1.1 國內研究動態 

隨著國家“兩化融合”工作的推進和《網絡安全法》^[1]的正式實施，國家關鍵信息基礎設施保護已經成為當前網絡安全領域的熱點話題。《網絡安全法》明確提出：對公共通信和信息服務、能源、交通、水利、金融、公共服務、電子政務等重要行業和領域的關鍵信息基礎設施，應在網絡安全等級保護制度的基礎上，實行重點保護。作為重要的國家關鍵信息基礎設施，工業控制系統因運行可靠性要求高、受破壞后造成的經濟損失和社會影響巨大等特點，其網絡安全問題引起了國家和行業的普遍重視。

工業控制網絡安全的研究受到國際知名自動化廠商的重視，比如西門子、羅克韋爾自動化、施耐德電氣等不斷推出針對自家產品攻擊所對應的防范措施和相應的工控網絡安全產品。西門子中國研究院^[4]從2010年開始就設立了專門的工業信息安全研究部門，數年來協助西門子德國總部研發機構開發了一系列工控網絡安全產品。2014年3月，西門子在北京設立首家“西門子工業信息安全實驗室”^[5]。到目前為止，德國和美國憑借其雄厚的技術優勢，在工業信息安全領域遙遙領先世界其它國家。尤其是針對PLC控制系統^[6]的底層、控制層和現場層的網絡安全解決方案。

1.3 工控網網絡安全重要性

通過國內外研究動態分析，可以看出工控網絡安全已經成為研究熱點，為了定量分析其研究現狀和趨勢，本文以知網和專利網的數據為大數據來源，通過關聯分析、聚類分析和知識圖譜等技術對工控網絡安全進行研究。

2 研究方法

本文通過Scrapy爬蟲進行數據采集和清洗，存儲到Hive數據庫里，利用K-Means聚類思想以及Pandas、TensorFlow、Numpy等庫進行知識圖譜分析。

3 大數據結果分析

大數據時代對人類的數據駕馭能力提出了新的挑戰，也為人們獲得更為深刻、全面的洞察能力提供了前所未有的空間與潛力^[7]。工業4.0的到來標志著智能化時代的到來，標志著利用信息化技術促進產業變革時代的到來，也標志著大數據滲透到當今工控網絡安全領域，成為重要生產因素點的時代已經到來。

3.1 申請與公開數量趨勢

圖1是2001~2020年專利申請量和公開量的發展趨勢。從圖中可以看出，從2014年開始，專利的申請量與公開量呈上升趨勢，特別是2017年以來，二者的數量逐年急劇增長，對仍未結束的2020年本文不做過多分析。一般專利公開和專利申請相比有一定滯后，因此同一年中申請專利數量高于公開專利數量。近年隨著大數據時代的到來，專利數量持續穩步上升，通過宏觀層面的發展趨勢可以看出，工控網絡安全越來越受到社會各界人士的重視。

圖1 2001~2020年專利申請與公開數量趨勢

3.2 生命周期

圖2是2010~2019年期間專利技術所處的發展階段，其中第一維度為申請人數量，第二維度為專利數量。從圖中可以看出申請人數量和專利數量均隨年份的增加而增加，2017~2018年期間申請人數量和專利數量都有顯著提高，本圖獲取的數據針對的研究對象可以是某件專利文獻所代表技術的生命周期，也可以是某一技術領域整體技術的生命周期。從整體的上升趨勢可以推測未來工控網絡安全領域具有強大而持久的生命力。

圖2 生命周期

3.3 申請人專利價值

專利價值度是參考技術穩定性、技術先進性和保護范圍三個方面20余個參數，對專利進行分析后得出的關于專利價值的綜合評價指標。研究申請人專利的價值度評分分布情況，可以宏觀了解申請人的專利質量，從而客觀評價申請人在專利方面的競爭實力。

圖3是申請人的專利價值度的分布情況，價值度在0~10范圍內，申請人的價值度大部分集中在5~8之間。從圖中可以看出在眾多申請人中，江蘇亨通工控安全研究院有限公司、國家電網公司、浙江大學、華東師范大學和杭州安恒信息技術股份有限公司位于前列，這些申請人的專利價值較高，有較強的競爭實力。北京威努特技術有限公司、國家電網有限公司、陜西思科銳迪網絡安全技術有限責任公司、中國科學院信息工程研究所以及南京南瑞信息通信科技有限公司緊隨其后。

