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基于物联网的水利工程远程监控与数据传输安全研究

2025-05-18 96 上传者：管理员

摘要：本文针对水利工程里物联网远程监控系统的关键技术架构展开系统分析，对加密算法、身份认证以及区块链等核心防护措施进行了深入探讨，提出了一系列优化后的安全监控技术途径，并结合典型案例进行了技术验证。结果表明，构建的安全方案在提升系统抗攻击能力以及数据传输效率上性能达到了预期的水平，研究成果可为水利信息化建设提供技术参考与工程借鉴。

关键词：
数据传输安全
水利工程
物联网
生态保护
远程监控
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水利工程作为国家基础设施体系的重要组成部分,其运行安全直接关系到防洪减灾､供水调度和生态保护等关键功能的实现｡近年来,水资源调控的复杂性不断增加,突发性自然事件频发,对水利系统的实时性与智能化提出了更高要求｡物联网技术的兴起为水利工程注入了新的活力,传感器网络与无线通信的深度融合,使远程感知､水情预警与智能决策成为可能｡在推动系统性能提升的同时,网络架构的开放性也暴露出数据传输过程中的诸多安全隐患｡无线环境下的数据易遭窃听与篡改,终端设备存在身份伪装风险,攻击者可通过入侵操作平台造成系统瘫痪甚至决策误导｡保障数据的真实性､完整性和可控性,不仅是物联网系统运行的技术要求,更是水利工程安全稳定运行的基本前提｡

1、基于物联网的水利工程远程监控系统架构

1.1系统总体架构设计

物联网技术在水利工程中的应用,主要依托分层设计思想构建完整的远程监控系统｡整个系统架构可分为感知层､网络层､平台层和应用层四个核心部分,各层协同联动,支撑水利工程的数据采集､传输与处理任务｡在感知层方面,现场设备承担着信息采集的主要任务｡高频率的水位､水流速､水质等关键指标数据由部署在各个关键节点的水文传感器实时采集｡高清图像采集终端和热成像设备常用于突发事件监控与远程视频巡检,支持7×24小时全场景覆盖,图像分辨率普遍达到1080P以上,部分设备已支持4K画质,能有效辅助人工远程判断与异常识别｡在网络层中,通信技术的选择决定了数据传输的可靠性与稳定性｡NB-IoT在低功耗广域覆盖场景中表现出良好优势,适合部署在偏远山区和河道断面,LoRa技术则提供更大的灵活性,适合中短距离组网[1]｡对于部分要求高带宽和低时延的数据传输需求,如高清视频流或大规模数据上传,5G通信方案则成为关键技术支撑｡平台层作为整个系统的数据中枢,主要承载数据的汇聚､存储､分析与指令反馈功能｡当前主流平台多采用云计算与边缘计算融合架构,以实现数据处理效率与系统响应能力的平衡｡边缘计算节点部署于现场终端附近,能够本地化处理部分数据并在必要时快速作出响应,避免所有数据上传至云端引发带宽压力｡应用层将监测结果显示给管理方,可以辅助管理决策｡

图1基于物联网的水利工程远程监控系统

1.2关键技术与设备选型

水利工程对远程监控系统的稳定性与精度要求极高,核心设备的选型与部署策略至关重要,直接影响监控系统运行效果与寿命｡对于传感器网络的建设工作而言,首要职责是保障传感器测量精度以及布设的科学合理,高精度水位传感器借助激光测距或雷达回波技术进行测量,可实现±0.3cm至±1cm范围的误差控制,适合用在水位波动剧烈的渠道或闸前池处,流速传感器的部署需结合河道断面形态和流速分布做分层安排,保证不同深度､宽度的数据均能达成有效覆盖｡就水质监测而言,常用在水质监测传感器有pH计､电导率仪､溶解氧传感器等,传感精度一般能稳定在±0.1单位以内,可满足绝大多数水环境监测的要求,在野外复杂环境,传感器必须具备防尘､防水､抗腐蚀的性能,设备需达到IP67,甚至IP68防护等级｡在水利工程场景方面,通信协议的选择面临“高可靠性+低功耗+轻负载”的多重挑战局面,MQTT协议鉴于自身轻量化的特性与发布/订阅机制,在数据传输过程里可显著削减通信负载,提升节点响应的效率,CoAP协议按照UDP进行设计,更适合与功耗受限设备相适配,结合DTLS安全机制,可拥有更为可靠的安全防护能力｡

