网络物理系统（CPS）融合了计算和物理过程，在数字世界和现实世界之间架起了一座桥梁，实现了各行各业的智能自动化、实时监控和强化决策。CPS 代表着工业运作方式的根本转变，它整合了软件、硬件和网络技术，以创建高效、自适应和安全的环境。
什么是网络物理系统？
网络物理系统 是一个由嵌入式设备组成的连接网络，通过实时数据交换监控物理过程。数字组件和物理组件之间的这种紧密集成带来了超越传统 IT 环境的独特安全挑战。在网络物理系统中，安全不仅要保护数据的机密性和完整性，还要保护物理操作本身的安全性和可靠性。
通过利用计算和物理交互的协同作用，CPS 预计将在推动工业 4.0、实现智能工厂和互联供应链方面发挥关键作用。
网络物理系统的意义
制造业
CPS 实现了智能工厂，生产线可根据实时数据进行自我调整，在减少浪费的同时优化产出。预测性维护系统可在设备故障发生前进行预测，从而大幅减少停机时间。集成控制系统可简化生产工作流程，减少人为错误，从而提高生产率和安全性。
水/废水
CPS 通过对水质、水压和流量进行实时监控，彻底改变了供水和废水管理。先进的泄漏检测系统可最大限度地减少水的流失，而自动化处理流程则可确保高效净化。智能水网可优化配水和用水，减少浪费，提高资源的可持续性。
医疗保健
可根据生理变化自动调整治疗方案的患者监测设备正在彻底改变医疗服务。通过持续的数据收集和分析，网络与物理的整合为远程手术和个性化医疗提供了便利。
交通运输
车联网系统与基础设施和其他车辆进行通信，以防止事故、优化交通流量并减少排放。自动驾驶汽车融合了传感器、人工智能和机械系统，代表了网络与物理的终极融合。
石油和天然气
CPS 可提高石油和天然气开采、加工和配送的运营效率和安全性。通过对管道和井口进行远程监控，可以及早发现泄漏和潜在危险。炼油厂采用数字双胞胎技术，根据入厂原油的特性优化加工参数，从而显著提高产量并降低能耗。
农业
精准农业系统利用传感器网络和自动化设备，根据细微的田间条件优化灌溉、施肥和收割，在减少资源使用的同时显著提高产量。
石油化工
先进的传感器网络可监测温度、压力和化学成分，防止事故发生并优化产品质量。集成安全系统可在偏差变得严重之前自动做出反应，而预测分析平台则可根据设备状况而不是固定的时间间隔优化维护计划。
能源管理
智能电网可动态平衡供需、整合可再生能源，并在系统中断时进行自我修复。CPS 可使微电网在更大范围的系统故障时独立运行。
网络物理系统的关键组成部分
网络物理系统是由各种相互关联的组件组成的复杂系统。本节重点介绍实现与物理世界实时交互的核心要素：传感器和执行器，用于收集和响应环境数据；通信网络，用于促进数据交换和协调。这些组件共同构成了 CPS 功能的基础，实现了网络和物理领域之间的动态互动。
虽然本概述强调了核心组件，但重要的是要记住，CPS 还依赖于其他关键要素，如数据管理系统、高级分析能力和复杂的控制系统。这些附加元素可确保高效可靠的运行，实现智能决策，优化系统性能，增强整体功能。
传感器和执行器
智能系统依靠传感器和执行器的协作与其周围环境进行互动。传感器充当系统的感官，收集温度或压力等数据。
然后，这些数据被发送到控制器，控制器就像大脑一样，根据预定义的规则处理信息并做出决策。最后，执行器充当系统的肌肉，执行控制器的指令，根据环境调整系统。
计算节点和通信网络
计算节点处理传感器数据，执行算法以提高系统性能。这些节点在确保准确高效的自动化方面发挥着至关重要的作用。采用 MODBUS、OPC UA 和 Profinet 等协议的通信网络可促进 CPS 组件之间的数据交换，确保大规模系统的同步响应和协调。先进的网络协议（如 5G、物联网和边缘计算）可增强 CPS 的功能，加快数据传输并提高系统可靠性。
每个组件都是一个独特的攻击面，需要多层次的保护，以确保运行的连续性和数据的完整性。
网络物理系统的应用
CPS 正在彻底改变多个行业，推动效率、安全和创新。以下是 CPS 在不同行业的主要应用：
医疗保健应用
通过实时监控、智能医疗设备和机器人辅助手术，医疗保健行业从 CPS 中获益匪浅。
- 远程病人监测：智能传感器可对生命体征进行持续跟踪，使医疗服务提供者能够检测到异常情况并迅速做出反应。
- 机器人手术：人工智能驱动的机器人手臂可协助进行微创手术，并提高手术的精确度。
- 给药系统：CPS 可实现可控给药，确保剂量准确，减少人为错误。
- 可穿戴健康技术：智能手表和健身追踪器等设备可持续监测心率、血氧水平和活动，提供重要的健康信息。
- 医院自动化：CPS 可优化病历管理、配药和卫生流程，提高整体效率。
制造应用
CPS 是工业 4.0 的核心，它将制造业转变为一个智能和自适应的生态系统。
- 智能工厂：CPS 可使互联机械实时适应生产需求，减少停机时间，提高生产率。
- 预测性维护：人工智能驱动的预测分析可检测设备故障的早期迹象，防止代价高昂的中断。
