基于数据挖掘的工业控制系统防危机制研究
防危壳(Safety Shell)是由Katwijk 和 Zalewski[10]提出的防危技术，其技术原理与防危核类似，是防危核技术的一种功能更为强大的扩展。防危壳的防危原理是在系统控制器与关键设备之间安插一个隔离层，所有操作请求都必须经过防危壳的验证。防危壳主要由状态监视器、时间监视器、异常处理子模块组成。状态监视器是保证系统防危性最重要的关键子模块，其作用是负责与底层I/O接口交互，验证所有操作请求，并负责实时监测设备的工作状态，一旦发现异常，则发送相应的操作命令来调整系统状态，同时报告错误。时间监视器用于检验设备命令是否在规定的时间内完成，保证了设备操作的实时性。异常处理器监视对设备的操作命令，拒绝错误的操作命令，并调用相应的错误处理程序。
防危核和防危壳是防危系统里最常用的两种技术手段，将防危核与防危壳技术进行比较，可以发现两种方式的基本原理都是相同的，即提供了设备操作与关键设备的隔离。不同点在于，防危核只提出了操作验证的基本功能，而防危壳将防危策略细分为三个子模块，子模块拥有了单独检查设备状态和保证命令时间限制等功能，降低了验证整个防危策略的开销。某种程度上，防危壳可以看作是防危核技术的一种扩展变型和另一种实现方式。
2 防危分析
无论防危核还是防危壳，都只是把关键设备进行隔离防危，而实际的工控系统是一个复杂的网络，各设备之间存在着相互依赖关系，对一个设备的操作势必会对其他设备造成影响，针对独立设备的防危往往达不到整体防危的要求。因此，针对整体性防危的要求，本文提出利用防危保护态以及有穷状态机实现防危，如图2实线所示。系统从正常工作状态发展为事故，一般经过多个状态，从警告、临界到危险，直至事故。为了实现防危，借鉴容错理论，引入防危保护状态(E)，也就是在系统遇到危险或在临界情况下，通过防危机制进入保护模式，在保护模式下系统可以通过自我调节回归到正常模式。
用状态转化图表示如图2所示。图中，A：正常状态；B：警告状态；C：临界状态；D：危险状态；F：事故状态；E：防危保护态。
危险包括针对工业现场的和工控系统自身的，为了从危险状态(D)转化到防危保护状态(E)，针对不同类型的危险，需要通过专家规则实时判断工业现场的危险状况，或者通过降级服务对工控系统实施保护。为了从防危保护态(E)转化为正常态(A)，需要通过工控系统的合理调度，实现自身状态的回归，或者利用专家知识库推荐工业现场的补救方案。
为了从临界状态(C)转化为防危保护态(E)，一方面需要对关键设备的情况进行主动预测和危险预报；另一方面，通过分析设备之间的相互影响关系，预测系统整体的风险。
针对出现报警(B)的情况，利用专家规则判断危险状况，并根据专家规则中的处理办法进行相应的操作，使得系统转化为正常状态(A)。
系统在正常运行(A)期间，通过对关键设备的情况进行预测，防患于未然，使系统维持在正常状态。
通过对状态之间的操作进行分析整理，可以得出下面一些主要的操作：
(1)通过分析设备之间的相互关系，预测系统整体风险，即全局防危(a)；
(2)通过对关键设备的情况进行预测，防患于未然，即主动防危(b)；
(3)利用专家规则进行实时判断和推荐，即实时防危(c)；
(4)对工控系统实施保护并且实现状态回归，即自主防危(d)。
通过提供上面这些防危措施，就可以实现工控系统的防危，将工控系统从非正常状态转移到正常状态。同时结合防危技术，实现防危认证。
3 基于数据挖掘的工控防危机制
针对现有的工业控制系统，为加强其防危能力，本文提出以建立工控系统的全局防危机制为主线，通过数据预测技术实现对单点的主动防危；通过建立工控系统复杂网络模型，研究单点异常对其他节点的影响，实现对整个工控系统的全局防危；提供防危认证，从而实现工控系统的防危。防危的体系结构如图3所示。
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