★中國電信股份有限公司四川分公司宋永誠

★四川省通信產(chǎn)業(yè)服務(wù)有限公司楊天琦

★四川大學(xué)錦江學(xué)院宋仕斌

★中國電信股份有限公司四川分公司吳夏

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將工業(yè)化和信息化進(jìn)行深度融合，將機器、人、數據連接起來(lái)實(shí)現工業(yè)智能化，推動(dòng)社會(huì )各行業(yè)資源整合、對外開(kāi)放、共享合作，從而產(chǎn)生巨大的社會(huì )和經(jīng)濟效益。汽車(chē)智能制造園區是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)典型應用場(chǎng)景^[1]。目前傳統汽車(chē)制造園區內網(wǎng)大量使用光纜、五類(lèi)線(xiàn)、Wi-Fi（Wireless Fidelity，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)）等有線(xiàn)及無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)進(jìn)行覆蓋，使得整個(gè)系統運行的數字底座存在維護成本高、柔性生產(chǎn)能力弱、Wi-Fi干擾大等缺點(diǎn)?，F代智能制造汽車(chē)企業(yè)希望充分利用5G（5th Generation Mobile Communication Technology，5G第五代移動(dòng)通信技術(shù)）、人工智能、大數據、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等現代通信信息技術(shù)實(shí)現優(yōu)化改造，從而打造狀態(tài)全面感知提升、信息高效靈活處理、應用便捷優(yōu)化的工業(yè)制造智能化平臺，逐步實(shí)現傳統汽車(chē)制造企業(yè)由自動(dòng)化生產(chǎn)向智能化生產(chǎn)轉型。因此，汽車(chē)智能制造工業(yè)園區網(wǎng)絡(luò )安全運行面臨較大的安全隱患，亟需提供網(wǎng)絡(luò )安全解決方案以確保工業(yè)網(wǎng)絡(luò )正常運行。

1　基于5G+AI的汽車(chē)智能制造方案研究

為解決傳統汽車(chē)制造目前面臨的“痛點(diǎn)”問(wèn)題，本文提出了“機器視覺(jué)+5G+云+大數據”的汽車(chē)智能制造園區綜合解決方案，如圖1所示。該方案充分利用AI（Artificial Intelligence，人工智能）機器視覺(jué)、大數據、深度學(xué)習等最新技術(shù)突破人眼疲勞極限，為汽車(chē)制造品質(zhì)管控提供了高可靠保障^[2]。該方案利用5G技術(shù)具備的大帶寬、低時(shí)延、高可靠性與海量連接等傳輸特性來(lái)避免傳統光纜及Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )效率低、靈活性差、維護難度大、難以支撐柔性擴展的劣勢，并通過(guò)建設5G+MEC（Mobile Edge Computing，移動(dòng)邊緣計算）專(zhuān)網(wǎng)保證汽車(chē)智能制造數據不出園區，從而保障汽車(chē)企業(yè)數據安全，有利于實(shí)現汽車(chē)產(chǎn)業(yè)智能化轉新升級。在智能制造汽車(chē)園區部署MEC邊緣云，AGV（Automated Guided Vehicle，自動(dòng)導向車(chē)）^[3]、AI檢測系統、PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）采集的數據可通過(guò)5G切片網(wǎng)絡(luò )，自動(dòng)選擇汽車(chē)園區的本地MEC，實(shí)現業(yè)務(wù)本地分流，確保了所采集的檢測數據不出園區，保證了數據的安全性和低時(shí)延特性，從而提高了汽車(chē)智能制造園區數據網(wǎng)絡(luò )安全與高效運行。

