吳琦，劉元安，聞?dòng)臣t，趙明敏，王衛(wèi)民，張金寶，蘇東林

（1.北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100191；2.北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，北京 100876；3.北京交通大學(xué)詹天佑學(xué)院，北京 100044；4.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192）

一、前言

重大基礎(chǔ)設(shè)施與國(guó)家現(xiàn)代化建設(shè)和運(yùn)行密切相關(guān)，若遭到破壞將對(duì)社會(huì)安全、經(jīng)濟(jì)安全、國(guó)防安全產(chǎn)生重大影響，因而基礎(chǔ)設(shè)施安全問(wèn)題成為國(guó)家安全的核心要素之一[1～4]。當(dāng)前，重大基礎(chǔ)設(shè)施的信息化、網(wǎng)絡(luò)化水平不斷提升，總體架構(gòu)變化明顯；傳感、通信、控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等低壓/弱電分系統(tǒng)在重大基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)營(yíng)及管理中的作用越發(fā)明顯，一旦受到干擾和破壞，直接危及基礎(chǔ)設(shè)施安全甚至社會(huì)安全與穩(wěn)定。國(guó)家重大基礎(chǔ)設(shè)施面臨強(qiáng)電磁脈沖的潛在威脅，已逐漸成為各方共識(shí)。強(qiáng)電磁脈沖主要分為核電磁脈沖、非核電磁脈沖，都對(duì)電力、高速鐵路、通信等重大基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成威脅。近年來(lái)，非核電磁脈沖生成技術(shù)發(fā)展迅速并接近實(shí)用化，成為重大基礎(chǔ)設(shè)施安全方面的潛在威脅。

重大基礎(chǔ)設(shè)施具備多層次的連接關(guān)系，具有復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的基本特征，早期研究主要關(guān)注設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及特征。我國(guó)110 kV及以上高壓電網(wǎng)具有較大的聚集系數(shù)、較小的路徑長(zhǎng)度，屬于小世界網(wǎng)絡(luò)[5]；我國(guó)高速鐵路網(wǎng)絡(luò)擁有一些關(guān)鍵集散節(jié)點(diǎn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)安全起著關(guān)鍵作用，具有無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)特征[6,7]。因此，重大基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)通常體現(xiàn)為小世界、無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)特征，對(duì)隨機(jī)故障、非關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)破壞具有較好的抵抗力，但面臨較大范圍的有意破壞或關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)故障時(shí)容易產(chǎn)生級(jí)聯(lián)失效，從而引發(fā)大規(guī)模故障[8～10]。我國(guó)學(xué)者在重大基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面開(kāi)展了系統(tǒng)研究，就彈性電力系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃提出了具體建議[4,11]。在重大基礎(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)電磁脈沖作用數(shù)值仿真、局部節(jié)點(diǎn)防護(hù)加固、局部節(jié)點(diǎn)強(qiáng)電磁脈沖輻照試驗(yàn)等方面具有一定基礎(chǔ)[12～16]，為實(shí)施重大基礎(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)工程提供了必要的基礎(chǔ)條件。

本文以我國(guó)重大基礎(chǔ)設(shè)施的非核強(qiáng)電磁脈沖威脅為研究切入點(diǎn)，總結(jié)發(fā)達(dá)國(guó)家重大基礎(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，剖析我國(guó)在本領(lǐng)域的短板與瓶頸，以利于運(yùn)用后發(fā)優(yōu)勢(shì)，科學(xué)高效地解決我國(guó)在此領(lǐng)域的重大安全隱患及風(fēng)險(xiǎn)；力求從系統(tǒng)工程的視角論述實(shí)施強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)的需求意義、發(fā)展現(xiàn)狀、面臨的問(wèn)題、關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)而提出實(shí)施重大基礎(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)基本策略。

二、重大基礎(chǔ)設(shè)施非核強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)的概念內(nèi)涵與重大需求

（一）重大基礎(chǔ)設(shè)施非核強(qiáng)電磁脈沖的防護(hù)概念

重大基礎(chǔ)設(shè)施指關(guān)乎國(guó)計(jì)民生、社會(huì)運(yùn)行、國(guó)家安全的大型設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，主要涉及電力、交通、通信、金融等核心領(lǐng)域。各類(lèi)重大基礎(chǔ)設(shè)施相互支撐，形成緊密交織的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。部分設(shè)施節(jié)點(diǎn)的失效容易產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，難以快速恢復(fù)功能。世界強(qiáng)國(guó)重視重大基礎(chǔ)設(shè)施安全問(wèn)題，甚至成立了專(zhuān)門(mén)機(jī)構(gòu)進(jìn)行管理。

強(qiáng)電磁脈沖指瞬態(tài)、高能量密度的電磁場(chǎng)與電磁波，具有瞬時(shí)功率大（峰值功率達(dá)吉瓦級(jí)）、峰值場(chǎng)強(qiáng)高（數(shù)萬(wàn)伏/米）、組合波形多變（如窄帶、寬帶、超寬帶、有載波、無(wú)載波等）、頻譜范圍寬（數(shù)兆赫茲至數(shù)十千兆赫茲，見(jiàn)圖1）等特征。高功率微波發(fā)生器、電磁脈沖發(fā)生器等技術(shù)裝置發(fā)展迅速，投放形式拓展至機(jī)載、彈載、車(chē)載、便攜式；甚至一些簡(jiǎn)易裝置都能產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁脈沖，對(duì)重大基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成現(xiàn)實(shí)威脅。

