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银抗菌的安全性正式版

银抗菌的安全性
邢彦军1 ,2 , 宋阳3 , 吉友美1 , 戴瑾瑾1 (1) 东华大学化学与化工学院,上海202120 ; (2) 东华大学教育部生态纺织重点实验室,上海202120 ;(3) 东华大学,国家染整工程技术研究中心,上海202120
    抗菌纺织品的研究与应用与人类健康密切相关,因而越来越受到人们的重视。抗菌纺织品可以明显地提高产品的附加值,满足人们对健康环保的需求,因此市场潜力很大。
纺织品的抗菌整理多采用主动抗菌,即通过一定方式将特殊的抗菌物质引入纺织材料,以达到抗菌的目的。目前多采用双胍类、异噻唑啉酮类、有机硅季铵盐类和酚类等溶出型有机抗菌剂。但是,长期使用这些抗菌剂很容易产生耐药性菌种,大大影响了抗菌效果。相反,无机抗菌杀菌剂具有抑菌持久性、广谱性、高度安全性等优点,因而其应用领域不断扩展。金属离子抗菌剂是一类重要的无机抗菌剂,其中银离子的抗菌能力远远强于其他抗菌金属离子,故银系无机抗菌剂在抗菌纺织品上的应用越来越广泛。本文对银抗菌剂的安全性、抗菌性能、抗菌机制、银系抗菌纤维和纺织品制备方法、国内外抗菌纺织品测试方法以及目前尚存的问题进行了评述。
1 　银的抗菌性
微量的、相对无毒的金属具有杀灭病原体和防止它们增殖的“微量作用效应”。在所有金属中,银最具微量生物活性。银的使用最早可以追溯到18世纪使用硝酸银治疗胃溃疡[1]。19世纪第1次确定了银离子的抗菌活性,到了20世纪20年代,胶体银由于可以有效地处理伤口而被美国食品药品署(FDA)认可[2-3]。与其他抗菌剂相比,银系抗菌剂具有抗菌性能高(见表1) ,不易产生抗药性的特点,具有很高的安全性。在温暖潮湿的环境里,银离子具有非常高的生物抗菌活性。同时,银系抗菌剂还具有很多优点,如对皮肤没有刺激性,不影响纺织品的服用性能,因此银系抗菌剂适合于抗菌功能纺织品的制备[4-5]。
表1 　用于纺织品的不同抗菌剂性能比较
抗菌剂
格兰氏阳性菌
格兰氏阴性菌
真菌
抗药性
皮肤吸收
毒性
三氯生
+
-
+
有
有
很少到无毒
银系
+++
+++
+++
未报道
轻微
很少到无毒
季铵盐
+
-
-
有
有
中等到高
壳聚糖
+
+
+
未报道
未报道
生物降解
聚己缩胍
+
+
+
未报道
无
很少到无毒
铜系
+
+
+
有
无
和剂量相关
　　注: + 表示有效; + + + 表示高效; - 表示无效。测定方法不同,不同抗菌剂间无法进行比较。
2 　银的安全性
我国民间很早就认识到银有抗菌作用,并记述了银的毒性,明代医学家李时珍在《本草纲目》中对银的性质有所记述:“生银、味辛、寒、无毒”。从生理学上讲,银不属于人体必需的微量元素,但由于食物和饮水的摄取或者职业的原因,人体内仍然可以检测到银的存在(质量浓度<213μg/L) [6] 。疾病治疗过程中所使用的含银药膏、绷带或者导尿管等所含的银也会进入人体的循环系统。
在大多数情况下,银与人体细胞中的金属硫蛋白作用会形成蛋白络合物,从而减小了银的毒性。含银医用敷料所释放的银除了形成硫化物或氯化物沉淀,与伤口的分泌物反应形成稳定的复合物外,有较少部分也会通过开放的伤口进入人体。研究报道,受伤皮肤吸收的银离子量远高于健康人体的皮肤[7]。从理论上讲,银会沉积于人体的任何组织之中,但只有皮肤、大脑、肝、肾、眼睛和骨髓是目前研究最多的部位。大多数的银主要通过肝和肾排出人体,同时头发和指甲的生长也提供了一个排泄途径[4-5]。
