智慧水务一体化平台中的信息安全问题研究

随着各项治水战略与水务工程建设的推进，我国许多城市水环境持续恶化的趋势得到了有效遏制，但水资源季节性短缺、城市洪涝防治能力不足、水利工程安全监管水平较低等问题仍然比较突出。这些城市应该通过物联网、云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术与城市水务管理进行深度融合，实现对水务基础设施的全方位自动化感知和控制，对水污染治理、水安全管理的智慧化、精细化管理，以及为市民提供灵活高效的水务民生服务，智慧水务一体化平台的建设正在全国许多城市陆续展开。信息安全不仅关乎智慧水务一体化平台上各业务系统的稳定运行，还涉及城市安全、民生保障和数字经济健康发展。信息安全是智慧水务一体化平台建设中一项重要的工作内容，本文将围绕智慧水务一体化平台建设中的信息安全问题进行讨论。

1. 现状与风险分析

我们对一些城市原有的水务系统的网络安全防护（如防火墙、入侵检测）、数据加密措施、访问控制机制的有效性进行分析，发现存在防护缺口，例如：老旧 PLC 设备无认证机制。根据一些专业公司提供的漏洞扫描、渗透测试（如 API 接口测试）的数据，我们发现系统、网络、应用层都存在一些漏洞，例如：Log4j 日志记录工具的漏洞未修复。我们采用 STRIDE、攻击树分析法，梳理出一些威胁场景，例如：黑客可以通过VPN 漏洞入侵调度系统、内部人员可能篡改水质数据。

针对新建的智慧水务的核心业务场景（如实时供水调度、暴雨内涝预警、水质监测等），我们分析其安全依赖性，例如：供水调度系统需确保控制指令的完整性和可用性（ 99.99% 持续运行）；市民用水数据共享需满足隐私保护（如匿名化处理）。经分析可以明确 RTO（恢复时间目标）和RPO（数据恢复点目标）关键指标，例如汛期监测系统中断后需在 15 分钟内恢复。我们基于等保 2.0 三级要求，分析提出通用技术需求建议，例如：工控系统操作需“账号 +UKey+ 生物识别”多因素认证进行身份认证；敏感水文数据存储与传输采用国密 SM4 算法；全网操作日志留存 6 个月以上，并且，针对特殊场景进一步细化要求，例如：低功耗传感器需支持轻量级加密（如AES-128）；边缘计算节点需具备本地入侵检测能力。

2. 安全架构设计

安全架构设计旨在将安全需求转化为可落地的技术框架。根据水务业务特性，将智慧水务一体化平台划分成管理域（如OA 系统）、工控域（SCADA/PLC）、公共服务域（市民用水 APP）3 个区域，域间通过物理隔离或逻辑隔离（如防火墙 /VLAN）实现访问控制，例如：水厂可以将控制闸门的OT 系统与办公IT 网络通过工业网闸进行隔离。我们采用纵深防御策略，进行防御层级设计，设计成边界层、网络层、主机层、应用层 4 层。在边界层，部署抗 DDoS 设备、工业防火墙；在网络层，通过 5G 专网切片加密；在主机层，进行物联网设备固件签名验证；在应用层，进行API 网关鉴权。数据安全架构包括核心水文数据（如水源地坐标）加密存储，普通数据脱敏，进行分类分级处理；采用国密 SM2/SM3 算法进行数据传输加密；跨部门数据共享时使用联邦学习。可以采用统一安全管理平台，该平台集成SOC（安全运营中心）、日志审计、威胁情报（如腾讯 TIP），实现全网流量异常检测（如 AI识别泵站RTU 的异常指令），工控系统与IT 系统告警关联分析等功能。响应机制可以分为三级：一级响应（如勒索软件攻击），需 15 分钟内启动数据备份恢复；二级响应（如数据泄露），需 1 小时内执行溯源封堵；三级响应针对的是影响范围较小、可控性较高的安全事件。

3. 专项安全设计

可以采用 Modbus、DNP3 等工业协议的白名单机制，部署工业防火墙实现协议深度解析，阻断异常指令（如非法修改 PLC 参数）。通过制定PLC、RTU 等设备的固件更新规范，要求供应商提供签名固件，并关闭调试接口（如 Telnet）。在 OT 与 IT 网络间部署单向网闸，确保数据单向传输，例如：监测数据可上传，禁止反向控制。应该对政务云与私有云进行统一安全管理，包括容器镜像扫描（防止漏洞镜像部署）、租户间微隔离（防止跨客户数据泄露）。必须对水务大数据实施保护，核心水文数据加密存储（SM4 算法），公开数据脱敏，对数据实施分类分级管理；跨部门共享时采用联邦学习（如水务局与气象局联合洪水预测），进行隐私计算。对边缘设备应该进行防护，为低功耗传感器设计AES-128 加密模块，保障数据传输入口安全；基于数字证书的设备准入控制，进行设备身份认证；建立固件更新签名验证流程，防止固件被篡改，例如：通过区块链存证固件哈希值，对固件进行安全管理。可以制定硬件 / 软件供应商安全要求，包括国产化比例（如芯片 ⩾60% 国产），开源组件审计（禁止使用已知漏洞版本的Log4j）。建议设计API 安全网关，对外部系统（如政府监管平台）实施流量限速（防 DDoS）、动态令牌认证。

4. 验证与迭代设计

在智慧水务一体化平台信息安全方案的设计阶段，设计人员应该针对智慧水务典型场景（如供水调度系统）开展红蓝对抗，模拟 APT攻击、工控协议篡改等实战攻击，验证防护措施有效性。通过等保 2.0三级测评预检查，确保架构设计满足《网络安全法》、《市政务云安全规范》等要求，特别是工控系统与数据安全的特殊条款。在模拟环境中测试安全措施（如数据加密、工业防火墙）对业务性能的影响，确保加密延迟不超过水务控制系统的毫秒级响应要求（如泵站控制指令延迟<50ms ）。验证备份恢复机制的实际效果，例如：核心数据库遭勒索软件加密后，15 分钟内切换至灾备节点；5G 网络中断时自动启用卫星链路。安全运营中心关键指标包括：威胁检出率（如对 SCADA 异常指令的识别率 ⩾99% ）；响应时效（三级事件处置不超过 4 小时）。可以通过 PDCA 循环进行迭代优化：在 Plan 阶段，基于测试结果修订安全策略（如调整工业防火墙规则）；在 Do 阶段，季度性更新设备固件/ 补丁；在 Check 阶段，每月分析安全事件趋势；在 Act 阶段，优化 AI威胁检测模型（如加入本地攻击特征库）。

随着智慧水务一体化平台的快速发展，信息安全问题已成为影响其稳定运行的关键因素。本文分析了当前智慧水务系统中面临的数据泄露、网络攻击、权限管理等安全风险，并提出了基于零信任架构、区块链技术及AI 驱动的动态防御策略。研究表明，通过构建多层次防护体系、强化数据加密与访问控制，可有效提升系统的安全性和可靠性。未来，随着 5G、物联网等技术的深度融合，智慧水务的信息安全防护将向智能化、主动化方向发展。我们相信行业会加强安全标准建设，推动技术与管理协同创新，为智慧水务的可持续发展提供坚实保障。