工业控制系统安全综述

工业控制系统(ICS)作为国家基础设施的核心控制设备,其安全关系国计民生。震网(Stuxnet)病毒爆发以后,工控安全逐渐引起国家、企业、战略安全人士的高度重视。总结分析了工控系统的结构资产、脆弱性、存在的威胁、安全措施与风险评估等内容;提出了四层功能的仿免疫系统的安全管理模型,并重点分析其中的关键防御技术,例如深度防御、防火墙、异常检查、Conpot(Control Systems Honeypot)、安全远程访问以及管理策略;指出工控系统安全将会是智慧城市、智慧制造与工业4.0等新兴技术的发展契机与最大挑战;最后结合国内工控安全布局规划,给出工控安全建议,并展望未来的发展前景。

一种HEVC编码单元快速划分决策算法

HEVC是下一代视频编码标准,为高清和超高清视频提供了编解码方案.在视频质量相同的情况下,HEVC比H.264节省约50%的有效码流.HEVC高的压缩率是以复杂的递归划分算法,更长编码时间为代价的.本文提出了一种基于统计的快速划分决策算法,旨在减少不必要的子划分,降低编码复杂度.该算法是利用CU空间相关性的特点:CU越小,划分后四个子CU就越相似,它们的率失真值就越接近CU率失真值的1/4.通过对CU的率失真值和划分前CU的率失真值的1/4比较,决定是否继续进行子划分.实验结果表明,该算法在码率增加不超过2%的前提下,在低复杂度配置和高效率配置下平均节省了24%和29%的编码时间,PSNR值基本不变.

基于ARIMA模型的工业锂电池剩余使用寿命预测

研究了随机建模技术在锂电池剩余使用寿命预测中应用.基于此,使用Box-Jenkins ARIMA模型模拟锂电池退化过程.在NASA PCo E获取锂电池测量数据集,采用ADF单根检验与差分法对锂电池容量原始数据平稳化处理.结合自相关函数与偏自相关函数进行参数估计,构建多个ARIMA模型,并通过评估各种估计参数验证各个模型的有效性,根据AIC、SC准则与正态化BIC选择最佳预测模型.在对所选模型进行严格评估之后,ARIMA(2,1,2)被识别为最佳拟合模型.使用ARIMA模型获得了比较精确的预测结果,结果表明ARIMA模型预测锂电池剩余使用寿命短期内具有较高的精确度和较强的可行性.

开放式数控系统跨平台技术研究与应用

为了提高开放式数控系统的跨平台能力,结合开放式数控系统的结构特点,分析实现跨平台面临的主要问题,提出了开放式数控系统跨平台的一种解决方案。该方案主要通过软件源码的可移植性扩展、平台无关的通信机制和硬件抽象层技术(HAL)的使用来实现开放式数控系统跨不同软硬件平台的能力。并利用该方案成功获得了跨x86平台和龙芯平台的数控系统,同时还实现了对多种伺服及I/O控制方式的兼容,增强了原有的系统的灵活性和可扩展性。

基于寿命分布模型的数控装置可靠性定量评估方法

由于数控装置的使用周期长、故障次数少、分布模型不确定等特点,使得可靠性测试与评估工作难以实施.针对该问题,本文引入了基于数理统计的方法,根据已知的产品故障失效时间,通过假设检验确定产品寿命分布模型.本文以该模型为基础,通过引入加速寿命试验的方法,在保证失效机理不变的情况下,极大缩短了可靠性试验时间,完成了数控装置可靠性试验和定量计算,从而使得数控装置的可靠性测试与评估工作变得切实可行.

异步数据传输机制的数控快速串行总线模型研究和协议设计

异步数据传输机制(Asynchronous Communication Mechanism,ACM)是一种管理实时系统中,特别是在多时钟域实时嵌入式系统中,非同步系统之间不需要同步的数据传输的特殊机制.介绍ACM的基本理论,将ACM的四种通讯模型引入数控快速串行总线(Fast Serial Bus)建模和协议设计过程.文章应用异步传输机制建立数控系统统一的通信模型,在该通讯模型基础上设计了数控快速串行总线通信协议,最后给出基于SOPC技术的协议芯片的实现方法.

