基于自主安全智能的放射性物质信息物理融合安防系统

阳小华，刘征海，曾铁军，万亚平，毛 宇，蒋盼盼

（1.南华大学计算机学院，湖南衡阳 421001；2.南华大学核科学技术学院，湖南衡阳 421001；3.中核集团高可信计算重点学科实验室，湖南衡阳 421001）

作者在分析当前放射性物质所面临的威胁和安保技术不足的基础上，提出了放射性物质个体自主安全智能的概念［1］；并借鉴群防思想，研究多个放射性物质如何通过联系和相互协作来提高整个群体的安全性的方法，提出了群体自主安全智能［2］的概念。

有别于传统的外在安全防护系统（例如监控系统、门禁系统、巡更系统等），个体自主安全智能和群体自主安全智能是通过赋予放射性物质（群体）感知和应对自身所面临危险的能力来保证其安全，是一种新型内在安防技术，也可统称为内在安全智能。

信息物理融合系统（Cyber-physical systems，简称CPS）［3］是通过将物理对象与计算单元在网络环境下的高度集成与交互，实现实时通信、本地信息处理、远程精准控制，利用反馈循环，得到多维异构的具有自适用的智能自治系统。CPS受到各国的高度重视，德国将CPS作为其工业4.0的核心［4］，我国也在《中国制造2025》中将“基于信息物理系统的智能装备、智能工厂等智能制造”定位为制造方式变革的引领技术［5］。信息物理融合系统已经在多个领域得到了应用［6-9］。

本文首先从信息物理融合的角度，分析指出个体自主安全智能可以视为CPS的基本功能逻辑单元，群体自主安全智能可以视为物理层的基本单元集群，是另一种形式的逻辑单元；然后探讨如何依据CPS体系结构实现内在安全智能与外在安防系统的融合，构建放射性物质信息物理融合安防系统（Radioactive Material Cyber Physi⁃cal Fusion Security System，简称RCPSS），最后指出RCPSS的特点和优势。

1 CPS视角下的自主安全智能

深度嵌入是CPS的重要特性。嵌入式传感器、执行器和计算单元深深地嵌入到每一个物理组件（物质）里，使其具备计算、通信、精确控制、远程协调和自治5大功能，使计算成为物理世界的一部分。

CPS的基本组件包括传感器（Sensor）、执行器（Actuator）和决策控制单元（Decision-making Control Unit），组成如图1所示的基本功能单元。

图1 CPS的基本功能单元Fig.1 Basic functional unit of CPS

根据定义［1］，如果放射性物质（容器）具有感知和应对未经授权的接近、获取放射性物质的基本能力，则称其具有个体自主安全智能。

显而易见，个体自主安全智能可以通过把CPS的基本功能单元嵌入放射性物质容器来实现，如图2所示。

图2 作为CPS基本单元的个体安全智能Fig.2 Individual self security intelligence’s CPS basic functional unit

根据定义［2］，如果若干个放射性物质（容器）通过某种方式构成一个相互关联的系统，并且具有感知和应对关联关系被破坏的基本能力，则称该放射性物质系统具有群体自主安全智能。

群体自主安全智能本质上是一批具有个体安全智能的放射性物质聚集在一起，通过各自的感知单元能实时感知彼此的存在并建立联系，当相互之间的联系被破坏时，决策单元能够及时做出判断，响应单元能够按照决策做出必要的响应，其逻辑结构如图3所示。

图3 作为CPS基本单元群体的群体安全智能Fig.3 Group security intelligence of CPS basic unit group

2 信息物理融合安防系统的体系结构

将个体自主安全智能和群体自主安全智能与外在的安防系统通过可配置可信网络融合起来，可得到信息物理融合安防系统，其体系结构逻辑视图如图4所示。

图4 新型CPS安防系统逻辑结构Fig.4 The logical structure of the new CPS security system

新型CPS安防系统逻辑上可分为物理层、网络层和系统层。

个体自主安全智能、群体自主安全智能以及其他的传感设备、监控设备共同组成物理层。

物理层是CPS安防系统的基本单元，负责近场的威胁感知与融合计算，近场的威胁识别与决策，以及近场响应，并向上层提供自己识别的威胁信息和自己作出的决策信息，作为上层的感知输入。同时也接收上层的控制和响应指令，作为上层的响应执行单元。

物理层还可以根据实际的需要，组织成不同尺度的CPS单元（例如对象级单元、库房级单元、厂级单元等）。底层的基本CPS单元是安装在放射性物质（容器）上的对象级单元，它可以作为上层CPS单元的感知单元，上层通过自己的决策单元进行威胁的识别与决策，通过向上层反馈和向底层发送控制指令作为响应，从而实现该层的CPS融合，其逻辑结构如图5所示。

