用量化評估方法探析核設施實物保護系統設計優化

仇春華，柏志軍，何斯琪，譚俊龍，張仁和，王黎明

用量化評估方法探析核設施實物保護系統設計優化

仇春華，柏志軍，何斯琪，譚俊龍，張仁和，王黎明

（國家核安保技術中心，北京 102401）

核設施實物保護系統作為保護核設施免遭恐怖主義襲擊的主要手段，其有效性對于確保核設施安全至關重要。當前，我國核設施實物保護系統的設計過于依賴法規標準，缺少針對不同威脅的區別化設計方案，設計過程中的有效性分析驗證缺少數據支撐，影響了實物保護系統功能的發揮。為了探究通過優化設計提高核設施實物保護系統有效性的方法，本文從影響核設施實物保護系統有效性的主要因素分析入手，探討了當前核設施實物保護系統設計中存在的一些不足，并通過定量分析的方法論證了核設施實物保護系統設計優化的可能方案，為優化核設施實物保護系統設計提供了相關建議。

實物保護系統；有效性評估；設計優化

近年來，恐怖主義活動頻發，核恐怖主義威脅日益突顯，核安保問題受到高度關注。核設施實物保護系統作為保護核設施免遭恐怖主義襲擊的主要手段，其有效性對于確保核設施安全至關重要，如何通過優化設計提高核設施實物保護系統的有效性是核安保領域的一項重要研究課題。本文將從影響核設施實物保護系統有效性的主要因素分析入手，探討當前核設施實物保護系統設計方面存在的不足，并通過定量分析的方法論證核設施實物保護系統設計優化的可能方案，以期為優化核設施實物保護系統設計開拓一些思路。

1　影響核設施實物保護系統有效性的主要因素[1]

核設施實物保護系統是指具有探測、延遲及響應功能，用于阻止破壞核設施及核材料，以及防止盜竊、搶劫或擅自轉移和使用核材料活動的安全防范系統。從以上定義可以看出，核設施實物保護系統的有效性主要是由探測、延遲和響應三大功能決定的。探測主要用于及時發現敵手，延遲則是在發現敵手后盡可能延緩敵手到達保護目標的時間，為響應力量盡快趕到事發現場爭取時間，響應是指發現敵手后響應力量盡快趕到事發現場阻擊敵手，防止敵手的陰謀得逞。

通常情況下，實物保護系統的有效性E可以用公式（1）來表示[2]：

式中：I——響應力量在敵手到達保護目標之前及時截住敵手的概率；

N——響應力量成功擊?。ㄖ品呈值母怕?。

I主要是由敵手入侵路徑上的入侵探測器的探測概率、延遲設施（實體屏障、門、墻體等）能夠提供的延遲時間，以及響應力量在接到報警后趕到現場所需時間（響應時間）決定的。N主要由響應力量的人數、武器和技戰術水平決定，當響應力量的人數、武器和技戰術水平相對敵手占有絕對優勢時，N=1，即響應力量只要能截住敵手，就一定能夠成功擊敗敵手。本文后面的分析都將基于這一假設，即N=1。

基于上述假設，則實物保護系統的有效性主要與探測概率、延遲時間和響應時間三個變量有關。進一步分析發現：在成功探測敵手入侵之前的延遲時間，都是無效延遲時間，因為敵手可以花足夠的時間來突破延遲設施卻不會被發現；而如果探測到敵手入侵后剩余的延遲時間小于響應時間，則該探測為無效探測，因為即使成功探測敵手入侵，但由于其后續的延遲設施不能提供足夠的延遲時間，在響應力量趕到事發現場時，敵手已成功達到其目標[3]。

圖1描述了截住概率與響應時間和延遲時間之間的關系。從圖中可以看出，雖然沿敵手入侵路徑一共設有6個探測點，但探測點4、5、6后面的延遲時間小于響應時間，即使它們能夠成功探測敵手入侵，由于響應力量不能及時趕到，并不能阻止敵手達到其目標，因此為無效探測。接近保護目標的最后一個有效探測點通常稱其為臨界探測點。為了提高核設施實物保護系統的有效性，在設計實物保護系統時，需要處理好探測、延遲和響應三者之間的關系，探測系統盡可能在外圍設置，延遲系統盡可能設置在探測系統與保護目標之間，只有響應力量的響應時間小于所有探測點與保護目標之間延遲系統能夠提供的延遲時間，才能保證所有探測點均是有效探測點，不會出現因為有無效探測點而造成無效投入。