工业锂电池退化过程研究与剩余使用寿命预测

随着锂离子电池在航空航天、军工建设、工业制造、电动汽车以及储能设备等领域的广泛研究与应用,其剩余使用寿命预测具有重要意义.本文通过对锂离子电池退化原理与退化过程数据分析,剔除锂离子电池松弛效应,建立含随机效应的Wiener退化过程模型.在获知其退化阈值的情况下,推导出锂离子电池的寿命分布,并在此基础上,对单个锂离子电池剩余使用寿命进行预测.最后在NASA的PCo E数据库提供的电池数据集进行实例验证,结果表明相对于参考文献所述传统的设备贮存-工作联合退化模型,Wiener过程退化模型具有更高的预测精度.

高性能开放式数控系统框架设计

描述一个高性能开放式数控系统结构框架.该框架采用基于功能组件的厂商无关结构,通过绑定表(binding table)方式,支持组件功能的软硬件协同实现.本框架引入实时交互网络中(RTN)中的异步通讯机制(ACM)为整个系统提供统一的通讯模型,并设计相应的功能组件.在统一通讯模型支持下,该框架支持数控系统采用一个或者多个处理器或控制器的分布式结构,满足日益增长的数控系统高性能要求.本文基于该框架实现了原型系统.

PMON系统下配置FPGA方法设计与实现

工业控制系统中存在多种基于以太网的现场总线协议,其功能均采用FPGA+phy的芯片架构实现,为便于多种总线配置的龙芯工业控制系统灵活生产和在线重构,提出一种基于龙芯2F平台PMON中配置FPGA的方法。在PMON的命令行界面,使用FPGA配置命令读取CF卡中的FPGA配置文件,完成FPGA配置过程,使配置FPGA的工作方便快捷。详述该方法的设计与实现,通过实际测试验证了该方法的可行性。

基于回归树和AdaBoost方法的刀具磨损评估

本文利用高速数控铣刀铣削中不同侧面方向的切削力和振动信号以及声发射信号均方根值,以数据驱动的形式对刀具磨损进行了拟合评估.在本次研究中,分别从时域、频域和时频联合域上探索与刀具磨损相关的敏感特征,具体特征提取方法包括时域统计分析、频域上的快速傅里叶变换(FFT)和时频联合分析的小波变换(WT).本文中,决策树被用于回归问题而非分类问题,用于评估刀具磨损值.同时,引入AdaBoost算法对回归树模型进行提升,并从模型的准确性、稳定性和适用性三个方面上综合对比了提升的决策树回归模型和原模型的性能.研究表明,AdaBoost算法提升的回归决策树模型在预测的准确性和稳定性上都有一定程度上提高,并且在面向全新刀具磨损预测的适用性上也取得了不错的提升效果.

基于改进Kademlia协议的分布式爬虫

随着互联网信息的爆炸式增长,搜索引擎和大数据等学科迫切需要一种高效、稳定、可扩展性强的爬虫架构来完成数据的采集和分析.本文借助于对等网络的思路,使用分布式哈希表作为节点间的数据交互的载体,同时针对网络爬虫自身的特点,对分布式哈希表的一种实现——Kademlia协议进行改进以满足分布式爬虫的需求.在此基础上设计并完善了具有可扩展性和容错性的分布式爬虫集群.在实际试验中,进行了单机多线程实验和分布式集群的实验,从系统性能角度和系统负载角度进行分析,实验结果表明了这种分布式集群方法的有效性.

基于三维数值模拟的高填方边坡强夯效应研究

根据某拟建变电站高填方边坡地质资料建立三维数值计算模型,计算分析不同夯击能和夯击位置条件下边坡土体的竖向位移、水平位移和加速度等响应随动力时间的变化规律.不同工况下的计算结果表明:夯击主要影响表层土体,夯击能越大夯击区域表层土体位移越大,不同夯击能下土体影响区变化较小;夯击引起的土体加速度峰值随夯击能的增大而增大;夯击点离边坡面越远,夯击影响区有所增大而夯沉量有所减小,且边坡顶部和边坡面中部水平位移下降十分显著.研究结论可为类似高填方边坡工程强夯施工设计提供参考.

Linux实时抢占补丁研究及实时性能测试

准确的量化数据可作为评测及选择实时Linux系统的参考依据。研究实时Linux系统中实时抢占补丁的关键特性,提出一种代码插桩的实时性能评测方法。在增加实时抢占补丁的Linux操作系统上加载运行测试程序,利用测试程序关键位置的代码探测段来获取运行系统中的重要信息,以完成实时性能的评测。对基于数控平台上该实时系统的中断响应时间和上下文切换时间等评测指标进行测试,结果表明,与标准Linux系统的评测指标相比,该系统的中断响应时间和上下文切换时间分别约减少10%和99%,达到了硬实时系统的要求,满足数控应用的实时需求。

无线传感器网络中继节点的最小功耗布置算法

在无线传感器网络中,如何布置给定数量的中继节点以最小化传输数据的整体功耗是个值得关注的问题.对中继节点的最小功耗布置问题进行了形式化描述,提出一种时间复杂度为O(n2)的近似算法,其中n为传感器节点数目.该算法先构造一棵中继节点数目不受限制时的最优生成树,然后每次从生成树中删除一个使得整体功耗增加最少的中继节点,直至生成树中的中继节点数目满足要求.实验结果表明该算法的执行时间较短,在传输数据的整体功耗方面要优于现有算法.