图5 CPS嵌套逻辑结构Fig.5 CPS nested logical structure

网络层由可配置可信网络组成，可根据需要构建不同尺度的网络（如局域网，厂级网，城域网等）。其作用是向上层提供感知输入，向下层提供控制指令作为响应。

系统层负责全局的威胁识别计算与决策，并通过网络层和物理层实现全局的感知和响应。

新型安防CPS融合系统的结构示意如图6所示。

图6 新型安防CPS系统结构示意图Fig.6 The new security CPS system structure diagram

3 RCPSS的特点与优势

将放射性物质的内在安全智能与外在安防系统按照CPS思想进行有机的融合得到的新型CPS安防系统具有以下特点。

（1）全时空感知

通过内在安全智能与外在安防系统的有机融合，一方面外在安防系统可获得自身感知场景的信息，接收内在安全智能感知的信息，以及内在安全智能是否处于工作状态，并将这些信息进行融合，形成全局态势。另一方面，内在安全智能可在与外在安防系统的通讯中，觉察到外在安防系统的失效并及时通知安保人员进行处理。从而可提高内在安全智能和外在安防系统的鲁棒性。

当放射性物质处于移动或运输中时，即使它们脱离了外在安防系统的监视，外在安防系统也可通过内在安全智能掌控放射性物质的安全状态。从而实现全时空的感知和应对能力。

以小孩的安全为例，刚出生的婴儿不具备感知和应对危险的能力，这时需要有监护人24小时连续监护（这类似于传统的安防系统，监护对象不具备任何能力，外部系统需要连续运转，以保证监护对象的安全）；当小孩具有感知和应对危险的能力后，监护人可通过间断式的询问方式，及时了解小孩的状态，而不再需要采用24小时连续监护的方式，当小孩遇到自己不能应对的危险时，也可以呼叫监护人的帮助（这类似于新型安防系统，监护对象具有自主安全智能）。

（2）全要素联动

外在安防系统具有感知危险的能力，它在感知到危险后，一方面可通知安保人员进行及时处置；另一方面可控制智能放射性物质，提高自身的安防等级，从而阻碍或延迟危险的发生，为安保人员的响应与处置赢得宝贵时间。

内在安全智能可充当外在安防系统的千里眼和顺风耳的作用，将外在安防系统感知不到的信息传递给它。内在安全智能在感知到危险时，可自身提高安全防护等级，同时通知外在安防系统，由它采取相应的措施来应对。

（3）纵深防御

在原有安防系统的基础之上，增加内在安全智能，它独立于周界防护系统和库房防护系统，并使用不同的技术手段实现安全防护，因此它与原安防系统不会出现共因失效，相当于增加了一个层次的防御手段，从而提高其整体安全性，这也符合核安全中的纵深防御理念。内外安防融合的纵深防御结构如图7所示。

图7 纵深防御结构示意图Fig.7 Defense in depth structure diagram

新型CPS安防系统和传统的安防系统相比较，具有以下优势。

（1）由被动防护向主动沟通转变

因内在安全智能本身具有一定的近场场景和威胁的感知能力，可以及时发现自身的脆弱性和感知自己所受到的威胁。安防系统可充分利用这一特性，主动与内在安全智能进行沟通，询问内在安全智能的状态和近场信息，一方面能扩展安防系统对近场场景态势的感知能力，使其具有点线面全域感知能力，另一方面可针对脆弱性和威胁进行重点监控，这也能有效地提高监控的效率，降低监控成本。

（2）由聚焦于面到点面结合的转变

因内在安全智能具有对其自身所处环境近场的感知能力，在实现与安防系统的融合后，就可以将内在安全智能感知的信息及时报告监控中心，从而使监控中心具有了对被监测对象周围环境近场的感知能力。通过内在安全智能实现对点的监控，通过外在安防系统实现对线和面的监控，从而使得被监控区域的点线面能够得到全面监控。

（3）由单打独斗转向齐心协力

充分发挥内在安全智能的作用，通过边缘计算能力，使它与外在安全系统按照分布式结构进行有机融合。外在安防系统，可以将局部的分析和预警功能交给内在安全智能去完成，自己则侧重于全局的统计、分析、决策和各方面联动的实现，主要功能向综合服务方向转变，与内在安全智能形成一定程度的互补。同时，也能提高系统的可靠性。

以美国空军战术的发展趋势为例，原本战术是以预警机为中心而展开的，预警机是战场的大脑，负责战场态势的感知与指挥。一旦预警机被击落，则感知和指挥能力就会丧失。这就类似于原有的以监控中心为核心的安防系统，一旦中心节点失效，则整个系统失效。

而现在则主要发展以F35为代表的多平台协同组网感知战场态势，通过数据链共享信息，与其他战机和预警机形成新的战场大脑。在这种分布式结构下，即使个别节点被摧毁，也不会导致整个大脑失效，这使整个系统具有更高的可靠性。

4 小结

本文在赋予放射性物质内在安全智能的条件下，提出了放射性物质内在安全智能与外在安防系统融合的概念。将放射性物质的局部智能安全升级为全局智能安全，使放射性物质管理体系具有全时空感知能力、全要素联动能力、全周期迭代能力，从而具有更高的智能安全等级。

下一步拟将内外安保能力的有机融合方法在具体的放射性物质管理实践中运用，探索内外安全融合的具体技术，从整体上提高放射性物质的安全性。