1.3远程监控功能实现

水利工程远程监控不只是依靠硬件设备的支撑,还需要借助一套功能完备的软件系统来实现对数据的全面把握与分析判断｡实时数据采集系统使传感器和通信模块能相互配合,将现场信息同步移至平台,平台界面添加了可视化集成能力,可在调度中心大屏幕以及移动终端上直观展现各类数据,数据可以以折线图､水位变化趋势图､热力图等多种可视化形式呈现,利于工程管理人员随时把握现场情形,就某些关键节点而言,系统可将采样周期设定成秒级,联合边缘计算模块可实现本地数据的缓存以及异常自动上报,减少网络中断引起的监控空白地带｡识别异常事件需要依赖精细化的阈值设定跟规则建模,如采样周期内水位上升速率越过预警阈值,系统自动触发报警次序,通过短信､App消息推送､语音播报等多种渠道通知值班人员,系统可支持用户对多条件组合告警规则进行自定义,比如流速､水质跟视频图像协同辨识,让报警信息既精准又能及时反馈[2]｡

2、水利工程数据传输安全风险与防护技术

2.1数据传输中的主要安全威胁

物联网架构下的水利工程远程监控系统普遍依赖无线通信完成数据传输,这种开放性网络环境不可避免地面临多种安全威胁｡在长期运行过程中,一些高频次的数据交换过程往往成为攻击者的重点目标,系统安全面临严峻挑战｡最常见的风险表现为数据窃听与篡改｡在无线信道中,攻击者通过监听设备可以轻松捕获传输中的明文数据包｡一旦获取关键参数,如设备编号､水位数值或控制命令内容,不仅会造成数据隐私泄露,还可能诱发人为操作风险｡另一个显著威胁来自拒绝服务攻击｡攻击者通过持续向系统发送无效或重复请求,迅速占满带宽资源与处理能力,导致服务器响应延迟甚至瘫痪[3]｡在水利系统中,若监控平台长时间无法接收水情数据或发布指令,将严重影响调度效率与应急响应速度｡

2.2安全防护技术研究

应对数据传输中的安全威胁,需要从加密机制､身份认证､数据完整性保障等多个技术维度入手,构建多层次的综合防护体系,确保水利监控系统在通信环节具备足够的抗攻击能力｡加密技术作为保障数据机密性与完整性的核心工具,在水利物联网中广泛部署｡当前主流加密算法以AES与RSA为代表,其中AES因其对称加密特性与高效性能,适用于高频次､大批量数据的加密处理｡在标准256位密钥强度下,AES可在不超过1毫秒的时间内完成一次128字节数据包的加密,能够满足低时延需求｡RSA则多用于密钥交换与身份验证,其非对称加密机制虽然加解密效率相对较低,但在关键数据传输与控制命令执行过程中可提供更高的安全级别｡为适应野外部署设备功耗限制,越来越多的系统开始采用轻量级加密方案,如Speck､Simon等轻加密算法,在保持基础安全性的同时将加密功耗控制在100μW以下,保障长期稳定运行[4]｡身份认证机制直接关系到设备接入的合法性与网络边界的安全性｡基于公钥基础设施(PKI)的节点身份认证机制可实现设备与平台之间的双向身份确认,通过数字证书与非对称密钥实现认证流程｡每个节点在首次接入网络前需向平台提交唯一的身份凭证,经验证后方可授权通信｡在实时性要求较高的环境下,系统引入动态令牌(Token)技术,通过周期性更新令牌内容阻止数据重放攻击,可进一步提升身份验证的动态性与安全性｡

2.3安全防护方案设计

保障水利工程物联网系统整体运行安全,仅依赖单一技术手段无法满足需求,必须构建以“加密+认证+检测”三位一体的综合防护体系,全面覆盖数据传输路径中的各个薄弱环节｡在端到端的数据加密传输方面,系统需在数据生成点即启动加密流程,并确保加密密钥在合法平台端解密｡整个传输过程中,采用TLS或DTLS协议作为安全通道保障层,对传输内容进行完整性校验并防止中间人攻击｡在野外部署的终端设备中,通过配置嵌入式安全芯片实现密钥本地化存储,避免密钥泄露与远程替换风险｡入侵检测系统(IDS)的集成是当前水利物联网防护中的重要一环｡基于流量特征识别与行为异常分析的IDS可在平台侧或边缘网关部署,实时监测网络流量与通信行为[5]｡一旦发现异常连接请求､重复数据上传或异常数据流动,系统将自动生成告警信息并中断异常通道｡