圖1 強(qiáng)電磁脈沖的典型頻譜特征

以高速鐵路列車(chē)為例，闡述重大基礎(chǔ)設(shè)施可能面臨的強(qiáng)電磁脈沖威脅（見(jiàn)圖2）。高速鐵路列車(chē)控制系統(tǒng)主要由車(chē)載設(shè)備、地面設(shè)備組成，通過(guò)鐵路專(zhuān)用移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM-R）實(shí)現(xiàn)車(chē)地雙向數(shù)據(jù)通信；為了向列車(chē)提供控制信號(hào)傳輸通道，高速鐵路通信信號(hào)系統(tǒng)需在設(shè)備之間提供開(kāi)放的無(wú)線或電氣接口[17,18]。這些接口是強(qiáng)電磁脈沖進(jìn)入高速鐵路通信信號(hào)系統(tǒng)的重要耦合通道，在強(qiáng)電磁脈沖作用下列車(chē)控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)損壞而引發(fā)故障并影響系統(tǒng)正常運(yùn)行?！督煌◤?qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》（2019 年）提出，我國(guó)將統(tǒng)籌開(kāi)發(fā)時(shí)速600 千米級(jí)的高速磁懸浮系統(tǒng)、時(shí)速400 千米級(jí)的高速鐵路。在列車(chē)運(yùn)行速度進(jìn)一步提升后，對(duì)列車(chē)控制系統(tǒng)的抗干擾能力尤其是抗強(qiáng)電磁脈沖威脅能力將提出新的更高要求。

圖2 高速鐵路列車(chē)控制系統(tǒng)電磁干擾路徑示意圖

（二）重大基礎(chǔ)設(shè)施非核強(qiáng)電磁脈沖的防護(hù)需求

1.保障國(guó)家電磁域安全

國(guó)家日益重視電磁域安全，將之列為國(guó)家安全的核心要素之一并在《中華人民共和國(guó)國(guó)防法》中予以體現(xiàn)。重大基礎(chǔ)設(shè)施保護(hù)工作逐步規(guī)范，《關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施安全保護(hù)條例》將信息基礎(chǔ)設(shè)施納入重點(diǎn)保護(hù)范圍?！丁笆奈濉眹?guó)家應(yīng)急體系規(guī)劃》提出了應(yīng)急通信、應(yīng)急管理信息化建設(shè)的重點(diǎn)工程，以全面提升我國(guó)應(yīng)急通信資源調(diào)度與綜合應(yīng)用能力。

當(dāng)前，我國(guó)針對(duì)重大基礎(chǔ)設(shè)施安全采取的防護(hù)措施集中在硬件實(shí)體安全、信息網(wǎng)絡(luò)安全方面，而電磁域安全尚未明確規(guī)劃。重大基礎(chǔ)設(shè)施的電磁域威脅“看不見(jiàn)、摸不著”，概念相對(duì)抽象、易被各方忽視，存在被他方惡意利用的風(fēng)險(xiǎn)。惡意的強(qiáng)電磁脈沖攻擊沒(méi)有明顯征兆，已經(jīng)布局的電磁頻譜監(jiān)測(cè)站點(diǎn)缺乏有效的電磁脈沖監(jiān)測(cè)手段，可能無(wú)法對(duì)各類(lèi)強(qiáng)電磁脈沖事件進(jìn)行有效取證。各類(lèi)重大基礎(chǔ)設(shè)施因缺乏有效的非核強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證而具有脆弱性，在特殊情況下可能使我國(guó)陷入“吃啞巴虧”的不利境地。因此，需要系統(tǒng)謀劃并積極實(shí)施重大基礎(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)措施，有助于扭轉(zhuǎn)不利局面并保障重大基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行安全。

2.應(yīng)對(duì)趨于嚴(yán)峻的非核強(qiáng)電磁脈沖威脅態(tài)勢(shì)

高空核電磁脈沖（HEMP）對(duì)重大基礎(chǔ)設(shè)施的威脅為專(zhuān)業(yè)人士所熟知。20 世紀(jì)60 年代外國(guó)開(kāi)展的一系列高空核武器試驗(yàn)，產(chǎn)生的強(qiáng)電磁脈沖影響了數(shù)千千米范圍內(nèi)的電力傳輸線，造成通信、廣播、交通等系統(tǒng)的大面積受損?！恫粩U(kuò)散核武器條約》生效后，世界強(qiáng)國(guó)的關(guān)注點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向非核強(qiáng)電磁脈沖。