目前对银的摄入和银在人体中新陈代谢的研究还较少,只有少数关于磺胺嘧啶银的临床研究。自引入市场以来,磺胺嘧啶银已经在临床上使用了几十年,病人每天最多可使用30g(含银9.06g)。研究表明在使用磺胺嘧啶银时,10 %的银会被人体吸收,而高度血管化的伤口吸收更高[8]。使用磺胺嘧啶银的病人体内血银质量浓度可高达>300μg/L,但至今未发现明显的毒副作用[9-11]。Wysor 采用口服或皮下注射的方法将1050mg/kg的磺胺嘧啶银(含30 %银,相当于70kg的人使用22g的银)用于小鼠,连续实验1个月后,受试动物无死亡,体重无减轻,没有行为改变和腹泻;组织切片分析发现,受试动物无明显病变。
与人体皮肤直接接触的医用纤维中含有的金属银和银离子,受汗液、皮脂和组织分泌液的激活而积累在皮肤的表面,其中一些会形成硫化银穿过皮肤的表层而沉淀在皮肤中。虽然高温和高湿环境将加速皮肤和黏膜对银的吸收,但由此造成的银吸收远远低于使用1 % 磺胺嘧啶银软膏病人所吸收的量。　　
3 　不同价态银的抗菌性能
大量研究表明,不同价态的银均具有杀菌效果,但随着价态的变化,其杀菌机制有所不同。总体来说,高价态离子的还原势极高,能够导致原子氧产生的能力也相应的较大,从而极大地提高了抗菌性能。银具有3 种氧化态:Ag(Ⅰ)、Ag(Ⅱ)和Ag(Ⅲ),不同形态银的抗菌性能的顺序为[12-14]: Ag4O4>Ag(Ⅲ)> Ag(Ⅱ)>>Ag(Ⅰ)>Ag(0)。表2中列出了银单质和不同形态化合物离子化能力的定性比较。
表2 　用于抗菌材料的银系化合物
化合物
离子化能力
氯离子反应
过敏反应
抗菌性能
金属银及涂层
低(<1g/mL)
反应
有
低
纳米银
低(<1g/mL)
不反应
无
很高
胶体银
中等至高
反应
有
中等
磷酸盐
中等
反应
有
中等
硝酸盐
很高
反应
有
很高
氯化物
低
-
有
低
硫酸盐
中等
反应
有
中等
沸石
未见报道
未知
有
中等
磺胺嘧啶盐
高
反应
有
高
氧化银
低
反应
有
中等
　　Ag4O4是由2个Ag(Ⅰ)和2个Ag(Ⅲ)与4个O2-紧密结合构成的一种具有活跃电子的分子晶体。由于在同一个分子内存在着Ag+/Ag3+ ,使电位不平衡, Ag4O4 具有潜在的电子跃迁的能力和向更稳定状态变化的趋势[15]。Ag4O4与病毒、细菌、真菌和原生动物等生物体的膜和衣壳上的特定蛋白表面裸露的-N基(-NH-,-NH2)和-S基(S-S,-SH)具有亲和性,可以发生热力学吸附并触发氧化还原反应和由反应产生的Ag2+ 的螯合反应,从而致使蛋白质构象改变, 最终导致病原体死亡[14]。Ag(Ⅱ)和Ag(Ⅲ)具有比Ag(Ⅰ)更强的杀菌能力,但其杀菌机制目前还未见详细报道。一般认为是Ag(Ⅱ)和Ag(Ⅲ)的强氧化性使其拥有杀菌能力。Ag(Ⅲ)的杀菌速度平均要比Ag(Ⅰ)快240倍,杀菌效果是Ag(Ⅰ)的200倍[12]。
在这些银的形态中,只有Ag(Ⅰ)和Ag(0)最稳定,并且已经应用于各种抗菌材料[16]。Ag(Ⅰ)中使用最多的是硝酸银和磺酸嘧啶银。硝酸银是非常优异的抗菌剂,其抗菌性能比很多其他抗菌剂(包括磺酸嘧啶银)要好,特别是在消除抗性品系的金黄色葡萄球菌、肺炎球菌以及绿脓杆菌上效果更好[17]。但硝酸银的用量不能超过1% ,否则与活组织细胞接触时会引起细胞电解质钠和钾的流失[18]。磺酸嘧啶银避免了硝酸银的很多缺点,同时广谱抗菌。虽然磺酸嘧啶银在水中的溶解度较小,但它与体液作用释放银离子的能力并不差。当磺酸嘧啶银质量浓度达到50 mg/L时,95 %的人体伤口中细菌种类都可以有效地消除,然而银离子极易与生物体中的氯离子产生氯化银沉淀,进而诱发人体过敏反应产生。
