信息物理系统(Cyber-Physical Systems,简称CPS)是指具有计算性能和物理功能的新一代智能系统。在过去的几十年中,支撑信息物理系统发展的关键技术已经得到了很好的探索和研究,并在工业自动化、智能交通、航空航天、环境监测和智能电网等领域得到了广泛应用。越来越多工业安全事件的发生使安全问题成为了信息物理系统的一个重要研究方向。由于信息物理系统具有领域相关性和多学科交叉的特性,安全问题的研究已经不再只是独立围绕功能安全或信息安全展开。因此为了分析系统风险,需要结合实际应用场景对信息物理系统的层次结构和安全风险评估等问题进行创新研究,主要研究内容如下:(1)本文概述了信息物理系统的构成,介绍了信息物理系统的安全分类,对现有的信息物理系统的安全风险分析与评估方法进行了文献调研。研究表明,大多数风险分析与评估方案分别围绕功能安全和信息安全开展,其中,信息安全研究占主导地位,一体化安全风险评估研究处于起步阶段,很大程度上依赖于专家经验,主观性强。(2)本文介绍了信息物理系统的仿真技术、风险评估的通用框架和贝叶斯网络基础知识。以双容水箱为研究对象,在Matlab/Simulink中实现了水箱液位的自动控制,在组态王中设计实现了过程监控中心,采用用于过程控制的对象链接与嵌入通信技术实现了现场控制层和过程监控层的信息传递。根据信息物理系统的层次结构,以双容水箱为对象构建了一套较为合理的半实物仿真实验平台。(3)本文提出了基于分层贝叶斯网络的信息物理系统信息域到物理域(Cyberto-Physical,简称C2P)的定量安全风险分析与评估模型。贝叶斯网络中的漏洞节点来自通用漏洞披露数据库,条件概率表通过通用漏洞评分系统和逻辑关系得到,通过C2P风险计算公式得到的系统风险值在一定程度上摆脱了对专家经验的依赖。通过构建两个较为合理的安全事件场景,应用C2P风险分析与评估模型得到相应的系统风险值,同时采用定性风险评估方法得到了不同场景下的系统风险等级,定量风险评估与定性风险评估的结果得到了统一,风险数值也被赋予了现实意义。实验结果表明C2P风险分析预评估模型可以为信息物理系统安全稳定运行提供决策依据。