放射性物质群体自主安全智能

阳小华，胡 杰，毛 宇，万亚平,3，曾铁军，刘征海

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

本文作者曾提出放射性物质个体安全智能（Self-Security Intelligence）概念[1]，通过在容器上增加安保装置赋予其感知和应对未经授权时接近和获取放射性物质的基本能力。个体安全智能在传统的外在安保手段之外增加了新的内在安保手段，为安保系统的设计提供了更多的选择，有利于提高放射性物质的整体安全性。

但是文献[1]中提到的个体安全智能尚存局限性。一是个体安全智能主要依赖探测未经授权的人员的非法接近来感知面临的危险，不能发现放射性物质的远距离盗取或者意外丢失。例如，犯罪分子可能使用特殊工具，在探测范围之外盗取放射性物质；放射性物质在运输过程中可能会由于车祸等突发的事件产生意外。二是在储存、运输等环节中，通常会涉及多个放射性物质，但是个体安全智能是放射性物质个体具有的独立功能，由元器件故障等原因导致的系统失效一般只能依靠常规检修发现，并不能即时发现[2]，因此，存在安全隐患。此外，在受到恶意攻击时，单独的个体安全智能有可能在来不及响应的情况下即刻失效，因此，存在放射性物质群体安全智能被各个击破且没有任何反应的安全隐患。

针对个体安全智能存在的缺点，本文借鉴社会安全的群防思想，提出放射性物质群体自主安全智能的概念，通过建立一种基于相互联系的感知和应对危险的手段提高放射性物质的自主安全性。

1 放射性物质群体自主安全智能基本概念

根据《放射源安全和保安行为准则》[3]的主旨，可以把放射性物质的安保归纳为防丢、防盗和防抢三种基本的安全需求。个体自主安全智能通过感知和应对未经授权的接近，可以在一定程度上防止放射性物质被盗、被抢，但不能完全满足防丢的需求，因为放射性物质的丢失与非法接近没有必然的联系。

丢失的本质是发生了未经授权的位移（非法位移），也就是物体在没有正当原因的情况下明显地偏离它应该处于的位置（范围）。

现有的感知和应对放射性物质非法位移的技术主要依赖外在的GPS 定位[4]。例如，CANBERRA 公司通过查看终端传感器的状态和数据，可以实现在卫星地图上实时显示放射性物质所在的空间位置。贝谷科技有限公司设计了在线监控系统，可以通过GPS 定位技术以及视频在线监控技术等，实现放射性物质的在线监控。中科核安集团开发了双定位的定位仪[5]，配合Google 公司的数字地图，能够在线监控放射性物质、定位放射性物质、辐射泄漏报警等。同时，这种技术可以使用轨道预判算法对丢失的放射性物质进行追踪，提高了放射性物质被找到的可能性。宇星有限公司[6]设计的在线监控方案，实现了GPS 定位技术、视频监管和辐射管理技术三者统一，能实时获取放射性物质的动态信息，在预防放射性物质被盗、错误移动等事件中有很好的效果。

GPS 采用卫星定位的方式[7-9]（如图1 所示），通过计算用户接收机与卫星的距离，再通过对多个卫星测距数据进行计算得到用户接收机的位置。这种方式存在以下缺点[10-12]：

（1）卫星测距得到的距离受到大气电离层的影响，实际测出的距离会有偏差；

（2）在隧道、山洞、建筑物内或者是偏远山区这些信号比较弱的地方，GPS容易失去信号；

（3）GPS 信号容易受到敌方干扰或者伪造，系统的鲁棒性差。

图1 GPS定位原理Fig.1 Principle of GPS positioning

更重要的是，GPS定位必须与外在的监控系统配合才能应对放射性物质的非法位移。从本质上看，它是一种外在的安保手段，并不是放射性物质内在的安全能力。

群体内在安全来源于生物界的群防现象，如群居的动物中，每个动物都可以提供报警信息，这样对动物群体的安全性有很大的提高。对于这种仿生学现象，国内外在各个领域都有研究，如文献[13]对南极磷虾在应对蓝鲸的群防行为上进行了建模分析；赵凌云等对洪水灾害中群测群防体系进行了探讨[14]；蒋锐搭建参与式感知的系统框架，并在地址灾害的群测群防系统中进行了应用[15]。

