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

專案設計目的：本文將介紹在 Mini OT Aviation CAT-II Airport Runway Lights Management Simulation System（版本：v_0.2.2）中實作警告、警報和故障警示子系統的詳細設計方法和功能目標。該子系統在支援網路演練和事件回應訓練方面扮演著關鍵角色，這些訓練著重於機場營運技術 (OT) 的安全性、可靠性和網路安全意識，並使用網路靶場系統。

本設計文件介紹了以下三個核心開發領域：

• 警示邏輯和情境模擬：可程式化條件的詳細設計，用於觸發航空網路靶場內的警告、警報和故障警示。

• 使用者介面指示器和顯示效果：警報狀態在實體世界模擬器和塔台 ATC 人機介面 (HMI) 中的視覺呈現，確保直觀、操作上逼真的回饋。

• PLC 設定用於故障檢測：控制邏輯的開發，持續監控模擬元件以檢測可能的電氣/控制故障並啟動適當的警示回應。

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

簡介

現代機場依賴高度複雜的跑道燈光警告和故障警示系統，以確保飛機在起飛、降落、滑行和緊急情況下的安全運作。在真實世界的機場運作中，跑道照明系統對於飛機導航至關重要，尤其是在低能見度條件下。任何運作異常——無論是照明故障、電氣干擾或未經授權的控制動作——都會構成重大的安全風險。因此，跑道控制塔依賴全面的警示機制來監控系統健康狀況並指導安全決策。

為了準確複製這種運作環境，航空網路靶場包括一個虛擬化的跑道燈光異常檢測管理模組，能夠為塔台 ATC 操作員和維護工程師產生逼真的警告和警報情境：

• 用於運作控制的警告和警報模擬：塔台 ATC 人員需要及時的警示來安全地管理飛機交通。該系統模擬由異常狀態觸發的視覺和聽覺警報，例如跑道停止排燈故障或照明強度降低。

• 用於工程回應的故障檢測和警示機制：維護人員依靠故障診斷來識別根本原因。該模擬包含基於電氣的故障檢測——例如電源丟失和元件故障——以支援故障排除演練。

航空跑道模擬網路雙生系統通常將警示分為警告、警報和故障通知，每個都代表不同程度的運作影響。該系統提供 11 種跑道警告、16 種跑道警報、4 種基礎設施警報和 5 種飛機警報，用於模擬不同的異常情境（如下所示）。

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

一般警告通知表示需要 ATCO 注意但不立即危及安全的情況。這些可能包括亮度降低、燈輸出略微退化或早期電源波動。

警報情境在關鍵跑道照明元件發生故障或無法使用時觸發。範例包括停止排燈控制丟失、進場燈完全斷電或跑道邊緣燈突然熄滅。警報需要立即採取糾正措施，並且可能需要關閉跑道，直到問題解決。

故障警示提供有關電氣、通訊或設備級故障的詳細診斷資訊。這些可能包括燈光電源故障、電纜絕緣擊穿或無回應的遠端控制模組。故障警示對於維護團隊快速隔離有缺陷的元件並恢復完整功能至關重要。

警告和警報觸發情境

警告和警報子系統透過異常情境檢測程式支援網路靶場環境中運作異常的逼真模擬。如果目前的實體世界模擬器情境與異常情境檢測程式中預先配置的安全條件不符，則該程式將發出不同種類的警告和警報。總共實作了 11 個跑道警告、22 個跑道警報和 5 種飛機警報類型，以表示空中交通管制員 (ATCO) 和維護團隊可能遇到的潛在異常情況。

本節介紹每個類別的觸發邏輯以及在實體模擬環境和 HMI 介面上顯示的相關警示訊息。對於條件觸發邏輯，我們遵循 FAA ATC 一般資訊指南中的「Chapter 6. Emergency Procedures」和「Chapter 7. Safety of Flight」：https://www.faa.gov/air_traffic/publications/atpubs/aim_html/

跑道警告觸發情境

跑道警告表示需要操作員注意但不會立即危及跑道安全或中斷 ATC 運作的情況。這些情境通常反映輕微問題，例如視覺輔助設備減少或系統部分退化。ATCO 必須報告和追蹤這些警告，確保在要求的時間範圍內解決這些警告，尤其是在運作程序中並非故意引起的情況下。

