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工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)安全的研究與應(yīng)用
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(1.青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司 青海 810008;2.北京寶之谷農(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限公司 北京 102213)
隨著我國(guó)信息化的快速發(fā)展以及與工業(yè)化的深度融合使得工業(yè)控制系統(tǒng)越來(lái)越多地采用信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)來(lái)支撐業(yè)務(wù)系統(tǒng)的發(fā)展,由于業(yè)務(wù)對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的高度依賴和較高的實(shí)時(shí)性要求,使得工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全正面臨著巨大的挑戰(zhàn)。本文以城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱CBTC系統(tǒng))的安全建設(shè)為例,結(jié)合CBTC相關(guān)業(yè)務(wù)從邊界防護(hù)、網(wǎng)絡(luò)流量審計(jì)以及建設(shè)統(tǒng)一綜合的安全監(jiān)測(cè)與管理平臺(tái)等方面,通過(guò)逐步遞進(jìn)來(lái)構(gòu)建工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全解決方案。
工控;網(wǎng)絡(luò)安全;安全建設(shè)
隨著工業(yè)化與信息化的快速發(fā)展以及云、大、物、智、移等新技術(shù)的逐步發(fā)展和深化實(shí)踐,制造業(yè)工業(yè)控制系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越多,隨之而來(lái)的網(wǎng)絡(luò)安全威脅的問(wèn)題日益突出。特別是國(guó)家重點(diǎn)行業(yè)例如能源、水利、交通等的工業(yè)控制系統(tǒng)關(guān)系到一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)命脈,工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)一旦出現(xiàn)特殊情況可能會(huì)引發(fā)直接的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。本文主要以軌道交通行業(yè)CBTC系統(tǒng)業(yè)務(wù)的安全建設(shè)為例介紹工業(yè)信息安全防護(hù)思路,系統(tǒng)闡述了工業(yè)信息安全的發(fā)展背景及重要性,以網(wǎng)絡(luò)安全法和工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的相關(guān)法規(guī)和要求等為依據(jù),并結(jié)合傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀,從技術(shù)設(shè)計(jì)和管理系統(tǒng)建設(shè)兩個(gè)方面來(lái)構(gòu)建工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全。
工業(yè)控制系統(tǒng)是指各種自動(dòng)化組件、過(guò)程監(jiān)控組件共同構(gòu)成的以完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、工業(yè)生產(chǎn)流程監(jiān)測(cè)控制的管控系統(tǒng),也可以說(shuō)工業(yè)控制系統(tǒng)是控制技術(shù)(Control)、計(jì)算機(jī)技術(shù)(Computer)、通信技術(shù)(Communication)、圖形顯示技術(shù)(CRT)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Network)相結(jié)合的產(chǎn)物[1]。
工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全是指工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全,涉及眾多行業(yè)例如電力、水利、石油石化、航天、汽車制造等眾多工業(yè)領(lǐng)域,其中超過(guò)60%的涉及國(guó)計(jì)民生的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施(如公路、軌道交通等)都依靠工控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)。