圖1 5G+AI組網(wǎng)架構圖

1.1　基于5G+AGV的5G智慧物流

5G智慧物流利用5G自然導航AGV，配合自動(dòng)分揀線(xiàn)，可實(shí)現汽車(chē)生產(chǎn)車(chē)間內無(wú)人化搬運作業(yè)及調度；基于MEC平臺可為多AGV調度管理提供邊緣云主機和計算處理，并可與MES（Manufacturing Execution System，制造執行系統）/WMS（Warehouse Management System，倉儲管理系統）等系統互聯(lián)；AGV控制調度平臺對接至企業(yè)MES/WMS等系統，與生產(chǎn)環(huán)節打通，從而提升智能汽車(chē)產(chǎn)線(xiàn)整體生產(chǎn)效能；基于MEC平臺AI與計算能力可對采集視頻感知進(jìn)行定位與導航計算處理，以及與激光雷達等融合進(jìn)行感知處理；可將AGV視覺(jué)感知和調度控制的業(yè)務(wù)與控制流量分流到邊緣云，為AGV提供園區虛擬專(zhuān)網(wǎng)。

1.2　基于5G+AI的質(zhì)檢分析優(yōu)化生產(chǎn)質(zhì)量

利用5G+AI技術(shù)可以完成智能汽車(chē)制造車(chē)間沖壓質(zhì)檢車(chē)輛表面質(zhì)檢、焊接點(diǎn)質(zhì)檢，大幅降低了漏檢率和操作錯誤率，大幅提升了工作效率和產(chǎn)線(xiàn)品質(zhì)。汽車(chē)制造企業(yè)全流程質(zhì)檢包含多個(gè)環(huán)節，基于5G+AI的質(zhì)檢分析主要聚焦沖壓件表面質(zhì)檢、焊接點(diǎn)質(zhì)檢、車(chē)輛表面質(zhì)檢這三個(gè)最主要的痛點(diǎn)環(huán)節，主要檢測點(diǎn)包括燒穿、焊接裂紋、毛刺、半點(diǎn)現象。目前這些主要采用人工方式檢查，但人工肉眼檢查識別率低，易漏檢；工人長(cháng)期重復性勞動(dòng)容易疲憊；人工檢查一輛車(chē)，花費2分鐘以上。利用5G大帶寬特性，部署雙目高清工業(yè)相機，利用5G回傳3D成像，配合AI技術(shù)精確識別焊點(diǎn)多個(gè)檢測項，誤檢率接近0%，且每輛車(chē)焊點(diǎn)E2E檢測時(shí)間縮短到39s。目前車(chē)輛表面檢查由專(zhuān)職人員人工承擔，肉眼檢測漆面質(zhì)量，問(wèn)題識別率低，易出現漏檢；且工人長(cháng)期在燈光下機械用眼，易疲勞；高峰期工廠(chǎng)7*24小時(shí)生產(chǎn)，工人數量多。利用5G大帶寬特性，部署4K（1920×1080分辨率）工業(yè)相機，配合AI技術(shù)進(jìn)行漆面檢查，可節省90%人力投入，且穩定可靠，杜絕漏檢問(wèn)題?；?G+AI的質(zhì)檢分析通過(guò)部署數臺4K高清線(xiàn)陣工業(yè)相機，實(shí)現上行50Mbps/路的高速數據傳輸，并通過(guò)建設5G+沖壓生產(chǎn)線(xiàn)大數據平臺，利用5G大帶寬特性，實(shí)現對沖壓車(chē)間的所有設備完成基于5G網(wǎng)絡(luò )的數據采集，實(shí)現模具、材料、制造過(guò)程數據、質(zhì)檢數據在邊緣云的集成、存儲與統一管控。

1.3　基于5G云化PLC

基于5G實(shí)現云化PLC，包括機械臂視覺(jué)抓取等。利用5G大帶寬、低時(shí)延、多連接、高可靠特性，配合MEC來(lái)替代當前PLC有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )方案，實(shí)現汽車(chē)工業(yè)柔性智能制造^[4]。5G高速傳輸圖像與控制指令、靈活后臺配置高效實(shí)現汽車(chē)智能化柔性生產(chǎn)，生產(chǎn)效率大幅提升，經(jīng)測算，每一節拍可節省16秒，效率提升17%。傳統汽車(chē)工廠(chǎng)通過(guò)5G云化部署技術(shù)升級改造后產(chǎn)線(xiàn)實(shí)現無(wú)線(xiàn)化，機械臂上線(xiàn)纜大幅減少，降低了故障率及線(xiàn)纜維護成本。