基于MIPS处理器和RTAI的数控系统中调度抖动的研究

将MIPS体系结构的处理器应用在数控系统上,可以降低系统的成本,增强数控系统的国产化水平.但不同的硬件结构会对实时操作系统的调度抖动产生不同的影响,而运动控制器的调度抖动是数控系统的重要性能指标之一.本文讨论了MIPS平台上运动控制器的调度抖动的测试方法,分析产生抖动的原因,并针对这些原因对系统进行了优化.最终测试结果表明,在MIPS平台下,RTAI的调度抖动能够满足数控系统的需要.

基于SOPC的数控系统EnDat2.2接口的设计与实现

针对传统数控系统中增量式编码器传输距离短,无法传输绝对位置值等不足,本文设计和实现了应用于绝对式编码器的EnDat2.2接口.本设计采用32位嵌入式软核处理器Nios Ⅱ为数据处理核心,EnDat 2.2为编码器数字接口协议,并完成基于可编程片上系统(SOPC)的硬件设计和相应的驱动设计,通过PCI接口与PC数控上位机协同工作,完成对光电编码器的控制与数据采集.经验证,EnDat2.2接口的高速性和可靠性能满足高档数控系统对运动控制的要求,可以为数控上位机及时地提供准确的位置和速度信息.

一种模糊增强图像边缘提取算法

在分析Pal模糊边缘提取算法的基础上,为克服Pal算法图像增强区域单一、图像增强后造成低灰度信息损失且没有做抑噪处理的缺陷,提出一种新的基于模糊增强的图像边缘提取算法.新算法通过引入模糊熵,进行有目的选取不同灰度层次的阈值,同时增强图像中不同灰度层次的边缘信息,通过定义新的隶属函数和一种新的模糊增强算子,结合图像平滑滤波处理进行图像边缘提取,有效地克服了Pal算法速度慢且损失图像部分灰度信息的缺陷,取得了优于基于传统Pal算法进行图像边缘提取的效果.

一种工业控制系统漏洞风险评估方法

工业控制系统安全问题日益突出.工控漏洞是攻击者实施破坏的重要切入点.本文提出了一种工控漏洞风险量化评估方法,基于通用漏洞评分系统,将可见性、可控性、漏洞利用目标服役情况等体现工控安全特性的指标纳入量化评估范围.该方法使用改进的工控漏洞风险评估算法,既可以生成工控漏洞的基础评分、生命周期评分,也可以用于安全人员结合实际工控安全场景的具体需求以生成环境评分.经过实例分析与统计分析,说明了本文提出的工业控制系统风险评估方法可以有效地对工控漏洞进行量化评估.将本文提出的方法应用在某工业现场检查工具中,证明了该方法可以显著提高漏洞评分在工控安全防护中的可用性,提升工控安全防护水平.

基于NSGA-Ⅱ的嵌入式系统软硬件划分方法

软硬件划分是软硬件协同设计中的一个关键问题。针对单处理器嵌入式系统,提出将NSGA-II应用于软硬件划分中,该算法一次运行可以获得多个Pareto最优解,为各个目标函数之间权衡分析提供了有效的工具,提高了设计效率。结果表明,通过该划分方法,在满足系统性能要求下,可为复杂嵌入式系统提供多个设计目标的全局优化方案。

机群系统中的高效全交换算法

全交换在并行计算领域中有着大量而重要的应用,例如FFT和矩阵运算等.本文在由以太网交换机分层级联而成的机群系统上,提出了高性能的全交换算法DCE和算法MCCE.这两个算法充分利用了网络中瓶颈链路的带宽,达到了通信量的理论下限,并且运用多种策略来避免通信过程中的网络冲突,从而提高了机群的通信性能.实验结果表明,本文所述的算法在消息长度较长时,明显优于MPICH和LAM/MPI中实现的MPI-Alltoall算法.最后,该算法简单规范,易于实现.