基于自主安全智能的放射性物質信息物理融合安防系統

陽小華，劉征海，曾鐵軍，萬亞平，毛 宇，蔣盼盼

（1.南華大學計算機學院，湖南衡陽 421001；2.南華大學核科學技術學院，湖南衡陽 421001；3.中核集團高可信計算重點學科實驗室，湖南衡陽 421001）

作者在分析當前放射性物質所面臨的威脅和安保技術不足的基礎上，提出了放射性物質個體自主安全智能的概念［1］；并借鑒群防思想，研究多個放射性物質如何通過聯系和相互協作來提高整個群體的安全性的方法，提出了群體自主安全智能［2］的概念。

有別于傳統的外在安全防護系統（例如監控系統、門禁系統、巡更系統等），個體自主安全智能和群體自主安全智能是通過賦予放射性物質（群體）感知和應對自身所面臨危險的能力來保證其安全，是一種新型內在安防技術，也可統稱為內在安全智能。

信息物理融合系統（Cyber-physical systems，簡稱CPS）［3］是通過將物理對象與計算單元在網絡環境下的高度集成與交互，實現實時通信、本地信息處理、遠程精準控制，利用反饋循環，得到多維異構的具有自適用的智能自治系統。CPS受到各國的高度重視，德國將CPS作為其工業4.0的核心［4］，我國也在《中國制造2025》中將“基于信息物理系統的智能裝備、智能工廠等智能制造”定位為制造方式變革的引領技術［5］。信息物理融合系統已經在多個領域得到了應用［6-9］。

本文首先從信息物理融合的角度，分析指出個體自主安全智能可以視為CPS的基本功能邏輯單元，群體自主安全智能可以視為物理層的基本單元集群，是另一種形式的邏輯單元；然后探討如何依據CPS體系結構實現內在安全智能與外在安防系統的融合，構建放射性物質信息物理融合安防系統（Radioactive Material Cyber Physi?cal Fusion Security System，簡稱RCPSS），最后指出RCPSS的特點和優勢。

1 CPS視角下的自主安全智能

深度嵌入是CPS的重要特性。嵌入式傳感器、執行器和計算單元深深地嵌入到每一個物理組件（物質）里，使其具備計算、通信、精確控制、遠程協調和自治5大功能，使計算成為物理世界的一部分。

CPS的基本組件包括傳感器（Sensor）、執行器（Actuator）和決策控制單元（Decision-making Control Unit），組成如圖1所示的基本功能單元。

圖1 CPS的基本功能單元Fig.1 Basic functional unit of CPS

根據定義［1］，如果放射性物質（容器）具有感知和應對未經授權的接近、獲取放射性物質的基本能力，則稱其具有個體自主安全智能。

顯而易見，個體自主安全智能可以通過把CPS的基本功能單元嵌入放射性物質容器來實現，如圖2所示。

圖2 作為CPS基本單元的個體安全智能Fig.2 Individual self security intelligence’s CPS basic functional unit

根據定義［2］，如果若干個放射性物質（容器）通過某種方式構成一個相互關聯的系統，并且具有感知和應對關聯關系被破壞的基本能力，則稱該放射性物質系統具有群體自主安全智能。

群體自主安全智能本質上是一批具有個體安全智能的放射性物質聚集在一起，通過各自的感知單元能實時感知彼此的存在并建立聯系，當相互之間的聯系被破壞時，決策單元能夠及時做出判斷，響應單元能夠按照決策做出必要的響應，其邏輯結構如圖3所示。

圖3 作為CPS基本單元群體的群體安全智能Fig.3 Group security intelligence of CPS basic unit group

2 信息物理融合安防系統的體系結構

將個體自主安全智能和群體自主安全智能與外在的安防系統通過可配置可信網絡融合起來，可得到信息物理融合安防系統，其體系結構邏輯視圖如圖4所示。

圖4 新型CPS安防系統邏輯結構Fig.4 The logical structure of the new CPS security system

新型CPS安防系統邏輯上可分為物理層、網絡層和系統層。

個體自主安全智能、群體自主安全智能以及其他的傳感設備、監控設備共同組成物理層。

物理層是CPS安防系統的基本單元，負責近場的威脅感知與融合計算，近場的威脅識別與決策，以及近場響應，并向上層提供自己識別的威脅信息和自己作出的決策信息，作為上層的感知輸入。同時也接收上層的控制和響應指令，作為上層的響應執行單元。

物理層還可以根據實際的需要，組織成不同尺度的CPS單元（例如對象級單元、庫房級單元、廠級單元等）。底層的基本CPS單元是安裝在放射性物質（容器）上的對象級單元，它可以作為上層CPS單元的感知單元，上層通過自己的決策單元進行威脅的識別與決策，通過向上層反饋和向底層發送控制指令作為響應，從而實現該層的CPS融合，其邏輯結構如圖5所示。