2　基于5G+AI的汽車(chē)智能制造網(wǎng)絡(luò )安全解決方案

2.1　安全需求分析

5G智慧物流實(shí)現5G叉車(chē)導航，形成5G融合定位、AGV智慧調度以及跨形態(tài)、跨廠(chǎng)家的統一智慧物流調度平臺?；?G視覺(jué)質(zhì)檢及生產(chǎn)優(yōu)化實(shí)現沖壓件表面檢測、大數據分析，并反饋優(yōu)化組合參數給沖壓設備、車(chē)身及發(fā)動(dòng)機焊點(diǎn)與涂裝表面檢測、人員規范動(dòng)作檢測。5G行業(yè)專(zhuān)網(wǎng)打破了傳統企業(yè)網(wǎng)絡(luò )相對封閉可信的環(huán)境^[5]；同時(shí)，海量終端接入、多種新技術(shù)融合導致網(wǎng)絡(luò )與數據安全威脅日益加劇，使得5G+AI智能汽車(chē)制造技術(shù)的應用落地面臨復雜的網(wǎng)絡(luò )安全風(fēng)險。為保障本方案實(shí)施后穩定可靠運行，需滿(mǎn)足如下安全需求：圍繞汽車(chē)智能制造工業(yè)園區內的5G智慧行業(yè)應用需提供網(wǎng)絡(luò )安全、虛擬化安全、應用及數據安全、終端安全等全方位的安全防護體系，滿(mǎn)足汽車(chē)智能制造工業(yè)園區整體網(wǎng)絡(luò )達到等保安全標準；汽車(chē)智能制造工業(yè)園區終端數量龐大，遍布整個(gè)廠(chǎng)區，針對海量不同5G行業(yè)終端無(wú)序接入的現狀，亟需采用新的安全方法論，形成零信任安全機制及物聯(lián)網(wǎng)數據安全管控平臺，建立基于零信任的5G工業(yè)終端身份管理訪(fǎng)問(wèn)控制系統，提供基于零信任方案解決業(yè)界棘手的終端安全接入問(wèn)題，從而加強海量物聯(lián)網(wǎng)終端安全管控。

2.2　端到端網(wǎng)絡(luò )安全設計理念

汽車(chē)智能制造行業(yè)應用包括視頻回傳、生產(chǎn)控制、數據采集等應用場(chǎng)景，海量重要數據從行業(yè)終端流經(jīng)基站、傳輸、邊緣UPF（User Platform Function，用戶(hù)平臺功能）等5G網(wǎng)元。為保障相關(guān)應用和數據的安全，本文提出了構建端到端的安全防護體系，為5G+AI智能汽車(chē)業(yè)務(wù)提供全方位、多層次的安全防護能力。同時(shí)，引入零信任理念，加強終端安全管控能力，降低了汽車(chē)智能制造園區網(wǎng)絡(luò )總體安全風(fēng)險。

2.3　端到端網(wǎng)絡(luò )安全保障方案

經(jīng)過(guò)對5G+AI智能汽車(chē)業(yè)務(wù)安全需求和網(wǎng)絡(luò )架構的全面評估，我們發(fā)現安全保障方案的重點(diǎn)在于5G網(wǎng)絡(luò )下沉到汽車(chē)智能制造工業(yè)園區的5G行業(yè)應用安全。因此，項目端到端網(wǎng)絡(luò )安全保障方案，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )安全、系統及平臺安全、業(yè)務(wù)及數據安全、管理與運維安全四個(gè)方面，全面構建汽車(chē)5GAI智能汽車(chē)制造的信息安全防護體系。

