工业控制系统的多模态建模与虚实融合安全仿真技术——以TE工艺为例

《International Journal of Critical Infrastructure Protection》：Multi-modal modeling and virtual-real fusion security simulation technology for industrial control systems: a TE process case study

　　

摘要

面对日益复杂的工业控制系统（ICS）安全威胁，亟需从系统建模和安全验证两个视角提升其防护能力。针对现有研究普遍聚焦于单一系统层次、缺乏融合物理层、控制层和网络层的统一建模框架、以及在测试平台中模拟跨层攻击能力有限等局限性，本文以田纳西东区（TE）过程为验证对象，提出了一种面向典型化工过程的多模态建模与虚实融合安全仿真技术。该技术构建了涵盖物理层、控制层和网络层的多模态建模方法，并设计了整合真实设备与虚拟仿真的标准化交互架构，从而实现了跨层攻击的全链路仿真。基于TE过程，搭建了测试平台，并实现了网络干扰、控制逻辑篡改和传感器数据欺骗等攻击场景。实验结果表明，所提方法能够有效复现跨层攻击的传播链，量化攻击对通信延迟和过程变量波动的影响，并验证行为审计策略的拦截能力。以TE过程为载体，本研究为当前工业现场广泛部署的PID控制架构下工业控制系统的跨层安全评估与主动防御提供了理论和技术支撑。

引言

工业互联网、边缘计算与信息物理系统的深度集成，全面提升了工业控制系统（ICS）的互联互通和互操作能力，同时也打破了传统的封闭安全边界。这导致系统攻击面持续扩大，面临包括网络攻击[1,2]、软件漏洞[3]和配置错误在内的多重安全威胁。工业控制系统与生产过程和物理设备直接耦合，一旦控制逻辑被恶意篡改，或温度、压力和浓度等关键过程参数出现异常波动，极易引发生产不稳定、重大安全事故，甚至造成环境污染和人员伤亡。因此，迫切需要高效精准的全维度安全防护与验证技术支持。

针对ICS安全防护挑战，现有研究已对入侵检测[4]、漏洞防护[5]和异常行为识别[6]等方向进行了广泛探索，并形成了一系列针对性解决方案。基于一类支持向量机和粒子群优化的模型能够有效识别异常工业控制流量[7,8]；基于领域特定语言的ProFactory协议建模系统能够发现消息解析和状态转换漏洞[9]；依赖PLC控制逻辑形式化验证和图结构映射的方法能够实现控制层的异常检测[[10], [11], [12]]。然而，大多数方法局限于单一维度，即网络层或控制层。它们未能考虑工业过程的动态耦合特性和多源数据的相关性，无法应对实际场景中的跨模态、跨层威胁[13,14]。

与此同时，工业控制安全范围和攻防演练平台已成为安全验证的核心工具[15]。如美国NSTB[16]、桑迪亚国家实验室的VCSE[17]、电力系统数字孪生[18]、智能电网信息物理系统（CPS）平台[[19], [20], [21]]以及中国的网络内生安全试验床（NEST）[22]，虽然能够模拟部分攻击并验证策略，但仍主要基于单层或双层建模。尽管近年来数字孪生驱动安全[[23], [24], [25], [26]]的研究在混合建模和智能入侵检测方面取得进展，但尚未形成覆盖物理层、控制层和网络层的统一耦合建模框架。上述平台普遍缺乏对工业系统三层耦合特性的系统建模，难以实现统一的多维度（物理-控制-网络）防护验证[[27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35]]。

