水下控制模塊信息安全測試技術研究

摘 要 水下控制模塊是保障水下生產(chǎn)系統(tǒng)與上部平臺正常通信的核心設備，對于應用于我國淺水海域的水下控制模塊，有效驗證其信息安全功能至關重要。電磁兼容性是評估信息安全功能的重要內(nèi)容，一方面要求設備在正常運行過程中對所在環(huán)境的其他設備造成的電磁干擾不能超過限值，另一方面要求設備對所在環(huán)境的電磁干擾具有一定的抵抗能力。依據(jù)標準GJB 151B—2013，研究適用于水下控制模塊的基于RE102和RS103的信息安全測試技術，結(jié)合設備要求提出電磁兼容性方案。實際應用表明：該測試技術具有成本低、易實現(xiàn)、方便測量的優(yōu)勢，可為后續(xù)淺水海域水下控制模塊的應用提供技術支撐。

關鍵詞 水下控制模塊 信息安全 電磁兼容性 RE102電場輻射發(fā)射測試 RS103電場輻射敏感度測試

中圖分類號 TN95" "文獻標志碼 B" "文章編號 1000-3932（2024）06-1135-04

結(jié)合渤海淺水環(huán)境條件，淺水水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)方案成功打開了渤海油氣田開發(fā)的新局面。隨著淺水水下生產(chǎn)系統(tǒng)的進一步發(fā)展，水下生產(chǎn)系統(tǒng)將越來越多地應用到我國渤海海域，以推動我國油氣能源增儲上產(chǎn)。水下控制模塊（Subsea Control Moduel，SCM）包括監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，應用于水下生產(chǎn)系統(tǒng)的運行控制過程中，是水下設施的“中樞神經(jīng)”［1］。值得關注的是，SCM應用在淺水區(qū)域，一旦發(fā)生信息安全漏洞，嚴重時將影響國家安全，因此有效評估水下控制系統(tǒng)信息安全水平至關重要，保障水下控制系統(tǒng)的信息安全與國家安全戰(zhàn)略緊密相關。

目前，水下控制系統(tǒng)信息安全標準體系尚未健全，測試技術相對不成熟。筆者基于GJB 151B—2013《軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測量》，將SCM對標軍用設備，通過研究SCM信息安全測試技術，提出信息安全測試方案，并對渤海某氣田SCM進行測試，形成基于RE102電場輻射發(fā)射測試方法和RS103電場輻射敏感度測試方法的電磁兼容性測試方法，以期為類似SCM的信息安全測試提供技術支撐。

1 信息安全需求分析

1.1 SCM的功能和組成

本研究選擇的水下控制方式為復合電液控制，水上設備有主控站、電力單元、液壓動力單元、水上臍帶纜終端，水下設備包括臍帶纜和SCM。目前，復合電液式SCM通常采用模塊化設計，整體運輸安裝方式，并且可回收重復使用［2，3］，主要實現(xiàn)的功能有：與水面主控站進行通信；處理和執(zhí)行來自上部平臺的指令，包括生產(chǎn)關斷時的指令；傳輸水下傳感器的數(shù)據(jù)；監(jiān)測和分配水下生產(chǎn)所需的化學藥劑［4］。

SCM與上部平臺的總體控制方案為，主控站發(fā)出控制信號，通過臍帶纜以光纖或電力載波的方式傳輸?shù)剿?，最終到達SCM的水下電子模塊（Subsea Electronic Module，SEM），SEM對數(shù)據(jù)進行梳理后，通過對電磁換向閥進行通電或者斷電處理實現(xiàn)電液換向閥的打開或者關閉功能，結(jié)合水下高、低液壓分配，實現(xiàn)對閥門的控制。同時，水下各類傳感器也會采集壓力、流量、溫度等信號，由SEM內(nèi)相關通信模塊處理后，通過臍帶纜傳給平臺，實現(xiàn)平臺監(jiān)測水下生產(chǎn)設施以及對水下生產(chǎn)活動的控制。由此可見，SCM是水下生產(chǎn)系統(tǒng)最重要的電氣設備，其內(nèi)部的SEM是SCM數(shù)據(jù)傳輸中的核心電氣部件。

1.2 信息安全需求分析

水下控制系統(tǒng)的信息安全威脅表現(xiàn)在：工控協(xié)議本身未采取安全措施，明文傳輸或存在漏洞；系統(tǒng)網(wǎng)絡設計不完善，存在外部攻擊通道；對外接口開放，存在安全隱患。