虽然金属银的离子化速度很慢,但也已经用于治疗伤口。纳米化学的发展加速了微细银颗粒(<20nm)的制备。制备得到的微细银颗粒的可溶性增强,并且由于金属银的离子化和颗粒的表面积成比例,纳米颗粒的高表面积使得银离子的释放速度也相应增加,因此相对于金属银来说,其抗菌性能也极高。然而,抗菌性能提高的同时也意味着毒性的增加。目前对纳米级物质的危险性还有很多争议。研究表明,当以纳米颗粒的形式存在时,纳米银要比一些重金属的毒性还要高[19]。体外试验表明纳米银颗粒会导致哺乳动物的肝细胞中毒[20],甚至可能会导致脑细胞中毒[21]。同时,纳米银颗粒的稳定性较差,储放时易产生凝聚形成微米级粒子,另外高分子基材不容易分散,影响了其应用。
抗菌织物所使用抗菌剂中银的来源和银离子的释放方式及速度对纤维和织物的抗菌性能有着极大的影响。采用不同方法得到的银系抗菌纺织品具有不同的释放体系和浓度。Thomas和Mc Cubbin研究了10种采用不同的银抗菌剂、纤维材料以及释放体系的织物并比较了它们的抗菌性能[22]。结果表明:银的总含量是最主要的影响因素,而银在织物中的分布、化学物理形态以及织物的亲湿性等对抗菌性能也有一定影响,因此某一种银抗菌体系的有效银含量能否代表其他银系抗菌体系值得考虑。
4 　银的抗菌机制
到目前为止,对一价银离子化合物的抗菌机制还没有一个完全统一的认识。目前提出的研究机制主要有2种:离子溶出说和活性氧说。离子溶出说认为金属银和大多数银化合物与水、体液和组织分泌液作用后可以释放出的银离子或者其他“具有生物活性的银离子”,在吸附病菌后与其中酶蛋白的氨基(-NH2)或者巯基(-SH)等活性基团发生作用,导致病菌中的酶失去活性或发生了改性,使得病原菌无法进行呼吸和新陈代谢,病菌的生长和繁殖得到抑制,从而达到抗菌的目的。在这种机制中,银离子的缓释对抗菌性能具有极大的影响,而其缓释性能在很大程度上取决于抗菌材料中银化合物或金属银形成离子的能力,然而,目前尚没有用于抗菌材料银化合物或金属银离子化能力的精确的定量数据(见表2) 。
活性氧说则认为银等重金属具有较高的极性催化能力,在与水和空气中的氧作用后可以产生活性氧物质(如H2O- ,H2O+ ,O-2等)。这些活性氧物质能够破坏细胞内各种重要的生物高分子和膜,阻碍病菌的继续生长和繁殖,从而起到抗菌效应。Lok 使用蛋白质组学和膜性质测定研究了纳米
银对E.coli的作用。结果表明:其抗菌机制与Ag+相同,但是纳米银的有效浓度远低于Ag+[23]。然而,研究表明纳米银易产生生物毒素[24],因此在使用纳米银作为抗菌剂时,必须严格控制其用量。
虽然大多数研究均已采用以上2种机制,但仍然存在较多疑点,因此还需结合微生物学和生物化学等知识对银系抗菌剂的抗菌机制作进一步的探讨,特别是纳米银抗菌剂的抗菌机制(如粒径大小、形状与抗菌性能的关系),以指导抗菌剂的开发和使用。
5 　银系抗菌纺织品的制备
目前银系抗菌纺织品的制备方法主要有纤维改性法和织物后整理法。纤维改性法首先在成纤高聚物中添加合适的抗菌剂填料,然后进行湿法或熔融纺丝,再加工制成抗菌织物;织物后整理则是通过在织物表面涂层或浸渍抗菌剂的方式,使纺织材料表面形成抗菌层。每种方法都有各自的优缺点,生产中可根据不同的需求采用相应的加工方法,见表3。　　
表3 　不同的织物抗菌整理方法
方法
优点
缺点
后整理
易加工,柔性成本
耐洗性及抗菌效果持久性差,易迁移进入皮肤(产生过敏反应) ,对环境有影响(三废)
涂层
不会迁移
高成本( > 10 %的银) ,不能用于无色织物,金属银易变色,只有与皮肤接触时才能产生效果
纤维改性
效果持久,不会迁移,适用于
多种纤维,对环境无影响
只有当与皮肤接触以及释放银离子时才能产生效果;影响纤维的物理机械性能
