基于物联网的智能燃气表安全性能与预防控制

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  摘要:随着城市建设不断朝着智能化方向发展,燃气管网的设计难度也逐渐加大,而燃气表作为燃气输配终端最主要的计量仪表,与居民的生活息息相关。因此为提高居民的生活质量,可以运用物联网技术来提高燃气表使用的安全性能,通过内部专用网络,将测量到的计量数据与燃气公司平台的数据进行比较,实时监控燃气表的运行状况,判定用户用气是否处于异常风险工况,使其维持在最佳运行状态,有效的提高了智能燃气表计量系统使用和运行的安全性。
  关键词: 物联网 智能燃气表 专用网络 安全性能
  1 概述
  随着全球化、信息化的迅猛发展,物联网技术将应用于所有行业,是所有行业的新工具。而每一个应用于所有行业的工具在开始普及应用发展十分迅速,市场潜力巨大。但是物联网技术在给我们的生活带来诸多便利的同时,也给应用领域带来的新的安全隐患。但物联网技术在为社会生活带来便捷的同时,也带来了应用领域的安全风险,而最需要引起重视的就是物联网技术在告诉发展的过程中的信息安全问题,这是关乎物联网技术产业是否能够健康持续发展的诸多核心因素之一[1]。
  随着物联网通信技术的快速发展,直接推动智能计量的产业升级,使NB-IoT智能燃气表进入互联网时代,其大连接、广覆盖、低功耗、低成本的特点,更适合智能燃气表的应用场景。而物联网的网络信息安全问题和传统通信网络安全相比严峻的多,如何从实际情况出发将物联网技术准确应用到城市燃气领域中,对可能出现的燃气泄露、火灾以及偷盗气等因素进行综合分析,做好实时的燃气表运行监控,确保在出现问题的第一时刻将应急措施实施到位,尽可能的降低失控损失[2],以及解决智能燃气表数据安全问题都成为了燃气公司关注的重点[3]。
  2 燃气表运行危险工况分析
  2.1居民用户用气安全工况
  居民用燃气由于自身易燃、易爆以及有毒等特性,如果在使用过程中,出现管道泄漏、用气泄漏等问题,很大可能就会发生火灾、爆炸和中毒等事故,存在极大的安全隐患,造成严重的损失[4]。据统计,我国发生的80%以上的燃气事故都与泄漏有关,因此,燃气安全管理一直都是燃气公司重点关注的内容。以前,因为存在技术短板,燃气公司无法做到对燃气表进行实时监控,主要采取人工管理等方式,不仅大大加大了人员成本,而且可靠性和实效性很差。而现在基于物联网技术的NB-IoT智能燃气表可以通过协议与平台进行对接,可以实时对燃气表运行进行安全监控,能够从根本上提高燃气公司的安全管理水平[5]。
  居民户内最常见的异常工况就是泄漏,一般泄漏包括接口位置泄漏、管道本体穿孔泄漏、燃具本体质量缺陷原因导致的泄漏以及连接软管脱落引发的泄漏等[6]。
  (1)燃气管道组成件接口的位置因为安装不当或者因为外力拉扯、收到挤压等原因造成的泄漏时最常见的异常工况[7]。这种情况下的泄漏量很小,并且在某一个特定的时间段内甚至很长的一段时间内泄漏量都会保持恒定、流量很小,等到达质变时泄漏量会突然加大。
  (2)燃氣管道由于各种老化等原因断裂或脱落。这种情况下泄漏量剧增,流量很大,造成的危险也是最大的,极易引发事故。
  (3)燃气管道本体因锈蚀或其他外力作用导致穿孔引发的泄漏。这种情况下会持续泄漏,并且泄漏量会逐渐变大。最常见的就是软体胶管被老鼠咬穿引发。
  (4)燃具本体质量缺陷或安装不规范或使用不当等原因导致的泄漏。这种情况下以微漏为主,泄漏量基本恒定。
