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摘要随着核电厂数字化仪表与控制系统（I&C系统）的广泛应用，网络安全威胁对核设施安全运行构成的挑战日益严峻。国际电工委员会于2023年8月30日正式发布IECTR63415:2023技术报告，系统定义了核电厂仪控安全体系结构设计与评估中正式安全模型的应用方法。本报告全面梳理了该标准的立项背景、编制历程、核心内容与技术特征，并重点介绍了国际电工委员会及其核电厂仪表与控制系统标准化技术委员会（IEC/TC45A）的组织架构与工作机制。该标准的发布标志着核电厂网络安全防护从传统的符合性设计向形式化验证与量化评估的范式转变，为核设施数字化安全系统的全生命周期安全管理提供了方法论支撑。本报告认为，随着核能领域数字化转型的深入推进，正式安全模型与人工智能技术的融合应用将成为未来标准演化的重点方向，我国应积极跟踪并参与相关国际标准制定工作。关键词：核电厂；仪表与控制系统；正式安全模型；网络安全；安全体系结构；IEC63415Keywords:NuclearPowerPlants;InstrumentationandControlSystems;FormalSecurityModels;CyberSecurity;SecurityArchitecture;IEC63415一、引言核电厂作为关键基础设施，其仪表与控制系统（InstrumentationandControlSystems，简称I&C系统）承担着核反应堆监控、过程控制、安全保护和事故缓解等核心功能。随着数字化技术在核工业领域的深度渗透，传统的模拟式仪表控制系统已逐步被数字化、网络化、智能化的新型系统所取代。这一演进在提升核电厂运行效率和自动化水平的同时，也引入了全新的网络安全风险维度——针对核设施的网络攻击事件在全球范围内呈上升趋势，对核安全构成了现实而紧迫的威胁。在此背景下，如何科学、系统、可验证地设计核电厂仪控安全体系结构，并在其全生命周期内开展有效的安全性评估，已成为核安全领域亟待解决的关键课题。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》正是在这一需求驱动下应运而生的国际标准技术报告。本报告对该标准的立项背景、技术内容、编制单位和应用前景进行系统梳理和分析，旨在为相关领域的技术人员、管理人员和标准化工作者提供参考。二、标准立项背景与编制历程2.1国际核安全形势与技术发展需求进入21世纪以来，全球核电行业经历了从“模拟时代”向“数字时代”的深刻转型。新建核电机组普遍采用数字化仪控平台，在役机组的数字化改造亦在持续推进。与此同时，针对能源基础设施的网络攻击事件频发——2010年“震网”病毒对伊朗核设施的定向攻击、2015年乌克兰电网遭受的网络攻击等事件，使国际社会深刻认识到工业控制系统网络安全防护的极端重要性。国际原子能机构（IAEA）在其发布的《核安全丛书》（NuclearSecuritySeries）系列文件中，明确要求成员国核设施应建立系统化的网络安全防护体系。国际电工委员会（IEC）作为全球权威的电气与电子工程标准化组织，其下设的IEC/TC45A（核电厂仪表与控制标准化技术委员会）承担着制定核设施仪控系统相关国际标准的职责。面对网络安全对核安全体系结构设计提出的新挑战，IEC/TC45A于2018年前后启动了正式安全模型在仪控安全体系结构中应用的研究工作。2.2正式安全模型的理论基础正式安全模型（FormalSecurityModel）源于形式化方法（FormalMethods）在计算机安全领域的应用和演进。其核心思想是通过数学逻辑和形式化规范语言，对安全策略、安全机制和安全属性进行精确描述与严格验证。相较于传统的经验性安全设计方法，正式安全模型具有以下显著优势：第一，精确性。形式化规范语言能够消除自然语言描述中的歧义性，使安全需求和安全策略的表述具有严格的定义和语义。第二，可验证性。基于数学推理和模型检验（ModelChecking）技术，能够对安全属性的满足性进行自动化或半自动化的严格验证，发现传统测试手段难以察觉的安全漏洞。第三，可追溯性。从安全需求到安全设计、从安全实现到安全验证，形式化方法建立了完整的需求追溯链条，确保每一层级的安全决策均有据可查。