Implement Warning, Alarm and Fault Alert System for Aviation Cyber Range

项目设计目的：本文将介绍在 Mini OT Aviation CAT-II Airport Runway Lights Management Simulation System（版本：v_0.2.2）中实施警告、警报和故障警报子系统的详细设计方法和功能目标。该子系统在支持网络演习和事件响应培训方面发挥着关键作用，这些培训侧重于使用网络靶场系统来提高机场运营技术 (OT) 的安全性、可靠性和网络安全意识。

本文档介绍了以下三个核心开发领域：

• 警报逻辑和场景模拟：在航空网络靶场中触发警告、警报和故障警报的可编程条件的详细设计。

• 用户界面指示器和显示效果：在物理世界模拟器和塔台 ATC 人机界面 (HMI) 中对警报状态进行可视化表示，确保直观、操作真实的反馈。

• 用于故障检测的 PLC 设置：开发控制逻辑，持续监控模拟组件，以检测可能的电气/控制故障并启动适当的警报响应。

# Author:      Yuancheng Liu
# Created:     2025/11/25
# Version:     v_0.2.2
# Copyright:   Copyright (c) 2025 Liu Yuancheng
# License:     GNU General Public License V3

介绍

现代机场依靠高度复杂的跑道灯光警告和故障警报系统来确保飞机在起飞、着陆、滑行和紧急情况下的安全运行。在现实世界的机场运营中，跑道照明系统对于飞机导航至关重要，尤其是在低能见度条件下。任何运行异常——无论是照明故障、电气干扰还是未经授权的控制操作——都会构成重大的安全风险。因此，跑道控制塔依靠全面的警报机制来监控系统健康状况并指导安全决策。

为了准确地复制这种运行环境，航空网络靶场包括一个虚拟化的跑道灯光异常检测管理模块，能够为塔台 ATC 操作员和维护工程师生成逼真的警告和警报场景：

• 用于运行控制的警告和警报模拟：塔台 ATC 人员需要及时的警报来安全地管理飞机交通。该系统模拟由异常状态触发的视觉和听觉警报，例如跑道停止杆故障或照明强度降低。

• 用于工程响应的故障检测和警报机制：维护人员依靠故障诊断来识别根本原因。该模拟结合了基于电气的故障检测（例如电源故障和组件故障）来支持故障排除练习。

航空跑道模拟网络孪生系统通常将警报分为警告、警报和故障通知，每种警报代表不同级别的运行影响。该系统提供 11 种跑道警告、16 种跑道警报、4 种基础设施警报和 5 种飞机警报，用于模拟不同的异常场景（如下所示）。

Figure-01: Overview of different type of warning and alarm v0.2.1 (2025)

一般警告通知指示需要 ATCO 注意但不立即危及安全的情况。这些可能包括亮度降低、灯输出的轻微退化或早期电源波动。

警报场景在关键跑道照明元件发生故障或变得不可用时触发。示例包括停止杆控制丢失、进近照明完全断电或跑道边灯突然熄灭。警报需要立即采取纠正措施，并且可能需要关闭跑道，直到问题解决。

故障警报提供有关电气、通信或设备级别故障的详细诊断信息。这些可能包括灯电源故障、电缆绝缘击穿或无响应的远程控制模块。故障警报对于维护团队快速隔离有缺陷的组件并恢复全部功能至关重要。

警告和警报触发场景

警告和警报子系统通过异常场景检测程序支持在网络靶场环境中逼真地模拟运行异常。如果当前的物理世界模拟器场景与异常场景检测程序中预先配置的安全条件不匹配，该程序将发出不同类型的警告和警报。总共实施了 11 个跑道警告、22 个跑道警报和 5 个飞机警报类型，以表示空中交通管制员 (ATCO) 和维护团队可能遇到的潜在异常情况。

本节介绍每个类别的触发逻辑以及在物理模拟环境和 HMI 界面上显示的关联警报消息。对于条件触发逻辑，我们遵循 FAA ATC 通用信息指南中的“Chapter 6. Emergency Procedures”和“Chapter 7. Safety of Flight”：https://www.faa.gov/air_traffic/publications/atpubs/aim_html/

