黄海艇，徐盼，唐沸涛

（工业互联网创新中心（上海）有限公司，上海 200232）

工业互联网是一种新型的互联网应用模式，其融合了工业经济与信息通信技术，能够在基础设施结构的作用下，构建“人与人”、“人与物”、“人与机”之间的全面连接关系[1]。在构建网络的过程中，同时涉及智能化、网络化、数字化等多项应用技术。这些技术能够在维持网络主机间通信传输关系的同时，保证数据信息的传输稳定性，一方面实现了由单一应用网络到多元化网络的转变，另一方面也避免了其他传输信息对主体网络造成的攻击与影响，从而使得整个互联网主机可以长时间维持相对稳定的连接状态[2]。

在工业互联网的感知层终端环境中，由于传输数据信息访问行为的不确定性，个别信息参量极易受到外界干扰要素的影响，这也是导致工业互联网主机不能对传输数据信息访问行为进行有效控制的主要原因[3]。传统仿生架构型控制系统虽然能够准确区分工业互联网访问数据所处的实时传输位置，但却难以在信息与信息之间建立精准的互通关系，这不但影响了互联网主机对于数据信息参量传输行为的控制有效性，也使得网络主机与底层数据参量之间的访问紧密性不断下降[4]。

为解决上述问题，在仿生架构型控制系统的基础上，设计了一种新型的工业互联网感知层多端口安全访问控制系统。

1 安全访问控制系统硬件设计

1.1 多端口拓扑电路

多端口拓扑电路能够提供工业互联网感知层组织所需的电流与电压，并可在PORT 单片机、网络驱动机、感应电阻等多个应用元件的支持下，对数据信息的访问连接行为进行精准控制，具体连接结构示意图如图1 所示。

图1 多端口拓扑电路示意图

在实际应用过程中，工业互联网服务器始终位于多端口拓扑电路下端。随着电信号传输量的不断增大，该元件两端所负载的物理电压数值水平也会逐渐增大[5-6]。

PORT单片机作为多端口拓扑电路的核心应用结构，能够记录互联网电源中的电量传输行为，并可以在网络驱动机元件的作用下，确定互联网访问数据所能达到的最远传输距离，从而使整个工业互联网感知层组织成为一个完全独立的多端口应用结构。

1.2 三相级联H桥变流器

三相级联H 桥变流器作为多端口拓扑电路的下级连接结构，由S 族系、D 族系、W 族系三个应用单元共同组成。其中，S 族系单元包含两个H 桥变流器，其中一个变流器设备负责调度工业互联网感知层终端中的访问数据，另一个变流器设备则可对已接收的数据信息访问连接请求进行加工与处理[7]。D 族系单元包含四个H 桥变流器，在工业互联网感知层多端口安全访问控制系统中，这些变流器结构的物理型号完全相同，同时对各项数据传输信号起到功能性整合作用。W 族系包含两个H 桥变流器，两者的物理作用能力基本相同，主要负责在分类数据访问信号的同时，将这些传输信息参量导入至系统数据库主机之中[8]。三相级联H 桥变流器的具体连接结构示意图如图2 所示。

图2 三相级联H桥变流器结构示意图

由于三相级联H 桥变流器结构的存在，工业互联网感知层主机中始终不会出现明显的数据信息堆积行为，这也是传输编码信息对传输转码信息的访问占用率能够得到较好控制的主要原因。

1.3 DC/DC信号变换器

DC/DC 信号变换器负责执行由互联网感知层输入信号到访问信号的转换指令，可在三相级联H 桥变流器的基础上，对各类型信号参量进行二次加工与处理，从而使得工业互联网主机中的数据信号能够长期保持相对稳定的传输形式[9]。

在实际应用过程中，DC/DC 信号变换器必须与访问控制系统的数据库主机元件相连，一方面可避免互联网感知信息出现过度外溢的情况，另一方面也可缩短访问数据所需的传输时间，从而将工业互联网主机快速调度至最佳状态[10-11]。

从功能性角度来看，DC/DC 信号变换器具备较强的数据信息整合能力，既能满足信号与信号之间的访问连接需求，也可以避免不合理访问连接指令的生成，从而在根本上解决由数据信息堆积而引发的访问请求连接能力较弱的问题。

2 安全访问控制系统软件设计

2.1 多端口访问协议

多端口访问协议作用于访问控制系统三相级联H 桥变流器与DC/DC 信号变换器元件之间，由信息包头结点、数据信息过渡文件、信息包尾节点三部分共同组成。具体协议定义形式如下：

1）信息包头结点：对于工业互联网感知层的数据访问信息而言，头结点定义了数据参量的初始传输位置，且由于主机连接端口的同步开放，所有数据信息都能够保持同步传输状态，此时互联网主机也能够自发对传输信息进行控制与管理[12]。

2）数据信息过渡文件：存在于信息包头结点与信息包尾节点之间，能够容纳多种形式的互联网访问数据，从而大大缓解了数据库主机所面临的信息参量存储压力。

3）信息包尾节点：对于工业互联网感知层的数据访问信息而言，尾节点定义了数据参量的传输目的地，随着数据信息传输量的增大，尾节点定义项的存在数量水平也会不断增大。

2.2 编码密钥备份

编码密钥备份是工业互联网感知层多端口安全访问控制系统设计过程中的必要处理环节，在三相级联H 桥变流器、DC/DC 信号变换器等多个硬件应用设备均处于稳定连接状态的情况下，系统主机所制定的数据信息访问控制指令，完全遵循编码密钥的备份处理结果[13-14]。