圖1　實物保護系統有效探測點示意圖

對于入侵路徑上有多個有效探測點的實物保護系統，其累積截住概率計算公式如下[4]：

式中：Di——第個探測點的探測概率。

可以看出，在入侵路徑上設置的有效探測點越多，則累積截住概率越大，實物保護系統有效性越高。但工程設計中是要考慮成本因素的，設計的最佳方案應是用最少的投入實現設計目標[5]。為了探究入侵路徑上有效探測點個數與實物保護系統有效性之間的關系，這里作如下假設：核設施實物保護系統是嚴格按照縱深防御和均衡保護的原則設計的，所有探測系統和延遲系統均是環繞需要保護的目標分層、均衡設置的，從外向內分別設置5層探測系統，所有探測系統均為有效探測點且探測概率均為0.7?；谏鲜黾僭O的簡化模型，利用公式（2）可以計算出理想狀態下入侵路徑上有效探測點個數與累積截住概率之間的對應關系，如表1所示。圖2為累積截住概率隨有效探測點個數的變化趨勢圖，可以看出，隨著有效探測點個數的增加，累積截住概率的增長是逐漸趨緩的。因此，在入侵路徑上設置兩到三個有效探測點是較為經濟合理的。

2　當前核設施實物保護系統設計中存在的不足

當前，核設施實物保護系統主要是基于特定設計基準威脅，依據安全防范領域或實物保護領域的一些國家標準和行業標準，以及相關規范性技術文件進行設計的。這些標準或技術文件是業內專家在總結以往良好實踐的基礎上起草的，對實物保護系統各子系統的配置要求和技術指標均有較為詳細和明確的規定，為實物保護系統的設計提供了重要的參考依據。然而，需要指出的是，這些標準和規范性技術文件主要根據核設施的實物保護級別提出實物保護系統相關技術要求，未針對不同威脅分別給出應對建議，且一般僅對技防系統的配置要求和技術指標規定得較為明確具體，對人防系統尤其是響應力量的部署規范較少，沒有給出響應力量的響應時間指標，這就容易導致嚴格按照相關標準和規范性技術文件設計的實物保護系統重技防、輕人防，不能做到技防和人防的有機結合，在應對威脅時的實際效果與預期目標存在一定差距，影響核設施實物保護系統的有效性。

表1　累積截住概率與有效探測點個數關系對比

圖2　累積截住概率隨有效探測點個數的變化趨勢圖

2.1　相關標準和規范性技術文件未針對不同威脅提供區別化解決方案

建造核設施實物保護系統的目的，主要是用于防范不法分子盜竊核材料或破壞核設施。而實物保護系統防范和應對不法分子的效果除了取決于實物保護系統本身的配置與性能，還與不法分子的人數、攜帶的武器和工具、訓練程度等密切相關。例如，同樣配置的周界實體屏障，在應對缺乏訓練的單人入侵時，所能起到的延遲作用要遠遠大于應對受過特殊訓練且多人配合入侵時的延遲效果。

在設計實物保護系統前，通常要求核設施建造單位根據當地治安狀況制定實物保護系統的設計基準威脅，對不法分子的作案動機、人數、攜帶的武器（種類、性能與數量）和工具、訓練程度等進行分析和描述。設計單位需根據主管部門批準的設計基準威脅確定實物保護系統設計方案。然而，現實情況是，無論設計基準威脅如何變化，由于實物保護系統設計所主要依據的相關標準和規范性技術文件未針對不同威脅提供區別化解決方案，設計的實物保護系統技防措施僅與核設施實物保護級別相關，對于同一實物保護級別的核設施，所采取的實物保護系統技防措施是基本相同的。相同的技防系統要應對不同的威脅，只能通過調整人防系統尤其是響應力量的部署來與技防系統協同應對。而在設計階段，響應力量的兵力部署和分配等往往還懸而未決，很難做到精準預測，這就導致設計的實物保護系統難以做到技防和人防的有機結合，不能針對不同設計基準威脅進行量身設計，影響了實物保護系統應對威脅的實際效果。

