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工程机械运行维护系统中的安全设计

文档作者：李鹏飞赵静一禹娜娜文档来源：燕山大学机械工程学院		点击数：	更新时间： 2021年01月22日
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2011年4月
第39卷第7期
机床与液压
MACHINE TOOL ＆ HYDRAULICS
Apr．2011
Vo1．39 No．7
DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．201 1．07．041
工程机械运行维护系统中的安全设计
李鹏飞，赵静一，禹娜娜
(燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛066004)
摘要：通过对工程机械运行维护系统(CMRAS)进行安全设计，对安全体系中的各个层次：应用层、数据访问和处理
层、数据层、基础网络层的安全威胁进行分析，并制定相应的安全策略和应对措施，保证了CMRAS中机密数据：工程机
械的技术参数、运行数据、远程操作指令、位置等信息的安全传输和存储，提高了系统运行的稳定性，减少了系统故障
率，确保工程机械安全运行和故障的及时诊断和维护，在实际应用中取得了良好的效果。
关键词：工程机械运行维护系统；安全设计；数据安全
中图分类号：THI7 文献标识码：A 文章编号：1001—3881(2011)7—134—4
Security Design on Construction M achinery Running Attention System
LI Pengfei，ZHA0 Jingyi，YU Nana
(Mechanical Engineering College，Yanshan University，Qinhuangdao Hebei 066004，China)
Abstract：Through the analysis of security design for the construction machinery running attention system(CMRAS)and security
system security threats at all levels，including application layer，data access and processing layer，data layer，based network layer，
the corresponding security policies and response measures were formulated to ensure security of confidential data t舢sf r and storage in
CMRAS，including the technical parameters for construction machinery，operating data，remote operation commalld，location and other
inform ation．The stability of the system is increased and the system failure rate is reduced．Th e safe operation of machinery and timely
failure diagnosis and maintenance are ensured，and good effect in the practical application is obtained．
Keywords：Construction machinery running attention system ；Security design；Data security
基于互联网技术、工作流平台建立的电子化、自
动化、智能化的工程机械运行维护系统(Construction
Machinery Running Attention System，CMRAS)，可以
迅速诊断、快速修复野外工程机械的故障，对提高其
运行可靠性、确保施工进度正常进行有非常重要的意
义 。
CMRAS系统中涉及到工程机械的技术参数、运
行数据、远程操作指令、位置信息等，如果泄露或被