圖5 CPS嵌套邏輯結構Fig.5 CPS nested logical structure

網絡層由可配置可信網絡組成，可根據需要構建不同尺度的網絡（如局域網，廠級網，城域網等）。其作用是向上層提供感知輸入，向下層提供控制指令作為響應。

系統層負責全局的威脅識別計算與決策，并通過網絡層和物理層實現全局的感知和響應。

新型安防CPS融合系統的結構示意如圖6所示。

圖6 新型安防CPS系統結構示意圖Fig.6 The new security CPS system structure diagram

3 RCPSS的特點與優勢

將放射性物質的內在安全智能與外在安防系統按照CPS思想進行有機的融合得到的新型CPS安防系統具有以下特點。

（1）全時空感知

通過內在安全智能與外在安防系統的有機融合，一方面外在安防系統可獲得自身感知場景的信息，接收內在安全智能感知的信息，以及內在安全智能是否處于工作狀態，并將這些信息進行融合，形成全局態勢。另一方面，內在安全智能可在與外在安防系統的通訊中，覺察到外在安防系統的失效并及時通知安保人員進行處理。從而可提高內在安全智能和外在安防系統的魯棒性。

當放射性物質處于移動或運輸中時，即使它們脫離了外在安防系統的監視，外在安防系統也可通過內在安全智能掌控放射性物質的安全狀態。從而實現全時空的感知和應對能力。

以小孩的安全為例，剛出生的嬰兒不具備感知和應對危險的能力，這時需要有監護人24小時連續監護（這類似于傳統的安防系統，監護對象不具備任何能力，外部系統需要連續運轉，以保證監護對象的安全）；當小孩具有感知和應對危險的能力后，監護人可通過間斷式的詢問方式，及時了解小孩的狀態，而不再需要采用24小時連續監護的方式，當小孩遇到自己不能應對的危險時，也可以呼叫監護人的幫助（這類似于新型安防系統，監護對象具有自主安全智能）。

（2）全要素聯動

外在安防系統具有感知危險的能力，它在感知到危險后，一方面可通知安保人員進行及時處置；另一方面可控制智能放射性物質，提高自身的安防等級，從而阻礙或延遲危險的發生，為安保人員的響應與處置贏得寶貴時間。

內在安全智能可充當外在安防系統的千里眼和順風耳的作用，將外在安防系統感知不到的信息傳遞給它。內在安全智能在感知到危險時，可自身提高安全防護等級，同時通知外在安防系統，由它采取相應的措施來應對。

（3）縱深防御

在原有安防系統的基礎之上，增加內在安全智能，它獨立于周界防護系統和庫房防護系統，并使用不同的技術手段實現安全防護，因此它與原安防系統不會出現共因失效，相當于增加了一個層次的防御手段，從而提高其整體安全性，這也符合核安全中的縱深防御理念。內外安防融合的縱深防御結構如圖7所示。

圖7 縱深防御結構示意圖Fig.7 Defense in depth structure diagram

新型CPS安防系統和傳統的安防系統相比較，具有以下優勢。

（1）由被動防護向主動溝通轉變

因內在安全智能本身具有一定的近場場景和威脅的感知能力，可以及時發現自身的脆弱性和感知自己所受到的威脅。安防系統可充分利用這一特性，主動與內在安全智能進行溝通，詢問內在安全智能的狀態和近場信息，一方面能擴展安防系統對近場場景態勢的感知能力，使其具有點線面全域感知能力，另一方面可針對脆弱性和威脅進行重點監控，這也能有效地提高監控的效率，降低監控成本。

（2）由聚焦于面到點面結合的轉變

因內在安全智能具有對其自身所處環境近場的感知能力，在實現與安防系統的融合后，就可以將內在安全智能感知的信息及時報告監控中心，從而使監控中心具有了對被監測對象周圍環境近場的感知能力。通過內在安全智能實現對點的監控，通過外在安防系統實現對線和面的監控，從而使得被監控區域的點線面能夠得到全面監控。

（3）由單打獨斗轉向齊心協力

充分發揮內在安全智能的作用，通過邊緣計算能力，使它與外在安全系統按照分布式結構進行有機融合。外在安防系統，可以將局部的分析和預警功能交給內在安全智能去完成，自己則側重于全局的統計、分析、決策和各方面聯動的實現，主要功能向綜合服務方向轉變，與內在安全智能形成一定程度的互補。同時，也能提高系統的可靠性。

以美國空軍戰術的發展趨勢為例，原本戰術是以預警機為中心而展開的，預警機是戰場的大腦，負責戰場態勢的感知與指揮。一旦預警機被擊落，則感知和指揮能力就會喪失。這就類似于原有的以監控中心為核心的安防系統，一旦中心節點失效，則整個系統失效。

而現在則主要發展以F35為代表的多平臺協同組網感知戰場態勢，通過數據鏈共享信息，與其他戰機和預警機形成新的戰場大腦。在這種分布式結構下，即使個別節點被摧毀，也不會導致整個大腦失效，這使整個系統具有更高的可靠性。

4 小結

本文在賦予放射性物質內在安全智能的條件下，提出了放射性物質內在安全智能與外在安防系統融合的概念。將放射性物質的局部智能安全升級為全局智能安全，使放射性物質管理體系具有全時空感知能力、全要素聯動能力、全周期迭代能力，從而具有更高的智能安全等級。

下一步擬將內外安保能力的有機融合方法在具體的放射性物質管理實踐中運用，探索內外安全融合的具體技術，從整體上提高放射性物質的安全性。