2.2　實物保護系統有效性分析缺少基礎性測試數據作為支撐

當前，核設施實物保護系統設計過程中，一般會使用基于本文第1節所述基本原理的有效性分析軟件對設計方案進行分析，找出設計中存在的薄弱環節，針對薄弱環節對設計進行優化，直至分析結果達到要求。有效性分析是實物保護系統設計階段的重要環節，對于提升設計質量、確保設計的實物保護系統能夠有效應對設計基準威脅發揮著重要作用。

目前主要使用的實物保護系統有效性分析軟件都是基于敵手行動序列圖（見圖3）建立的分析模型。敵手行動序列圖是核設施實物保護系統的圖解模型，采用防護層和若干路徑元件自上而下、由外而內逐層描述核設施的各保護區域和實物保護措施，涵蓋了敵手為達成目的可以采取的所有路徑以及這些路徑上必須克服的所有實物保護元件。

圖3　假想設施的實物保護措施簡圖和敵手行動序列圖

路徑元件用于描述實物保護系統各主要設備部件，在使用路徑元件建立核設施實物保護系統有效性分析模型時，需要確定各主要設備部件在應對敵手使用不同工具情況下的延遲時間、探測概率等參數作為基礎性支撐數據。這些參數需要基于大量測試數據才能精確獲得，然而，目前我國尚未系統開展相關測試工作，建立有效性分析模型中使用的各種參數數據主要是基于國際相關軟件提供的數據以及分析人員的經驗估計值，準確性無法保證。因此，使用有效性分析軟件驗證和改進實物保護系統設計的效果大打折扣。

2.3　缺少根據核設施特點對主要威脅方式的分析

通常情況下，核設施面臨的恐怖主義威脅主要有兩種，一種是恐怖分子直接襲擊核設施，以圖造成大量放射性物質釋放；另一種是恐怖分子通過盜竊存儲在核設施里的核材料和其他放射性物質，用于制造放射性物質散布裝置——臟彈或核爆炸裝置，以引發核恐怖主義事件，如在大型公眾活動或公共場所中使用上述裝置，旨在通過放射性破壞效果產生嚴重的核恐怖社會心理影響，破壞社會安定，實現表達其特殊的政治意圖和訴求的目的。

在應對以上兩種威脅方式時，對實物保護系統的要求是有所差異的。對于第一種威脅方式，恐怖分子只需到達保護目標并實施破壞活動就能成功實現其目的；因此，要確保恐怖分子入侵路徑上的所有探測點均是有效探測點，必須保證距離保護目標最近的一個探測點到保護目標之間能夠提供的延遲時間大于響應時間。而對于第二種威脅方式，恐怖分子不僅要到達保護目標，而且還要盜取核材料或其他放射性物質并成功逃出，恐怖分子需要突破的實體屏障和探測點都將翻倍，因此，同樣的實物保護系統設計可以提供更高的探測概率和更長的延遲時間。

不同類型的核設施面臨的威脅形式是有所差異的，這里以核電站和濃縮鈾儲存設施進行舉例說明。大多數核電廠使用的核材料都是以燃料組件的形式存在的，體積和重量都很大，恐怖分子要想把它盜走是非常困難的。而核電廠的堆芯功率一般都比較大，一旦發生超臨界事故，可能會發生大量放射性釋放，后果不堪設想。此外，從反應堆堆芯卸出的乏燃料具有很強的放射性，如果遭到破壞，也將造成大量放射性物質釋放。因此，核電廠面臨的威脅主要是遭受直接襲擊的威脅。而濃縮鈾儲存設施則不同，濃縮鈾的放射性不大，但高濃鈾卻是制造核爆炸裝置的重要原料，對恐怖分子來說，破壞濃縮鈾儲存設施遠不如盜取濃縮鈾的吸引度大。

實物保護系統設計過程中，往往容易忽略不同類型核設施可能面臨的主要威脅方式不同這一因素，對于同樣是一級實物保護的核電廠和濃縮鈾儲存設施，設計的實物保護系統基本上是一樣的。而通過前面的分析可知，由于核電廠面臨的主要是遭受破壞的威脅，濃縮鈾儲存設施面臨濃縮鈾被盜的威脅則更大。因此，對于同樣的實物保護系統設計和投入，濃縮鈾儲存設施的實物保護系統應對濃縮鈾被盜威脅時的有效性要大于核電站實物保護系統應對遭受破壞威脅時的有效性。這顯然不符合設計者的初衷，對于設計者來說，針對同一實物保護級別的核設施，相似的設計和投入，所期望得到的實物保護系統有效性應是相近的。