而外部信息的破壞手段不斷提高，可依據(jù)《信息技術安全性評估準則》《工業(yè)控制網(wǎng)絡安全風險評估規(guī)范》《信息技術安全通用要求》等，對平臺上部工業(yè)控制系統(tǒng)進行信息安全評估與測試［5］。針對SCM，考慮特殊應用環(huán)境，電磁兼容性是保證信息安全的重要保障。隨著電子信息技術的快速發(fā)展，精密電子裝備的信息化建設迅速增強，特別是艦船武備，通信系統(tǒng)電子設備多且復雜，信息系統(tǒng)高度集成，很容易受到電磁干擾，如果干擾過大，將會影響設備的通信效果和質(zhì)量，甚至導致設備運行異常和毀壞，產(chǎn)生信息安全威脅［6］。各電子、電氣系統(tǒng)之間的電磁兼容性問題是影響精密電子裝備正常運行的重要內(nèi)容。SCM作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要控制設備，如果受到過大的電磁干擾，也有可能工作異常，從而影響油氣正常生產(chǎn)。依據(jù)GJB 151B—2013的要求：一方面，設備對外產(chǎn)生的電場輻射不應對軍事無線設備產(chǎn)生影響；另一方面，要具備抵抗外部電磁場干擾的能力，以保證正常生產(chǎn)。為了評估SCM的信息安全水平，筆者將針對以上兩方面分別進行RE102電場輻射發(fā)射測試和RS103電場輻射敏感度測試，以驗證國產(chǎn)SCM的信息安全性能。

2 RE102測試

2.1 測試目的和準備

GJB 151B—2013規(guī)定了控制軍用電子、電氣、機電等設備與分系統(tǒng)的電磁發(fā)射和敏感度特性的要求以及測試方法，提供了電磁兼容性設計和驗收依據(jù)。設備電磁兼容性測試項目中，RE表示輻射發(fā)射類，RS表示輻射敏感類。

RE102用于測試來自受試設備及其有關電纜的電場輻射，目的是防止電子設備在工作時所產(chǎn)生的意外電磁輻射對無線接收設備產(chǎn)生影響［7］。RE102項目適用于設備和分系統(tǒng)的殼體、所有互聯(lián)電纜及永久安裝在受試設備（Equipment under Test，EUT）上天線的電場發(fā)射?？梢姡琑E102可用于測試SCM。電場發(fā)射量按設備安裝不同位置，分為水面艦船甲板下和水面艦船甲板上，潛艇壓力艙外和潛艇壓力艙內(nèi)4種限值。水面艦船設備測試頻率范圍10 kHz～18 GHz，其RE102限值如圖1所示。筆者根據(jù)實際應用情況，選擇水面艦船甲板下限值。

RE102測試設備包括測量接收機、數(shù)據(jù)記錄裝置、天線、信號發(fā)生器、短棒輻射器、電容器和線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡（Line Impedance Stabilization Network，LISN）?；緶y試布置如圖2所示。

在電波暗室中放置被測件與接收天線，架設位置需確保EUT產(chǎn)生最大輻射的面朝向接收天線，確保天線的任何部位離屏蔽面的距離不小于1 m，離天花板的距離不小于0.5 m?？刂平邮諜C采集指定頻率范圍內(nèi)的信號電平值，經(jīng)過數(shù)據(jù)修正后，與標準中規(guī)定的極限值曲線進行比對，如果所有頻率點的測量值在極限值曲線范圍內(nèi)，說明該EUT符合標準要求。

2.2 測試步驟

試驗時SCM兩路220 V/50 Hz供電，并處于正常工作狀態(tài)，SCM與筆記本電腦通信，計算機實時監(jiān)控SCM數(shù)據(jù)采集狀況、SCM運行溫度和控制器心跳值，連接示意圖如圖3所示。

SCM的RE102測試流程按照GJB 151B—2013標準中RE102規(guī)定進行，主要包括：

a. 測試設備通電預熱并達到穩(wěn)定工作狀態(tài)；

b. 在天線的最高使用頻點，對從天線到數(shù)據(jù)輸出裝置的整個測試系統(tǒng)進行評估；

c. 驗證每個天線處于正常工作狀態(tài)；

d. SCM通電預熱并達到穩(wěn)定工作狀態(tài)；

e. 測量確定SCM及有關電纜的輻射發(fā)射。

2.3 測試結(jié)果與分析

試驗完成后，提供如下測試數(shù)據(jù)：在x-y坐標上連續(xù)自動地繪出測試數(shù)據(jù)的幅頻曲線圖，在曲線圖上顯示適用的限值曲線，列出所需的超過限值的頻率、幅值、超標量、方向及其工作狀態(tài)。