警告標誌和訊息將顯示在網路靶場實體世界模擬器中異常元件的旁邊，如下所示：

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

對於訊息和相關的異常情境，詳細資訊如下表所示：

跑道警報觸發情境

跑道警報涉及多個燈光故障或系統故障情況，這些情況可能會直接影響飛機降落或起飛安全。觸發警報時，ATCO 必須立即啟動故障排除檢查表，並在必要時停止跑道運作。

跑道-12 警報情境

跑道-12 警報標誌和訊息將顯示在網路靶場實體世界模擬器中異常和警戒元件的旁邊，如下所示：

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

對於 8 種類型的警報訊息和相關的異常情境，詳細資訊如下表所示：

跑道-12 警報情境

跑道-23 警報標誌和訊息將顯示在網路靶場實體世界模擬器中異常和警戒元件的旁邊，如下所示：

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

對於 8 種類型的警報訊息和相關的異常情境，詳細資訊如下表所示：

機場基礎設施警報情境

對於 4 種類型的機場基礎設施訊息和相關的異常情境，詳細資訊如下表所示：

飛機警報觸發情境

當飛機遵循 ATC 角色或模擬飛行員檢測到某些異常情況時，飛機也會向機場塔台報告警示，飛機警報標誌和訊息將顯示在飛機上，警示訊息將顯示在飛機旁邊。（如下所示）

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

對於 5 種類型的飛機警報訊息和相關的異常情境，詳細資訊如下表所示：

PLC-HMI 故障警示處理功能

為了增強 Mini OT Aviation Runway Light Management Cyber Twin System 的真實感和運作深度，已實作基於 PLC 的元件故障警示處理機制。此功能模擬機場跑道照明系統中使用的真實世界電氣行為和故障檢測工作流程，使 OT 工程師和網路防禦人員都能夠練習診斷運作故障和網路引起的異常。

為了實作此功能，每個燈的 PLC 控制都包含以下功能：

• 電動控制斷路器（用於開啟/關閉電源）

• 電流計量單元 (MU)

• 燈光狀態感測器

• PLC 可變更點 (C_CR_TA_1)

• PLC 測量點 (M_SP_NA_1)

HMI 持續比較指令動作和 PLC 回饋狀態，如果發生不匹配，系統會觸發塔台 ATCO 可見的元件故障警示。PLC–元件–HMI 工作流程如下圖所示：

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

該系統遵循 8 步驟流程來檢測元件故障和異常行為：

步驟 01 – ATCO 啟動燈光控制動作

• 塔台操作員選擇燈光控制（例如，開啟起飛等待燈），並透過指令確認對話方塊確認動作。

步驟 02 – HMI 記錄待處理的控制動作

• HMI 程式將指令記錄為其控制動作記錄表中的「待處理」，等待 PLC 回饋的驗證。

步驟 03 – HMI 將 IEC-104 指令傳送到 PLC

• HMI 發出 IEC-104 寫入指令，以更新控制目標燈的 PLC 可變更點 (IOA)。

步驟 04 – PLC 控制電動斷路器

• PLC 模擬器更新輸出線圈，導致實體世界模擬器中的電動斷路器開啟/關閉，並改變燈光的電氣狀態。

步驟 05 – 感測器回報實際燈光行為

• 電流計量單元和燈光狀態感測器產生即時物理回饋（電流、燈光開啟/關閉），由兩個 PLC 量測點收集。

步驟 06 – HMI 擷取 PLC 回饋資料

• 在下一個 HMI 執行週期中，HMI 透過 IEC-104 檢索感測器讀數、斷路器狀態和 PLC 狀態值。

步驟 07 – HMI 比較預期狀態與實際狀態

• HMI 比較待處理命令與實際燈光狀態和量測到的電流。如果偵測到任何不符，則會產生元件故障警報。

步驟 08 – UI 顯示正常或故障狀況

• 綠色指示燈表示正常運作（命令和電氣狀態相符）。

• 如果偵測到物理或電氣不一致，則會出現紅色故障彈出視窗。

故障偵測邏輯表

此比較表說明系統如何解釋不符的狀態以識別可能的元件故障：

此邏輯準確地模擬了真實的 OT 維護診斷流程。

網路安全觀點：偵測 MITM 和 OT 操縱攻擊

由於網路雙生系統用於網路演練，因此元件故障警報處理功能也可用於偵測系統中可能的紅隊駭客的 OT 攻擊行動，例如 MITM 攻擊。在航空跑道網路靶場 OT 安全案例研究 02：PLC-HMI IEC104 通道上的 MITM 攻擊中描述的網路靶場演練情境中，如果攻擊者修改了 ATCO 的控制命令，而不改變 PLC 的回饋資料，如下所示：

