因子分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型

張明慧 程紅霞

摘 ?要： 信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)變化具有隨機(jī)性、不確定性，傳統(tǒng)方法無法準(zhǔn)確考慮信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)這些變化特點(diǎn)，導(dǎo)致當(dāng)前信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估的可靠性差、評估精度低。為了改善信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估效果，設(shè)計(jì)基于因子分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型。首先，分析當(dāng)前信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，構(gòu)建完整的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo);然后，采用因子分析法從原始信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)中提取重要的指標(biāo)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估的訓(xùn)練樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)，構(gòu)建信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型;最后，通過仿真對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提模型的合理性和優(yōu)越性。結(jié)果表明，所提模型可以準(zhǔn)確描述信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)變化的隨機(jī)性、不確定性，獲得高精度的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果，改善了信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估效率，信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估的整體性能要優(yōu)于當(dāng)前其他信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型。

關(guān)鍵詞： 信息系統(tǒng); 風(fēng)險(xiǎn)評估; 因子分析; 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò); 評估指標(biāo); 研究現(xiàn)狀分析

中圖分類號： TN915.08?34; TP391 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）13?0101?05

Information system risk assessment model based on factor analysis and neural network

ZHANG Minghui， CHENG Hongxia

（School of Information Science and Technology， Zhengzhou Normal University， Zhengzhou 450044， China）

Abstract： Changes of information system risk are random and uncertain， and the change characteristics of information system risk aren′t accurately considered in traditional methods， which results in poor reliability and low assessment accuracy of the current information system risk assessment. In order to improve the effectiveness of information system risk assessment， an information system risk assessment model based on factor analysis and neural network is designed. The current research status at home and abroad is analyzed for information system risk assessment， and the complete information system risk assessment indexes are constructed. The factor analysis method is used to extract the important indexes from the original information system risk assessment indexes. The neural network is adopted to learn the training samples of information system risk assessment， and construct the information system risk assessment model. The rationality and superiority of the model are verified with simulation and comparative experiments. The results show that the model can accurately describe the randomness and uncertainty of information system risk changes， obtain high?precision information system risk assessment results， and improve the efficiency of information system risk assessment. The overall performance of the information system risk assessment model is better than that of other information system risk assessment models.

Keywords： information system; risk assessment; factor analysis; neural network; evaluation index; research status analysis

0 ?引 ?言

當(dāng)前大多數(shù)企業(yè)、單位以及部門都構(gòu)建了自己的信息管理系統(tǒng)，信息系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值越來越高。信息系統(tǒng)安全是危害信息系統(tǒng)正常運(yùn)行最直接的表現(xiàn)。一些非法用戶一旦入侵到信息系統(tǒng)，會(huì)竊取一些重要數(shù)據(jù)，對企業(yè)、個(gè)人會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，因此采用各種技術(shù)和手段保證信息系統(tǒng)安全成為信息系統(tǒng)研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)[1?3]。

信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估是一種關(guān)鍵信息系統(tǒng)安全保障技術(shù)，它可以對信息系統(tǒng)將來面臨的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行估計(jì)，可以幫助信息系統(tǒng)管理人員了解信息系統(tǒng)安全的發(fā)展趨勢。為此，國內(nèi)外學(xué)者和專家對信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估問題進(jìn)行了深入的分析和研究，并取得了不錯(cuò)的研究成果，涌現(xiàn)了許多有效的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型[4]。

信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型可以劃分為兩種類型。一種是基于定性分析的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型，主要有基于攻擊樹的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型、基于風(fēng)險(xiǎn)事件分類的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型、基于威脅傳播的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型等。這些定性分析的模型從理論上對信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)整體變化態(tài)勢進(jìn)行把握，可以得到信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)所處的等級，以及可以發(fā)生的后果，但是不能對信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確量化處理和分析，很難建立準(zhǔn)確的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型。因此在實(shí)際應(yīng)用中難以推廣，缺陷十分明顯[5?7]。另一種是基于定量分析的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型，主要有層次分析法、模糊理論、貝葉斯方法、灰色理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及它們的組合方法[8?10]。基于定量分析的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型可以很好地描述信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)變化特點(diǎn)，信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果更加可靠，而且信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果可解釋性更好。