　　目前抗菌纺织品的生产主要以纤维改性为主。该法是将抗菌剂的超细粉末作为添加剂进行纺丝[25],此时抗菌剂进入到纤维的内部,故耐洗涤性能好,抗菌效果持续时间长,但纤维改性法对抗菌剂的要求较高,抗菌剂必须在水、碱和酸里的溶解度极低,化学稳定性好,耐强酸、碱和氧化剂,热稳定性好,因此目前抗菌添加剂多为载银陶瓷颗粒或者载银沸石(见表4)。在加工过程中,要求添加的抗菌剂必须与纤维本体有良好的相容性和分散性,同时抗菌剂颗粒细小,粒径分布范围窄,不能影响纺丝;添加剂的加入不能够影响纤维的物理性能,包括纤维的强力和伸长。纤维改性方法大多只适用于合成纤维,除纳米银抗菌剂外无法对棉、麻、毛、丝等天然纤维进行抗菌加工。
表4 　抗菌纤维中使用的银系抗菌剂
种类
制备技术
耐久性
抗菌性能
适用纤维
银涂层
机械涂层
不使用黏合剂,易脱落
用量超过5 %时效果好
目前只应用于锦纶
银沸石
微米沸石交换吸附Ag+
取决于所使用的黏合剂
低到中等,取决于沸石吸附量
无法应用于超细纤维
银粉
粉碎或等离子体加工
取决于所使用的黏合剂
差
只适用于粗纤维,易降低纤维强力
纳米银
溶胶凝胶法
进入纤维内部使用时间长
优良
用于所有天然及合成纤维
　　表5 列出了部分抗菌纤维及抗菌纺织品。织物后整理的方法主要针对天然纤维或者天然纤维与其他纤维混纺的纺织品,一般使用抗菌剂的悬浮液浸渍[26]、涂层或者溶胶凝胶[27]等方法,使抗菌剂能够附着在织物上以获得抗菌效果。后整理方法得到的抗菌织物其纤维内部并没有抗菌剂,因此耐洗涤性和长效性都较差。后整理方法加工处理方便,对抗菌剂的要求相对较少,但要求使用的抗菌整理剂在加工方法上能够采用常规的纺织品加工工艺。表6列出部分用于纺织品后整理的抗菌整理剂产品。
6 　抗菌测试
目前市场上的银系抗菌纺织品多以载银陶瓷和沸石或者纳米银抗菌剂为主,此类固着型抗菌剂只有在潮湿状态(例如排汗,潮湿状态是细菌繁殖的理想环境) 才能释放出银离子,扩散性极差,因此在使用溶出型抗菌剂性能标准测定银系抗菌纺织品的抗菌性能时会给出负结果。目前,银系抗菌剂的抗菌测定多推荐使用振荡烧瓶试验。国际上相对比较完
表5 　部分银抗菌纤维及衍生产品
生产厂
产品
应用
加工方法
性能
兴诺
CLEANCOOL
内衣、运动服
纤维内吸附银
永久抗菌
Odlo
Termic
运动服
载银陶瓷颗粒
永久抗菌
Tex-A-med
Padycare
床单、T恤、绑腿
银涂层PA616 微纤维,20 %含银量
40 ℃下洗涤150 次
Schoedel AG
Silverline
床垫表层
银涂层纤维
永久抗菌
Schoedel AG
Microcare
床垫表层
醋酸银复合物,与湿气结合产生活性氧
可在60℃重复洗涤
Malden Mills
Polartec Power
T恤
使用银涂层纤维
永久抗菌
TWD GmbH
Diolen Care, Timbrelle Care
运动服、床垫、医疗产品等
PES 或者PA616 的银离子复丝
永久抗菌
Kanebo
Livefresh
内衣、袜子、运动服、鞋垫
PA616、银离子沸石
> 50 次洗涤
Montefibre
Leacril Saniwear, Terital Saniwear
运动服、床单、桌布
PAN、PES、银离子沸石
-
Statex Noble fibre
Shieldex X-Static
抗神经性皮炎服装、内衣等
银涂层PA66 纤维
永久抗菌
Nylstar
Meryl Skinlife
运动服、袜子、内衣等
银涂层PA66 微纤维
永久抗菌
Trevira GmbH
Trevira Bioactive
功能性内衣、运动服、床单
PES与银抗菌剂复丝
永久抗菌
东丽
X-Static
护士服
锦纶,银离子沸石
永久抗菌
可乐丽
Saniter
床单、被褥
涤纶中掺入银沸石
永久抗菌
Kosa
Imbue
用途广泛
聚酯丝嵌入银陶瓷
永久抗菌
Rhovyl
Rhovyl Eco
内衣
碘化银加入纤维