篡改，会影响工程机械的正常运行，并给企业和施工
单位带来极大的损失和负面影响。网络世界的开放性
和不安全性，给基于网络技术构建的CMRAS提出了
如何保障其网络安全的新的课题。
作者在对国内外各种安全应用系统调查研究的基
础上，分层次对CMRAS的安全威胁进行分析，对关
键技术进行研究，实现了系统中网络数据的安全传输
和存储，取得了良好的应用效果。
1 CMRAS简介
利用GPRS和互联网技术，实现工程机械与CM
RAS的实时通讯，实现工程机械运行数据的实时采
集、实时监控；利用工作流引擎，实现故障单处理流
程的灵活定制，提高维护人员工作效率，缩短故障恢
复时间；建立专家知识库，可以快速地定位故障原
因 。
CMRAS分为数据采集层、数据存储层、应用层
及表示层，如图1所示。
展现层 门户
应用层
匪 巫蚕 匝 至
匪 亟圃臣 匦
[亘匾 匝亟 圈
应用服务器WebLogic／Toincat／Websphere
J 塑 里[ 垂垂 J
图1 系统逻辑结构图
(1)数据采集层提供适配于多种应用设备的接
口。采集的信息经过标准化处理后，按规定的定义方
式，采用面向对象的方法进行封装。
收稿日期：2010—09—02
作者简介：李鹏飞，在校博士生，主要研究方向是工程机械的设计、故障诊断、可靠性研究。电话：13911121505，
E—mail：lipengfei@ boco．com．en。
第7期 李鹏飞等：工程机械运行维护系统中的安全设计 ·135·
(2)数据存储层完成数据的统一存储。根据数
据量的大小可以采用一般的关系数据库或数据仓库技
术完成数据的存储，并保证数据存储的安全性。
(3)应用层完成业务逻辑的处理，包括故障工
单处理、报表引擎、备件管理、工作流引擎、信息发
布、知识管理、资源管理等。
(4)表示层是用户访问CMRAS的界面，通过单
一的身份认证即可进行全面的运维管理。
2 CMRAS安全设计
2．1 安全体系
为了更好地描述CM—I 堕旦星室全 _l I
RAS的安全体系结构，将其 而 丽 两 l塞1
分为应用层安全、数据访问厂— 而 ] I嚣l
和处理网络层基安础全层、安数全据层安全厂—雨 甄 口 I l
， 如图2一一
昕示 图2 系统安全体系结构
2．2 应用层安全设计
应用层安全是系统的第一道安全屏障，如果应用
层出现了安全问题，那么其他层次的安全也就行同虚
设，因此保证应用层的安全是非常重要的 。
CMRAS的总体架构采用安全的应用的三层结构，
取消了客户机直接访问数据库服务器的可能。同时，
系统提供三层验证：用户表示层验证、业务逻辑层验
证、数据服务层验证，大大提高了整个应用系统的安
全。
(1)用户身份认证
用户身份认证是应用安全的关键，因为多级业务
管理模式下用户属于哪级的哪个经办机构或管理机构
决定了其所能操作的功能的范围及业务数据的范围，
同时用户身份是功能授权的基础。
根据应用和业务的安全级别分别采用相应级别的
身份认证方式，对于网站用户采用用户名、密码及证
书；对手机端用户采用手机号码、用户名、密码等；
对管理员采取证书key的方式认证。
(2)功能权限
功能权限分为功能授予的权限与功能使用的权
限，功能授予权限表示拥有者可以将该功能授予他
人，功能使用权限表示拥有者可以使用该功能。
(3)密码管理
系统用户登录系统必须输入密码，密码在运营平
台数据库中单向加密存储，平台业务人员和技术人员
无法获得用户密码信息。
密码登录错误次数限制为5次；密码锁定后必须
发起密码重置。
(4)访问控制
对于应用业务流程，必然涉及多个不同的对象之
间的相互访问。为确保访问的安全性、正确性和有效
性，需要采用如下访问控制措施：
角色管理与权限划分。对访问业务／应用的所有
角色进行划分和管理，并按照角色分配相应的权限。
其原则是每个角色只能访问其业务相关的信息，而无
关信息则禁止访问。
(5)通信安全
应用层通信安全指应用之间通过网络进行通信过
程中采取的安全措施，以实现如下安全目标：通信数
据加密；通信数据完整性，进行MAC (Message Au—
thentication Code)校验，防止篡改；不可否认性，基
于PKI数字证书，各使用自己的私钥对报文进行签名。
(6)业务接管
采用多服务器备份来避免服务器的硬件或软件故
障。同样的服务可以由集群中的多个服务器来提供。
当其中一个服务器发生故障时，另一个服务器可以接
替发生故障的服务器继续工作。这种故障服务器的故
障接替能力可确保服务器应用的无缝可用性，用户根
本察觉不到曾经发生过问题。