眾所周知,工業(yè)控制系統(tǒng)是國(guó)家工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分,近年來(lái)由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展,使得工控系統(tǒng)正逐漸成為網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)的重點(diǎn)攻擊目標(biāo),不斷涌現(xiàn)的安全事件也暴露出工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全正面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
(1)美國(guó)列車信號(hào)燈宕機(jī)事件
2003年發(fā)生在美國(guó)佛羅里達(dá)州鐵路服務(wù)公司的計(jì)算機(jī)遭遇震網(wǎng)病毒感染,導(dǎo)致美國(guó)東部海岸的列車信號(hào)燈系統(tǒng)瞬間宕機(jī),部分地區(qū)的高速環(huán)線停運(yùn)。這次事件主要是由于感染震網(wǎng)病毒引起的,而這種病毒常被用來(lái)定向攻擊基礎(chǔ)(能源)設(shè)施,比如國(guó)家電網(wǎng)、水壩、核電站等。
(2)烏克蘭電網(wǎng)攻擊事件
2015年,烏克蘭的首都和西部地區(qū)電網(wǎng)突發(fā)停電,調(diào)查發(fā)現(xiàn)這次事故是由于黑客攻擊造成的。黑客攻擊了多座變電站,在電力公司的主控電腦系統(tǒng)里植入了病毒致使系統(tǒng)癱瘓?jiān)斐赏k娛鹿省?/p>
(3)舊金山輕軌系統(tǒng)遭勒索病毒攻擊事件
2016年,黑客攻擊美國(guó)舊金山輕軌系統(tǒng),造成上千臺(tái)服務(wù)器和工作站感染勒索病毒,數(shù)據(jù)全部被加密,售票系統(tǒng)全面癱瘓。其實(shí)國(guó)內(nèi)也發(fā)生過(guò)很多工業(yè)控制系統(tǒng)里面的安全事件,主要也是因?yàn)楦腥纠账鞑《疽鸬?。勒索病毒感染了重要業(yè)務(wù)系統(tǒng)里面的一些工作站,例如在軌道交通行業(yè)里的典型系統(tǒng):綜合監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)等,其中大部分是由于移動(dòng)接入設(shè)備的不合規(guī)使用而帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。
從以上事件可以看出,攻擊者要發(fā)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)攻擊只需發(fā)送一個(gè)普通的病毒就可以達(dá)到目的,隨著網(wǎng)絡(luò)攻擊事件的頻發(fā)和各種復(fù)雜病毒的出現(xiàn),讓我們的工業(yè)系統(tǒng)安全以及公共利益、人民財(cái)產(chǎn)安全正遭受著嚴(yán)重的威脅。
作為國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施的工業(yè)控制系統(tǒng),正面臨著來(lái)自網(wǎng)絡(luò)攻擊等的威脅,為此針對(duì)工控網(wǎng)絡(luò)安全,我國(guó)制定和發(fā)布了相關(guān)法律法規(guī)來(lái)指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)防護(hù)工作。其中有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委在2016年10月發(fā)布的《工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)安全建立工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)安全程序》《工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全可編程序控制器(PLC)第1部分:系統(tǒng)要求》等多項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[2]。同年,工信部印發(fā)《工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全防護(hù)指南》,該標(biāo)準(zhǔn)以當(dāng)前我國(guó)工業(yè)控制系統(tǒng)面臨的安全問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn),分別從技術(shù)防護(hù)和管理設(shè)計(jì)兩方面來(lái)對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的安全防護(hù)提出建設(shè)防護(hù)要求。2017年6月,《網(wǎng)絡(luò)安全法》開始實(shí)施,網(wǎng)安法從不同的網(wǎng)絡(luò)層次規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)安全的檢測(cè)、評(píng)估以及防護(hù)和管理等要求,促進(jìn)了我國(guó)工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全的發(fā)展。
軌道交通信號(hào)系統(tǒng)(CBTC)是基于通信技術(shù)的列車控制系統(tǒng),該系統(tǒng)依靠通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)“車地通信”并且實(shí)時(shí)地傳遞“列車定位”信息[3]。目前CBTC安全建設(shè)存在以下問(wèn)題:
(1)網(wǎng)絡(luò)邊界無(wú)隔離
隨著CBTC的集成度越來(lái)越高,各個(gè)子系統(tǒng)之間的聯(lián)系和數(shù)據(jù)通信也越來(lái)越密切,根據(jù)地域一般劃分為控制中心、車站、車輛段和停車場(chǎng),根據(jù)業(yè)務(wù)又劃分為ATO、ATS、CI、DCS等多個(gè)子系統(tǒng),各區(qū)域之間沒(méi)有做好訪問(wèn)控制措施,缺失入侵防范和監(jiān)測(cè)的舉措。各個(gè)子系統(tǒng)之間一般都是互聯(lián)互通的,不同的子系統(tǒng)由于承載的業(yè)務(wù)的重要等級(jí)不同也是需要對(duì)其邊界進(jìn)行防護(hù)的,還有一些安全系統(tǒng)和非安全系統(tǒng)之間也都沒(méi)有做隔離。
(2)網(wǎng)絡(luò)異常查不到
針對(duì)CBTC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)入侵行為一般隱蔽性很強(qiáng),沒(méi)有專門的設(shè)備去檢測(cè)的話很難發(fā)現(xiàn)入侵行為。出現(xiàn)安全事件后沒(méi)有審計(jì)記錄和追溯的手段,等下次攻擊發(fā)生依然沒(méi)有抵抗的能力。沒(méi)有對(duì)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄,不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)高級(jí)持續(xù)威脅、不能有效應(yīng)對(duì)攻擊、不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種異常操作。
(3)工作站、服務(wù)器無(wú)防護(hù)
CBTC系統(tǒng)工作站、服務(wù)器的大部分采用Windows系列的操作系統(tǒng),還有一部分Linux系列的操作系統(tǒng),系統(tǒng)建設(shè)之初基本不會(huì)對(duì)工作站和服務(wù)器的操作系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí),操作系統(tǒng)在使用過(guò)程中不斷暴露漏洞,而系統(tǒng)漏洞又無(wú)法得到及時(shí)的修復(fù),這都會(huì)導(dǎo)致工作站和服務(wù)器面臨風(fēng)險(xiǎn)。沒(méi)有在系統(tǒng)上線前關(guān)閉冗余系統(tǒng)服務(wù),沒(méi)有加強(qiáng)系統(tǒng)的密碼策略。除此之外,運(yùn)維人員可以在調(diào)試過(guò)程中在操作站和服務(wù)器上安裝與業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)的軟件,也可能會(huì)開啟操作系統(tǒng)的遠(yuǎn)程功能,上線后也不會(huì)關(guān)閉此功能,這些操作都會(huì)使得系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單,更容易受到攻擊。
目前在CBTC系統(tǒng)各個(gè)區(qū)域部分尚未部署桌管軟件和殺毒軟件,無(wú)法對(duì)USB等外接設(shè)備的接入行為進(jìn)行管控,隨意使用移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)的現(xiàn)象非常普遍,這種行為極易將病毒、木馬等威脅帶入到生產(chǎn)系統(tǒng)中。
(4)運(yùn)維管理不完善
單位內(nèi)安全組織機(jī)構(gòu)人員職責(zé)不完善,缺乏專業(yè)的人員。沒(méi)有針對(duì)信號(hào)系統(tǒng)成立專門的安全管理部門,未明確相關(guān)業(yè)務(wù)部門的安全職責(zé)和職員的技能要求,也缺乏專業(yè)安全人才。未形成完整的網(wǎng)絡(luò)安全管理制度政策來(lái)規(guī)劃安全建設(shè)和設(shè)計(jì)工控系統(tǒng)安全需求。另外將工業(yè)控制系統(tǒng)的運(yùn)維工作外包給第三方人員后并無(wú)相關(guān)的審計(jì)和監(jiān)控措施,當(dāng)?shù)谌竭\(yùn)維人員進(jìn)行設(shè)備維護(hù)時(shí),業(yè)務(wù)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)人員不能及時(shí)了解第三方運(yùn)維人員是否存在誤操作行為,一旦發(fā)生事故無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確定位問(wèn)題原因、影響范圍和責(zé)任追究。
目前CBTC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)采用物理隔離,基本可以保證正常生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)。但是管理網(wǎng)接入工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)后,工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的安全防護(hù)措施無(wú)法有效抵御來(lái)自外部的攻擊和威脅,而且由于與管理網(wǎng)的數(shù)據(jù)安全交互必須在工控網(wǎng)絡(luò)邊界實(shí)現(xiàn),因此做好邊界保護(hù)尤為重要。