2.4　缺少對響應力量響應時間的精確考慮

如前所述，核設施實物保護系統的有效性主要是由入侵路徑上的有效探測點個數及各有效探測點的探測概率決定的。而一個探測點是否為有效探測點，則與該探測點后面延遲設施能夠提供的延遲時間和響應力量的響應時間息息相關。只有當響應時間小于延遲時間時，該探測點才是有效探測點。因此，實物保護系統有效性與響應力量的響應時間密切相關。

當前，設計單位在設計核設施實物保護系統時，一般也會考慮響應時間的因素，但往往僅會給一個響應時間的理論估計值，用于最后對設計方案做有效性評估驗證。設計單位既不會針對核設施的不同部位分別進行響應時間的估算，也缺少對響應力量的響應時間的有效驗證。這樣就容易導致核設施某些部位的響應時間可能大大高于設計者當初設計時對響應時間的估計值，從而使某些探測點成為無效探測點。

這里再舉一例，核電站海水泵房為核電廠提供冷卻水，一旦遭受破壞，不僅會造成重大的經濟損失，還可能會造成意外停堆，嚴重時甚或導致不可預知的核事故，因此，海水泵房是需要加以保護的重要目標之一，被布置在要害區內。在當前核電廠實物保護系統的設計中，海水泵房的四周被設置了一層要害區周界，并安裝了入侵探測和視頻復核設備，同時具備探測和延遲功能。然而，如果海水泵房外圍要害區周界距離泵房很近，如不到十米，且泵房大門不鎖閉，恐怖分子一旦突破要害區周界實體屏障，很快就會來到泵房內實施破壞活動。也就是說，海水泵房外圍的要害區周界實體屏障及其以內的設施所能提供的延遲時間會小于響應力量的響應時間，如果恐怖分子在入侵海水泵房過程中，在要害區周界才首次觸發報警，則還未等到響應力量趕到事發現場，恐怖分子已成功實施破壞活動，即要害區周界的入侵探測是無效探測。如果設計者缺少對響應時間的有效驗證，也未針對特殊部位專門考慮響應時間與延遲時間之間的關系，就很容易出現上述情況。

3　核設施實物保護系統設計優化建議

針對當前核設施實物保護系統設計中存在的不足，在需要實現某一特定實物保護系統有效性目標的前提下，盡可能提高產出投入比，必須從影響實物保護系統有效性的主要因素入手，針對核設施特點及其面臨的威脅類型，綜合考慮探測、延遲及響應三大功能的相互協調和配合，確保所有探測點均為有效探測點，實現資源的最優化配置。為此提出如下建議。

3.1　核設施實物保護系統評審應更注重有效性分析指標

當前，監管部門對核設施實物保護系統的設計評審和監督檢查主要是對照相關標準和規范性技術文件進行符合性檢查，缺少對反映實物保護系統總體性能的有效性指標的關注。這就無形形成了一種導向，只要設計單位嚴格按照相關標準和規范性技術文件進行實物保護系統硬件設計，往往容易通過評審，導致設計單位缺少針對核設施實際特點進行個性化設計的動力。只有監管單位在核設施實物保護系統評審過程中，更注重有效性指標，才能扭轉這種導向，使設計單位在設計時更注重實物保護系統的綜合性能，針對核設施特點采取更多個性化設計，而不是機械照搬相關標準和規范性技術文件，才能在實現某一特定有效性目標前提下，最大限度提高產出投入比。

相關單位在編制實物保護領域的標準和規范性技術文件時，應針對不同威脅提出區別化解決方案，同時兼顧技防系統和人防系統，確保對技防系統所提技術指標與人防系統要求相結合，有效應對所面臨的威脅；同時，也應強調相關指標僅供參考，最終應以實物保護系統有效性分析指標作為評判標準。并且，根據實物保護系統建成投運后進行的實兵對抗演練和沙盤推演結果，定期對相關標準和技術文件予以調整和改進。