  (5)燃具异常运行。燃具由于熄火保护装置失灵,导致意外熄火后燃气未燃烧而继续长时间泄漏;或者灶具因使用人忘记关闭阀门而长时间燃烧;或者热水器使用人因中毒或其他原因导致失去控制能力,热水器长时间燃烧。这种情况下流量都是恒定的、持续时间长,流量在燃具额定流量范围之内。从流量大小方面很难判定是异常风险工况[8]。
  2.2 燃气表数据安全工况分析
  典型的物联网体系结构,自下而上由感知层、网络层、平台层、应用层共4个逻辑层面组成。物联网体系结构中的4个逻辑层面都面临着信息安全的挑战[9]。
  感知层是物联网发展和应用的基础,包括传感器或读卡器等数据采集设备、数据接入到网关之前的传感器网络,对“物”的认识与感知。感知层的功能一般较为简单,一般情况下都处于无人对智能终端监控的环境中。因此,感知层面临的安全威胁更多,相对较为脆弱,通常情况下需要采取措施防止智能终端失窃,或防止攻击者从物理上对智能燃气表实施非法复制,需要采用访问控制策略以防止智能终端被逻辑攻破,从而导致业务信息泄露。
  网络层是建立在现有通信网络和互联网基础之上的融合网络,网络层通过各种接入设备与移动通信网和互联网相连,用于沟通感知层和应用层。目前国内通信设备和运营商实力较强,是我国互联网技术领域最成熟的部分。通常面临着网络层协议漏洞、海量智能终端设备威胁、线传输等威胁,需要提供机密性、互认证、密钥协商共享等信息安全能力支撑。
  平台层由末梢节点和接入网关(Access Gateway)组成,完成应用末梢各节点信息的组网控制和信息汇集,或完成向末梢节点下发信息的转发等功能[10]。通常面临来自海量智能终端的数据汇集、识别和计算处理的需求,并面临自动状态失控的风险及防止非法内部攻击、灾难控制和恢复等安全挑战,需要建立可靠的认证机制和密钥管理方案,以及可靠的密钥管理、入侵检测与病毒检测、密文查询与保密数据挖掘、安全云计算等安全机制。
  应用层是将物联网技术与专业技术相互融合,利用分析处理的感知数据为用户提供丰富的特定服务。为智能燃气行业在内的众多行业领域提供丰富的服务,隐私信息多,因此,应用层也是风险较高的地带,面临病毒、蠕虫、木马、不受欢迎应用程序、远程攻击、人员威胁等信息安全风险。
  3 燃气表安全保护技术方案
  3.1 系统构成与基本方案   居民户内燃气安全保护系统包括数据采集模块、计量模块、CPU控制模块、通信模块、预警模块及执行机构-电磁切断阀。其中,在CPU控制模块中设置有异常风险工况识别组件,可对风险工况进行等级判别,依据风险等级分别设置预警值和切断值,对风险分两级进行管理:先预警,后切断。符合预警条件时,系统向相关人员发送文字、数据乃至图像信息进行预警,同时,物联网表具发出声光报警信号,相关人员接到预警信息后及时对风险工况进行排除;如果情况进一步恶化或未得到控制,达到切断条件,则系统动作,关闭物联网表具内的电磁阀,切断燃气供应,消除风险。具体分为以下2种情况:
  对于超流情况:燃气流量大,达到某个值时发出预警指令,继续增大超过某个值后发出关阀切断指令。
  对于恒流情况:恒流时长达到某个值时发出预警指令,超过某个值后发出关阀切断指令。待故障或异常情况消除,相关人员确认无误后可手动恢复,也可以通过燃气公司后台管理系统进行操作。
  一旦系统进人预警阶段,物联网燃气表数据传输系统则被唤醒,结束休眠,频繁向后台管理系统传输数据信息,这样,既有利于燃气公司对风险工况及时处理,力求避免事故发生,同时也便于事后正确地分析事故发生过程,查找原因,总结经验,提高安全管理水平。
  3.2 燃气表数据安全方案