Foss
Foss fiber
抗菌清洁布
含银无机沸石AgION 嵌入聚酯双组分纤维
多次清洗可漂白
Americos
Silver Antimicrobial
-
载银硅酸盐
永久抗菌
NanoHorizons
SmartSilver
-
纳米银
永久抗菌

表6 　部分银系抗菌后整理剂
生产厂
产品
主要成分
应用
推荐工艺
性能
乐凯
CSA-1
季铵银盐
棉、涤纶、腈纶
-
抑菌性持久耐洗涤50次
乐凯
纳米银胶体水溶液
纳米银超细微粒≤50 nm
-
-
抑菌性持久耐洗涤
华普
HP902
纳米银陶瓷
棉、锦纶、腈纶等
浸轧法、喷涂
-
沪正
AGS2WMB
纳米银012～014 nm
棉、混纺、化纤等
喷涂、浸轧、浸渍法
-
晶硕
纳米抗菌防臭整理助剂
纳米银< 5 nm
-
喷轧、浸轧
-
Thomson
Ultra2Fresh Silpure
纳米银悬浮体180 nm
棉、涤纶、锦纶等
使用前混合两组分浸轧
耐50 次水洗
Ciba
IrgaGuard B 5000P5120
载银硅酸盐
涤纶、锦纶
-
持久、高温加工不分解
Rudolf
RUCO2BAC AGP
纳米TiO2 负载Ag2O
棉
浸轧法
耐50 次水洗
Dohmen
DOCAIR
纳米银
棉
浸轧法
高效耐久
日清纺
Ag Fresh
纳米银4 nm
棉
浸渍法
持久
整的评价方法是美国测试与材料协会标准ASTM E2149 —2001《固着性抗菌剂抗菌性的动态测试法》[28]、美国纺织化学家和染色学家协会标准AATCC 100-2004《纺织品抗菌性能的定量评估》[29]以及日本工业标准JISL 1902-2002《纺织品的抗菌性试验方法》[30]。三者在抗菌性能评价的标准上有很大的不同。由于ASTME 2149主要应用于非溶出型抗菌样品的抗菌性能的表征,因此应用于银系抗菌样品的性能测试较为科学。该标准先将样品浸泡在一定浓度的菌液中振摇培养1 h后,比较抗菌样品在振荡前后减少的菌落数对样品的抗菌性能进行表征。而JISL1902 和AATCC 100标准则比较适合于溶出型样品[31] ,因此测试银系抗菌样品时会产生一定的误差。它们的操作方法和结果表示与ASTME2149 也非常不同。虽然JISL1902 和AATCC 100标准都是通过比较和计算细菌在抗菌样品和比照样上培养后的菌数差异定量地评价纺织品的抑菌和杀菌性能,但二者在具体操作、样品尺寸、抑杀菌效果的计算方式和结果表示等方面仍有较大不同。
目前我国主要采用GB 15979-2002《一次性使用卫生用品卫生标准》[32] 以及FZPT 73023-2006《抗菌纺织品》[33] 测定非溶出型抗菌产品的性能。FZPT73023和GB 15979均是ASTM E 2149进行改进形成的,但二者在振荡时间上有极大的差别。前者的振荡时间为18 h ,而后者的时间仅为1 h ,与ASTM E2149 相同。
尽管可以定性鉴定或者定量测定织物上银的含量,但由于采用了不同的释放体系和浓度,一种银系抗菌纺织品的银有效含量、抗菌检测结果和方法不能代表和应用于其他的银系抗菌剂[22] 。研究还表明即使是相同的织物,采用不同的测试方法时,也会得到完全相反的结果。由于不同检测方法的结果之间没有严格的可比性,应采用多种方法进行对比测试,以便给出正确的结果。因此,在对银系抗菌纺织品进行测试时,如何合理地选择相应的抗菌检测方法就显得尤为重要。
7 　存在的问题
银离子化学性质较活泼,对光和热较敏感,特别是经紫外线长时间照射后会还原为黑色的单质银,从而影响白色或浅色制品的外观,极大地限制了其应用。国外近来的一些研究结果表明,用银络合离子替代银离子[34-35],或者使用变色抑制剂[36]可以解决这一问题。另外,某些不会变色的金属离子(如Zn2+、Al3+)与银离子复合后也可起到抑制银变色的作用,同时还可以降低成本[37] 。
由于织物的使用环境大多数都存在含有氯离子的化合物,特别是人体的汗液中含有大量的氯化钠[38],在这种环境中任何银化合物都会与氯离子反应生成氯化银沉淀。由于氯化银的光反应活性更强,在可见光的照射下银离子被还原成褐色的非离子化的金属银,因此还应对银系抗菌剂的耐氯性能作进一步的研究。
Cl- + hν→Cl + e
Ag+ + e →Ag
此外,对银的安全用量还需要进一步的研究。虽然各专业机构(如欧盟EUCAST和CLSI)已经对银的MIC和临界点浓度进行了规定,但目前对临界点的范围尚未达成一致[5 ,39 ] 。同时,各种含银产品的安全性标准还没有采用MIC50和MIC90 测定[40]。由于目前使用的银系抗菌剂仍需使用较多的银进行制备,成本较高,因此消费者的承受能力也是阻碍银系抗菌纺织品广泛应用的重要因素之一。
8 　结语
人们对抗菌纺织品的要求越来越高。银系抗菌剂依靠其高效、广谱和无抗药性的特点,越来越成为抗菌整理的首选,以银为抗菌剂的功能纺织品正日益成为产品热点,然而目前银系抗菌剂的种类少,易氧化变色的缺点还有待克服,未来仍需进一步研究开发抗菌性能更好、稳定性高、廉价的新型银系抗菌剂及整理方法。

