IEC TR 634152023 核电厂.仪表和控制系统.仪控安全体系结构设计和评估用正式安全模型的使用标准立项发展报告

核电厂仪表和控制系统仪控安全体系结构设计和评估用正式安全模型的使用标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:NuclearPowerPlants-InstrumentationandControlSystems-UseofFormalSecurityModelsforI&CSecurityArchitectureDesignandAssessment摘要随着核电行业数字化、智能化转型的深入推进，仪控系统已成为核电厂安全运行的核心基础设施，其网络安全防护能力直接关系到核设施的整体安全水平。在此背景下，国际电工委员会（IEC）于2023年8月30日正式发布了IECTR63415:2023技术报告，系统提出了仪控安全体系结构设计和评估中正式安全模型的应用框架与方法论。本报告对该标准的立项背景、编制过程、核心技术内容及行业应用价值进行了系统梳理与深入分析。报告指出，IECTR63415:2023的发布填补了核电厂仪控系统安全架构形式化设计与评估领域的国际标准空白，为应对日益严峻的网络安全威胁提供了科学、系统的方法论支撑。该标准详细规定了正式安全模型在仪控安全架构设计各阶段的应用流程、评估指标体系及验证方法，并给出了完整的实施案例。报告认为，该标准的实施将显著提升核电厂仪控系统应对高级持续性威胁（APT）等复杂网络攻击的能力，对推动我国核电厂仪控系统安全标准体系建设具有重要的参考价值和借鉴意义。建议国内相关标准化技术委员会加快对该技术报告的消化吸收，适时启动对应国家标准或行业标准的制定工作。关键词：核电厂；仪控系统；正式安全模型；安全体系结构；网络安全；IEC标准Keywords:NuclearPowerPlants;InstrumentationandControlSystems;FormalSecurityModels;SecurityArchitecture;CyberSecurity;IECStandards一、引言1.1研究背景核电厂仪控系统（InstrumentationandControlSystems,I&C）作为核电站的“神经中枢”，承担着过程监测、自动控制、事故缓解和安全保护等关键功能。随着数字化技术的广泛应用，传统模拟仪表系统正逐步被数字化仪控系统所取代，这一转变在提升运行效率和精度的同时，也引入了新的网络安全风险。近年来，全球范围内针对关键基础设施的网络攻击事件呈上升趋势，核设施面临的网络威胁尤为突出。国际原子能机构（IAEA）在《核安保建议》（NuclearSecurityRecommendationsonPhysicalProtectionofNuclearMaterialandNuclearFacilities,IAEANuclearSecuritySeriesNo.13）及其后续文件中明确指出，核设施的网络安全防护应作为整体安保体系的重要组成部分。在此背景下，如何科学地设计和评估仪控安全体系结构，确保其在面对各类网络威胁时具备足够的鲁棒性和恢复能力，成为核电行业亟需解决的关键问题。1.2标准编制需求传统上，核电厂仪控安全体系结构的设计主要依赖经验性方法和定性分析，缺乏系统化、形式化的安全建模与验证手段。随着安全威胁的不断演化，特别是高级持续性威胁（AdvancedPersistentThreat,APT）的出现，传统设计方法已难以满足日益严苛的安全需求。为此，IEC技术委员会45（核仪表领域技术委员会，IEC/TC45）在2018年前后启动了正式安全模型在仪控安全体系结构设计中应用的技术报告编制工作，旨在为核电行业提供一套科学、系统、可操作的形式化安全设计与评估方法论。1.3标准基本信息本标准为IEC发布的技术报告（TechnicalReport,TR），编号为IECTR63415:2023，由IEC/TC45下属工作组牵头制定。技术报告不同于国际标准（IS），属于提供信息、指导或建议的规范性技术文件，具有更强的灵活性和指导性。该标准于2023年8月30日正式发布，当前状态为“现行”，适用于核电厂仪控安全体系结构的设计与评估工作。二、标准编制过程2.1立项背景IECTR63415的编制工作始于2019年前后。面对全球核电领域网络安全威胁的持续升级，IEC/TC45/WGA（负责仪控系统安全与可靠性相关标准制定的工作组）在充分调研行业需求和相关技术进展的基础上，于2019年正式提出立项建议。该提案得到了来自中国、法国、美国、俄罗斯、韩国、日本等多国专家的积极响应和支持。2.2编制历程标准的编制历经了多个阶段。2019年至2020年为需求调研与框架构建阶段，工作组对各国核电厂仪控安全体系结构设计现状进行了系统调研，梳理了现有安全标准体系中的空白与不足。2020年至2021年为草案编制阶段，各国专家围绕正式安全模型的选择、应用流程、评估方法等核心议题进行了多轮技术讨论。