2.3.1網(wǎng)絡(luò )安全

在接入安全中，感知層的接入安全是重點(diǎn)^[6]，必須通過(guò)其他的技術(shù)方案來(lái)提高傳感器網(wǎng)絡(luò )的安全性能。常用的接入安全技術(shù)包括防偵收（使攻擊者偵收不到有用信息）、防輻射（防止有用信息輻射出去）、信息加密（用加密算法加密信息，使對手即便得到加密后的信息也無(wú)法讀出信息的含義）、物理保密（利用限制、隔離、控制等各種物理措施保護信息不被泄露）等，會(huì )給用戶(hù)帶來(lái)極大的安全隱患^[7]。該解決方案在運營(yíng)商、企業(yè)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)之間采用硬防火墻進(jìn)行安全隔離；在不同的網(wǎng)絡(luò )平面，采用VLAN/VxLAN隔離；在運營(yíng)商內部網(wǎng)元間、企業(yè)子網(wǎng)間采用IPSec/SSLVPN加密隧道隔離。根據5G業(yè)務(wù)的部署特點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò )性能差異化需求，該解決方案可提供差異化切片網(wǎng)絡(luò )安全隔離，包括：生產(chǎn)控制切片隔離、數據采集切片隔離、高清視頻切片隔離、辦公業(yè)務(wù)切片隔離。

2.3.2系統及平臺安全

物聯(lián)網(wǎng)計算系統除了可能面臨來(lái)自?xún)炔抗ぞ叩陌踩珕?wèn)題以外，還可能面臨網(wǎng)絡(luò )外包攻擊，如分布式入侵攻擊（Distributed Denial of Service，DDoS）和高級持續性威脅（Advanced Persistent Threat，APT）。由于物聯(lián)網(wǎng)本身的特殊性，其應用安全問(wèn)題除了現有網(wǎng)絡(luò )應用中常見(jiàn)的安全威脅外，可能存在更為特殊的應用安全問(wèn)題。在物聯(lián)網(wǎng)應用中，除了傳統網(wǎng)絡(luò )的安全需求（如認證、授權等）外，還包括物聯(lián)網(wǎng)應用數據的隱私安全需求、服務(wù)質(zhì)量需求和應用部署安全需求等^[9]。我們參考等保等相關(guān)的技術(shù)要求，采用虛擬化安全技術(shù)，結合MEC本身的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，構建物理安全、基礎設施安全、系統及平臺安全、業(yè)務(wù)及數據安全，打造“放心”的邊緣計算平臺。

2.3.3業(yè)務(wù)及數據安全

雖然這些新型計算模式解決了個(gè)人和組織的設備需求問(wèn)題，但同時(shí)也使他們承擔著(zhù)對數據失去直接控制的危險。因此，針對數據處理中外包數據的安全隱私保護技術(shù)顯得尤為重要^[10]。由于傳統的加密算法在對密文的計算、檢索等方面效果較差，因此需要研究在密文態(tài)物聯(lián)網(wǎng)安全審計中確保物聯(lián)網(wǎng)具有保密性與完整性。保密性要求信息不能被泄露給未授權的用戶(hù)進(jìn)行檢索和運算的加密算法。用戶(hù)的完整性要求信息不受到各種破壞。影響信息完整性的主要因素有設備故障誤碼（由傳輸處理、存儲、精度、干擾等造成）、攻擊等^[11]。該解決方案可對APP使用的資源進(jìn)行隔離，可對APP鏡像和鏡像倉庫進(jìn)行完整性和機密性，以及訪(fǎng)問(wèn)控制保護。另外，其可對ME APP提供包括身份安全、鏡像安全、終止安全等全生命周期的安全防護。該解決方案基于位置、終端和用戶(hù)信息多元策略，實(shí)現用戶(hù)數據不出園區；部署敏感數據識別系統，支持HTTP、HTTPS、SMTP、IM等常見(jiàn)協(xié)議，全量檢測外發(fā)流量中的敏感數據，從而確保信息網(wǎng)絡(luò )數據安全。

2.3.4管理與運維安全

該解決方案部署高性能的5G安全管理平臺，融合大數據、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新技術(shù)，實(shí)現全方位、多層次的網(wǎng)絡(luò )安全態(tài)勢感知和全網(wǎng)綜合管理運維安全能力，包括：安全事件識別、資產(chǎn)風(fēng)險分析、攻擊定位、威脅處置、風(fēng)險評估等。