在定量分析的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估建模過程中，理想的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系是獲得高精度評估結(jié)果的基礎(chǔ)[11?12]。在實(shí)際應(yīng)用中，信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估影響因子（指標(biāo)）相當(dāng)多，如果全部選擇，那么信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)信息重復(fù)大，而且導(dǎo)致輸入向量的維數(shù)過高，出現(xiàn)“維數(shù)災(zāi)”的問題，因此對評估指標(biāo)選擇具有重要的意義，可降低輸入向量的維數(shù)，加快信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估的速度[12?15]。

為了改善信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估的效果，設(shè)計(jì)基于因子分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型（FA?NN）。首先采用因子分析法從原始信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)中提取重要的指標(biāo)，然后采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力構(gòu)建信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型，通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文模型的合理性和優(yōu)越性。

1 ?信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系的構(gòu)建

信息系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，要建立一個(gè)性能優(yōu)異的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型，首先要構(gòu)建一個(gè)完整、科學(xué)的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系，信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系直接影響模型能否準(zhǔn)確描述信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的各種影響因素，對信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估時(shí)間也起著決定性的作用。風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)可以直接或間接地反映信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的影響因子，本文根據(jù)含義清楚、完整、易于量化的原則，參考相關(guān)研究對信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)進(jìn)行構(gòu)建，信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 ?信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系

2 ?因子分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型

2.1 ?因子分析法

在信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估過程中，通常情況下，希望能夠全面描述各種影響因素的作用，但是每一種類型的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)對信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估影響程度不同，而且各種信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)之間可能存在一定相關(guān)性，這樣信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)數(shù)多，并不代表可以獲得高精度的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果。

因子分析法（Factor Analyze，F(xiàn)A）可以采用幾個(gè)沒有相關(guān)性的綜合因子代表原始信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)，是一種有效的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)降維方法?；竟ぷ髟頌椋菏紫雀鶕?jù)相關(guān)性實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)分組，同一組的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)之間相關(guān)性高，反之相關(guān)性較低。每一組信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)表示一個(gè)基本結(jié)構(gòu)，即稱之為公共因子，其可以保留原有信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)的主要信息。

設(shè)共有[p]個(gè)信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)，[n]個(gè)樣本數(shù)據(jù)，那么因子分析法可以將[n]個(gè)樣本數(shù)據(jù)描述為[m

式中：[Ti]表示原信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo);[Xi]表示公共因子，因子間相互獨(dú)立、無相關(guān)性;[εi]表示獨(dú)特因子;[ωij]表示因子載荷，描述第[i]個(gè)信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)在第[j]個(gè)公共因子上的重要程度。

2.2 ?因子分析法的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)選擇步驟

1） 對輸入信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)量綱差異，計(jì)算信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣，具體為：

2） 構(gòu)造因子變量。對特征方程[λI-R=0]進(jìn)行求解，[I]表示全1矩陣，得到第[i]個(gè)指標(biāo)的特征值[λi（i=1，2，…，p）]，計(jì)算方差貢獻(xiàn)率和累積方差貢獻(xiàn)率。

3） 確定因子，根據(jù)累積方差貢獻(xiàn)率得到前[m]個(gè)因子，通常情況下累積方差貢獻(xiàn)率超過85%就行，前[m]個(gè)因子可以反映原始信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)的大部分信息。

4） 構(gòu)建因子載荷矩陣，具體為：

5） 將因子變量表示為原始信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)的線性組合，即：

利用原始信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)的線性組合計(jì)算因子變量的得分，增強(qiáng)因子的可解釋性。

2.3 ?BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自適應(yīng)能力，可以較好地描述信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)變化的隨機(jī)性和不確定性。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常有3層：輸入層、隱含層、輸出層，各層之間通常采用S型傳遞函數(shù)，具體為：