利用微波技術(shù)，可在重大基礎(chǔ)設(shè)施局部產(chǎn)生強(qiáng)電磁脈沖，在一定距離內(nèi)干擾各類(lèi)低壓/弱電設(shè)備，甚至在物理上燒毀重要的電子信息設(shè)備；高功率微波技術(shù)及其武器化方面發(fā)展迅猛，生成方式、作用機(jī)制等已有重大革新[19～22]。大功率微波源不斷發(fā)展，最高載頻達(dá)數(shù)十吉赫茲，形成了常規(guī)真空器件、相對(duì)論器件、固態(tài)電子器件等大類(lèi)（見(jiàn)圖3）。其中，相對(duì)論器件峰值輸出功率很高（可達(dá)數(shù)十吉瓦量級(jí)）；常規(guī)真空器件帶寬和功率選擇靈活，多個(gè)器件還可以進(jìn)行空間功率合成，峰值功率可到百兆瓦量級(jí)或更高；已經(jīng)涌現(xiàn)出了一些構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低廉的非核強(qiáng)電磁脈沖發(fā)生裝置，潛在應(yīng)用更為靈活。非核強(qiáng)電磁脈沖攻擊事先難以預(yù)防管控，損失難以快速恢復(fù)，已成為重大基礎(chǔ)設(shè)施面臨的現(xiàn)實(shí)威脅。

圖3 大功率微波源的分類(lèi)

3.合理提升公眾對(duì)電磁安全的認(rèn)知水平與危機(jī)意識(shí)

地震、火災(zāi)等災(zāi)害防范的成功經(jīng)驗(yàn)表明，相關(guān)自救知識(shí)的宣傳與演習(xí)，可以有效防止因公眾慌亂情緒而致的次生傷害及損失。為此，北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院就重大基礎(chǔ)設(shè)施電磁安全課題開(kāi)展了社會(huì)問(wèn)卷調(diào)查（2021 年），用于調(diào)研社會(huì)公眾對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的了解情況，促進(jìn)電磁安全相關(guān)知識(shí)的社會(huì)普及。問(wèn)卷調(diào)查共獲取有效樣本1060 份，涵蓋高校、企業(yè)、科研院所等，整體上被調(diào)查者的學(xué)歷層次較高。然而，僅約1/3 的被調(diào)查者了解“7·23 甬溫線事故”源自雷擊效應(yīng)，不到1/5 的被調(diào)查者了解美加大停電（2003 年）源自地磁擾動(dòng)（GMD）引發(fā)的變電器故障?？梢钥闯?，社會(huì)公眾對(duì)重大基礎(chǔ)設(shè)施面臨的強(qiáng)電磁脈沖威脅問(wèn)題的認(rèn)識(shí)水平整體偏低。

值得指出的是，問(wèn)卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)被調(diào)查者對(duì)電磁引發(fā)的重大基礎(chǔ)設(shè)施故障容忍度很低：約5.5%的被調(diào)查者能夠接受3 h 以上的高速鐵路延誤；約8.5%的被調(diào)查者能接受3 h以上的停電；約5.1%的被調(diào)查者能接受3 h 以上的通信中斷，而69.2%的被調(diào)查者不能接受任何時(shí)長(zhǎng)的通信中斷。相關(guān)結(jié)果表明，社會(huì)公眾對(duì)電磁域威脅了解甚少，對(duì)可能引發(fā)的重大基礎(chǔ)設(shè)施故障難以接受；在普遍缺乏心理準(zhǔn)備的情況下，一旦發(fā)生相關(guān)故障，極有可能引發(fā)輿論和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)。

三、國(guó)外在重大基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)方面的戰(zhàn)略布局

（一）發(fā)布國(guó)家政策

美國(guó)在世界上率先啟動(dòng)重大基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)工作。美國(guó)國(guó)會(huì)電磁脈沖委員會(huì)2001年正式成立，推動(dòng)了覆蓋廣泛的理論分析和試驗(yàn)研究；2008 年發(fā)布了10 類(lèi)重大基礎(chǔ)設(shè)施面臨的強(qiáng)電磁脈沖威脅與防護(hù)建議。2017年，美國(guó)國(guó)會(huì)完成電磁脈沖委員會(huì)重組，以全面推動(dòng)強(qiáng)電磁脈沖對(duì)政治、經(jīng)濟(jì)、軍事等領(lǐng)域的影響研究；完成了體系性的研究工作，對(duì)后續(xù)科學(xué)研究深化、國(guó)家戰(zhàn)略制定極具參考價(jià)值。

在電磁脈沖委員會(huì)的倡議下，美國(guó)國(guó)會(huì)通過(guò)了《關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施保護(hù)法》（2015 年）。2019 年，有關(guān)重大基礎(chǔ)設(shè)施電磁安全的總統(tǒng)政策指令要求，加強(qiáng)并維護(hù)重大基礎(chǔ)設(shè)施安全、運(yùn)行、彈性恢復(fù)等能力；美國(guó)據(jù)此進(jìn)入了強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)的戰(zhàn)略實(shí)施階段。美國(guó)能源部發(fā)布的《電磁脈沖彈性行動(dòng)計(jì)劃》（2017 年）提出，提高對(duì)強(qiáng)電磁脈沖威脅、效應(yīng)、影響的認(rèn)識(shí)水平，定位重點(diǎn)關(guān)鍵設(shè)施，開(kāi)展電磁防護(hù)技術(shù)測(cè)試。美國(guó)國(guó)土安全部發(fā)布的《防范電磁脈沖和地磁擾動(dòng)威脅的應(yīng)對(duì)戰(zhàn)略》（2020 年）指出，需要提升電磁相關(guān)事件的快速響應(yīng)與有效恢復(fù)能力；將16類(lèi)基礎(chǔ)設(shè)施納入保護(hù)范圍并指定各類(lèi)基礎(chǔ)設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)管理機(jī)構(gòu)，從而更好落實(shí)重大基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的安全工作。