圖3 申請人專利價值

3.4 國內外研究熱點分析

國內外研究熱點分析的是工控網絡安全領域中各技術方向的數量分布情況。其中IPC分類號所對應的技術方向如表1所示。通過分析研究熱點可以了解分析對象覆蓋的技術類別，以及各技術分支的創新熱度，有助于對行業整體認識，并對研發重點和研發路線進行適應性地調整。另外，通過分析各主要技術方向在不同國家或地區的數量分布情況可以掌握重要技術方向在全球范圍內的主要技術來源國。

表1 IPC分類號對應技術方向

3.4.1 國內研究熱點情況

圖4為國內研究熱點分布圖，可以看出，工控網絡安全覆蓋10余種技術類別，其中H04L（數字信息的傳輸）的專利數量遙遙領先，G06F（電數字數據處理）、G05B（一般的控制或調節系統）、G06N（基于特定計算模型的計算機系統）和G06K（數據識別，數據表示等）這幾種技術分支的專利數量也在前列。由此推測，社會各界對工控網絡安全所覆蓋的技術類別有一定的的創新熱度，其中H04L、G06F、G05B、G06N以及G06K的創新熱度尤其高。

圖4 國內研究熱點

3.4.2 全球研究熱點情況

圖5是全球研究熱點分布情況，第一維度為專利公開國別或地域，第二維度為IPC分類號。顯然，這10余種專利技術類別主要集中在中國。可以推測，中國是工控網絡安全領域的重要技術方向在全球范圍內的主要技術來源國。

圖5 全球研究熱點

3.5 全球地域排名

圖6展示的是全球專利公開的國家或地域中，工控網絡安全領域的專利數量在不同地區的分布和排名情況。通過圖表可以了解到該領域在中國的技術創新比較活躍，再一次證明了工控網絡安全領域在中國的市場所具有的巨大潛力。中國政府對工業信息安全很重視，2014年2月，習近平總書記親自擔任中國網絡安全和信息化小組組長，標志著網絡安全正式成為中國國家戰略的一部分，同時，《工業控制系統信息安全評估規范與驗收規范》國家標準發布。2014年4月，國家發展和改革委員會新組建的國家能源局召集主要在華工業自動化廠商會議，商討中國能源企業的工控網絡安全問題和解決方案，并責成各能源企業盡快完成整改。這些都是工控網絡安全領域在中國發展的強有力保障。

圖6 全球地域分布

4 結論

本文從專利申請與公開數量趨勢、生命周期、申請人專利價值、國內外研究熱點、全球地域排名等方面分析了工控網絡安全領域的發展趨勢，通過大數據結果展示與分析可以得出，我國的工業信息安全目前在很多行業的研究和應用都處于蓬勃發展的階段，工控網絡安全領域受到了越來越多社會各界人士的關注。隨著大數據時代的到來，工控網絡安全將得到更大的發展。

作者簡介

王德吉，男，博士后，研究員，首席培訓師，博士后合作導師，煙草行業信息與物流技術學科帶頭人，煙草行業工程與研究系列職稱評委委員，清華大學、西安交通大學兼職研究生導師，中國科學研究院先進制造所兼職博導，美國紐約科學院院士，國際工程師協會委員，現就職于中國煙草總公司職工進修學院。

參考文獻：

[1] 王春暉. 《網絡安全法》六大法律制度解析[J]. 南京郵電大學學報(自然科學版), 2017, (1) : 1 - 13.

[2] 佚名. 《關于加強工業控制系統信息安全管理的通知》[J]. 計算機安全, 2012, (01) : 2 - 3.

[3] 王德吉. 煙草行業工控安全防護建設方案[J]. 自動化博覽, 2018, 35 (S2) : 40 - 43.

[4] 嚴睿. 跨國研發的中國企圖[J]. 英才, 2007, (02) : 92 - 94.

[5] 李劍琦. 西門子探索工業信息安全[J]. 現代制造, 2012, (3) : 28.

[6] 趙中敏, 張秋云, 楊廣才. PLC控制系統設計[J]. 機床電器, 2007, 34 (02) : 37 - 40.

[7] 馬續補, 劉瑋, 陳穎. 基于知識圖譜的國內大數據研究可視化分析[J]. 電子科技大學學報(社會科學版), 2018, 20 (03) : 9 - 15.

摘自《工業控制系統信息安全專刊（第七輯）》