2.4 ?構(gòu)建信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)克服了傳統(tǒng)信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估方法對決策性判斷的依賴等缺陷，為此，本文選擇BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型，該模型不需要事先準(zhǔn)確地知道信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)等級與其指標(biāo)間的聯(lián)系，可以通過對信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估的訓(xùn)練樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)，建立信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)等級與其指標(biāo)之間的非線性關(guān)系，可以很好地模擬不同指標(biāo)和信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)等級間的復(fù)雜映射?；贐P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型工作過程主要包括2個(gè)階段，具體如下：

1） BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練階段。根據(jù)信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)等級，利用訓(xùn)練樣本進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)，對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，建立信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型。

2） 評估階段。輸入未知等級的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估樣本，根據(jù)建立的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型輸出信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)等級。

因子分析和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型流程如圖2所示。

圖2 ?信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型流程

3 ?信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估的實(shí)例分析

3.1 ?信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)樣本數(shù)據(jù)

為了評價(jià)因子分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型的效果，采用一個(gè)企業(yè)的信息系統(tǒng)作為研究目標(biāo)，采集其一段時(shí)間內(nèi)的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)樣本數(shù)據(jù)，共獲得信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)樣本數(shù)據(jù)200個(gè)。隨機(jī)選擇50個(gè)作為驗(yàn)證樣本，分析本文所構(gòu)建的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型的性能，信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)共劃分為5個(gè)等級，具體如表1所示。

表1 ?信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的等級劃分

3.2 ?提取信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)的重要公共因子

采用因子分析對信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)進(jìn)行處理，計(jì)算公共因子的方差貢獻(xiàn)率以及累積方差貢獻(xiàn)率，前5個(gè)公共因子的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了92.03%，那么表示這5個(gè)公共因子就可以描述圖1中9個(gè)信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)的能力，它們的累積方差貢獻(xiàn)率具體如表2所示。

表2 ?信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估公共因子的貢獻(xiàn)率

從表2可以看出，因子分析可以省略對信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果影響較小的指標(biāo)，達(dá)到了優(yōu)化信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)的目的，消除了信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)中的冗余信息，有效地簡化了信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)，為后續(xù)對信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估建模效率的提高起到一定的作用。

3.3 ?本文方法的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果

為了增強(qiáng)本文模型的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估測試結(jié)果的說服力，進(jìn)行5次評估測試實(shí)驗(yàn)。每一次的訓(xùn)練樣本和驗(yàn)證樣本采用隨機(jī)方式進(jìn)行選擇，統(tǒng)計(jì)每一次測試的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估正確率，具體如圖3所示。

圖3 ?本文模型的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估正確率

對信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估正確率進(jìn)行分析可知，本文模型的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估正確率均超過了95%，信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估誤差遠(yuǎn)低于應(yīng)用控制范圍，表明本文模型是一種結(jié)果可信、性能穩(wěn)定、正確率較高的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型。

3.4 ?與當(dāng)前其他信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型的綜合性能對比

選擇文獻(xiàn)[13?15]的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型進(jìn)行對比測試，統(tǒng)計(jì)各種信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估的正確率以及評估的建模時(shí)間，結(jié)果如表3所示。

表3 ?信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估的整體性能比較

從表3可知，本文模型信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估正確率得到了一定提升，而且減少了信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估的建模時(shí)間，這是因?yàn)橐肓艘蜃臃治龇p少了信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型的輸入向量數(shù)量，降低了信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估建模的計(jì)算復(fù)雜度，使整個(gè)信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估整體性能更優(yōu)。

4 ?結(jié) ?論

針對當(dāng)前信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估過程存在的難題，提出因子分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型，具體過程為：

1） 在分析現(xiàn)有信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建相應(yīng)的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系。

2） 引入因子分析對信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)進(jìn)行處理，簡化了信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估的輸入，提升了信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型的工作效率。

3） 利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的變化特點(diǎn)，建立性能優(yōu)異的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型。

4） 通過具體的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估實(shí)例驗(yàn)證了本文模型的性能。本文模型的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型整體性能要明顯優(yōu)于對比的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型，解決了當(dāng)前信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型的復(fù)雜性和正確率低的問題?？蔀橛嘘P(guān)部門估計(jì)信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)、選擇合理的信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)防范措施提供科學(xué)的參考依據(jù)，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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