本文沿着个体自主安全智能的发展思路，引入仿生学的群防现象，提出如下群体自主安全智能概念。

定义1：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（简称“群体安全智能”）。

图2为群体安全智能的实现方式之一。多个放射性物质通过无线自组织网的方式构成一个相互关联的系统，每个个体都是自组织网中的一个节点。节点之间通过定时发送心跳信号这种方式进行通信，使每个节点可以获得整个网络的节点数量、节点身份等信息。当某个节点由于被非法移动而脱离网络时，该节点就会失去与其他节点的联系，整个网络的节点数量就会发生改变，这种变化可被所有节点（包含脱离网络的节点）发现，从而触发各个节点报警。

图2 N个放射性物质（容器）构成自组织网络Fig.2 The self-organized network with N radioactive substances(container)

一种感知节点联系的方式是采用可达路由表实现。对于图3所示的由3个节点构成的自组织网络，每个个体可以维护一张可达路由表，见表1。

当节点1由于被非法移动而脱离网络时，节点1与其他节点之间是不可达的，这个可以通过可达路由表反映出来，见表2。自组织网的每个节点可以通过检测下一跳是否出现了Null 判断是否有节点脱离了网络。

图3 由3个节点构成的自组织网络Fig.3 Self-organized network with 3 nodes

表1 3个节点的可达路由表Table 1 Reachable routing table of 3 nodes

表2 节点1失效时的可达路由表Table 2 Reachable routing table when Node 1 is disabled

与文献[1]提出的主要依赖探测未经授权的非法接近感知和应对危险的个体安全智能相比，群体安全智能是一种建立在相互联系基础上的安保能力，可以更好地满足放射性物质的防丢、防盗和防抢等基本安全需求。

首先，群体安全智能为放射性物质建立了内在的防丢能力。个体安全智能并不能有效地防止放射性物质的丢失（尤其是非人力原因导致的丢失，如运输和存储过程中的车祸、自然灾害等导致的丢失），但是，无论在何种情况下，个体丢失必然会使它与群体之间的联系中断，从而触发系统感知并报警。

与GPS 的全局绝对定位方式不同，群体安全智能是一种相对的局部定位。由于群体成员之间的距离较近，无线信号的传播受到干扰的可能性较小，发现联系被破坏的时效性也较强。因此，群体安全智能是对现有防丢技术的有效补充手段。

其次，群体安全智能具有比个体安全智能更强的防盗和防抢能力。一个具有群体安全智能的放射性物质集合，无论犯罪分子以何种手段盗抢其中的一个或者多个个体，都会破坏系统的关联，从而触发系统感知并报警。而在不破坏联系的前提下，让整个群体同时失去功能的难度巨大，尤其是当群体数量较大时。

最后，群体安全智能还具有比个体自主安全智能更强的鲁棒性。无论是个体受到攻击或者因为故障而导致安全功能失效，它与其他成员之间的联系都会被破坏，系统将感知到该个体的丢失并报警。因此，群体安全智能具有一种个体自主安全智能不具备的自我保护和故障诊断的能力，具有自我安全性和较强的鲁棒性。

2 群体安全智能的实现

放射性物质群体安全智能在技术上有多种实现方式。最直接的实现方式就是使用无线自组织网。

基于各节点间的相互联系，此功能可以采用自组织网络的方式实现。目前，自组织网基本为无中心节点和有中心节点两种形式，其具体主要实现方式分别以蓝牙技术和ZigBee 等为主。目前，基于蓝牙技术实现无中心化自组织网络形式的方法与Wi-Fi的技术等，经济成本相对较低。但是根据德州仪器公司推出的新一代低功耗蓝牙产品显示，其功耗成本为1 W[16]，较ZigBee 技术的低功耗还有一定的差距。基于ZigBee技术实现有中心节点的自组织网络形式的方法，经济成本相对低廉，目前市面上一整套ZigBee套件售价在千元以下。同时，据王延年[17]等人通过万用表测得自组织网中电流仅为1.3 μA，节点发送命令或者数据时，电流为64 mA。路由节点在发送数据给协调器的瞬间，电流为64 mA。如果协调器节点每5 min 读取一次数据，路由节点从收到请求到数据发送完成需要2.93 s，计算最大功耗（休眠时的功率忽略不计），碱性电池容量以1 800 mA·h 估算，则每天累计消耗约为11.274 mA·h，两节5号干电池使用时间约为1 800×（2/11.273）×（1/30）≈10，即约10 个月。终端节点长期工作在休眠状态，根据休眠时间设定不同，采集数据频率不同，功耗不同，若每日功耗低于3.5 mA·h，两节5号电池供电时间可达18 个月以上。此结果说明，ZigBee在功耗成本方面相对蓝牙更低。