在核安全领域，安全完整性等级（SIL）和防御纵深（Defense-in-Depth）原则的落实需要严谨的系统化方法支撑，正式安全模型的应用为满足这些要求提供了技术路径。2.3标准编制历程IECTR63415的编制工作遵循IEC技术报告的制定程序。该标准的编制大致经历了以下阶段：预研阶段（2018—2019年）：IEC/TC45A成立专项工作组（Ad-hocGroup），调研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现状，识别标准化的关键议题和范围边界。草案编制阶段（2019—2021年）：在预研成果基础上，编制工作组（WorkingGroup）正式成立，起草技术报告草案。草案经过多轮内部评审和修订，内容逐步完善。委员会阶段（2022年）：草案提交IEC/TC45A各国家委员会（NationalCommittee）征求意见。各国专家提出的意见和建议经汇总后由编制工作组逐条处理，形成最终草案。批准发布阶段（2023年）：最终草案经IEC标准化管理委员会（SMB）批准后，于2023年8月30日正式发布为IECTR63415:2023技术报告。2.4标准的主要内容IECTR63415:2023系统地阐述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，核心内容涵盖以下方面：（1）安全威胁与风险评估的形式化表达。该标准提供了将核电厂仪控系统的安全威胁模型和风险评估结果转化为形式化规范语言的方法论，使安全需求具有严谨的数学表达基础。（2）安全体系结构的形式化建模方法。针对核电厂仪控系统的分层防护架构（如安全级与非安全级系统的隔离、网络安全分区等），标准给出了各类安全机制和防护措施的形式化建模技术，包括访问控制模型、信息流模型、故障树分析等形式化描述方法。（3）安全属性的验证与评估技术。标准详细介绍了基于模型检验、定理证明等形式化验证技术对仪控安全体系结构的安全属性进行验证的流程和方法，涵盖保密性（Confidentiality）、完整性（Integrity）和可用性（Availability）等核心安全属性的形式化验证。（4）案例研究与最佳实践。标准的附录部分提供了正式安全模型在典型核电厂仪控安全体系结构设计中的应用案例，展示了从安全需求分析到安全验证评估的全流程实施路径，为工程实践提供了参考。2.5与其他标准的协调关系IECTR63415作为技术报告，其在IEC核电厂仪控标准体系中处于支撑性地位。该标准与以下国际标准构成相互配套的有机整体：-IEC61513（核电厂仪表和控制系统安全重要系统的一般要求）：规定了仪控系统安全重要功能的基本要求，IECTR63415为其中安全体系结构的形式化设计与评估提供了方法论支撑。-IEC62645（核电厂仪表和控制系统安全重要系统的网络安全要求）：该标准从安全程序和安全管理的角度规定了核电厂仪控系统的网络安全要求。IECTR63415侧重于正式安全模型的应用，与IEC62645形成互为补充的关系。-IEC62859（核电厂仪表和控制系统安全与网络安全协调）：该标准解决了安全（Safety）与网络安全（Security）之间的冲突协调问题，IECTR63415为二者的统一建模和联合分析提供了技术手段。-IAEA《核安全丛书》No.17-T（核设施网络安全技术指南）：IAEA将网络安全作为核安全（NuclearSecurity）三大支柱之一，IECTR63415的技术内容是对IAEA指南的具体落实和进一步细化。三、标准发布机构与编制单位3.1国际电工委员会（IEC）国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission，简称IEC）成立于1906年，是全球成立最早的国际性电工标准化机构，负责有关电气工程和电子工程领域中的国际标准化工作。IEC总部位于瑞士日内瓦，现有83个正式成员国和附属成员国，覆盖了全球绝大部分国家。作为联合国经济社会理事会的甲级咨询组织，IEC与ISO（国际标准化组织）、ITU（国际电信联盟）共同构成了当今国际标准化的三大支柱体系。