进一步考察现有核心研究可发现，当前ICS建模和仿真测试技术存在显著局限性：工业控制系统的建模往往停留在单一维度或双层融合阶段，要么聚焦于物理层机理、控制层逻辑或网络层协议的独立建模[36]，要么仅实现物理-控制或控制-网络的双层闭环建模[37]，尚未建立统一的三层（物理-控制-网络）耦合框架，导致建模保真度与实际运行状况之间存在显著差距。虚实融合和硬件在环（HiL）测试平台也存在不足。例如，ICSSIM[34]仅支持虚拟网络模拟，无法接入物理设备；PowerCyber[38]仅针对电力场景定制，通用性极差；SWAT[30]网络拓扑简单，仅支持基本攻击场景；NEST[22]专注于网络层漏洞发现，忽视了物理过程耦合。针对典型工业过程的建模与仿真研究，如多级闪蒸（MSF）海水淡化[39]，往往集中于单一过程机理或特定攻击场景，对跨层复合攻击仿真的支撑不足。此类平台的常见问题包括接口不标准化、数据同步性差、仿真场景有限以及无法模拟跨层复合攻击。为清晰界定本文与现有方案的核心差异，上述平台从建模范围、交互机制、仿真能力、控制策略和威胁模型五个关键维度进行了对比，详见表1。

综上所述，现有ICS安全研究尚未建立覆盖所有系统层次的统一建模框架，也未提供具备高保真虚实交互能力的集成仿真与验证平台。因此，在复杂威胁下综合评估系统防护韧性仍十分困难。本文以田纳西东区（TE）过程为验证对象，提出了一种面向典型化工过程的多模态建模与虚实融合安全仿真技术方案。所提方案通过构建融合物理层、控制层和网络层的统一多模态模型，以及开发基于标准化接口的虚实交互仿真平台，克服了传统单层分析的局限性。该平台实现了真实设备与虚拟系统之间的双向协同，支持多场景跨层攻击仿真，并验证防护策略的有效性。通过基于TE过程的联合仿真与攻击注入实验，本文验证了所提技术方案在典型化工过程场景中的可行性和有效性，为当前工业现场广泛部署的PID控制架构下ICS安全评估与防护优化提供了具体技术载体和实验依据。

章节片段

框架设计

本研究提出的工业控制系统虚实融合仿真架构如图1所示。整体结构由三个核心模块组成：物理系统、虚拟仿真系统和虚实融合空间。设计目标是通过机制化的虚实交互和多模型协同，建立覆盖网络层、控制层和物理层的多维协同仿真环境，

多模态建模方法

针对ICS的多源异构特性，构建了涵盖物理层、控制层和网络层的多模态建模方法。三层模型通过标准化定量接口进行耦合，形成了结构完整、逻辑闭环的多模态建模体系。本研究的建模方法针对实际工业运行工况进行了定制化改进（例如引入扰动因素）。

实验设置

基于TE过程，本文建立了工业控制系统虚实融合安全仿真测试平台，如图4所示。该平台集成了真实控制器、网络通信设备、虚拟过程模型和网络模型，构建了覆盖物理层、控制层和网络层的多模态仿真环境。真实系统包括2台主机、1台三层交换机、1台防火墙、1台二层交换机、1台操作员站和5

结果

实验结果如图5、图6、图7、图8以及表7、表8、表9所示。图5(a)和5(b)展示了在OMNeT++中模拟的攻击场景1下的通信过程，分别在引入拒绝服务（DoS）攻击之前和之后。基于这些仿真结果，表7汇总了主机1与各PLC节点之间的通信延迟，对DoS攻击对网络传输性能的影响进行了定量评估。平均通信

讨论

通过构建TE化工过程的虚实融合安全仿真测试平台，本研究系统性地设计和实现了四种典型攻击场景。结合实验结果，本研究揭示了网络层和控制层攻击对化工过程的具体影响，以及行为审计防护策略在抵御控制逻辑篡改攻击方面的防御能力。基于实验结果，

结论

以TE化工过程为验证载体，本文提出了一种面向典型化工过程的多模态建模与虚实融合安全仿真技术。主要贡献如下。

• 1)
  围绕物理系统、虚拟仿真系统和虚实融合空间三大模块，构建了统一的虚实融合仿真架构。通过系统化的虚实交互和多模型协同机制，

CRediT作者贡献声明

王鑫伟： 写作 – 审阅与编辑、写作 – 初稿撰写、验证、软件、调查研究、形式化分析。王锦江： 写作 – 审阅与编辑、监督、方法论、概念化。宋伟航： 可视化、软件、形式化分析、数据管理。

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