计算机信息工程学院

《操 作 系 统》
课 程 设 计 报 告

题目：物联网网络架构及安全性分析

专 业：计算机科学与技术（软件方向）
班 级：14计科网络班
学 号：202122024113
姓 名：李福洪
指导教师：
完成日期：

目 录
一、 物联网概念绪论3
1.1物联网概念3
二、物联网网络架构3
2.1感知层3
2.2网络层3
2.3应用层3
三、物联网网络架构安全性分析4
3.1感知层安全需求分析4
3.2网络层安全需求分析4
3.3应用层安全需求分析5
四、总结6
参考文献7

一、 物联网概念绪论
目前，世界各国已经开始重视物联网的建设，并做了大量的技术研发和实际应用工作，我国将物联网的发展列为信息产业发展的下一个战略高点。物联网的网络架构和安全体系对物联网的安全使用和可持续发展起着至关重要的作用。本文对物联网分层结构进行分析，从架构特点探讨其潜在的信息安全问题，希望对于我国今后的物联网的建设，提供一定的参考依据
1.1物联网概念
物联网概念最早于1999年由美国麻省理工学院提出，但一直以来业界并没有明确统一的定义。早期的物联网是指依托射频识别(RFID)技术的物流网络，随着技术和应用的发展，物联网的内涵已经发生了较大变化。2021年，由中国工程院牵头组织学术界和产业界众多专家学者召开了多次会议，对物联网概念、体系架构以及相关内涵和外延进行研究讨论，统一了对物联网的认识。
现阶段，物联网是指在物理世界的实体中部署具有一定感知能力、计算能力和执行能力的各种信息传感设备，通过网络设施实现信息传输、协同和处理，从而实现广域或大范围的人与物、物与物之间信息交换需求的互联。物联网依托多种信息获取技术，包括传感器、RFID、二维码、多媒体采集技术等。
二、物联网网络架构
目前，我国物联网网络架构分为感知层、网络层和应用层。
2.1感知层
相当于物理接触层，技术上由识别芯片(RFID)、传感器、智能芯片等构成，感知范围可以是单独存在的物体，一个特定区域的物体，或是某行业划分下特定一类物品及一个物体不同位置等，主要实现智能感知功能，包括信息采集、捕获、物体识别等，其关键技术包括RFID、传感器、自组织网络、短距离无线通信等。
2.2网络层
感知层的信息经由网关转化为网络能够识别的信息后就传到了网络层，网络层进行信息的传递与处理。网络层包括2G通信网络、3G通信网络、WIFi、互联网等，信息可以经由任何一种网络或几种网络组合的形式进行传输。网络层还包括物联网的管理中心及物联网的信息中心。
物联网管理中心负责物品的统一标识编码管理、认证、鉴权、计费等，物联网信息中心则负责物品信息的存储和统一分析计算处理。物联网的网络层主要实现信息的传送和通信，又包括接入层和核心层。网络层可依托公众电信网和互联网，也可以依托行业专业通信网络，也可同时依托公众网和专用网。
2.3应用层
在物联网的感知层和网络层的支撑下，可以实现多种物联网应用，典型的应用有：智能交通、绿色农业、工业监控、动物标识、远程医疗、智能家居、环境检测、公共安全、食品溯源、城市管理、智能物流等。这些应用涉及的内容可以是跨行业，也可以是某行业内部的；用户可能是普通公众也可能是政府机构，企业组织等。物联网的应用层主要包含各类应用，例如监控服务、智能电网、工业监控、绿色农业、智能家居、环境监控、公共安全等。

三、物联网网络架构安全性分析

3.1感知层安全需求分析
感知层的任务是全面感知外界信息，将感知信息传送到网络层进行处理。在感知信息进入网络层之前，要通过一个或多个与外界连接的传感节点，即网关节点（gateway），传感网内部节点的通信都需要网关节点与外界联系。因此在感知层需重点考虑传感网本身的安全性。
传感器通过网关节点接入到网络层，因此网关节点的安全性最易被外界控制。典型的控制情况分为：a、传感网的网关节点被完全控制，安全性全部丢失；b传感网的网关节点被控制，节点密钥被破解；c、网关节点被控制，但密钥没有被破解；d、网关节点被网络的DOS攻击。
当传感网的网关节点被控制，需要破解与传感网内部节点通信的密钥或与远程信息处理平台共享的密钥，才能获取网关节点的所传送的信息；当节点被控制，密钥未被破解时，那么信息是不可被篡改的，只能阻止部分或全部信息的发送。传感网除非法访问外，另一攻击应该是服务器（DOS）的攻击。一般传感节点的计算和通信能力有限，在对抗DOS攻击时能力明显不足。当传感网被未识别的DOS访问时，就可能时运行系统瘫痪。
通过对传感网的安全威胁分析，需要在传感网内部建立有效的密钥管理机制。传感网内部节点认证、安全路由的解决方案可以相对独立应用。机密通信时可以建立一个临时会话密钥，通过密码进行认证。由于传感网的安全一般不涉及其他网络的安全，安全解决方案相对简单。但在物联网环境中受外部攻击的机会较大，需提升安全等级做保障。