3 具有群体自主安全智能的放射性物质安保级别划分

在文献[1]中，个体自主安全智能被分为Ⅰ、Ⅱ两个等级。具有Ⅰ级个体自主安全智能的放射性物质能够及时探测到非法接近和获取放射源的行为并报警；Ⅱ级个体自主安全智能在Ⅰ级个体安全智能的基础上增加了“能够延迟未经授权的获取放射源，直到可能对此作出反应”的要求。

借鉴对个体安全智能分级的思想，把群体安全智能划分为如下两个等级。

定义2：如果由若干个相互关联的放射性物质组成的系统，具有及时感知其成员的非法移动并能够以报警等方式提示相关人员或系统作出反应的能力，则称该系统具有I 级群体自主安全智能。

定义3：如果具有I 级群体自主安全智能的放射性物质系统，还拥有延迟非法移动的基本能力，则称该系统具有II级群体自主安全智能。

把群体安全智能与外在安保能力相结合，可以得到与文献[1]类似的二维安保级别等级划分，见表3。

表3 具有群体安全智能的放射性物质安保级别Table 3 Security level of radioactive substances with swarm self-security intelligence

需要注意的是，群体自主安全智能并没有要求放射性物质具备探测非法接近的能力，它是一种独立于个体自主安全智能的内在安保能力。

个体与群体自主安全智能既可以独立实施，也可以组合实施。把个体智能与群体智能的叠加称为增强型自主安全智能，可以有如下等级划分：

增强I型：I级个体智能+I级群体智能；

增强II-1型：I级个体智能+II级群体智能；

增强II-2型：II级个体智能+I级群体智能；

增强II-3型：II级个体智能+II级群体智能。

把增强型自主安全智能与外在安保能力结合，见表4。

表4 具有增强型自主安全智能的放射性物质安保级别Table 4 Security level of radioactive substances with augmented self-security intelligence

增强I型安全智能结合了I级个体智能和I级群体智能，可及时探测非法接近，并能感知个体的非法移动，对人为的或非人为的非法移动具有基本的报警功能。

增强II-1型安全智能结合了I级个体智能和II级群体智能，可及时探测非法接近，并能感知和延迟非法移动。

增强II-2型安全智能结合了II级个体智能和I级群体智能，该级别下的放射性物质不但能探测非法接近，而且能够通过个体的自我保护功能延迟未经授权对放射性物质的获取，同时，能够对突如其来的放射性物质的非法移动作出响应并报警。

增强II-3型安全智能结合了II级个体智能和II级群体智能。该级别下，能够对非法靠近和非法移动放射性物质提供报警，同时，推迟非法获取和移动放射性物质。

4 结语

本文通过对放射性物质面临的安全风险进行分析，结合放射性物质的个体自主安全智能，提出了放射性物质群体自主安全智能的概念。个体自主安全智能在预防放射性物质的非法接近方面有较好的安全性能，而群体自主安全智能建立了放射性物质个体之间的联系，通过检测这种联系是否被破坏来定义群体自主安全性是否遭受威胁。这种群体自主安全智能针对放射性物质的非法移动问题提供了较好的解决方案。

群体安全智能不但可以解决放射性物质的非法移动问题，还可以和外在系统结合，进一步加强放射性防丢能力。如安装GPS 对放射性物质定位，外在监控系统对放射性物质的丢失路径进行预判等。

同时，本文在外在安全系统下，引入内在的自主安全级别，构成了新的安保能力级别体系。该体系能够完善放射性物质的安保能力。

本文所做的研究是放射性物质个体自主安全智能的延续。下一步工作将集中在两点：一是结合监管单位需求，研发实际产品；二是研究内外安保能力融合机制，搭建更为安全的安保系统，从整体上考虑放射性物质的安全性。