一、新國大化工系推出過程安全數(shù)字化課程

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

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

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

　　二、新國大化工系過程安全數(shù)字化課程核心部分解讀

　　下面主要關注課程的第三部分——“網(wǎng)絡安全”。

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

　　通過探討包括震網(wǎng) (Stuxnet) 和烏克蘭電網(wǎng)攻擊在內(nèi)的案例研究，展示了網(wǎng)絡攻擊的關鍵影響和后果，以及一些潛在的網(wǎng)絡攻擊后解決方案。此外，我們推薦了兩本參考教材3,4和相關研究論文，以概述網(wǎng)絡安全問題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)絡安全方法的學術研究進展。8,9

　　為了應對網(wǎng)絡攻擊，我們在OT解決方案中介紹了兩種檢測方法：基于模型和基于數(shù)據(jù)的方法。

　　以水位控制問題為例，展示了基于模型的檢測方法(例如累積和 (CUSUM))的開發(fā)過程，用于應對簡單網(wǎng)絡攻擊，如最小-最大網(wǎng)絡攻擊。具體而言，設計了一個簡單的比例積分控制器來控制水位在預定設定點上。該控制器通過連續(xù)接收水位的實時傳感器讀數(shù)并相應調(diào)整入口流量來實現(xiàn)所需的控制目標。然而，在傳感器受到網(wǎng)絡攻擊的情況下，控制器會接收到偽造的傳感器測量值，從而導致錯誤的控制操作，使水位偏離設定點。為了應對這種威脅，基于模型的檢測技術將水位的實際傳感器讀數(shù)與已知過程模型提供的預期值進行比較。若觀測值與預測值之間存在任何顯著差異，則判斷傳感器網(wǎng)絡受到攻擊，可及時干預以維護系統(tǒng)網(wǎng)絡安全。

　　數(shù)據(jù)使用的增加，以及能夠避開傳統(tǒng)基于模型方法檢測的隱蔽網(wǎng)絡攻擊設計的興起，這給及時檢測方法的開發(fā)帶來了挑戰(zhàn)。為了開發(fā)先進的智能網(wǎng)絡攻擊檢測方法，我們引入了基于數(shù)據(jù)檢測的機器學習 (ML) 技術。首先討論了ML的基本原理，包括其概念、數(shù)學和神經(jīng)網(wǎng)絡的構建。同樣的例子(即水位控制問題)被用于在浪涌攻擊(一種隱蔽的網(wǎng)絡攻擊)下實施基于ML的檢測方法。雖然CUSUM可以有效檢測傳感器讀數(shù)與基于模型的檢測方法預測值之間的差異，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)先進的基于數(shù)據(jù)的檢測方法，以應對智能和隱蔽的網(wǎng)絡攻擊。

　　網(wǎng)絡安全課程全程都會使用MATLAB來設計將水位控制在所需設定點的過程控制系統(tǒng)，并實施不同類型的網(wǎng)絡攻擊(如最小-最大攻擊、重放攻擊、幾何攻擊和浪涌攻擊)。此外，學生還將學習如何使用MATLAB深度學習工具箱開發(fā)一個能夠使用實時傳感器測量值來分類無攻擊和攻擊中的ML檢測器。由于參加本課程的學生背景各異(應屆畢業(yè)生、擁有10年以上工作經(jīng)驗的高級過程工程師等)，而且并非所有人都廣泛使用MATLAB，因此在進入深度學習工具箱學習之前復習MATLAB的基礎知識(如數(shù)值操作符和數(shù)據(jù)可視化命令)至關重要。

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