（二）制定產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

目前，對(duì)于重大基礎(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)，美國(guó)工業(yè)界仍處于分析和觀望階段。其中，電力行業(yè)相對(duì)領(lǐng)先，針對(duì)GMD威脅制定了兩套行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。北美電力可靠性公司的TPL-007-1 標(biāo)準(zhǔn)要求，負(fù)責(zé)輸電的電力公司以百年一遇級(jí)GMD 事件為基準(zhǔn)，評(píng)估輸電系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)并制定相應(yīng)的生產(chǎn)計(jì)劃。EOP-101-1行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，電力部門(mén)優(yōu)化作業(yè)計(jì)劃、生產(chǎn)流程、辦事程序，確保降低GMD事件的影響。美國(guó)電力公司之間依據(jù)協(xié)定，可以共享變壓器和其他關(guān)鍵設(shè)備以提高電力系統(tǒng)的恢復(fù)能力。電力部門(mén)協(xié)調(diào)委員會(huì)聯(lián)合其他關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施管理部門(mén)，共同制定了《變壓器應(yīng)急運(yùn)輸指導(dǎo)法案》，在緊急情況下可通過(guò)鐵路、公路、水路等方式，快速開(kāi)展大型閑置變壓器設(shè)備的調(diào)配與部署。截至目前，重大基礎(chǔ)設(shè)施的非核強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)要求還沒(méi)有納入相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

鑒于重大基礎(chǔ)設(shè)施的普及性和特殊性，宜采用分級(jí)防護(hù)方式實(shí)施保護(hù)，以獲得較佳的效費(fèi)比。根據(jù)重大基礎(chǔ)設(shè)施允許的失效時(shí)長(zhǎng)，可將強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)等級(jí)分為[23]：級(jí)別一，允許長(zhǎng)時(shí)間服務(wù)中斷；級(jí)別二，允許服務(wù)中斷數(shù)小時(shí)；級(jí)別三，允許服務(wù)中斷數(shù)分鐘；級(jí)別四，允許服務(wù)中斷數(shù)秒鐘。①級(jí)別一的關(guān)鍵點(diǎn)之一是確保值班人員擁有備用電源、食品、水及其他必要供應(yīng)，以運(yùn)行和維護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)。②級(jí)別二需要在電源線、數(shù)據(jù)線、天線端增加電磁脈沖濾波器、電涌放電器等防護(hù)器件，無(wú)需昂貴的電磁屏蔽室，是成本效益較好的防護(hù)方法。③級(jí)別三通常需要電磁屏蔽機(jī)架、電磁屏蔽室。④級(jí)別四適用于直接關(guān)乎生命和財(cái)產(chǎn)安全的基礎(chǔ)設(shè)施（如核電站、醫(yī)療生命支持系統(tǒng)、空中交通管制系統(tǒng)、高速鐵路控制系統(tǒng)等），建議高頻電磁脈沖的屏蔽效果應(yīng)達(dá)到在10 GHz 范圍內(nèi)提供80 dB的保護(hù)[23]。

（三）注重基礎(chǔ)研究

美國(guó)高度重視HEMP、GMD 對(duì)重大基礎(chǔ)設(shè)施的災(zāi)難性破壞作用。美國(guó)國(guó)會(huì)電磁脈沖委員會(huì)研究了強(qiáng)電磁脈沖干擾對(duì)10類(lèi)基礎(chǔ)設(shè)施造成的風(fēng)險(xiǎn)，認(rèn)為能源和通信基礎(chǔ)設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最高[1]。為此，美國(guó)能源部啟動(dòng)了“電網(wǎng)強(qiáng)電磁脈沖作用與防護(hù)研究項(xiàng)目”（2016年），從威脅特征分析、電磁易損性、試驗(yàn)?zāi)M、防護(hù)加固等方面開(kāi)展研究；基礎(chǔ)設(shè)施的電磁防護(hù)具有高度復(fù)雜性和多學(xué)科交叉融合特點(diǎn)，相關(guān)研究主要依托橡樹(shù)嶺、洛斯·阿拉莫斯、愛(ài)達(dá)荷等國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行[24]。美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室分析了電網(wǎng)設(shè)施在HEMP作用下的損毀效應(yīng)統(tǒng)計(jì)規(guī)律[25]；開(kāi)發(fā)了基于氮化鎵材料、響應(yīng)速度為亞納秒級(jí)的瞬態(tài)抑制二極管，擊穿電壓達(dá)6 kV[26]。這些結(jié)果表明，美國(guó)在電網(wǎng)強(qiáng)電磁脈沖作用及防護(hù)方面走在世界前列。

歐盟通過(guò)第七框架計(jì)劃資助了重大基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)方面的研究，如高功率微波威脅防護(hù)、重大設(shè)施電磁攻擊防護(hù)策略、鐵路應(yīng)對(duì)電磁攻擊安全防護(hù)，重點(diǎn)關(guān)注高功率微波武器產(chǎn)生的強(qiáng)電磁脈沖威脅[27,28]。

（四）加強(qiáng)應(yīng)急管理與培訓(xùn)