本研究中的SCM前1 m處，測試頻率10 kHz～30 MHz內(nèi)的電場輻射發(fā)射特性如圖4所示，結(jié)果符合GJB 151B—2013對水面艦船甲板下設備的限值要求。以此類推，30 MHz～18 GHz內(nèi)電場輻射特性均符合限值要求。

本研究中的SCM互連線纜前1 m處，測試頻率10 kHz～30 MHz內(nèi)電場輻射發(fā)射特性符合GJB 151B—2013標準中水面艦船甲板下設備的限值要求，如圖5所示。以此類推，30 MHz～18 GHz內(nèi)電場輻射特性均符合限值要求。

3 RS103測試

3.1 測試目的和準備

RS103項目用于測試受試設備在給定電場環(huán)境下的工作情況，目的是確保在平臺上或平臺外的各種發(fā)射天線電磁場中，工作設備不出現(xiàn)任何故障、性能降低、偏離規(guī)定指標值或超出給定指標允差的情況，也即考察設備抵抗外部電磁場騷擾的能力［8］。

本項目適用于設備和分系統(tǒng)的殼體和互連電纜。采用頻率范圍10 kHz～18 GHz，在30 MHz及其以下，受試設備應滿足垂直極化場限值要求，在30 MHz以上，應同時滿足水平和垂直極化場限值要求。

測試設備包括信號發(fā)生器、功率放大器、天線、電場傳感器、功率計、數(shù)據(jù)記錄裝置及LISN等。測試配置如圖6所示。

3.2 測試步驟

SCM的RS103測試流程按照GJB 151B—2013標準中的RS103規(guī)定進行，主要包括：

a. 測試設備、SCM通電預熱并達到穩(wěn)定工作狀態(tài)；

b. 按GJB 151B—2013中的RS103方法，對從發(fā)射天線到測試接收機的整個系統(tǒng)進行校準；

c. 信號發(fā)生器按照1 kHz、50%占空比的脈沖調(diào)制，使用適當?shù)陌l(fā)射天線和放大器，使在EUT附近產(chǎn)生要求的電場強度，保持電場達到限值要求，監(jiān)視SCM是否敏感。

需要說明的是，按標準RS103項目中規(guī)定的適用于海軍金屬艦船甲板下設備的極限值電平進行考核。試驗時，施加的信號電平見表1。

3.3 測試結(jié)果與分析

施加干擾過程中被測設備SCM數(shù)據(jù)采集AI0-AI1值為4 mA±0.1 mA，SCM運行溫度范圍26～40 ℃，控制器心跳值為“0”“1”跳動變化，SCM通信正常，符合表2要求的技術指標。由此可見，SCM對所施加干擾不敏感，其電場輻射敏感度特性符合要求。

通過研究分析，在設計階段，可以通過提高設備的屏蔽性能和接地性能來改進設備的電磁兼容性能，避免設計中的電磁兼容缺陷。主要措施如下：

a. 電磁屏蔽設計。保證密封，減少電磁場輻射，保證結(jié)合面屏蔽的連續(xù)性，提高設備的屏蔽性能［9］。

b. 系統(tǒng)布線設計?？紤]設備各種線纜的天線效應，為降低電纜間的耦合（如電路合理布線），減小回路面積；對敏感電路采用同軸電纜；外接電纜選用屏蔽電纜。

c. 電路設計?？刹捎冕槍π噪娐吩O計措施，主要包括機殼接地、電纜屏蔽層接地等。

d. 電源濾波。增加電源濾波器，一方面抑制電網(wǎng)的脈沖干擾信號，同時也防止干擾進入電網(wǎng)［10］。

4 結(jié)束語

目前，該項技術已在我國渤海水域某油田成功應用，裝備運行狀態(tài)良好。淺水水下生產(chǎn)系統(tǒng)的推廣應用將強助于國家能源增儲上產(chǎn)，SCM具備應用環(huán)境復雜、可靠性、安全性要求高等特點，同時信息安全評估與測試也十分重要。筆者提出的針對SCM的信息安全測試方案，可應用于特殊海域的SCM信息安全評估。本方案已在實際示范項目中應用，可為未來相似項目提供技術支撐。后續(xù)工作將進一步完善此類信息安全測試標準。

參 考 文 獻

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［9］ 鐘輝.某機載設備電磁兼容性改進設計［J］.安全與電磁兼容，2018（2）：80-83.

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（收稿日期：2024-02-07，修回日期：2024-04-15）