工控系統(tǒng)信息化建設(shè)必須符合國(guó)家有關(guān)規(guī)定,從安全層面來(lái)看要符合國(guó)家級(jí)防護(hù)的相關(guān)要求,全面規(guī)劃設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)安全保障體系,使得工控體系符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn),確保工控安全保障體系的廣度和深度。根據(jù)安全需求建立安全防護(hù)體系,通過(guò)管理和技術(shù)實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)安全相結(jié)合,有效提升了工控業(yè)務(wù)系統(tǒng)的安全防護(hù)能力。根據(jù)業(yè)務(wù)流量和業(yè)務(wù)功能特點(diǎn)以及工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全的基本要求來(lái)設(shè)計(jì)不同的項(xiàng)目技術(shù)方案,從技術(shù)角度來(lái)識(shí)別系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn),依據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)安全加固措施,同時(shí)還要按照安全管理的相關(guān)要求建立完善的網(wǎng)絡(luò)安全管理制度體系,來(lái)確保整體業(yè)務(wù)系統(tǒng)的安全有效運(yùn)行。
考慮到資產(chǎn)的價(jià)值、重要性、部署位置、系統(tǒng)功能、控制對(duì)象等要素,我們將軌道交通信號(hào)系統(tǒng)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)子安全域,根據(jù)CBTC業(yè)務(wù)的重要性、實(shí)時(shí)性、關(guān)聯(lián)性、功能范圍、資產(chǎn)屬性以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)受控設(shè)備的影響程度等,將工控網(wǎng)絡(luò)劃分成不同的安全防護(hù)區(qū)域,所有業(yè)務(wù)子系統(tǒng)都必須置于相應(yīng)的安全區(qū)域內(nèi)。通過(guò)采取基于角色的身份鑒別、權(quán)限分配、訪問(wèn)控制等安全措施來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的設(shè)備登錄控制、應(yīng)用服務(wù)資源訪問(wèn)的身份認(rèn)證管理,使得只有獲得授權(quán)的用戶才能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)更新、參數(shù)設(shè)定,在控制設(shè)備及監(jiān)控設(shè)備上運(yùn)行程序、標(biāo)識(shí)相應(yīng)的數(shù)據(jù)集合等操作,防止未經(jīng)授權(quán)的修改或刪除等操作。
網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)主要用于檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的惡意探測(cè)和惡意攻擊行為,常見有網(wǎng)絡(luò)蠕蟲、間諜和木馬軟件、高級(jí)持續(xù)性威脅攻擊、口令暴力破解、緩沖區(qū)溢出等各種深度攻擊行為[4]??梢岳寐┒磼呙柙O(shè)備掃描探測(cè)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安全設(shè)備、應(yīng)用系統(tǒng)、中間件、數(shù)據(jù)庫(kù)等網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)和應(yīng)用,及時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中各種設(shè)備和應(yīng)用的安全漏洞,提出修復(fù)和整改建議來(lái)保障系統(tǒng)和設(shè)備自身的安全性。惡意代碼防護(hù)可以檢測(cè)、查殺和抵御各種病毒,如蠕蟲病毒、文件病毒等木馬或惡意軟件、灰色軟件等。通過(guò)安全配置核查設(shè)備來(lái)及時(shí)發(fā)現(xiàn)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)備是否存在不合理的策略配置、系統(tǒng)配置、環(huán)境參數(shù)配置的問(wèn)題。另外要加強(qiáng)安全審計(jì)管理,通常包括日常運(yùn)維操作安全審計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)審計(jì)以及所有設(shè)備和系統(tǒng)的日志審計(jì),主要體現(xiàn)在對(duì)各類用戶的操作行為進(jìn)行審計(jì)和對(duì)重要安全事件進(jìn)行記錄和審計(jì),審計(jì)日志的內(nèi)容需要包括事件發(fā)生的確切時(shí)間、用戶名稱、事件的類型、事件執(zhí)行情況說(shuō)明等。