- 优化Supply Chain ：实时跟踪货物，确保高效物流，减少浪费。
- 协作机器人技术：由 CPS 驱动的机器人与人类工人一起工作，提高了生产线的效率和安全性。
- 质量保证：基于 CPS 的自动检测系统可改进缺陷检测和产品一致性。
运输应用
CPS 通过改善安全、减少拥堵和优化流动性来加强交通网络。
- 自动驾驶汽车：自动驾驶汽车依靠 CPS 进行实时决策、障碍物检测和路线优化。
- 智能交通管理：由人工智能驱动的系统可动态调整交通信号，减少拥堵，提高燃油效率。
- 公共交通系统：CPS 有助于优化路线、确保及时到达和提升乘客体验。
- 无人机和空中物流：基于 CPS 的无人机技术可用于包裹递送、空中检查和应急响应。
- 铁路系统自动化：CPS 通过预测性维护、自动信号和高效调度来提高铁路安全性。
挑战和安全问题
随着IT 和 OT 系统的融合，CPS 环境面临着不断升级的网络安全威胁。攻击者--从民族国家到内部威胁和供应链漏洞--都在利用遗留系统、网络分隔不足和缺乏可见性所造成的漏洞。由于依赖专有协议、设备生命周期长、打补丁能力有限，这些环境尤其容易受到攻击。
对 CPS 系统的网络攻击往往针对系统的互操作性和安全性，可能会造成大范围的运行中断并危及人的生命。
安全漏洞
由于 CPS 集成了数字和物理组件，因此容易受到网络威胁，包括
- 数据泄露：未经授权访问 CPS 数据会导致信息失窃和系统受损。
- 网络攻击：黑客可以操纵 CPS 组件，中断基本服务并造成物理损坏。
- 内部威胁：人为错误或恶意内部人员可能会将漏洞引入 CPS 网络。
- DoS（拒绝服务攻击）：网络犯罪分子可使 CPS 网络超载，导致关键操作失败。
- 恶意软件和勒索软件威胁：攻击者可以部署恶意软件来破坏 CPS，并索要赎金以恢复系统。
为了降低这些风险，企业必须实施强有力的网络安全措施，包括加密、多因素身份验证、入侵检测系统和人工智能驱动的威胁分析。
互操作性问题
CPS 依赖于不同系统的无缝通信，这可能具有挑战性，原因如下
- 缺乏标准化协议：不同行业使用不同的通信协议，导致集成困难。
- 复杂系统架构：将传统系统与现代 CPS 框架互连在技术上要求很高。
- 可扩展性问题：随着 CPS 网络的发展，确保各组件之间的高效协调变得越来越复杂。
- 遵守法规：不同的行业法规给在多个地区和部门部署 CPS 带来了挑战。点击此处阅读我们关于网络安全合规性的深度博文。
- 硬件 和软件 兼容性：制造商和平台的差异会给 CPS 环境带来兼容性问题。
要实现互操作性，就必须采用通用标准、开源框架和模块化系统设计，以促进跨行业的无缝集成。
网络物理系统的未来趋势
在 AI（人工智能）、ML（机器学习）和 IIoTIndustrial 物联网）领域取得突破性进展的推动下，网络物理系统的快速发展正在改变各行各业的运营方式。在现代工业环境中，智能机器、联网工厂和自主仓库依靠实时数据收集、机器间通信和自动决策来优化性能、减少停机时间，并在故障发生前进行预测。
人工智能与机器学习集成
人工智能正在通过以下方式提高 CPS 的能力：
- 预测性维护：机器学习算法可在故障发生前检测到潜在故障，最大限度地减少停机时间。
- 自主决策：人工智能驱动的 CPS 系统可动态适应不断变化的环境，提高效率和安全性。
- 强化安全措施：人工智能驱动的威胁检测可增强网络安全，实时降低风险。
- NLP（自然语言处理）：人工智能驱动的语音激活 CPS 界面可增强人机互动。
- 人工智能生成的洞察力：CPS 将利用人工智能分析庞大的数据集，并生成可操作的智能，以优化运营。
实时处理技术的进步
- 边缘计算：在更靠近数据源的地方处理数据，以减少延迟并缩短响应时间。
- 量子计算：通过以指数级增长的计算能力，释放 CPS 的新能力。
- 下一代连接：利用 5G 及其他技术提高 CPS 网络的通信速度和可靠性。
结论
CPS 正在通过智能自动化、实时监控和人工智能驱动决策为各行各业带来变革。通过 CPS，我们可以设想、设计、实施并不断改进智能系统，使企业、社区和个人受益。安全领域在不断发展，但新技术为开发保护关键网络的尖端方法提供了工具。
专用的 CPS 安全系统
系统在提高效率的同时，也扩大了攻击面。传统的外围安全已不再足够，网络物理系统保护必须发展到包括以下内容：
- 深入了解所有 OT 资产，包括传统资产和现代资产。
- 以机器学习为动力的异常检测，可识别新出现的威胁。
- Secure 跨 IT、OT 和云环境的数据流Secure 。
- 自动、可审计的报告，以满足新出现的监管要求，如NERC CIP、IEC 62443 和 NIS2 要求。
了解OPSWAT的MetaDefender for OT & CPS Protection如何专门用于保护下一代关键基础设施。