2.3.5基于零信任的5G網(wǎng)絡(luò )身份管理與訪(fǎng)問(wèn)控制

汽車(chē)智能制造等5G行業(yè)終端需引入零信任多重安全機制，以有效應對5G工業(yè)終端接入安全威脅。5G網(wǎng)絡(luò )在部署時(shí)，引入零信任理念，啟用新型身份驗證管理模式，充分利用身份驗證憑據、設備、網(wǎng)絡(luò )、應用等多種資源的組合安全邊界，真正實(shí)現從被動(dòng)防御向主動(dòng)防御、從邊界防御方式向內生安全轉變。該解決方案部署控制器、可信網(wǎng)關(guān)、分析器等零信任安全組件，構建泛在的5G網(wǎng)絡(luò )身份管理與訪(fǎng)問(wèn)控制體系。

圖2 5G+AI智能終端多重認證機制

部署控制器在園區數據中心作為安全控制面的核心組件，可為可信網(wǎng)關(guān)提供自適應認證服務(wù)、動(dòng)態(tài)訪(fǎng)問(wèn)控制和集中管理能力?？尚啪W(wǎng)關(guān)為5G網(wǎng)絡(luò )MEC用戶(hù)面的網(wǎng)絡(luò )控制節點(diǎn)，分析器是安全控制面的核心組件，與控制器一起部署在園區DC中。分析器通過(guò)和控制器聯(lián)動(dòng)，實(shí)現終端代理、安全大腦、安全網(wǎng)關(guān)多方聯(lián)動(dòng)，確保5G行業(yè)終端始終處在可管、可控、可識別的狀態(tài)，有效加強了終端安全管控，降低了網(wǎng)絡(luò )安全風(fēng)險，保障了業(yè)務(wù)和數據安全。5G終端發(fā)起數據訪(fǎng)問(wèn)請求，帶有客戶(hù)端代理的5G工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)發(fā)送帶有標識信息的請求給安全大腦。安全大腦中的控制器接收到業(yè)務(wù)訪(fǎng)問(wèn)請求驗證終端的合法性并進(jìn)行動(dòng)態(tài)授權?？蛻?hù)端與可信網(wǎng)關(guān)在通過(guò)身份認證后建立聯(lián)系并通過(guò)安全大腦制定的策略為終端訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)提供目標資源的訪(fǎng)問(wèn)控制。

3 結束語(yǔ)

牢固樹(shù)立國家安全、網(wǎng)絡(luò )與信息安全、智能制造業(yè)與信息通信行業(yè)生產(chǎn)安全等“大安全”的概念是安全管理的趨勢，工業(yè)信息安全是信息化建設中的重中之重。工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域和現在的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域都在積極構建信息安全的技術(shù)和標準體系。我們應重點(diǎn)考慮5G+AI未來(lái)應用的場(chǎng)景，并考慮做一些標準化的安全的操作，以保證整個(gè)工業(yè)信息化的整體安全。5G已經(jīng)成為國家戰略，是引領(lǐng)科技創(chuàng )新、實(shí)現產(chǎn)業(yè)升級的新型基礎設施。本文提出以5G、AGV、視頻、大數據、云計算、人工智能全球最先進(jìn)的技術(shù)和產(chǎn)品為基礎的應用方案能夠快速地復制到其他高端制造企業(yè)。因此，推動(dòng)5G技術(shù)在智能制造中的規?；瘧?，可有效帶動(dòng)通信、智能制造等領(lǐng)域上下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并形成巨大的社會(huì )效益。

作者簡(jiǎn)介：

宋永誠（1972-），男，四川成都人，工程師，本科，現就職于中國電信股份有限公司四川分公司，研究方向為消防及信息通信行業(yè)及信息安全。

楊天琦（1987-），男，四川成都人，工程師，本科，現就職于四川省通信產(chǎn)業(yè)服務(wù)有限公司，研究方向為信息通信行業(yè)及信息安全。（本文通訊作者）

宋仕斌（1976-），男，四川成都人，副教授，本科，現就職于四川大學(xué)錦江學(xué)院，研究方向為5G智慧行業(yè)應用及信息安全。

吳夏（1981-），男，四川成都人，工程師，本科，現就職于中國電信股份有限公司四川分公司，研究方向為5G智慧行業(yè)應用及信息安全。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2024年4月刊