3.2　建立實物保護系統有效性分析基礎數據庫

針對中國核設施常用探測設備，開展性能測試，收集其在核設施現場環境條件下應對敵手不同入侵方式（破拆、翻越、走、跑、爬、跳等）的核心性能指標數據（如探測概率、噪擾報警率、誤報率等）；針對中國核設施常用延遲設備及裝置，開展性能測試，收集其在核設施現場環境條件下應對不同類型敵手（訓練有素、未進行特殊訓練等）使用不同工具（車輛、繩索、梯子、手動破拆工具、電動破拆工具、炸藥等）入侵時的延遲時間，基于測試數據建立符合中國國情的實物保護系統有效性分析基礎數據庫，以此為基礎開發有效性分析軟件，提升實物保護系統有效性分析的準度和效果。

3.3　在設計實物保護系統前應對核設施面臨的主要威脅方式進行分析

如前所述，不同的核設施可能面臨的威脅類型不同，從而實物保護系統的設計思路也會有所不同。對于面臨的威脅主要是防止核材料被盜的核設施，其實物保護系統在相同設計方案下，與防破壞的核設施相比，可以達到更高的有效性指標。因此，建議核設施建造單位在制定設計基準威脅時，應根據核設施特點明確其面臨的主要威脅方式是盜竊還是破壞，或者二者兼有。設計單位在設計實物保護系統時，對于主要是防止核材料被盜的核設施，應將側重點放在加強核材料保護，可在現有標準下對以防止破壞為主的設計適當簡配，從而在不降低其有效性的情況下，減少實物保護系統投入成本。

3.4　實物保護系統設計中應綜合考慮響應力量的響應時間因素

核設施實物保護系統的有效性與響應力量的響應時間密切相關，核設施的不同保護目標由于所處位置各不相同，響應力量趕到不同位置的響應時間也會略有不同，此外，響應時間也與響應力量的營房位置、訓練程度和技戰術水平密切相關。因此，設計者在設計核設施實物保護系統時，應針對每一個保護目標分別評估響應時間。在響應時間大于延遲時間時，要么通過在探測點與保護目標之間增設延遲系統來增加延遲時間，要么通過合理布局響應力量的營房位置，或者設置備勤點來縮短響應時間，確保各探測點到保護目標之間的延遲時間均大于響應時間，避免出現無效探測點而造成無效投資。

［1］ D W Whithead，C S Potter，S L O’Connor．Nuclear power plant security assessment technical manual：SAND-007-5591［R］．Albuquerque，NM：Sandia National Laboratory，2007．

［2］ A A Wadoud，A S Adail，A A Saleh．Physical protection evaluation process for nuclear facility via sabotage scenarios［J］．Alexandria Engineering Journal，2018，57：831-839．

［3］ 苗強，方忻．SAVI模型及軟件缺陷研究［J］．科技與創新，2020，18：11-15．

［4］ 趙培祥，江俊，曾毅，等．實物保護系統的定量評估模型之研究現狀及發展［J］．核安全，2020，19（2）：56-63．

［5］ M L Garcia．The design and evaluation of physical protection systems，2nd ed［R］．Burlington，MA：Elsevier Butterworth-Heinemann，2008．

Optimization of Physical Protection System Design for Nuclear Facilities with Quantitative Evaluation Method

QIU Chunhua，BAI Zhijun，HE Siqi，TAN Junlong，ZHANG Renhe，WANG Liming

（State Nuclear Security Technology Center，Beijing 102401，China）

As the main means to protect nuclear facilities from terrorist attacks，the effectiveness of physical protection system of nuclear facilities is very important to ensure the safety of nuclear facilities. At present，the design of physical protection system of nuclear facilities in China relies too much on regulations and standards，lacks differentiated design schemes for different threats，and lacks data support for the effectiveness analysis and verification in the design process，which affects the function of the physical protection system. In order to explore the method of improving the effectiveness of the physical protection system through design optimization，this paper starts with the analysis of the main factors affecting the effectiveness of the physical protection system of nuclear facilities，discusses some shortcomings of the current design of the physical protection system，and demonstrates the possible scheme of the design optimization of the physical protection system through quantitative analysis. Some suggestions are provided for optimizing the design of physical protection system of nuclear facilities.

Physical protection system；Effectiveness evaluation；Optimization of the design

TL48

A

0258-0918（2021）03-0569-07

2020-11-29

仇春華（1980—），男，湖北廣水人，高級工程師，博士，現主要從事核安保政策法規方面研究