跑道警告触发场景

跑道警告指示需要操作员注意但不会立即危及跑道安全或中断 ATC 操作的情况。这些场景通常反映轻微问题，例如视觉辅助设备减少或部分系统退化。ATCO 必须报告和跟踪这些警告，确保在所需的时间范围内解决这些警告，尤其是在操作程序期间并非故意引起的情况下。

警告标志和消息将显示在网络靶场物理世界模拟器中异常组件的旁边，如下所示：

Figure-02: Warning sign and message on physical world simulator v0.2.1 (2025)

对于消息和相关的异常场景，详细信息如下表所示：

跑道警报触发场景

跑道警报涉及可能直接影响飞机着陆或起飞安全的多个照明故障或系统故障情况。当触发警报时，ATCO 必须立即启动故障排除清单，并在必要时停止跑道操作。

跑道-12 警报场景

跑道-12 警报标志和消息将显示在网络靶场物理世界模拟器中异常和警告组件的旁边，如下所示：

Figure-03: Runway-12 alarm on physical world simulator v0.2.1 (2025)

对于 8 种类型的警报消息和相关的异常场景，详细信息如下表所示：

跑道-23 警报场景

跑道-23 警报标志和消息将显示在网络靶场物理世界模拟器中异常和警告组件的旁边，如下所示：

Figure-03: Runway-23 alarm on physical world simulator v0.2.1 (2025)

对于 8 种类型的警报消息和相关的异常场景，详细信息如下表所示：

机场基础设施警报场景

对于 4 种类型的机场基础设施消息和相关的异常场景，详细信息如下表所示：

飞机警报触发场景

当飞机遵循 ATC 角色或模拟飞行员检测到某些异常情况时，飞机也会向机场塔台报告警报，飞机警报标志和消息将显示在飞机上，警报消息将显示在飞机旁边。（如下图所示）

Figure-04: Aircraft alarm on physical world simulator v0.2.1 (2025)

对于 5 种类型的飞机警报消息和相关的异常场景，详细信息如下表所示：

PLC-HMI 故障警报处理功能

为了增强 Mini OT Aviation Runway Light Management Cyber Twin System 的真实性和操作深度，已实施了基于 PLC 的组件故障警报处理机制。此功能模拟机场跑道照明系统中使用的真实电气行为和故障检测工作流程，使 OT 工程师和网络防御者都可以练习诊断操作故障和网络引起的异常。

为了实现此功能，每个灯的 PLC 控制都包括以下功能：

• 一个电动控制断路器（用于打开/关闭电源）

• 一个电流计量单元 (MU)

• 一个灯状态传感器

• PLC 可更改点 (C_CR_TA_1)

• PLC 测量点 (M_SP_NA_1)

HMI 持续比较命令的操作和 PLC 反馈状态，如果发生不匹配，系统会触发塔台 ATCO 可见的组件故障警报。PLC-组件-HMI 工作流程如下图所示：

Figure-05: PLC-HMI Fault Alert Handling workflow diagram, v0.2.2 (2025)