為了提升社會(huì)公眾對(duì)重大基礎(chǔ)設(shè)施可能面臨安全威脅的認(rèn)知，美國(guó)政府開(kāi)展了大量的應(yīng)急響應(yīng)工作。GridEx演習(xí)每?jī)赡昱e行一次，以強(qiáng)化行業(yè)對(duì)重大基礎(chǔ)設(shè)施故障的處置能力為目標(biāo)，確保事故發(fā)生時(shí)能夠有序應(yīng)對(duì)；不僅能夠提高電力公司、管理部門(mén)的聯(lián)合應(yīng)對(duì)能力，也有利于緩解社會(huì)公眾在重大事故發(fā)生時(shí)的慌亂情緒。例如，2021 年11 月舉辦的GridEx Ⅵ演習(xí)，設(shè)定了“在面對(duì)來(lái)自敵對(duì)國(guó)家支持的協(xié)調(diào)攻擊時(shí)，發(fā)揮北美電力系統(tǒng)的彈性”目標(biāo)，超過(guò)450 個(gè)組織，來(lái)自電力行業(yè)、管理部門(mén)、專(zhuān)門(mén)機(jī)構(gòu)的6500余人參加了演習(xí)。這表明，美國(guó)已經(jīng)將有組織的惡意攻擊納入重大基礎(chǔ)設(shè)施的管理范圍。

四、重大基礎(chǔ)設(shè)施非核強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)分析

電磁防護(hù)指消除強(qiáng)電磁輻射對(duì)信息化系統(tǒng)干擾或損傷的技術(shù)手段，構(gòu)成保障重大基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)效能及生命力的理論基礎(chǔ)?；A(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)需要解決政策、管理、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、效益等諸多問(wèn)題。我國(guó)在此領(lǐng)域的技術(shù)研究方面起步明顯偏晚、認(rèn)識(shí)普遍不深，更是需要組織力量、集中資源，扎實(shí)開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)并盡快取得突破。

（一）強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)正向設(shè)計(jì)技術(shù)

重大基礎(chǔ)設(shè)施普遍涉及芯片、電路、模塊等基礎(chǔ)器件/設(shè)備，在強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境下呈現(xiàn)電磁易損特點(diǎn)，出現(xiàn)的錯(cuò)誤和損毀效應(yīng)還可能在設(shè)施網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳播，開(kāi)展防護(hù)工作難度極大。從各類(lèi)裝備的系統(tǒng)級(jí)電磁兼容及防護(hù)研制經(jīng)驗(yàn)看，實(shí)現(xiàn)重大基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)能力依賴(lài)正向設(shè)計(jì)技術(shù)，主要內(nèi)容包括：①電磁防護(hù)指標(biāo)體系，即電磁防護(hù)論證、設(shè)計(jì)與試驗(yàn)指標(biāo)體系；②電磁防護(hù)仿真模型，形成高保真度的系統(tǒng)模型和電磁效應(yīng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)；③電磁防護(hù)設(shè)計(jì)方法，解決電磁頂層指標(biāo)分配問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)；④電磁防護(hù)正向設(shè)計(jì)軟件，圍繞重大基礎(chǔ)設(shè)施電磁防護(hù)需求，自主開(kāi)發(fā)正向設(shè)計(jì)工具，形成設(shè)計(jì)方案并開(kāi)展模型驗(yàn)證。

（二）設(shè)施級(jí)強(qiáng)電磁脈沖等效試驗(yàn)評(píng)估技術(shù)

重大基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)具有超廣域分布特性，強(qiáng)電磁脈沖與其作用的機(jī)理及規(guī)律尚未完全摸清，破壞性試驗(yàn)難以在真實(shí)的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)上開(kāi)展。等效試驗(yàn)評(píng)估技術(shù)用于解決上述難題，主要內(nèi)容包括：①電磁脈沖端口耦合特性，形成大型系統(tǒng)電磁易損性效應(yīng)模型、效果評(píng)估模型建模技術(shù)；②電磁脈沖在設(shè)施網(wǎng)絡(luò)中的傳播動(dòng)力學(xué)，辨識(shí)電磁脈沖在電磁拓?fù)鋬?nèi)的能量耦合規(guī)律，突破基于傳播動(dòng)力學(xué)的建模技術(shù)；③電磁脈沖的高效生成與注入，發(fā)展在時(shí)間/空間/頻率/能量等各域的精確縮比模型構(gòu)建方法，實(shí)現(xiàn)電磁脈沖效應(yīng)的等效驗(yàn)證。

（三）超廣域強(qiáng)電磁脈沖威脅監(jiān)測(cè)與預(yù)警

重大基礎(chǔ)設(shè)施遍布全國(guó)各地，構(gòu)成了超廣域、多層次的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)；強(qiáng)電磁脈沖作用于基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)時(shí)不留痕跡，造成設(shè)施故障時(shí)不容易厘清源頭，難以形成有效的故障修復(fù)方案。構(gòu)建高效能、低成本的電磁脈沖威脅監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，是解決上述問(wèn)題的亟需方案，主要內(nèi)容包括：①電磁脈沖監(jiān)測(cè)，突破低成本、小型化電磁脈沖拾取天線、采集電路、存儲(chǔ)方法；②電磁脈沖智能識(shí)別，辨識(shí)典型強(qiáng)電磁脈沖信號(hào)特征，形成智能化電磁脈沖識(shí)別分析能力；③廣域電磁數(shù)據(jù)處理，通過(guò)分布式/集中式相結(jié)合的廣域物聯(lián)網(wǎng)等方式，形成廣域電磁脈沖態(tài)勢(shì)監(jiān)測(cè)能力；④電磁脈沖威脅預(yù)警，構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施威脅預(yù)警信息傳遞及共享機(jī)制，引入人工智能、大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)等技術(shù)，提升電磁脈沖威脅預(yù)警能力。