(7)安全审计
应用层的安全审计至少包括如下内容：
对关键操作的审计。业务操作人员进行的操作都
要记录操作El志，记录操作前和操作后的信息、操作
时间、操作员ID。
系统管理员、应用管理员的关键操作的审计。包
括管理员的登录、退出操作和管理员对用户的增加、
修改、删除等操作。
2．3 数据访问与处理层安全设计
数据访问与处理层的安全指应用服务器的安全、
Web服务器的安全。利用应用服务器本身提供的安
全认证功能、安全配置工具保证应用服务器拒绝任何
不合法的调用。Web服务器是黑客攻击的主要目标。
所以，作者在Web服务器上安装基于主机保护的入
侵检测系统。
2．4 数据层安全设计
数据层的安全问题主要指数据库系统的安全，即
数据的安全。对数据的安全有两种主要的威胁；一种
是非授权访问，进行恶意的篡改或删除；另一种就是
数据库本身的安全， 因遭遇自然灾害或者是数据库服
务器的存储介质的物理损坏而造成数据的丢失。针对
这两种威胁，作者分别设计相应的策略。
针对第一种威胁，可以采取的策略是加强数据访
问控制，利用数据库本身提供的安全功能，建立各种
合法的用户和用户组，并且授予这些用户和用户组合
理的权限；管理员、审计员、安全员三权分立的管理
机制；对用户和数据的分级管理机制；对数据库的管
- 136· 机床与液压 第39卷
理。针对第二种威胁，要建立备份／恢复机制以及数
据库服务器的冗余策略。
(1)数据访问控制
数据中心的数据库必须具备用户认证的访问控制
功能，防止入侵者越过应用系统的控制直接访问数据
库。
① 自主访问控制(DAC)。DAC用来决定用户是
否有权访问数据库对象；
②验证。保证只有授权的合法用户才能注册和访
问；
③授权。对不同的用户访问数据库授予不同的权
限：
④审计。监视各用户对数据库施加的动作；
⑤数据库管理系统应能够提供与安全相关事件的
审计能力；
⑥ 系统应提供在数据库级和纪录级标识数据库
信息的能力。
CMRAS将数据的访问权限赋予用户组或者角色，
用户通过身份认证后，根据自己所在的组或扮演的角
色的相应权限来访问数据，这样可以实现用户和权限
的逻辑分离，增强了开放性和通用性。
对于数据库表业务数据的操作必须通过交易来完
成。数据库管理员只能进行数据库的备份、恢复、优
化等操作。
(2)数据存储
在计算机信息系统中存储的信息主要包括纯粹的
数据信息和各种功能文件信息两大类。对纯粹数据信
息的安全保护，以数据库信息的保护最为典型。而对
各种功能文件的保护，终端安全很重要。
对数据库系统所管理的数据和资源提供安全保
护，一般包括以下几点：
物理完整性，即数据能够免于物理方面破坏的问
题，如掉电、火灾等；
逻辑完整性，能够保持数据库的结构，如对一个
字段的修改不至于影响其他字段；
元素完整性，即每个元素中的数据是准确的；
对交易数据进行MAC校验，保证交易数据的完
整性，防止人为篡改，对密码数据进行加密存储；
用户鉴别，确保每个用户被正确识别，避免非法
甩芦入侵；
可审计性，能够追踪到谁访问过数据库。
要实现对数据库的安全保护：一种选择是数据库
系统安全，即从系统的设计、实现、使用和管理等各
个阶段都要遵循一套完整的系统安全策略；二是以现
有数据库系统所提供的功能为基础构建安全模块，旨
在增强现有数据库系统的安全性。
(3)数据备份
富 豳
图3 数据流向图
SSL安全套接层协议，是为解决点到点数据安全
传输和传输方的身份认证而提出来的安全传输协议，
目前有SSL v2、SSL v3版本和TLS vl版本 。
从安全角度来说，SSL主要解决三大问题：
① 通信双方的认证和会话的建立
SSL在进行通信前，对双方的身份进行认证，确
定双方用于加密数据的随机会话密钥，选择加密数据
的密码算法，并确定报文摘要的算法。
② 数据的加解密
建立SSL安全通道前，利用通信双方协商的随机
密钥和对称加密算法来加解密数据，确保数据传输的
安全。
③ 确保数据传输的完整性
利用MAC技术来保证数据传输的完整性。
SSL协议要求进行通信方的认证，需要提交通信
方的数字证书，因而需要在使用SSL的Intranet中首
先具有一个CA，为通信的双方发行数字证书。
第7期 李鹏飞等：工程机械运行维护系统中的安全设计 ·137·
2．5 网络基础层安全设计
网络的安全问题主要是由网络的开放性、无边界
性、自由性造成的，所以考虑网络的安全时，首先应
该考虑把被保护的网络从开放的、无边界的网络环境
中独立出来，成为可管理、可控制的安全的内部网
络。也只有做到这一点，实现信息网络的安全才有可