根據(jù)等級(jí)保護(hù)制度要求規(guī)定,重要等級(jí)在第二級(jí)以上的信息系統(tǒng)需要在網(wǎng)絡(luò)中建立統(tǒng)一集中管理中心,通過(guò)統(tǒng)一安全管理平臺(tái)能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安全設(shè)備、各類操作系統(tǒng)等的運(yùn)行狀況、安全日志、配置策略進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)、采集、日志范化和歸并處理,平臺(tái)可以呈現(xiàn)CBTC系統(tǒng)中各類設(shè)備間的訪問(wèn)關(guān)系,形成基于網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)關(guān)系、業(yè)務(wù)操作指令的工業(yè)控制環(huán)境的行為白名單,從而可以及時(shí)識(shí)別和發(fā)現(xiàn)未定義的行為以及重要的業(yè)務(wù)操作指令的異常行為。可以設(shè)置監(jiān)控指標(biāo)告警閾值,觸發(fā)告警并記錄,對(duì)各類報(bào)警和日志信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析和預(yù)警通報(bào)。
設(shè)立安全專屬職能的管理部門和領(lǐng)導(dǎo)者及管理成員的崗位,制定總體安全方針,指明組織機(jī)構(gòu)的總體目標(biāo)和工作原則。對(duì)于安全管理成員的角色設(shè)計(jì)需按三權(quán)分立的原則來(lái)規(guī)劃并落實(shí),必須配備專職的安全成員來(lái)指導(dǎo)和管理安全的各方面工作。
指派專人來(lái)制定安全管理制度,而且制度要經(jīng)過(guò)上層組織機(jī)構(gòu)評(píng)審和正式發(fā)布,保持對(duì)下發(fā)制度的定期評(píng)審和落實(shí)情況的核查。由專人來(lái)負(fù)責(zé)單位內(nèi)人員的招聘錄用工作,對(duì)人員的專業(yè)能力、背景及任職資格進(jìn)行審核和考察,人員錄用時(shí)需要跟被錄用人簽訂保密協(xié)議和崗位責(zé)任書。
編制完善的制度規(guī)范,編制范圍應(yīng)涵蓋信息系統(tǒng)在規(guī)劃和建設(shè)、安全定級(jí)與備案、方案設(shè)計(jì)、開發(fā)與實(shí)施、驗(yàn)收與測(cè)試以及完成系統(tǒng)交付的整個(gè)生命周期。針對(duì)不同系統(tǒng)建設(shè)階段分別編制軟件開發(fā)管理規(guī)范、代碼編寫規(guī)范、工程監(jiān)理制度、測(cè)試驗(yàn)收制度,在測(cè)試和交付階段記錄和收集各類表單、清單。
加強(qiáng)安全運(yùn)維建設(shè),制定包含物理環(huán)境管理、資產(chǎn)管理、系統(tǒng)設(shè)備介質(zhì)管理以及漏洞風(fēng)險(xiǎn)管理等方面的規(guī)范要求,對(duì)于機(jī)房等辦公區(qū)域的人員進(jìn)出、設(shè)備進(jìn)出進(jìn)行記錄和控制,建立資產(chǎn)管理制度規(guī)范系統(tǒng)資質(zhì)的管理與使用行為,保存相關(guān)的資產(chǎn)清單,對(duì)各種軟硬件資產(chǎn)做好定期維護(hù),對(duì)資產(chǎn)采購(gòu)、領(lǐng)用和發(fā)放制定嚴(yán)格的審批流程。針對(duì)漏洞做好風(fēng)險(xiǎn)管理,針對(duì)發(fā)現(xiàn)的安全問(wèn)題采取相關(guān)的應(yīng)對(duì)措施,形成書面記錄和總結(jié)報(bào)告。在第三方外包人員管理方面應(yīng)該與外包運(yùn)維服務(wù)商簽訂第三方運(yùn)維服務(wù)協(xié)議,協(xié)議中應(yīng)明確外包工作范圍和具體職責(zé)。
由于工控系統(tǒng)安全性能不高和頻繁爆發(fā)的網(wǎng)絡(luò)安全攻擊的趨勢(shì),近年來(lái)我國(guó)將網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)提升到了國(guó)家安全戰(zhàn)略的高度,并且制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、政策、技術(shù)、程序等來(lái)積極應(yīng)對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn),業(yè)務(wù)主管部門還應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)安全意識(shí),開展網(wǎng)絡(luò)安全評(píng)估,制定網(wǎng)絡(luò)安全策略,提高工控網(wǎng)絡(luò)安全水平,確保業(yè)務(wù)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
[1]石勇,劉巍偉,劉博.工業(yè)控制系統(tǒng)(ICS)的安全研究[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用,2008(4).
[2]李?。I(yè)控制系統(tǒng)信息安全管理措施研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2014(9).
[3]魏勇軍.淺談工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全防護(hù)的應(yīng)用[J]. 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用,2014(8).