系统遵循 8 步流程来检测组件故障和异常行为：

步骤 01 – ATCO 启动灯光控制操作

• 塔台操作员选择一个灯光控制（例如，打开起飞等待灯），并通过命令确认对话框确认该操作。

步骤 02 – HMI 记录待处理的控制操作

• HMI 程序将该命令记录为控制操作记录表中的“待处理”，等待 PLC 反馈的验证。

步骤 03 – HMI 向 PLC 发送 IEC-104 命令

• HMI 发出 IEC-104 写入命令，以更新 PLC 的可更改点 (IOA)，该点控制目标灯。

步骤 04 – PLC 控制电动断路器

• PLC 模拟器更新输出线圈，导致物理世界模拟器中的电动断路器打开/关闭，并改变灯的电气状态。

步骤 05 – 传感器报告实际灯光行为

• 电流计量单元和灯光状态传感器生成实时物理反馈（电流、灯光打开/关闭），由两个 PLC 测量点收集。

步骤 06 – HMI 获取 PLC 反馈数据

• 在下一个 HMI 执行周期中，HMI 通过 IEC-104 检索传感器读数、断路器状态和 PLC 状态值。

步骤 07 – HMI 比较预期状态与实际状态

• HMI 将待处理命令与实际灯光状态和测量的电流进行比较。如果检测到任何不匹配，则会生成组件故障警报。

步骤 08 – UI 显示正常或故障状态

• 绿色指示灯表示正常运行（命令和电气状态匹配）。

• 如果检测到物理或电气不一致，则会出现红色故障弹出窗口。

故障检测逻辑表

此比较表说明了系统如何解释不匹配的状态以识别可能的组件故障：

此逻辑准确地模拟了真实的 OT 维护诊断过程。

网络安全视角：检测 MITM 和 OT 操纵攻击

由于网络孪生系统用于网络演习，因此组件故障警报处理功能也可用于检测系统中可能的红队黑客的 OT 攻击行为，例如 MITM 攻击。在航空跑道网络靶场 OT 安全案例研究 02：PLC-HMI IEC104 通道上的 MITM 攻击 中描述的网络靶场演习场景中，如果攻击者修改了 ATCO 的控制命令而不更改 PLC 的反馈数据，如下所示：

Figure-06: Possible MITM attack workflow diagram, v0.2.2 (2025)

如果攻击者没有使用可以匹配他所做的修改操作的正确值来更改 PLC 反馈数据，那么在监视塔台 HMI 的蓝队方面，将检测到控制故障警报并跟踪攻击行为。

警告和警报 UI 指示器的设计

该系统包括两个不同的可视化界面，用于向用户发出跑道照明异常情况的警报：

• 物理世界模拟器，表示网络物理孪生中的实时组件异常状态。

• 塔台 ATC HMI，根据 PLC 反馈和授权的控制操作，呈现经过验证的系统状态和异常状态信息。

虽然两个界面都显示警告和警报信号，但它们的触发逻辑和视觉行为因预期的操作角色而异。

物理世界模拟器 – 警告和警报显示

物理模拟器通过直接反映物理组件的状态来复制真实世界的行为。每当跑道设备转换为异常状态（例如，断电、故障、操作不一致）时，如“跑道警告触发场景”和“警告和警报触发场景”中的图片所示，系统将：

• 在受影响的组件附近闪烁警告/警报图标

• 在发生故障的资产旁边显示上下文消息

• 通过底部滚动指示器连续列出警报，以供白队进行态势监控

在物理世界模拟器的底部区域还有另外 4 个不同的指示器，滚动播放所有警告和警报消息，供网络演习白队监控，如下所示：

此外，选择笔记本区域中的“Warning & Alarm”选项卡会显示触发警报的历史记录，包括用于可追溯性和网络安全培训审查的时间戳：

此演示文稿为操作员提供了网络演习场景期间正在进行的系统状态的完整操作图。

塔台 ATC HMI – 警告、警报和故障警报显示

塔台 HMI 中的警报表示遵循更严格的操作逻辑，遵循真实的空中交通管制工作流程。在这里，仅当 PLC 检测到 ATC 操作员未有意命令的故障情况时，才会触发警告和警报。

例如：如果由于某种原因，跑道边灯由 ATC 直接指令关闭，即使物理模拟器显示 [!] Runway Edge Light Power Off 警告，HMI 也不会触发警告。

这种方法确保：

• 授权操作时无误报

• 为塔台管制员提供准确的决策支持

• 明确区分系统故障和操作员意图

HMI 警告和警报指示器都位于塔台 HMI 的右侧，如下所示：

所有警报指示器都以垂直堆叠的形式显示在 HMI 屏幕的右侧。活动时：

• 黄色指示灯闪烁表示警告

• 红色指示灯闪烁表示严重警报或设备故障

如果讲师关闭物理世界中中心线延长灯的电源，它将触发 [X] Runway Extend Light Power Failure ! 警报，在物理世界模拟器中，它将显示红色警报标志，但由于它是来自塔台 ATC 的控制操作，因此在塔台 HMI 中，警报将显示为黄色。

这种一致的放置和颜色编码设计支持在时间敏感的航空操作中快速识别和优先响应。

结论

总而言之，警告、警报和故障警报子系统的设计为航空网络靶场提供了一个强大且操作上逼真的框架。通过精心实施可编程警报逻辑、直观的 UI 指示器和基于 PLC 的故障检测机制，该子系统成功地弥合了网络安全演习和物理运营技术之间的差距。它是培训人员识别、诊断和响应意外故障和恶意网络攻击的关键推动因素，从而直接提高机场 OT 环境的安全性、可靠性和安全意识。

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last edit by LiuYuancheng ([email protected]) by 29/11/2025 if you have any problem, please send me a message.