3.2网络层安全需求分析
网络层的作用是对信息的传递和处理。
信息在通过互联网传输时，会遇到DOS和分布式服务器攻击（DDOS）的攻击，这些攻击需要有更高的安全防护措施。考虑到物联网所连接的终端设备性能和对网络需求的巨大差异，这种传输的安全架构可分为端到端和节点到节点机密性。前者需要端到端认证、端到密钥协商机制、机密算法选取机制等；后者需要节点间认证和密钥协商协议。
信息处理的安全性挑战包括：a、大量的终端数据；b、临时失控处理；c、非法认为干预；d、设备的丢失。
物联网时代，信息处理是另一个挑战。当不同类型数据通过一个数据平台处理时，需要不同功能的处理平台协同工作，因此数据分类是必须的。在将数据分类处理的同时，需要对信息加密，同时处理海量的加密信息是对智能平台的另一个挑战。针对智能处理的存在，就有让攻击者有机会躲过智能处理的识别和判定，需提高智能处理机制。
对于网络层的安全分析，可从以下几点分析：a、可靠的认证机制和密钥管理方案；b、可靠的高智能处理手段；c、数据实时检测和病毒检测；d、安全云计算技术；e、数据文件的可备份和恢复。
3.3应用层安全需求分析
物联网已经在应用在很多领域，其安全挑战面临的问题也日渐增多。主要包括：a、如何保证信息的追踪问题；b、如何设置访问权限，确保同一数据被不同用户访问；c、如何确保用户隐私信息的保护；d、如何处理长期堆积的数据。
如今商业化的物联网，无论采取什么样的技术措施，恶意破坏行为是不可避免的。如何检测这种恶意行为带来的后果及给出相应的惩罚，已经迫在眉睫。
应用层的安全需求方式主要有，a、设置不同模式的意思信息技术保护；b、保护电子产品和有效的产权技术；c、信息追踪技术和防泄漏技术。

四、总结
物联网系统是一类复杂的系统，物联网技术是一类复杂的技术。我从物联网的网络架构角度，分析了物联网当前安全性，分别从其所存在的网络安全挑战到安全架构进行论述。对于物联网的安全架构分析更多的是理论分析，其安全机制的具体实现在业界仍是起步阶段，关于物联网的安全研究任重而道远。目前，世界各国已经开始重视物联网的建设，并做了大量的技术研发和实际应用工作，我国将物联网的发展列为信息产业发展的下一个战略高点。物联网的网络架构和安全体系对物联网的安全使用和可持续发展起着至关重要的作用。本文对物联网分层结构进行分析，从架构特点探讨其潜在的信息安全问题，希望对于今后的物联网的建设，提供一定的参考依据

参考文献
[1]沈苏彬,毛燕琴.物联网概念模型与体系结构[J].南京邮电大学学报,2021年第4期.
[2]武传坤.物联网安全架构初探[J]。战略与决策研究,2021年第4期.
[3]周军.物联网时代的展望[J],物联网世界,2021年第1期.

课程设计总结：

指导教师评语：

指导教师(签字)：年月日
课程设计成绩

2021年重大事故预测
火车与飞机的安全性比较

建国以来中国重大火车事故一览
线路
时间
事件
死伤
甬温线铁路
2021年07月23日
D301追尾D3115
40死200伤
胶济铁路
2021年04月28日
T195次撞上5034次
70死416伤
胶济铁路
2021年01月23日
D59次撞上施工人员
18死9伤
南疆线铁路
2007年02月28日
列车脱轨
3死34伤
京九线铁路
2006年04月11日
T159次撞上1017次
2死18伤
京广线
1999年07月09日
461次列车脱轨
9死40伤
京广线
1997年04月29日
324次与818次相撞
126死230伤
襄樊铁路
1994年01月15日
250次撞上3173次
7死12伤
京广线
1993年07月10日
163次追尾2021次货车
40死48伤
京广线
1991年08月18日
列车停车旅客下车被撞
数十人伤亡（记为50）
浙赣线
1992年03月21日
211次与1310次货车相撞
15死25伤
沪杭铁路
1989年06月26日
364次列车爆炸
24死39伤
沪杭线
1988年03月24日
311次与208次相撞
28死99伤
贵昆线
1988年01月24日
80次特快列车颠覆
88死202伤
京广线
1988年01月07日
272次列车失火
34死30伤
拉滨线
1988年01月17日
438次与1615次货车相撞
19死76伤
滨北线
1987年04月22日
98次列车爆炸
12死44伤
成昆线
1981年07月09日
列车坠桥
130死146伤
京广线
1980年01月22日
403次列车失火
22死4伤
陇海线
1978年12月16日
368次与87次相撞
106死218伤
京广线
1971年12月07日
451次和837次货车追尾
14死22人伤