  对智能燃气表网络来说,若要确保网络可靠性和正常运行时间,采用多层安全方案是必须的,利用多重安全措施来防止网络攻击。智能燃气表和关键计量数据信息的安全需要依靠软+硬结合的安全方案。通过引人安全芯片,智能燃气表集成安全芯片实现表内信息交换安全加密和认证,通过安全芯片保证数据传输的完整性、机密性和不可抵赖性。智能燃气表的密钥、计量数据、事件记录和控制参数保存在安全芯片中,确保数据存储和密钥应用的安全,从而从根源上保护了关键数据的安全[11]。
  过去的纯软体安全设计,仅能抵抗基本软件攻击,而且很容易被识破,但如果同时结合硬体安全设计的话,即能对抗硬体攻击,而且,由于安全硬体芯片本身有安全设计,可有效防止程序代码被反编译和解析。
  采用燃气表端到应用系统端的数据安全控制方案,网络安全与传输安全由通信运营商技术保证;采用燃气表到主站端到端数据通信身份认证,表端采用安全芯片加密方式,与主站安全平台配合实现端到端的安全保护,实现数据应用安全。实现数据采集、远程设置参数、阀门控制等的安全管理,防止数据篡改,防止重放攻击,报文密文传输,保证数据传输的完整性、安全性,有效性[12]。
  3.3 对我国燃气行业提出的相关建议
  随着我国城市化进程的加快,燃气普及率随之增加,人们对于城镇燃气的工期安全性以及可靠性提出了更高的要求。因此我国燃气公司还要在对现有的燃气管理体系进行不断地优化与完善,做好物联网智能燃气系统的建设工作,借助于智能抄表、便利充值以及远程监控的模式,为人们提供更加优质的燃气服务,进一步提升我国燃气用户安全[13]。
  (1)引导我国燃气用户安全体系的建设
  如果仅仅依靠单一的设备是难以实现燃气用户安全的,因此,我国应以建立完善的燃气用户安全体系。
  (2)加强管理,强化产品质量
  应加强燃气用户安全设备管理,安全设备如果不到位,还不如没有,所以需要在标准中强化产品的可靠性。
  (3)明确各工程部门职责,提高管理人员专业能力[14]
  最后就是要明确各部门的职责,加强各部门之间的沟通,使整个工作流程有序的進行,这样能使燃气用户的安全使用提供有效的保障。
  4 结论
  物联网技术具有实时监控与跟踪的功能性,将其应用到城市燃气安全领域中,能够有效弥补以往案件技术中存在的缺陷,通过对燃气系统进行全面监控,便于及时发现存在的安全隐患,并及时将监控信息传输给公司监控中心,作为下一阶段安全管理工作安排的依据,提高燃气管网运行安全性。
  智能燃气表安全解决方案通常考虑多种因素,结合应用场景、智能燃气表应用规模以及成本开销等,决定数据是否采用加密传输、是否需要完整性保护、是否需要对指令进行认证等。采用端到端的安全控制方案,采用硬件安全芯片,可以有效保证智能燃气表数据传输的安全性,满足国家法律法规及行业规范对物联网信息化安全要求,提升燃气行业智能化应用水平。
  参考文献
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  [13]曹茂春,马龙.物联网在某城市燃气管网数据采集与监视控制系统的应用[J].智能建筑与城市信息,2013(02):27-30.
  [14]肖益珊,张尼,刘廉如,张忠平.物联网安全标准及防护模型研究概述[J].信息技术与网络安全,2020,39(11):1-7
  作者简介:
  朱伟泳(1976-11),男,江苏江都人,汉,硕士,高级工程师,研究方向:物联网仪表、计量技术、产品管理、实验室管理、企业管理、项目管理
  赵立国(1976-9),男,河北迁安人,汉,硕士,高级工程师,研究方向:计量技术、燃气设备、技术管理
  叶骁(1987-3),男,江西人,汉,本科,工程师,研究方向:气体流量计量、仪器仪表
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