Abstract In recent years the number of attacks on critical infrastructure has not only increased substantially but such attacks have also shown higher sophistication. With the increasing interconnection of information systems it is common that critical systems communicate and share information outside an organization’s networks for many different scenarios. In the academic world as well as in existing security implementations, focus is placed on individual aspects of the security process - for example, network security, legal and regulatory compliance and privacy - without considering the process on the whole. This work focuses on solving this security gap of critical infrastructure by providing solutions for emerging attack vectors. Using design science research methods, a model was developed that seeks to combine these individual security aspects to form a complete security management process (SMP). This SMP introduces, among others theories of security topics, recommended best practices and a security organization structure. An instantiation of the SMP model was implemented for a large-scale critical infrastructure. This work introduces the system developed, its architecture, personnel hierarchy and security relevant workflows. Due to employed surveillance networks, specialized requirements for bandwidth utilization while preserving data security were present. Thus algorithms for solving these requirements are introduced as sub-constructs. Other focus points are the managerial aspects of sensors deployed in surveillance networks and the automatic processing of the sensor data to perform data fusion. Algorithms for both tasks were developed for the specific system but could be generalized for other instantiations. Verification was performed by empirical studies of the instantiation in two separate steps. First the instantiation of the SMP was analyzed as a whole. One of the main quality factors of the instantiation is incident response time, especially in complex scenarios. Consequently measurements of response times when handling incidents compared to the traditional system were performed in different scenarios. System usability was then verified by user acceptance tests of operators and administrators. Both studies indicate significant improvements compared to traditional security systems. Secondly, the sub-constructs communication optimizations and the data fusion algorithm were verified showing substantial improvements in their corresponding areas. / Tiivistelmä Viime vuosina kriittisiin infrastruktuureihin on kohdistunut merkittävästi aiempaa enemmän erilaisia hyökkäyksiä. Tietojärjestelmien välisten yhteyksien lisääntymisen myötä myös kriittiset järjestelmät kommunikoivat nykyään keskenään ja jakavat tietoa organisaation sisäisten verkkojen ulkopuolellekin. Akateemisessa tutkimuksessa ja turvajärjestelmien toteutuksissa on huomio kohdistettu turvallisuutta koskevien prosessien yksittäisiin piirteisiin, kuten esimerkiksi verkkojen turvallisuuteen, lakien ja sääntöjen noudattamiseen ja yksityisyyteen, miettimättä prosesseja kokonaisuutena. Väitöstutkimuksen tavoitteena on ollut ratkaista tämä kriittisten infrastruktuurien turvallisuusongelma tarjoamalla ratkaisuja, jotka paljastavat mahdollisia hyökkäysreittejä. Väitöstutkimuksessa kehitettiin suunnittelutieteellisen tutkimuksen avulla lähestymistapa, joka yhdistää yksittäiset turvallisuusnäkökohdat ja muodostaa näin turvallisuuden kokonaishallinnan prosessin mallin. Malli hyödyntää erilaisia turvallisuusteorioita, suositeltuja hyviä käytäntöjä ja turvallisen organisaation rakennemalleja. Mallista kehitettiin esimerkkitoteutus laajamittaista kriittistä infrastruktuuria varten. Tämä väitöskirja esittelee kehitetyn järjestelmän, sen arkkitehtuurin, henkilökuntahierarkian ja turvallisuuden kannalta relevantit työnkulkukaaviot. Työssä huomioitiin laajan valvontaverkoston edellyttämät erityisvaatimukset tilanteessa, jossa tietoturvallisuuden säilyttäminen oli tärkeää. Myös näiden erityisvaatimuksiin liittyvien mallin osien ratkaisualgoritmit esitetään. Muita työn tuotoksia ovat hallinnolliset näkökulmat, jotka on huomioitava, kun valvonnalle tärkeitä sensoreita hallinnoidaan ja sensorien tuottamaa dataa yhdistellään. Algoritmit luotiin esimerkkiympäristöön, mutta niitä on mahdollista soveltaa muihinkin toteutuksiin. Toteutuksen oikeellisuuden todentamisessa käytettiin empiirisiä ympäristöjä kahdessa eri vaiheessa. Ensiksi turvallisuusprosessin kokonaishallinnan malli analysoitiin kokonaisuutena. Merkittävä laatutekijä oli havaintotapahtuman vasteaika erityisesti monimutkaisissa skenaarioissa. Siksi työssä esitellään eri skenaarioiden avulla tapahtumanhallinnan vasteaikojen mittauksia suhteessa perinteisiin järjestelmiin. Tämän jälkeen järjestelmän käytettävyys todennettiin operaattorien ja hallintohenkilöstön kanssa tehtyjen hyväksymistestien avulla. Testit osoittivat huomattavaa parannusta verrattuna perinteisiin turvajärjestelmiin. Toiseksi verifiointiin mallin osien kommunikaation optimointi ja algoritmien toimivuus erikseen ja niissäkin ilmeni huomattavia parannuksia perinteisiin järjestelmiin verrattuna.