IEC的标准化工作覆盖电能生产、输配与使用、电子元器件、信息技术、轨道交通、医疗电气设备、新能源等广泛领域。截至2023年底，IEC已发布国际标准和技术报告超过10000项，其标准在促进全球贸易、保障产品安全、推动技术进步方面发挥着不可替代的作用。IEC标准在世界范围内具有广泛的认可度和权威性，被世界各国广泛采用为技术法规和国家标准的基础。3.2IEC/TC45A（核电厂仪表与控制技术委员会）IEC/TC45A是IEC下设的专门负责核电厂仪表与控制系统标准化的技术委员会，全称为“核电厂仪表与控制”（NuclearPowerPlants-InstrumentationandControl）。该技术委员会的前身可追溯至20世纪60年代成立的IEC/TC45（核仪表技术委员会），后根据核电行业标准化需求的细分，于90年代重组形成了覆盖核反应堆仪表、辐射防护仪表和核电厂仪控系统的多个分技术委员会与工作组。IEC/TC45A的主要职责是制定核电厂仪表与控制系统领域的国际标准和技术报告，其标准范围涵盖：-核电厂安全重要仪控系统的设计、验证和评估；-仪控系统的分类与分级（如安全级、非安全级）；-仪控系统的环境条件、电磁兼容性和可靠性要求；-仪控系统的网络安全与信息安全；-数字化仪控系统的软件工程与确认验证（V&V）；-仪控系统在老化管理、延寿运行和改造升级中的技术要求。IEC/TC45A的成员来自各成员国的国家委员会指派专家，他们在核工程、仪控设计、安全评估、软件工程等领域具有深厚的专业背景和丰富的工程实践经验。TC45A下设多个工作组（WorkingGroup）和项目组（ProjectTeam），其中负责网络安全标准的专项工作组是推动IECTR63415编制的主要力量。3.3IECTR63415的编制贡献单位在本标准的编制过程中，来自多个国家的核电技术力量发挥了重要作用。其中，法国作为全球核电大国，其国内核工业界和标准化机构在IEC/TC45A中一直扮演着领导者角色。法国电力集团（EDF）及其下属的研究机构、法国原子能和替代能源委员会（CEA）、法国辐射防护与核安全研究所（IRSN）等机构长期参与TC45A的各项标准制定工作，在核电厂仪控安全评估和形式化方法的应用方面积累了丰富经验，对本标准的编制做出了重要贡献。德国、美国、日本、韩国、俄罗斯等核电国家也在标准编制过程中积极参与，贡献了各自在核安全形式化评估和网络安全防护方面的技术经验。中国的国家标准化管理委员会（SAC）作为IEC中国国家委员会，也通过选派专家参与工作组讨论的方式跟踪和参与了本标准的制定进程。四、标准的技术创新与应用价值4.1技术创新的核心维度IECTR63415的技术创新可归纳为以下三个核心维度：方法论维度的突破。该标准首次在国际标准层面系统提出了“正式安全模型驱动的核电厂仪控安全体系结构设计”方法论框架。这一框架将传统上更多应用于学术界的形式化验证技术，转化为工程实践中可操作的标准流程，弥合了学术研究与工程应用之间的鸿沟。安全评估范式的演进。该标准推动了核电厂仪控系统安全评估从“审核式评估”向“验证式评估”的范式演进。传统的安全评估多依赖于评审组对设计文档的逐项审查，评估结论带有较强的主观性。IECTR63415引入的正式安全模型为评估工作提供了数学化的判定依据，使评估结论更具客观性和可重复性。全生命周期覆盖的实施路径。该标准将正式安全模型的应用贯穿于仪控安全体系结构从概念设计、详细设计、实现部署到运行维护的全生命周期，体现了核安全领域“纵深防御”原则在方法论层面的落实。4.2工程应用价值IECTR63415的工程应用价值体现在多个层面：对于核电厂业主和运营商而言，该标准为仪控安全体系结构的设计优化和网络安全防护能力的验证提供了系统化的方法论工具，有助于增强新建机组和在役机组数字化改造中网络安全防护措施的科学性和有效性。对于仪控系统供应商和工程总包单位而言，该标准为其安全体系结构设计方案的合理性提供了更充分的论证手段，有助于缩短安全评审周期、降低返工风险，提升工程效率。对于核安全监管机构而言，该标准的应用为安全审评提供了参考依据，特别是对于新建核电机组安全级仪控系统的网络安全设计审评，正式安全模型的使用将显著提升审评的技术深度和判定精度。4.3国际标准化合作的拓展空间在当前全球核安全形势日趋复杂、核能领域数字化转型加速的背景下，IECTR63415的发布具有重要的时代意义。