假设kα表示工业互联网感知层传输数据的明文定义向量，kε表示密文定义向量，其中α表示访问数据的明文信息编码系数，ε表示密文信息编码系数。联立上述物理量，可将多端口安全访问控制系统中的编码密钥备份条件表示为：

式中，ϖ表示访问数据的筛查系数项，表示单位时间内的访问数据传输均值量，表示工业互联网感知层端口中的数据信息访问特征值。编码密钥备份条件约束了互联网访问数据在感知层端口中的传输行为，一般来说，待备份的数据信息越多，系统主机对于访问连接指令的控制能力也就越弱，反之则越强。

2.3 访问信息认证

在已知编码密钥备份条件的基础上，可通过访问信息认证的处理方式，实现对控制系统执行指令有效性的排查。在不考虑其他干扰条件的情况下，系统访问信息认证指令的制定必须同时考虑数据信息感知系数、访问指令行为项两项物理指标的影响[15-16]。

将数据信息感知系数常表示为r，在工业互联网感知层组织中，该项指标参量的取值始终属于[1,e)的物理区间。访问指令行为项常表示为φi，i作为一个既定的数据信息标定指标，其取值结果不会大于自然数“1”。在上述物理量的支持下，联立式（1），可将工业互联网系统主机所遵循的访问信息认证表达条件定义为：

式中，β表示访问数据信息的实时编码系数，q表示访问信息排查项，表示系统主机中的访问信息变换权限，λ表示既定的访问信息变换指标，ΔT表示数据信息访问控制指令的单位编码时长。

对于工业互联网主机而言，只有得到控制系统认证的访问信息才能在感知层多端口结构间自由传输。

3 实验与分析

设计如下实验验证工业互联网感知层多端口安全访问控制系统的可行性。实验中，将多端口安全访问控制系统作为实验组，将传统仿生架构型控制系统作为对照组。

编码信息、转码信息都是工业互联网感知层终端中的关键传输数据，在实际通信过程中，两类信息的传输能力都会出现一定程度的变化。访问占用率是指数据传输过程中，编码信息对于转码信息访问行为的占用水平。一般来说，占用率指标的数值水平越低，则表示工业互联网主机对于传输数据信息访问行为的控制越严格。

图3反映了访问占用率指标的理想数值变化情况。

图3 访问占用率指标的理想数值

分析图3 可知，在数据信息顺序传输的情况下，编码信息对转码信息的访问占用率水平始终呈现波动式变化状态。当时间取值为20 min 时，其占用率指标达到最大值45.3%；当时间取值为25 min 时，其占用率指标达到最小值40.0%。在数据信息逆序传输情况下，编码信息对转码信息的访问占用率水平也呈现来回波动的变化状态，当时间取值为25 min时，其占用率指标达到最大值55.0%；当时间取值为15 min 时，其占用率指标达到最小值45.3%。

表1 记录了实验组、对照组访问占用率指标在数据信息顺序传输情况下的实验数值水平。

表1 访问占用率指标（顺序传输）

分析表1 可知，在数据信息顺序传输的情况下，随着实验时间的延长，实验组访问占用率指标表现出不断波动的数值变化状态，但其单位变化幅度相对较小，整个实验过程中，其最大值达到了42.6%，与理想最大值45.3%相比下降了2.7%。对照组访问占用率指标虽然也呈现出不断波动的数值变化状态，但其单位变化幅度明显较大，全局最大值达到了55.4%，与理想最大值45.3%相比上升了10.1%，更远高于实验组占用率指标的最大值。

表2 记录了在数据信息逆序传输的情况下，实验组、对照组访问占用率指标的数值水平。

表2 访问占用率指标（逆序传输）

分析表2 可知，在数据信息逆序传输情况下，随着实验时间的延长，实验组访问占用率指标始终保持不断下降的数值变化趋势，其实验均值42.0%，与理想平均值50.2%相比下降了8.2%。对照组访问占用率指标则呈现出先上升、再稳定、最后下降的数值变化状态，整个实验过程中，其平均取值结果为52.3%，与理想平均值50.2%相比上升了2.1%，更明显高于实验组平均数值水平。

综上可知，在应用该文设计的多端口安全访问控制系统后，编码信息对转码信息访问占用率指标的数值水平得到了较好控制，与传统仿生架构型控制系统相比，更能辅助工业互联网主机对传输数据信息的访问行为进行严格控制。

4 结束语

在传统仿生架构型控制系统的基础上，设计了多端口安全访问控制系统，其联合了三相级联H 桥变流器与DC/DC 信号变换器，通过编码密钥备份处理的方式，对待传输的访问信息进行认证与筛查。从实用性角度来看，编码信息对转码信息访问占用率指标的实际数值水平得到了较好控制，在解决工业互联网主机对传输数据信息访问行为控制不严格的问题方面，具有较强的实用性价值。