一、新國(guó)大化工系推出過(guò)程安全數(shù)字化課程

　　新加坡國(guó)立大學(xué)化學(xué)與生物分子工程系 (NUS ChBE) 提供化學(xué)工程的本科和高級(jí)學(xué)位課程，以及安全、健康和環(huán)境碩士課程。

　　為了讓學(xué)生更好地掌握數(shù)字化在化學(xué)過(guò)程操作和安全中的發(fā)展和影響的必要知識(shí)，我們面向化學(xué)工程和安全、健康與環(huán)境技術(shù)碩士課程的學(xué)生，新開設(shè)了一門關(guān)于“過(guò)程安全數(shù)字化”的課程。

　　NUS ChBE課程由三個(gè)主要部分組成：“過(guò)程數(shù)字化導(dǎo)論”涵蓋了過(guò)程監(jiān)控、控制和操作中的數(shù)字化和自動(dòng)化工具;“行業(yè)案例與應(yīng)用開發(fā)”(使用Microsoft PowerPlatform)讓學(xué)生接觸低代碼開發(fā)平臺(tái)，讓他們識(shí)別安全用例并開發(fā)與過(guò)程安全相關(guān)的定制解決方案。

　　二、新國(guó)大化工系過(guò)程安全數(shù)字化課程核心部分解讀

　　下面主要關(guān)注課程的第三部分——“網(wǎng)絡(luò)安全”。

　　我們從介紹網(wǎng)絡(luò)攻擊、常用于應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)攻擊的信息技術(shù) (IT) 和操作技術(shù) (OT) 入手。如今，大多數(shù)公司和組織都部署了傳統(tǒng)IT網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品和服務(wù)與量身定制的OT特定網(wǎng)絡(luò)安全解決方案相結(jié)合的策略。

　　通過(guò)探討包括震網(wǎng) (Stuxnet) 和烏克蘭電網(wǎng)攻擊在內(nèi)的案例研究，展示了網(wǎng)絡(luò)攻擊的關(guān)鍵影響和后果，以及一些潛在的網(wǎng)絡(luò)攻擊后解決方案。此外，我們推薦了兩本參考教材3,4和相關(guān)研究論文，以概述網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題5,6,7和最近在各種行業(yè)(包括化工、制藥、食品和材料行業(yè))中網(wǎng)絡(luò)安全方法的學(xué)術(shù)研究進(jìn)展。8,9

　　為了應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)攻擊，我們?cè)贠T解決方案中介紹了兩種檢測(cè)方法：基于模型和基于數(shù)據(jù)的方法。

　　以水位控制問(wèn)題為例，展示了基于模型的檢測(cè)方法(例如累積和 (CUSUM))的開發(fā)過(guò)程，用于應(yīng)對(duì)簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)攻擊，如最小-最大網(wǎng)絡(luò)攻擊。具體而言，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的比例積分控制器來(lái)控制水位在預(yù)定設(shè)定點(diǎn)上。該控制器通過(guò)連續(xù)接收水位的實(shí)時(shí)傳感器讀數(shù)并相應(yīng)調(diào)整入口流量來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的控制目標(biāo)。然而，在傳感器受到網(wǎng)絡(luò)攻擊的情況下，控制器會(huì)接收到偽造的傳感器測(cè)量值，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的控制操作，使水位偏離設(shè)定點(diǎn)。為了應(yīng)對(duì)這種威脅，基于模型的檢測(cè)技術(shù)將水位的實(shí)際傳感器讀數(shù)與已知過(guò)程模型提供的預(yù)期值進(jìn)行比較。若觀測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間存在任何顯著差異，則判斷傳感器網(wǎng)絡(luò)受到攻擊，可及時(shí)干預(yù)以維護(hù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全。

　　數(shù)據(jù)使用的增加，以及能夠避開傳統(tǒng)基于模型方法檢測(cè)的隱蔽網(wǎng)絡(luò)攻擊設(shè)計(jì)的興起，這給及時(shí)檢測(cè)方法的開發(fā)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。為了開發(fā)先進(jìn)的智能網(wǎng)絡(luò)攻擊檢測(cè)方法，我們引入了基于數(shù)據(jù)檢測(cè)的機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 技術(shù)。首先討論了ML的基本原理，包括其概念、數(shù)學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。同樣的例子(即水位控制問(wèn)題)被用于在浪涌攻擊(一種隱蔽的網(wǎng)絡(luò)攻擊)下實(shí)施基于ML的檢測(cè)方法。雖然CUSUM可以有效檢測(cè)傳感器讀數(shù)與基于模型的檢測(cè)方法預(yù)測(cè)值之間的差異，但浪涌攻擊可以避開CUSUM，在CUSUM積累足夠證據(jù)檢測(cè)到變化之前，在系統(tǒng)中引入突然的尖峰或下降。因此，必須開發(fā)先進(jìn)的基于數(shù)據(jù)的檢測(cè)方法，以應(yīng)對(duì)智能和隱蔽的網(wǎng)絡(luò)攻擊。

　　網(wǎng)絡(luò)安全課程全程都會(huì)使用MATLAB來(lái)設(shè)計(jì)將水位控制在所需設(shè)定點(diǎn)的過(guò)程控制系統(tǒng)，并實(shí)施不同類型的網(wǎng)絡(luò)攻擊(如最小-最大攻擊、重放攻擊、幾何攻擊和浪涌攻擊)。此外，學(xué)生還將學(xué)習(xí)如何使用MATLAB深度學(xué)習(xí)工具箱開發(fā)一個(gè)能夠使用實(shí)時(shí)傳感器測(cè)量值來(lái)分類無(wú)攻擊和攻擊中的ML檢測(cè)器。由于參加本課程的學(xué)生背景各異(應(yīng)屆畢業(yè)生、擁有10年以上工作經(jīng)驗(yàn)的高級(jí)過(guò)程工程師等)，而且并非所有人都廣泛使用MATLAB，因此在進(jìn)入深度學(xué)習(xí)工具箱學(xué)習(xí)之前復(fù)習(xí)MATLAB的基礎(chǔ)知識(shí)(如數(shù)值操作符和數(shù)據(jù)可視化命令)至關(guān)重要。

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