3、案例分析与方案验证

3.1某流域水利监控系统安全升级实例

某南方丘陵区的ZJ河流域长度约92公里,覆盖9个乡镇,沿线共设有19个水文监测站点,主要用于水位､水流速､水质的实时监控与防洪调度指令下达｡原系统于2016年建成,采用传统无线数传电台与GPRS模块进行数据上报,并未设置加密机制,用户登录界面存在弱口令(如admin/123456)问题,数据接口也未设身份验证机制｡2023年初,管理中心在一次例行检查中发现,有异常节点向平台发送虚假高水位报警数据,最终确认系统已被攻击者接入伪造设备,造成调度误判,误触发泄洪闸口控制命令｡通过流量监测分析,攻击者使用通用433MHz无线监听设备,在距离监测站约2.5公里处捕获到明文传输的数据包,并利用重放攻击与MAC地址伪装技术向主控平台重复上传旧数据,混淆真实水文信息｡此外,平台后台日志显示,系统平均每日遭受超过1500次的恶意访问尝试,其中超65%集中于Web端未加防护的API接口｡

针对以上问题,项目团队在2023年5月至2023年11月期间对该系统进行了全面安全升级,采取的关键技术如下:(1)平台采用RSA-2048密钥进行会话密钥协商,并引入由国家工业互联网安全研究中心提供的权威CA签发的数字证书｡(2)身份认证方面,设备启动时通过TLS通道将自身设备指纹(包含MAC､SN号､首次签名值)提交平台认证中心,平台验证通过后下发有效期为72小时的临时动态令牌｡(3)区块链部分采用私有联盟链部署,底层采用HyperledgerFabric架构,每笔关键水位､流速数据及控制指令上传后将同步写入链上｡数据包含三部分:传感器ID､数据值､时间戳,平台通过哈希校验防止中途篡改｡方案部署完成后,模拟渗透测试工具Metasploit+BurpSuite+LoRa模拟攻击设备｡

3.2方案效果评估

表1方案效果分析

本次评估采用以下四项标准:数据传输延迟､加密处理效率､抗攻击能力及数据完整性验证结果如表1所示｡

结果显示,系统升级后在传输效率､安全性与响应能力等方面均实现显著提升｡数据传输延迟下降58.9%,加密处理耗时占比合理控制在3.2%｡DoS攻击识别率达到91.3%,虚假节点识别率提升近三倍｡区块链实现100%数据一致性校验,异常预警响应时间缩短至1.2分钟,系统的整体运行安全性与智能化水平大幅增强｡

4、结语

构建安全､稳定､高效的水利工程远程监控体系,是当前水资源精细化管理与风险防控能力提升的重要支撑｡物联网技术的融合应用,为水利系统注入了数据驱动的智能能力,但真正实现可信可靠的运行,还需从底层架构､安全机制与实际场景适配等多方面协同推进｡只有将加密算法､认证机制与数据溯源等关键技术深度嵌入监控流程,才能在面对复杂环境与网络攻击时保持系统韧性｡未来的水利工程信息化建设,不仅要关注数据的可获取性与处理能力,更应关注其真实性､完整性与抗风险能力,在保障运行安全的基础上,实现高效调度与科学决策的有机统一｡

参考文献:

[1]闫大杰.基于物联网和BIM技术的水利工程建筑施工危险源辨识方法[J].物联网技术,2025,15(04):46-47+51.

[2]曾厚元.信息化时代视域下的水利工程管理措施分析[J].中国战略新兴产业,2024(24):50-52.

[3]王奕伟,张杰,李秋生,等.水利工程物联网技术在水工建筑物运行维护中的应用研究[J].水上安全,2024(13):56-58.

[4]王青青.信息化技术在水利工程管理中的应用[J].城市建设理论研究(电子版),2024(17):202-204.

[5]陈腊武.基于物联网的水利泵站信息采集与智能监控系统设计[J].智能物联技术,2024,56(02):106-109.

文章来源:孙金喆,孙运良,杨文硕.基于物联网的水利工程远程监控与数据传输安全研究[J].中国宽带,2025,21(05):115-117.