0 引言
城市生命线系统是城市正常运行的关键支撑。例如,供水、供电、燃气与交通等领域是城市的“主动脉”和“神经网络”。一旦以上领域出现问题,城市的运转就会陷入混乱。随着信息技术的广泛应用和城市的不断发展,城市生命线系统面临日益复杂的安全威胁和通信需求。因此,加强城市生命线的信息化安全防护与通信网络系统建设,对于保障城市的安全稳定和可持续发展具有重要意义。
1 城市生命线系统面临的挑战与风险图谱
1.1 关键基础设施脆弱性分析
运用攻击树模型对城市生命线关键基础设施进行评估后发现,工业控制系统有47.3%的高危漏洞尚未修复,数据采集与监视控制系统平均暴露时间长达72 h,且89%的跨系统接口存在未认证通信的问题[1]。这些薄弱环节一旦被攻击者利用,可能引发大面积的停水、停电、停气,甚至交通瘫痪。例如,2019年某城市供水系统遭受网络攻击,黑客利用数据采集与监视控制系统的漏洞篡改了供水数
据,从而导致部分区域水压异常,居民用水困难。
1.2 威胁情报矩阵构建
基于 ATT&CK框架建立城市生命线威胁模型,模型具体见表1。其中,APT攻击潜伏周期中位数为78天,勒索软件攻击恢复平均时间为9.3天,无线通信劫持成功率高达63%。这表明城市生命线系统正面临愈发复杂的攻击手段,攻击者潜伏时间长,造成的损失大且恢复成本高。
表1 城市生命线主要威胁指标
2 融合通信网络架构设计
2.1 三维异构组网技术
构建“空天地一体化”的通信网络,低轨卫星节点密度≥1200个/千平方公里,5G-Ultra超密集组网基站间距≤50 m,量子通信骨干网传输距离突破500 km。该通信网络不仅融合了多种通信技术,还实现了全球无缝覆盖、城市高密度区域数据的高
[作者简介]李砚秋(1991—),女,江苏盐城人,硕士研究生,助理工程师,研究方向为产品设计。
速传输及高安全性的通信保障。同时,关键技术指标端到端时延<5 ms,网络可用性≥99.9999%,频谱效率提升3.8倍,确保了城市生命线系统数据传输的快速稳定,满足了实时监测和应急响应的严苛要求。例如,某城市地震救灾时,“空天地一体化”通信网络发挥了关键作用。地震虽导致了地面通信基站受损,但低轨卫星能够迅速提供通信联络;5G-Ultra超密集组网为救援现场提供高清视频和实时数据交互;量子通信保障救援信息安全传输,防止信息被窃取或篡改[2]。
2.2 动态频谱共享机制
传统频谱分配方式下,频谱利用率仅约60%,不同通信业务间干扰突出(干扰抑制比-20 dB)切换时延达5 ms,难以满足城市生命线系统通信需求,导致资源浪费且通信质量差[3]。在采用深度强化学习算法后,实现了频谱智能分配,其利用率提升至92.7%;借助先进干扰识别抑制技术,干扰抑制比降至-35 dB;优化切换算法与流程切换时延缩短至1.2 ms,大幅减少了通信异常问题。具体技术指标对比见表2。
表2 动态频谱共享机制技术指标对比
3 主动防御技术体系
3.1 数字孪生安全引擎
构建1∶1镜像系统,可实现91.2%的攻击预测准确率,并将漏洞验证时间缩短至80%,应急响应效率提升5倍。同时,核心技术参数数据采集频率≥1 kHz,建模误差<0.3%,态势感知延迟<50 ms。
数字孪生安全引擎能够通过实时模拟和分析城市生命线系统提前预测攻击风险,并在快速验证漏洞的同时,及时发现安全威胁,触发应急响应,大幅提高系统安全性和增强应对攻击的能力[4]。数字孪生技术架构具体如图1所示。
3.2 拟态防御系统
采用动态异构冗余架构,异构执行体数量≥7,调度周期随机化范围为10~200 ms,攻击识别率提升至99.4%。拟态防御系统通过引入动态变化的异
构执行体,增加系统的不确定性和复杂性,让攻击者难以找到攻击切入点。这不仅有效增强了系统的抗攻击能力,还能抵御各种复杂的攻击手段。
图1 数字孪生技术架构
3.3 量子安全通信方案
量子安全通信方案利用量子密钥分发特性,为城市生命线系统通信提供了安全保障,不仅能有效抵御量子计算攻击,还确保了通信数据的机密性和完整性,保障通信的安全可靠。同时,具备抗量子计算攻击能力,量子密钥分发速率达18 Mbps,密钥更新周期≤1 min。金融交易与政务通信等对信息安全要求极高的领域已初步应用了量子安全通信方案,并取得了良好效果。因此,将量子安全通信方案应用于城市生命线系统通信,将进一步提升系统的安全防护水平。
4 智能运维与应急体系
4.1 故障预测与健康管理(PHM)
采用多源信息融合技术,可实现设备剩余寿命预测误差<3%,故障定位精度达米级,维修决策准确率达95.6%。通过融合分析城市生命线系统设备的多源数据,不仅能够实时监测设备的运行状态,准确预测设备剩余寿命,还能快速定位故障位置,并提供科学合理的维修决策,有效提高设备的可靠性和维护效率,减轻设备故障对城市生命线系统运行的影响[5]。
4.2 弹性恢复机制
构建分布式自愈网络,可实现服务恢复时间<100 ms,资源调度效率提升4倍,网络重构成功率达99.97%。在城市生命线系统遭受攻击或发生故障时,迅速启动弹性恢复机制,通过分布式自愈网络实现服务快速恢复,高效调度资源,并完成网络重构,可确保城市生命线系统的持续运行,最大
限度地减少损失。例如,在台风灾害导致某城市部分供电线路受损时,弹性恢复机制迅速响应,通过分布式自愈网络重新调配电力资源,在短时间内恢复了大部分区域的供电,减轻了灾害对居民生活和企业生产的影响。
5 技术创新与实施路径
5.1 突破性技术
一方面,跨域协同安全防护技术能够打破城市各领域系统的信息壁垒,构建统一的安全信息共享平台。以供水、供电和交通系统为例,当某一系统遭受攻击时,其他系统能迅速获取信息并协同防护,增强整体安全防护能力。另一方面,时敏网络确定性传输技术聚焦应急指挥与实时监测等高实时性、高可靠性的业务场景。运用该技术,不仅能划分数据优先级,还能精准调度数据,确保关键数据在复杂网络下按时间要求确定性传输,并有效控制时延和抖动。
5.2 实施路线图
本体系的实施应遵循科学有序的路线图。例如,2023—2025年重点完成核心标准体系构建,并组织行业专家、科研机构及企业等多方主体,共同制定涵盖技术标准、安全规范和接口要求等的核心标准。同时,搭建标准验证和测试平台,以确保各项标准的科学性与可行性,为后续建设提供坚实的规范支撑。2026—2028年选择经济发达、人口密集且城市生命线系统复杂的省级城市开展示范应用,在试点建设过程中不断优化系统性能,积极解决实际应用中出现的各类问题,并积累实践经验为技术的推广应用做好充分准备。2029—2030年通过政策引导、资金扶持等手段鼓励企业加大研发投入,
培育具有核心竞争力的企业。