能，而最基本的分隔手段就是防火墙，将内网与外网
隔离，并阻止外部攻击。
3 结论
作者建立了CMRAS的安全体系架构，并从各
个层次对CMRAS系统可能遇到的安全威胁和攻击
进行了分析，并制定了安全应对措施，确保CM—
RAS中的数据安全性和系统稳定性，防止了企业技
术机密的泄露，和工程机械的运行安全。基于此安
全设计建立的CMRAS在某型自行式液压载重车远
程控制系统中进行了试运行，可以满足要求，具有
广泛的推广意义。
参考文献：
【1】Li Pengfei，Zhao Jingyi，Sun Bingyu．Construction Machin—
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【2】Lee H，Belington C．Managing supply chain inventories：Pit—
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【3】荆继武，冯登国．理解PKI[J]．网络安全技术与应用，
2002(3)：10—15．
【4】Sandeep Kumar．Classification and detection of computer
intrustions[D]．Purdue University，1995．
【5】薛质．信息安全技术基础和安全策略[M]．北京：清华大
学出版社，2007．
国产首台套高端装备加大扶持力度
推进国产重大技术装备的自主化进程，加快实现高端装备制造的进口替代，成为今年两会期间装备制造领域
的代表和委员最为关心的话题之一。作为机械行业领军企业的代表，全国政协委员、中国机械工业集团有限公司
董事长任洪斌带来了关于加大对国产首台(批)套高端装备支持力度的提案。
五大瓶颈制约自主创新
任洪斌说，目前高端装备的自主创新困难仍比较大，尤其是首台(批)套高端装备自主创新中的诸多困难
仍需国家有关部门采取切实措施予以支持解决，主要表现在以下几个方面。落实依托工程难。高端装备多数应用
于重点工程，项目投资量大，业主责任重； 自主创新的首台(批)套高端装备缺乏应用业绩，用户为减少风险，
不愿尝试使用。这使落实首台(批)套自主创新高端装备的依托工程难，耽误了验证国产高端装备是否过关的
时机，减慢了国产高端装备发展的进程。
用户订购和使用首台(批)套国产装备的风险缺乏合理分担。由于国产首台(批)套高端装备没有应用经
验，用户在使用时的风险大于进口的同类装备，因此应在风险分担上由国家有关部门做出一些制度性的安排，承
诺由国家交付一部分保险费，承担一旦发生风险时的部分经济损失补偿责任。但是，目前这一机制尚不完善。
对敢于使用国产首台(批)套高端装备的用户缺乏足够的鼓励。目前国家有关部门的鼓励多停留于精神上，
没有与用户因支持国产装备而为国家节约的投资，以及国产设备投入运行后可能获得的额外收益挂钩，激励力度
不够。
对研制首台(批)套国产化高端装备，尤其是研发投入大、回报周期长的高端装备的单位和人员缺乏有效
的鼓励。研制高端装备的设备制造企业需付出大量的经费和人力，国家应加大对此类研发活动的支持。
支撑高端装备自主发展的基础薄弱，严重制约主机的发展。我国高端装备的核心关键零部件制造业的发展长
期滞后，水平难以满足主机配套需求，已成为制约高端装备自主创新的瓶颈。
适度保护特定高端装备国产化市场
高端装备制造业是我国要加快培育和发展的战略性新兴产业之一，其发展对我国装备工业加快转变经济发展
方式具有重要意义。就如何加快培育这一产业的核心竞争力，抢占战略性新兴产业发展的制高点，任洪斌提出以
下建议：
制订政府采购法(或条例)，对特定的高端装备国产化的市场给予适度合理保护。
对特定的需要加快国产化的高端装备，如果用户因使用国产首台(批)套装备而发生重大损失，由国家对
用户的损失给予一定比例的补偿。
用户使用国产首台(批)套高端装备时，应允许其从与进口设备相比所节约的投资，以及该国产装备投入
运行后因成本降低而产生的超额效益中提取一定比例用于奖励有关人员。国家对经用户使用证明获得成功的国产
高端装备的研制单位和有关个人给予补助和奖励。
在“十二五”规划中，尤其是在“高端装备制造业” 的专项规划中，有关部门应对高端基础零部件给予充
分重视，加大国家财政资金和相关扶持政策的支持力度。
(据机电商情网报道)

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