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

如果攻擊者沒有使用可以匹配他所做的修改動作的正確值來更改 PLC 回饋資料，那麼在監視塔台 HMI 的藍隊方面，將會偵測到控制故障警報並追蹤攻擊動作。

警告和警報 UI 指示器的設計

該系統包括兩個不同的視覺介面，用於向使用者警示異常的跑道照明狀況：

• 實體世界模擬器，代表網路實體雙生中的即時元件異常狀態。

• 塔台 ATC HMI，根據 PLC 回饋和授權的控制操作，呈現經過驗證的系統狀態和異常狀態資訊。

雖然兩個介面都顯示警告和警報信號，但它們的觸發邏輯和視覺行為會根據預期的操作角色而有所不同。

實體世界模擬器 – 警告和警報顯示

實體模擬器透過直接反映實體元件的狀態來複製真實世界的行為。每當跑道裝置轉換為異常狀態（例如，斷電、故障、操作不一致）時，如「跑道警告觸發情境」和「警告和警報觸發情境」中的圖片所示，系統將：

• 在受影響的元件附近閃爍警告/警報圖示

• 在故障資產旁邊顯示上下文訊息

• 透過底部滾動指示器持續列出警報，以供白隊進行情境監控

在實體世界模擬器的底部區域還有另外 4 個不同的指示器，滾動播放所有警告和警報訊息，供網路演練白隊監控，如下所示：

此外，在筆記本區域中選擇「Warning & Alarm」標籤會顯示觸發警報的歷史記錄日誌，包括時間戳記，以進行追蹤和網路安全培訓審查：

此簡報讓操作員可以全面了解網路演練情境期間的持續系統狀態。

塔台 ATC HMI – 警告、警報和故障警報顯示

塔台 HMI 中的警報表示遵循更嚴格的操作邏輯，並遵守真實的空中交通管制工作流程。在這裡，只有當 PLC 偵測到 ATC 操作員未故意命令的故障狀況時，才會觸發警告和警報。

例如：如果跑道邊緣燈因某種原因被 ATC 直接指示關閉，即使實體模擬器顯示[!] Runway Edge Light Power Off警告，HMI 也不會觸發警告。

此方法可確保：

• 授權行動時不會發出錯誤警報

• 為塔台管制員提供準確的決策支援

• 清楚區分系統故障和操作員意圖

HMI 警告和警報指示器都對齊在塔台 HMI 的右側，如下所示：

所有警報指示器都以垂直堆疊方式顯示在 HMI 螢幕的右側。啟用時：

• 黃色指示器閃爍表示警告

• 紅色指示器閃爍表示嚴重警報或設備故障

如果講師關閉實體世界中中心線延伸燈的電源，它將觸發[X] Runway Extend Light Power Failure !警報，在實體世界模擬器中，它將顯示紅色警報標誌，但由於它是來自塔台 ATC 的控制動作，因此在塔台 HMI 中，警報將顯示為黃色。

這種一致的放置和顏色編碼設計支援在時間敏感的航空操作中快速識別和優先回應。

結論

總之，「警告、警報和故障警報子系統」的設計為航空網路靶場提供了一個穩健且操作上真實的框架。透過仔細實施可程式化的警報邏輯、直觀的 UI 指示器和基於 PLC 的故障偵測機制，該子系統成功地彌合了網路安全演練和實體操作技術之間的差距。它是培訓人員識別、診斷和回應意外故障和惡意網路攻擊的關鍵推動因素，從而直接提高機場 OT 環境的安全性、可靠性和安全意識。

感謝您花時間查看文章詳細資訊，如果您有任何問題和建議或發現任何程式錯誤，請隨時給我留言。如果您能提供一些評論並分享任何改進建議，以便我們改進工作，將不勝感激 ~

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