2021年至2022年为征求意见与修改完善阶段，工作组将草案分发至各国家委员会及相关国际组织征求意见，并根据反馈意见进行了多轮修改完善。2023年初，草案通过最终审查并提交IEC中央办公室，于2023年8月30日正式发布。2.3标准定位IECTR63415:2023定位为技术报告，这表明其性质为提供性、指导性文件，而非规范性要求文件。此类文件通常用于新技术领域或尚处于发展阶段的技术方向，旨在为行业提供技术参考和最佳实践指导。该技术报告的发布，为后续可能制定的正式国际标准奠定了方法论基础和技术参考。三、标准主要内容3.1范围与适用对象IECTR63415:2023规定了正式安全模型在核电厂仪控安全体系结构设计和评估中的应用方法。标准适用于新建核电厂仪控系统的安全体系结构设计，同样适用于在役核电厂仪控系统的安全改造与升级评估。其适用对象涵盖了仪控系统的设计方、集成方、运营方以及监管机构等多类利益相关方。3.2核心术语与概念框架标准明确了“正式安全模型”（FormalSecurityModel）的定义，即采用形式化数学语言描述系统安全属性、威胁模型及安全机制的系统化建模方法。区别于经验性、定性化的传统设计方法，正式安全模型强调安全属性的可证明性、可验证性和可追溯性。标准建立了一个多层次的概念框架，包括系统层（SystemLevel）、架构层（ArchitectureLevel）和组件层（ComponentLevel）三个层次的安全建模与评估视角。每个层次对应不同的建模精度和分析目标，从而构成一个完整的形式化安全评估体系。3.3正式安全模型的分类与选择标准将可用于仪控安全体系结构设计的正式安全模型划分为以下几类：-基于攻击树/攻击图的安全模型：采用树状或图状结构系统描述可能的攻击路径和攻击向量，适用于安全威胁的定性分析和攻击面的系统识别。-基于模型检测（ModelChecking）的安全验证模型：通过状态空间穷举搜索的方式验证系统安全属性的满足性，适用于验证仪控系统安全机制的正确性和完备性。-基于定理证明（TheoremProving）的安全推理模型：利用逻辑推理方法证明系统安全属性的数学确定性，适用于高安全等级（如IE级安全功能）场景下的形式化安全验证。-基于博弈论的安全交互模型：将攻击者与防御者的交互过程建模为博弈行为，适用于分析攻防对抗条件下安全策略的有效性和鲁棒性。-基于信息流的安全模型：通过分析系统中信息流动路径和流动方向的合法性，验证安全体系结构是否存在信息泄露或非法访问的安全漏洞。标准从建模复杂度、分析精度、工具支撑成熟度、行业应用经验等多个维度对上述模型进行了比较分析，为设计人员针对不同应用场景选择合适的安全模型提供了指导。3.4安全体系结构设计中的模型应用流程标准详细规定了正式安全模型在仪控安全体系结构设计中的应用流程，主要包括以下关键阶段：（1）需求分析与安全目标定义阶段：明确仪控系统的安全需求与安全目标，建立安全需求与法规要求、行业标准和监管要求的映射关系，为后续建模工作提供输入。（2）威胁建模阶段：基于正式安全模型识别仪控系统面临的潜在威胁，明确攻击者能力模型和攻击面，建立系统化的威胁知识库。（3）安全架构生成与优化阶段：在形式化模型框架下生成候选安全架构方案，对安全控制措施的配置方案进行形式化推理与优化选择。（4）安全属性验证阶段：采用模型检测、定理证明等自动化分析工具对设计方案的安全属性进行全面验证，确保设计满足预定义的安全需求。（5）残余风险分析与评估阶段：识别形式化验证未能完全排除的残余风险，评估其可能性和影响程度，确定是否需要进行设计迭代或增加补充性安全措施。3.5安全评估指标体系标准提出了一套多维度的安全评估指标体系，用于量化评估仪控安全体系结构的安全性能，主要指标包括：-安全功能完整性：评估安全机制在规定的运行条件下正确执行其安全功能的概率。-抗攻击能力指标：评估系统在遭受特定类型攻击时维持安全功能的能力，包括攻击检测时间、响应时间和恢复时间等。-安全架构弹性指标：评估系统在部分安全组件失效或被攻破的情况下，依然维持整体安全能力的能力。-安全可信度指标：基于形式化验证结果的可靠性，综合评估系统安全属性的可信程度。标准还对各项评估指标的量化方法和评价准则进行了详细说明，为不同安全等级目标下的需求分配提供了参考框架。3.6实施案例与最佳实践标准附录中给出了若干典型的应用案例，涵盖不同核电厂堆型（如压水堆、沸水堆等）和不同安全等级仪控系统的安全架构设计场景。这些案例展示了正式安全模型在实际设计中的具体应用方法、分析过程及结果解读，为使用者提供了直观的操作参考。四、主要起草单位介绍：法国法马通公司（Framatome）4.1单位概述法马通公司（Framatome）是全球核电领域具有重要影响力的法国核电设备制造与服务供应商，前身为法国法马通核电公司（Framatome），现为法国电力集团（EDF）旗下子公司。公司在核岛设备设计制造、仪控系统集成、核燃料供应及核电站服务等领域具有世界领先的技术能力和丰富的工程经验。作为全球核电仪控系统（特别是安全级数字化仪控系统）的主要供应商之一，法马通公司在仪控安全体系结构设计方面积累了深厚的技术基础和丰富的工程实践经验。