五、我國(guó)重大基礎(chǔ)設(shè)施非核強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

（一）研究力量較為分散

我國(guó)在重大基礎(chǔ)設(shè)施電磁安全領(lǐng)域的科學(xué)研究工作相對(duì)分散，缺乏專(zhuān)門(mén)從事電磁安全研究的科研機(jī)構(gòu)，尚未建立相關(guān)領(lǐng)域人才培育的學(xué)科體系，國(guó)家層面的重大科技項(xiàng)目布局剛剛起步。正是由于缺少專(zhuān)門(mén)從事電磁安全研究的國(guó)家級(jí)科研機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致在重大基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力存在較大不足，設(shè)計(jì)手段、試驗(yàn)評(píng)估、決策輔助等方面的短板尤為明顯。重大基礎(chǔ)設(shè)施電磁安全正向設(shè)計(jì)軟件、電磁安全試驗(yàn)評(píng)估理論方法、設(shè)施設(shè)備電磁安全數(shù)據(jù)庫(kù)、關(guān)鍵電路芯片電磁安全模型庫(kù)等，多為空白或存在嚴(yán)重不足。

目前，我國(guó)的行業(yè)研究院牽頭開(kāi)展了一些重大基礎(chǔ)設(shè)施的雷電脈沖防護(hù)技術(shù)研究，如中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司、中國(guó)信息通信研究院、中國(guó)通號(hào)研究設(shè)計(jì)院等為提升電力、通信、高速鐵路等領(lǐng)域的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)水平做出了積極貢獻(xiàn)。然而，行業(yè)研究院在電磁安全領(lǐng)域配置人員嚴(yán)重不足，加之相關(guān)業(yè)務(wù)不屬于主要工作職責(zé)，因而往往無(wú)法在本領(lǐng)域的基礎(chǔ)性、前瞻性研究中投入足夠力量。

已有的國(guó)際經(jīng)驗(yàn)表明，以國(guó)家實(shí)驗(yàn)室為核心組建“產(chǎn)學(xué)研用”一體化研究力量體系，是解決重大基礎(chǔ)設(shè)施電磁安全科學(xué)技術(shù)問(wèn)題的有效途徑。相比之下，我國(guó)在重大基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)方面投入不足，多學(xué)科/多領(lǐng)域協(xié)同攻關(guān)、關(guān)鍵軟硬件自主研發(fā)、重大工程實(shí)施管理等仍有較大提升空間，不足以支撐高度復(fù)雜、廣域異構(gòu)的重大基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)實(shí)際需要。

（二）核心防護(hù)器件相較國(guó)際一流水平有差距

核心防護(hù)器件是支撐重大基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)的“基礎(chǔ)”，在實(shí)施基礎(chǔ)設(shè)施防護(hù)工程實(shí)踐中的費(fèi)用占比較高。未來(lái)產(chǎn)值規(guī)模發(fā)展?jié)摿捎^且科技含量較高，是國(guó)家適宜大力拓展的產(chǎn)業(yè)方向。我國(guó)在此方向擁有一定的技術(shù)儲(chǔ)備，可加強(qiáng)頂層規(guī)劃和資源整合以取得較快發(fā)展。

核心防護(hù)器件可分為多個(gè)等級(jí)（見(jiàn)圖4），相應(yīng)的電磁防護(hù)能力應(yīng)逐級(jí)提升，即滿足下一層次的電磁防護(hù)層級(jí)時(shí)應(yīng)自動(dòng)滿足上一層次的電磁防護(hù)能力。①等級(jí)一主要面向基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵部件和備件的存儲(chǔ)，防止各類(lèi)強(qiáng)電磁脈沖影響電磁易損器件安全。②等級(jí)二是提升重大基礎(chǔ)設(shè)施電磁安全能力的高效類(lèi)別，包含浪涌防護(hù)、濾波防護(hù)、不間斷電源等，可作為未來(lái)我國(guó)著重提升的產(chǎn)業(yè)內(nèi)容。③等級(jí)三主要面向電路、板卡，涉及的各類(lèi)瞬態(tài)抑制器件（如氣體放電管、金屬氧化物壓控電阻、瞬態(tài)電壓抑制二極管等）選擇面較寬；若面臨納秒級(jí)強(qiáng)電磁脈沖或頻率較高的高功率微波脈沖，已有器件能力存在不足，是短期內(nèi)著重提升的產(chǎn)業(yè)方向。

圖4 電磁核心防護(hù)器件的分級(jí)及相應(yīng)模組產(chǎn)品情況

六、我國(guó)重大基礎(chǔ)設(shè)施非核強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)基本策略

（一）強(qiáng)化政府領(lǐng)導(dǎo)

