人工智能赋能工业控制系统安全与可持续发展：挑战与解决方案综述

本文综述了人工智能(AI)在工业控制系统(ICS)安全与可持续发展中的关键作用。研究人员系统分析了机器学习(ML)、深度学习(DL)、大语言模型(LLM)和云计算等技术在解决ICS面临的数据泄露、内部威胁和恶意软件等安全挑战中的应用，同时探讨了AI在提升能源效率和减少碳足迹方面的潜力。研究整合了250篇文献，为构建安全、可持续的工业环境提供了重要见解。

　　

随着工业4.0时代的到来，工业控制系统(Industrial Control Systems, ICS)作为关键基础设施的核心，其安全性和可持续性面临前所未有的挑战。从水处理厂到电网系统，这些控制着现代社会命脉的系统正日益成为网络攻击的目标。2023年上半年的统计数据显示，针对ICS的网络攻击事件高达185起，而更令人担忧的是，随着物联网(IoT)和云计算技术的融合，传统"空气隔离"的防护策略已不再适用。与此同时，全球对可持续发展的迫切需求也迫使工业界必须在保障安全的前提下，实现能源效率提升和碳足迹降低的双重目标。

在这一背景下，Muhammad Muzamil Aslam等研究人员在《ARTIFICIAL INTELLIGENCE REVIEW》发表了这项系统性综述研究。团队采用了严格的文献筛选方法，从Scopus、IEEE Xplore等六大权威数据库中筛选出250篇核心文献，构建了一个全面评估AI技术在ICS安全与可持续发展中应用的分析框架。研究特别关注了机器学习(ML)、深度学习(DL)、大语言模型(LLM)和云计算等前沿技术的协同效应，为解决ICS面临的多维挑战提供了创新思路。

研究采用了系统文献综述法(Systematic Literature Review)，通过四阶段筛选流程（去重、标题摘要筛选、全文评估和最终纳入）确保文献质量。关键技术方法包括：1)基于ML/DL的异常检测算法，如卷积神经网络(CNN)和长短期记忆网络(LSTM)；2)云计算支持的实时监控架构；3)LLM驱动的威胁情报分析；4)多目标优化框架平衡安全与能效。研究特别关注了SWaT和WADI等标准测试平台的数据验证。

在"ICS安全概述"部分，研究揭示了现代ICS的五层架构脆弱性。通过分析2010-2024年间的真实攻击案例（如2010年Stuxnet蠕虫攻击伊朗核设施），研究发现L1传感器/执行器层和L2控制层是最易受攻击环节。研究提出的分层防御策略中，ML模型在Modbus/TCP协议异常检测中达到99.7%准确率，显著优于传统规则检测方法。

"AI驱动的可持续与高能效ICS环境"章节创新性地将Industry 4.0与可持续发展目标(SDGs)结合。案例研究表明，采用AI优化的自由冷却设备可降低80%能源成本，而废热回收系统更能提升600%的热能利用效率。研究特别强调，DL驱动的预测性维护可将设备寿命延长30%，同时减少15%的维护成本。

在"机器学习与深度学习在ICS安全中的应用"部分，研究团队对比了多种算法的性能。结果显示，在Bot-IoT数据集测试中，随机森林(RF)算法对DDoS攻击的检测准确率达99.9%，而基于双向门控循环单元(Bi-GRU)的异常检测模型在SWaT测试平台上实现98.2%的召回率。研究还开发了自适应和声搜索算法(Adaptive Harmony Search)，通过特征选择优化将误报率降低40%。

"基于云的ICS安全"章节探讨了云计算的双刃剑效应。研究提出的"LLMPot"蜜罐系统，通过字节级ByT5模型模拟工业协议，成功将攻击诱骗率提升65%。但同时也指出，共享基础设施带来的虚拟机逃逸风险使云化SCADA系统的平均修复时间(MTTR)增加30%。

"大语言模型提升ICS安全"部分展示了LLM的创新应用。GPT-4架构在实时监控中展现出独特优势，其构建的多任务学习框架能同时处理异常检测（准确率98%）、攻击分类（F1值0.95）和行为建模三项任务。研究特别设计的协议感知分词器(Protocol-aware Tokenizer)，使模型对DNP3协议攻击的识别速度提升3倍。

研究的结论部分强调了三大突破：1)构建了首个同时涵盖安全和可持续性的ICS评估框架；2)证实ML/DL模型在实时异常检测中平均优于传统方法47%；3)开创性地将LLM应用于工业协议分析。这些发现不仅为关键基础设施保护提供了新范式，更通过能源优化技术每年可减少15%的工业碳排放。研究同时指出，未来需在联邦学习(Federated Learning)和可解释AI(XAI)方向深入探索，以解决当前模型在实时性和对抗攻击方面的局限。

这项研究的重要意义在于，它首次系统性地将AI技术与ICS的双重挑战——安全与可持续发展——纳入统一框架进行探讨。通过详实的数据和跨学科视角，不仅为工业界提供了切实可行的解决方案，也为政策制定者平衡产业发展与环境保护提供了科学依据。随着全球对关键基础设施安全的日益重视，该综述所建立的方法论和洞察必将对工业数字化转型产生深远影响。