Abstract The last decade was marked by a set of harmful events ranging from economical crises to organized crime, acts of terror and natural catastrophes. This has led to a paradigm transformation concerning security. Millions of surveillance cameras have been deployed, which led to new challenges, as the systems and operations behind those cameras could not cope with the rapid growth in number of video cameras and systems. Looking at today’s control rooms, often hundreds or even thousands of cameras are displayed, overloading security officers with irrelevant information. The purpose of this research was the creation of a novel video surveillance system with automated analysis mechanisms which enable security authorities and their operators to cope with this information flood. By automating the process, video surveillance was transformed into a proactive information system. The progress in technology as well as the ever increasing demand in security have proven to be an enormous driver for security technology research, such as this study. This work shall contribute to the protection of our personal freedom, our lives, our property and our society by aiding the prevention of crime and terrorist attacks that diminish our personal freedom. In this study, design science research methodology was utilized in order to ensure scientific rigor while constructing and evaluating artifacts. The requirements for this research were sought in close cooperation with high-level security authorities and prior research was studied in detail. The created construct, the “Intelligent Video Surveillance System”, is a distributed, highly-scalable software framework, that can function as a basis for any kind of high-performance video surveillance system, from installations focusing on high-availability to flexible cloud-based installation that scale across multiple locations and tens of thousands of cameras. First, in order to provide a strong foundation, a modular, distributed system architecture was created, which was then augmented by a multi-sensor analysis process. Thus, the analysis of data from multiple sources, combining video and other sensors in order to automatically detect critical events, was enabled. Further, an intelligent mobile client, the video surveillance local control, which addressed remote access applications, was created. Finally, a wireless self-contained surveillance system was introduced, a novel smart camera concept that enabled ad hoc and mobile surveillance. The value of the created artifacts was proven by evaluation at two real-world sites: An international airport, which has a large-scale installation with high-security requirements, and a security service provider, offering a multitude of video-based services by operating a video control center with thousands of cameras connected. / Tiivistelmä Viime vuosikymmen tunnetaan vahingollisista tapahtumista alkaen talouskriiseistä ja ulottuen järjestelmälliseen rikollisuuteen, terrori-iskuihin ja luonnonkatastrofeihin. Tämä tilanne on muuttanut suhtautumista turvallisuuteen. Miljoonia valvontakameroita on otettu käyttöön, mikä on johtanut uusiin haasteisiin, koska kameroihin liittyvät järjestelmät ja toiminnot eivät pysty toimimaan yhdessä lukuisien uusien videokameroiden ja järjestelmien kanssa. Nykyajan valvontahuoneissa voidaan nähdä satojen tai tuhansien kameroiden tuottavan kuvaa ja samalla runsaasti tarpeetonta informaatiota turvallisuusvirkailijoiden katsottavaksi. Tämän tutkimuksen tarkoitus oli luoda uusi videovalvontajärjestelmä, jossa on automaattiset analyysimekanismit, jotka mahdollistavat turva-alan toimijoiden ja niiden operaattoreiden suoriutuvan informaatiotulvasta. Automaattisen videovalvontaprosessin avulla videovalvonta muokattiin proaktiiviseksi tietojärjestelmäksi. Teknologian kehitys ja kasvanut turvallisuusvaatimus osoittautuivat olevan merkittävä ajuri turvallisuusteknologian tutkimukselle, kuten tämä tutkimus oli. Tämä tutkimus hyödyttää yksittäisen ihmisen henkilökohtaista vapautta, elämää ja omaisuutta sekä yhteisöä estämällä rikoksia ja terroristihyökkäyksiä. Tässä tutkimuksessa suunnittelutiedettä sovellettiin varmistamaan tieteellinen kurinalaisuus, kun artefakteja luotiin ja arvioitiin. Tutkimuksen vaatimukset perustuivat läheiseen yhteistyöhön korkeatasoisten turva-alan viranomaisten kanssa, ja lisäksi aiempi tutkimus analysoitiin yksityiskohtaisesti. Luotu artefakti - ’älykäs videovalvontajärjestelmä’ - on hajautettu, skaalautuva ohjelmistoviitekehys, joka voi toimia perustana monenlaiselle huipputehokkaalle videovalvontajärjestelmälle alkaen toteutuksista, jotka keskittyvät saatavuuteen, ja päättyen joustaviin pilviperustaisiin toteutuksiin, jotka skaalautuvat useisiin sijainteihin ja kymmeniin tuhansiin kameroihin. Järjestelmän tukevaksi perustaksi luotiin hajautettu järjestelmäarkkitehtuuri, jota laajennettiin monisensorianalyysiprosessilla. Siten mahdollistettiin monista lähteistä peräisin olevan datan analysointi, videokuvan ja muiden sensorien datan yhdistäminen ja automaattinen kriittisten tapahtumien tunnistaminen. Lisäksi tässä työssä luotiin älykäs kännykkäsovellus, videovalvonnan paikallinen kontrolloija, joka ohjaa sovelluksen etäkäyttöä. Viimeksi tuotettiin langaton itsenäinen valvontajärjestelmä – uudenlainen älykäs kamerakonsepti – joka mahdollistaa ad hoc -tyyppisen ja mobiilin valvonnan. Luotujen artefaktien arvo voitiin todentaa arvioimalla ne kahdessa reaalimaailman ympäristössä: kansainvälinen lentokenttä, jonka laajamittaisessa toteutuksessa on korkeat turvavaatimukset, ja turvallisuuspalveluntuottaja, joka tarjoaa moninaisia videopohjaisia palveluja videovalvontakeskuksen avulla käyttäen tuhansia kameroita.