國(guó)家重大基礎(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)，需要建立國(guó)家重大基礎(chǔ)設(shè)施的頂層管理機(jī)構(gòu)，統(tǒng)籌并協(xié)調(diào)管理部門(mén)、企業(yè)、科研院所、高校和社會(huì)力量。參考相關(guān)安全領(lǐng)域的組織架構(gòu)，論證提出了國(guó)家重大基礎(chǔ)設(shè)施電磁安全體系建議方案（見(jiàn)圖5）：在電磁安全領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一組織下，分設(shè)運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、應(yīng)急管理協(xié)同、協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)、專(zhuān)家委員會(huì)等，圍繞安全管理體系、安全技術(shù)體系、安全運(yùn)行體系三方面開(kāi)展工作。

圖5 國(guó)家重大基礎(chǔ)設(shè)施電磁安全體系

在強(qiáng)化組織及運(yùn)作的過(guò)程中，宜充分汲取發(fā)達(dá)國(guó)家的成功經(jīng)驗(yàn)，盡快補(bǔ)齊政策、管理、法律、技術(shù)等薄弱環(huán)節(jié)，支持建設(shè)覆蓋全國(guó)的應(yīng)急預(yù)警、應(yīng)急通信、應(yīng)急管理等系統(tǒng)。

（二）組織科研攻關(guān)

重大基礎(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)涉及到全社會(huì)、眾多行業(yè)，需要集中優(yōu)勢(shì)力量開(kāi)展科學(xué)技術(shù)問(wèn)題研究。建議實(shí)施國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)，采用“揭榜掛帥”等多種形式來(lái)組織科研力量，選取具有代表性和緊迫性的基礎(chǔ)設(shè)施，開(kāi)展強(qiáng)電磁脈沖作用機(jī)理規(guī)律、系統(tǒng)安全架構(gòu)、關(guān)鍵薄弱區(qū)域防護(hù)、設(shè)施網(wǎng)絡(luò)級(jí)試驗(yàn)評(píng)估等核心科學(xué)技術(shù)攻關(guān)研究；探究重大基礎(chǔ)設(shè)施與生產(chǎn)、商業(yè)、金融、經(jīng)濟(jì)、居民生活等的關(guān)聯(lián)程度，明晰設(shè)施故障對(duì)社會(huì)穩(wěn)定的影響模式。

電力網(wǎng)絡(luò)、高速鐵路、移動(dòng)通信等已經(jīng)成為國(guó)家“名片”，相關(guān)產(chǎn)品具有國(guó)際市場(chǎng)的比較優(yōu)勢(shì)，競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)且經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值占比較高，適合作為優(yōu)先開(kāi)展電磁安全科學(xué)研究和技術(shù)攻關(guān)的細(xì)分領(lǐng)域。著力提升相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)設(shè)施安全等級(jí)，進(jìn)一步創(chuàng)造我國(guó)工業(yè)產(chǎn)品的良好國(guó)際形象。

（三）制定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

國(guó)家重大基礎(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)是具體落實(shí)到各行業(yè)的工程實(shí)踐，亟需建立適應(yīng)國(guó)情的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的制定，關(guān)鍵在于“知己知彼”：“知己”指掌握重大基礎(chǔ)設(shè)施電磁安全的基本情況和數(shù)據(jù)，對(duì)薄弱環(huán)節(jié)、損傷閾值、損傷效應(yīng)等做到明確辨識(shí)；“知彼”即分析當(dāng)前已有的非核強(qiáng)電磁威脅源特征，預(yù)測(cè)威脅源的中長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)，尤其是從威脅源在基礎(chǔ)設(shè)施上的作用效應(yīng)著手開(kāi)展相關(guān)參數(shù)分析。

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的制定還需“有所側(cè)重”。對(duì)于已有基礎(chǔ)設(shè)施的電磁防護(hù)加固，應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展具有良好成本效益的防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)狀檢測(cè)方法；對(duì)于未來(lái)新建的重大基礎(chǔ)設(shè)施，需明確電磁防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范；積極探索強(qiáng)電磁脈沖威脅預(yù)警機(jī)制及響應(yīng)策略。

（四）激發(fā)企業(yè)活力

重大基礎(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)工作是復(fù)雜的管理與工程問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)成本對(duì)工程實(shí)踐的成功與否起到關(guān)鍵作用。為了支撐重大基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)工程的順利開(kāi)展，宜充分激發(fā)企業(yè)活力，合理給予金融、稅收等優(yōu)惠政策；支持電磁防護(hù)核心軟件、防護(hù)模組、防護(hù)器件的自主研發(fā)，推動(dòng)形成新的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)并穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)“走出去”。

（五）分類(lèi)分階段實(shí)施防護(hù)加固

依據(jù)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)體系和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，開(kāi)展國(guó)家重大基礎(chǔ)設(shè)施的防護(hù)評(píng)級(jí)、關(guān)鍵重大基礎(chǔ)設(shè)施及其重要任務(wù)系統(tǒng)定位；對(duì)于高優(yōu)先級(jí)的重大基礎(chǔ)設(shè)施，優(yōu)先進(jìn)行防護(hù)加固工作。

