进行比较，即：

CR=0.1时，则判别矩阵的一致性较好；若CR>0.1，则需要重新对判断矩阵进行调整。满足一致性后，则W为该层次的权重向量。表2给出了关于平均随机一致性指标RI。

本文以某油气田的SCADA系统为例，根据SCADA系统评价指标体系，通过对油田现场调研与SCADA安全专家的咨询，对该油气田SCADA系统进行层次分析，获得同级影响因素之间的重要度比值，见表3～表7所列。

由SCADA系统安全评价影响因素重要度比值可得出准则层SCADA系统安全评价指标的模糊判别矩阵为：

由模糊判别矩阵求出的归一化特征向量：

W=[0.1520.4890.2830.076]T

其最大特征根为：

一致性指标为：

所以满足一致性指标，则其准则层SCADA系统安全评价指标权重为：

W=[0.1520.4890.2830.076]

同理，经过上述方法计算得出的指标层各因素权重如下：

硬件设施安全的权重：W1=[0.3330.667]；

通信网络安全的权重：W2=[0.0980.0670.1490.4210.265]；

安全制度措施的权重：W3=[0.5710.2860.143]；

物理环境与物理保障的权重：W4=[0.2490.751]。

2.3基于模糊综合评判的SCADA系统安全评价

首先，应建立模糊评语集（V1，V2，V3，V4），以表示很安全、安全、基本安全和不安全。再根据SCADA专家调查，确定各因素被评定为以上评语的隶属度，建立模糊评价矩阵：

这样，其目标层综合评价结果为：S=WB。

在对该油气田SCADA系统进行安全评价前，对10位专家进行咨询，以确定评价集的隶属度。对于硬件设施安全中控制中心，有一人认为是很安全的，六人认为安全，三人认为基本安全，没有人认为不安全，即控制中心安全的隶属度集为（0.1，0.6，0.3，0），现场设备安全的隶属度集为（0.1，0.5，0.4，0），则对于准则层硬件设施安全的判断矩阵为：

同理，通信网络安全的判断矩阵为：

安全制度措施的判断矩阵为：

物理环境与物理保障的判断矩阵为：

准则层因素的综合评判结果由公式Bk=WkRk可以求得。硬件设施安全的综合评判结果为：

同理，通信网络安全的综合评判结果：

这样，安全制度措施的综合评判结果为：

物理环境与物理保障的综合评判结果为：

SCADA系统安全评价的综合评价结果为：

S=WB=[0.1930.4670.3040.036]

从评判结果来看，根据最大隶属度原则，可知该油气田SCADA系统是安全的。

3结语

目前，国内关于SCADA系统安全评价方面的研究较少，本文将理论与实践相结合，将层次分析法应用于SCADA安全评价研究，数据处理方便，具有实用性。文中建立的层次分析法综合评价模型能对SCADA系统的总体安全状况进行评价，可以起到提前预防的作用，对降低SCADA系统的危害以及随之带来的经济损失，保证SCADA系统安全具有重要意义。

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