4.2在标准编制中的主要贡献法马通公司作为IEC/TC45的重要成员单位，长期深度参与核仪表与仪控系统领域的国际标准制定工作。在IECTR63415:2023的编制过程中，法马通公司发挥了核心作用：-牵头起草安全体系结构设计框架：基于其在法国及国际核电项目中积累的仪控安全体系结构设计经验，主导了标准中安全架构设计方法论的起草工作。-提供正式安全模型工程应用案例：贡献了多个基于正式方法（FormalMethods）的仪控安全体系结构设计与验证的工程实践案例，为标准中实施案例章节的编制提供了关键素材。-组织多轮技术评审与验证：负责组织对标准技术内容的多轮内部评审和工程验证，确保标准中规定方法的工程适用性和技术可行性。通过参与该标准的制定，法马通公司将其数十年来在核电仪控安全领域的工程经验和技术积累转化为国际标准成果，推动了全球核电仪控安全体系结构设计方法的标准化进程。五、标准价值与应用前景5.1对行业的指导价值IECTR63415:2023的发布，为全球核电行业仪控安全体系结构设计和评估提供了系统化、规范化的方法论框架。其核心价值体现在以下方面：提升安全设计的科学性：将形式化方法引入仪控安全体系结构设计流程，使设计决策从经验驱动向证据驱动转变，显著增强了安全设计的科学性和严谨性。增强安全评估的可信度：通过模型检测、定理证明等自动化形式化验证手段，能够在一定程度和范围内对安全属性进行穷尽性验证，有效弥补传统审查方法覆盖度不足的局限。促进国际经验共享与对标：作为IEC层面的技术报告，为各国核安全监管机构和核电企业提供了一个共同的参考框架，促进了全球核电仪控安全最佳实践的交流与传播。5.2与我国标准体系的衔接当前，我国已建立了较为完善的核电厂仪控系统安全标准体系。在网络安全领域，国家核安全局发布了《核动力厂网络安全技术政策》等指导性文件，能源行业也制定了NB/T20471等配套标准。然而，在正式安全模型的应用方面，我国尚处于起步和探索阶段。IECTR63415:2023的发布，为我国在该领域开展标准研究和制定工作提供了重要的国际参考。建议我国相关标准化技术委员会适时组织对该技术报告的翻译、消化和适用性分析，在充分评估国内核电行业实际需求和技术基础的前提下，积极推动将其转化为国家标准或行业标准，以促进正式安全模型在我国核电厂仪控安全体系结构设计中的规范化应用。5.3应用推广建议为充分发挥IECTR63415:2023的指导作用，建议行业各方从以下方面推进标准的应用实施：-加强人才培养与技能建设：正式安全模型的应用需要设计人员具备形式化方法和安全建模方面的专业知识，建议相关企业和高校加强该领域的专业人才培养和技术培训。-建设本土化工具链与平台：积极引进和开发支持正式安全建模与验证的工具平台，降低形式化方法的应用门槛，提升工程设计效率。-开展典型工程试点应用：选择有条件的在建或拟建核电项目进行试点应用，积累工程实践经验，为后续标准修订和推广提供数据支撑。-加强国际合作与学术交流：积极参与IEC/TC45相关工作组活动，跟踪国际标准最新发展动态，推动我国在该领域的经验输出和影响力提升。六、结论与展望IECTR63415:2023《核电厂仪表和控制系统仪控安全体系结构设计和评估用正式安全模型的使用》的发布，是国际核电仪控安全标准化领域的一项重要成果。该技术报告系统提出了正式安全模型在仪控安全体系结构设计中的应用框架、技术方法和评估指标体系，填补了该领域的国际标准空白，为核电行业应对日益复杂的网络安全威胁提供了科学的技术支撑。从国际标准化发展趋势来看，形式化方法在安全关键系统设计中的应用正日益受到重视。随着人工智能、数字化等新兴技术在核电领域的深入应用，仪控系统的复杂性和网络暴露面将持续增加，对安全体系结构的科学设计和严格验证提出了更高要求。可以预见，正式安全模型的应用将从当前的技术报告指导阶段，逐步向推荐性标准乃至规范性标准过渡。对我国而言，积极跟踪并参与该领域的国际标准制定，加快国内配套标准的研制步伐，对于提升我国核电仪控系统安全水平、支撑核电“走出去”战略的实施具有重要的现实意义。建议行业主管部门、标准化技术委员会和相关企业共同努力，推动正式安全模型技术在我国核电领域的深入应用，为全球核电安全发展贡献中国智慧和中国方案。参考文献[1]IECTR63415:2023,NuclearPowerPlants-Instrumentationandcontrolsystems-UseofformalsecuritymodelsforI&Csecurityarchitecturedesignandassessment[S].Geneva:InternationalElectrotechnicalCommission,2023.[2]IAEA.NuclearSecurityRecommendationsonPhysicalProtectionofNuclearMaterialandNuclearFacilities(INFCIRC/225/Revision5)[R].Vienna:Int