按照重大基礎(chǔ)設(shè)施所處的規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)等不同階段，制定基礎(chǔ)設(shè)施的防護(hù)加固計(jì)劃。對(duì)于新建的基礎(chǔ)設(shè)施，建議依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證；對(duì)于已有的基礎(chǔ)設(shè)施，可以與設(shè)施維護(hù)、大修過(guò)程相結(jié)合，主要針對(duì)重要的任務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行加固。

建議統(tǒng)籌分析關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施所需電源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、人員支持系統(tǒng)的特點(diǎn)，規(guī)劃并建設(shè)覆蓋全國(guó)的專(zhuān)網(wǎng)系統(tǒng)，保持極端條件下重大基礎(chǔ)設(shè)施的彈性。

（六）促進(jìn)人才培育

國(guó)家重大基礎(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)工作跨越工學(xué)、數(shù)學(xué)、管理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等學(xué)科門(mén)類(lèi)，需要跨學(xué)科、綜合性人才，而目前我國(guó)具備相關(guān)知識(shí)的人力資源較為缺乏。接受專(zhuān)門(mén)培育的電磁安全人才，需要具備深厚的數(shù)理基礎(chǔ)；系統(tǒng)開(kāi)設(shè)電磁類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程，需要良好的教學(xué)實(shí)驗(yàn)條件、科研實(shí)踐平臺(tái)。

從目前掌握的情況看，除少數(shù)“雙一流”建設(shè)高校和建設(shè)學(xué)科外，眾多高校的電磁類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程學(xué)時(shí)數(shù)量大幅縮減，“教師難教、學(xué)生難學(xué)”成為普遍現(xiàn)象，導(dǎo)致人才培養(yǎng)數(shù)量和質(zhì)量不容樂(lè)觀。因此，亟需在已有的學(xué)科體系中積極探索并盡快形成電磁安全專(zhuān)門(mén)人才培育體系，適時(shí)組建電磁安全學(xué)科。

（七）加強(qiáng)公眾培訓(xùn)

居民的日常生活依賴(lài)于完好的重大基礎(chǔ)設(shè)施，基礎(chǔ)設(shè)施的重大故障必然嚴(yán)重影響居民的生活和生產(chǎn)活動(dòng)。建議充分汲取地震應(yīng)急避險(xiǎn)工作的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，從“事前”“事中”“事后”三個(gè)維度加強(qiáng)社會(huì)公眾的知識(shí)培訓(xùn)以合理提升風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)；如若出現(xiàn)相關(guān)極端事件，盡量減少社會(huì)公眾的恐慌情緒。

可綜合采用各種方式來(lái)加強(qiáng)公眾培訓(xùn)工作，設(shè)立“基礎(chǔ)設(shè)施安全日”，開(kāi)展各類(lèi)緊急情況下的演習(xí)，穩(wěn)步提升社會(huì)公眾的認(rèn)知、應(yīng)急、自救能力。

七、結(jié)語(yǔ)

本文分析了重大基礎(chǔ)設(shè)施面臨的非核強(qiáng)電磁脈沖威脅，結(jié)合國(guó)情提出了針對(duì)性的防護(hù)策略建議；研究?jī)?nèi)容涉及電力、交通、通信等類(lèi)別的基礎(chǔ)設(shè)施，覆蓋面較為寬泛，在未來(lái)重大工程實(shí)踐中應(yīng)科學(xué)實(shí)施以促進(jìn)穩(wěn)健發(fā)展。電力能源供給一直是保障各類(lèi)重大基礎(chǔ)設(shè)施安全運(yùn)行的共性關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可視為重大基礎(chǔ)設(shè)施的“基礎(chǔ)”；在能源轉(zhuǎn)型背景下，電力系統(tǒng)的開(kāi)放性、復(fù)雜性不斷提升，潛在極端事件威脅下的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)急劇增大。因此，可率先開(kāi)展電力系統(tǒng)的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)示范工程，將有效應(yīng)對(duì)非核強(qiáng)電磁脈沖威脅極端事件作為示范工程建設(shè)的核心目標(biāo)。

在實(shí)施過(guò)程中，可依托部分新建基礎(chǔ)設(shè)施開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)積極吸納社會(huì)力量和資本參與，盡快解決其中的科學(xué)問(wèn)題、技術(shù)問(wèn)題、工程問(wèn)題；及時(shí)總結(jié)以形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，逐步向已有設(shè)施推廣應(yīng)用。在相關(guān)基礎(chǔ)理論和技術(shù)攻關(guān)方面，前瞻性布局非核強(qiáng)電磁脈沖的威脅源特性、傳播規(guī)律、作用機(jī)理研究，掌握強(qiáng)電磁脈沖作用下的電力系統(tǒng)薄弱節(jié)點(diǎn)與敏感設(shè)備；明晰電磁敏感傳播路徑與影響規(guī)律，預(yù)測(cè)電力系統(tǒng)可能遇到的強(qiáng)電磁脈沖攻擊模式及規(guī)模等級(jí)；研制電磁防護(hù)元器件、模塊和裝置，掌握電力系統(tǒng)中易損器件/板卡/設(shè)備的快速恢復(fù)技術(shù)。

致謝

感謝何華武、劉尚合、陳維江、張平等院士以及劉培國(guó)、李東鳳、王珺珺等專(zhuān)家對(duì)本研究的指導(dǎo)與支持。