一方面，它为世界各核电国家在仪控网络安全领域的技术交流与合作提供了共享的技术语言和评估基准；另一方面，它也为未来该领域的标准深化发展奠定了坚实基础——可以预见，随着人工智能技术在网络安全防护中的广泛应用，正式安全模型与AI安全机制的融合验证将成为下一阶段IEC国际标准制定的重要方向。五、主要编制单位介绍5.1法国电力集团（EDF）法国电力集团（ÉlectricitédeFrance，简称EDF）是法国最大的国有企业，也是全球最大的核电运营商之一。EDF运营着法国境内56座核电机组，总装机容量超过61吉瓦（GW），供应法国约70%的电力需求。作为世界核电领域的标杆企业，EDF在核电厂设计、运营、维护和标准化方面积累了深厚的技术积淀，其技术标准和安全理念对全球核电行业具有广泛的影响。EDF长期以来深度参与IEC/TC45A的各项标准化工作，特别是在仪控系统安全分级、数字化仪控平台的验证与确认、网络安全防护等技术方向发挥了引领作用。EDF设有专门的标准化部门和安全研究团队，负责跟踪和介入国际标准的制定全过程，确保标准的技术内容能够反映最新的工程实践和研究成果。在IECTR63415的编制过程中，EDF旗下的研发部门（EDFR&D）和工程部门（EDFDIPNN）分别贡献了形式化方法在安全验证中的应用经验以及工程实践中安全体系结构设计的最佳实践。EDF在法国核电机组的分布式控制系统（DCS）平台的安全评估中率先应用了正式安全模型技术，为本标准提供了丰富的案例素材和实践验证。5.2其他重要编制贡献方除EDF外，以下机构也在标准编制中发挥了重要作用：法国原子能和替代能源委员会（CEA）：CEA作为法国政府的核科学技术研究机构，在形式化方法的基础研究和工具开发方面拥有世界领先的科研能力，其下属的网络安全实验室（LSI）长期从事工业控制系统安全的形式化验证研究。法国辐射防护与核安全研究所（IRSN）：IRSN作为法国核安全技术支撑机构，在安全审评方法的研究和工具开发方面积累了丰富经验。IRSN在正式安全模型的标准适用性和监管可接受性方面提供了专业支撑。德国弗朗霍夫协会（Fraunhofer-Gesellschaft）：德国研究机构在自动化与形式化验证领域的技术积累为本标准的某些技术细节提供了补充支持。六、结论与展望IECTR63415:2023的发布，是核电厂仪控系统网络安全标准化历程中的一个重要里程碑。该标准首次在国际层面系统构建了正式安全模型在核电厂仪控安全体系结构设计与评估中的应用框架，标志着核安全领域网络安全防护方法论的一次重要跃升——从依赖专家经验的规范性设计走向基于数学验证的形式化设计，从定性评估走向定性与定量相结合的精确评估。从技术发展的视角看，正式安全模型在核电厂仪控安全领域的应用仍处于早期阶段，未来还有巨大的拓展空间。随着人工智能和机器学习技术在核设施中的应用日益广泛，如何将AI组件的安全性纳入形式化建模和验证的框架之中，将成为IEC/TC45A下一阶段标准制定的重点方向之一。同时，数字化仪控系统在小型模块化反应堆（SMR）和先进反应堆设计中的应用，也对安全体系结构的标准化设计提出了新的需求。从标准化工作的视角看，我国作为全球核电建设规模最大的国家，在核电厂仪控系统网络安全领域的标准研究和应用方面有着迫切的实践需求。建议我国相关部门和研究机构：一是密切跟踪IECTR63415及其配套标准的后续发展动向，及时做好国际标准的转化和本地化应用工作；二是加强形式化方法在核安全关键系统中的应用研究，培养具有形式化验证能力的专业人才队伍；三是积极参与IEC/TC45A的相关国际标准制定活动，贡献中国智慧和中国方案，提升我国在核安全标准化领域的国际话语权。参考文献[1]IECTR63415:2023,NuclearPowerPlants-InstrumentationandControlSystems-UseofFormalSecurityModelsforI&CSecurityArchitectureDesignandAssessment[S].Geneva:InternationalElectrotechnicalCommission,2023.[2]IEC61513:2011,NuclearPowerPlan