建国以来中国重大空难事故一览
线路
时间
事件
死伤
广州—桂林
1982年04月26日
266号客机猛烈撞击阳朔附近的崩山
全部遇难（记为100）
北京—重庆
1988年01月18日
坠毁
108死
南京—厦门
1992年07月31日
起飞滑跑途中冲出跑道
107死19伤
广州—桂林
1992年11月24日
粉碎性解体
141死
银川—北京
1993年07月23日
起飞时冲入水塘
54死3伤
西安—广州
1994年06月06日
坠毁
160死
中国台湾
1998年02月16日
降落时撞入附近建筑
203死
成都—温州
1999年02月24日
坠毁
61死
恩施—武汉
2000年6月22日
在武汉郊区坠毁，武汉空难客机坠地时将汉江南岸一泵船撞毁
49死

从重大事故次数统计结果来看，飞机基本上低于火车，但并不是相差太大。而我们知道，航空是人类所有交通运输工具中安全系数最高的，但是也是一旦发生事故，死亡率最高的。火车或者汽车出故障有可能就是抛锚，但是飞机出现一点点的故障有可能就是空难。
从伤亡人数来看，基本上火车比飞机要高。但是不可忽略的是，乘坐火车出行的人数基本上是乘坐飞机出行人数的200倍，故而不能仅仅依靠人数来判断安全性，这种情况下，通过伤亡率来比较更为恰当。

以下，我们他能够过两种方式来比较火车和飞机的安全性：
1.现在，根据一个简单的统计和分析，也就是按失事死亡人数和乘飞机的总人数的比值与按失事死亡人数与乘火车的总人数的比值加以比较，可以得出结论。
世界银行统计的2005年至2021年世界民航客运量的总人数是189.1亿人，中国经济网的“21世纪以来全球主要空难事故统计一览”表明，2005年至2021年全球飞机事故致死人数为4756。如此，则4756人/189.1亿人，约为25.15人/1亿人。即每1亿人乘坐飞机，约有25.15人因飞机失事死亡。
根据中国统计年鉴和铁道部的统计，2005年至2021年，全国铁路共运输旅客120.04亿人，事故共造成166人死亡。如此，则166人/120.04亿人，约为1.38/1亿人。即每1亿人乘坐火车，有1.38人因火车事故而死亡。所以，乘飞机的总死亡几率是乘火车的18.22倍。
2.把中国铁路的数据跟全球的民航数据相比当然不妥当（毕竟如果大部分的火车旅行相对飞机来说路程很短，直接按运次死亡率相比，出事故的概率当然低），但拿维基百科中全球铁路的事故率跟全球民航的事故率相比也并不合适。因为大部分民航的运量集中在发达国家，管理水平普遍较高。而铁路客运的运量以中等收入国家为主，特别是印度的铁路周转量占全世界的比例很大（三分之一强），死亡率又很高。所以很大程度上民航相对铁路的低死亡率是国家管理水平的不同造成的。如果在一个民航和铁路同时是主要客运方式的国家，比如中国恐怕未必是这样。
可以统计一下中国的民航和铁路的周转量和死亡数的数据：
也就是说，在中国，民航的每人公里的死亡率大概是铁路的6倍。

结论：
不过不管怎么说，各种公共交通的死亡率肯定都远远低于私人交通的死亡率。这主要是由严格的系统监管和专业的驾驶技术决定的。
由上述的分析结果也可以看到，不论采取哪种比较方式，乘坐飞机出行导致的死亡率总是高于乘坐火车的。故而我们可以得到预测结果，火车是比飞机更为安全的出行方式。

表格
序号
评价项目
检查情况
结果
2
安全设备评价

2.1
电站锅炉

设备状况

汽包锅筒、直流锅炉汽水分离器、集中下降管、联箱(过热器联箱、再热器联箱、减温器联箱、省煤器联箱)、受热面管(水冷壁、过热器、再热器、省煤器)等本体承压部件按规定进行查验，并无存在危及安全运行的缺陷和隐患

锅炉范围内管道、管件、阀门及附件(包括：主蒸汽管、再热蒸汽管、导汽管、下降管、给水管、减温水管、再循环管、事故放水管、直流锅炉启动系统、疏放水管、排污管、空气管、压力信号管、温度计套管、加药管、化学取样管、阀门、炉水循环泵、疏水及排污扩容器等)按规定进行查验，并无存在危及安全运行的缺陷和隐患