基于多主体仿真的重点城区脏弹袭击风险分析*

2021-04-14曾昭龙吴建松胡啸峰

中国安全生产科学技术 2021年3期

辛悦，曾昭龙，沈兵，吴建松，胡啸峰

(1.中国人民公安大学信息网络安全学院，北京 100076；2.安全防范技术与风险评估公安部重点实验室，北京 100076；3.中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院，北京 100083)

0 引言

近年来，恐怖袭击已成为危害公共安全的重要因素。尤其当恐怖袭击发生在基础设施密集、公共环境复杂的城市重点区域时，极易对公共安全造成严重威胁。

“脏弹”是通过引爆传统爆炸物释放内部放射性物质的武器，结构简单、易于制备、便于携带，是1种非常规、高科技杀伤性武器[1]。与传统核武器不同，“脏弹”虽不产生核爆炸，但却可以通过核辐照射的方式污染水体、大气以及土壤等城市环境，进而对城市工业设施与重要基础设施造成危害。此外，由恐怖袭击事件导致工业设施事故的风险机理与传统工业事故的风险机理存在较大区别，而工业设施，特别是化学类和能量聚集类的工业设施一旦失控，将会造成严重的后果[2]，因此对“脏弹”恐怖袭击进行研究具有重要意义。

目前，在“脏弹”恐怖袭击的风险演化分析方面，胡啸峰等[3-4]提出1种基于天气预报模式的“脏弹”恐怖袭击辐射剂量计算方法以及对源项、地表干沉降、湿沉降量的放射性衰变修正方案，并进行实例研究，得到分辨率模拟分析结果；王海洋等[5]提出“脏弹”恐怖袭击剂量评价模式，为应对“脏弹”恐怖袭击的管理与决策提供参考；郑超慧[6]基于计算流体力学方法，研究发现复杂街区结构和不同风场条件下“脏弹”恐怖袭击中放射性物质的扩散规律。

在“脏弹”恐怖袭击的概率风险分析方面，Rosoff等[7]研究“脏弹”恐怖袭击的概率风险分析方法；Mohtadi等[8]研究针对核生化威胁的风险分析方法；文献[9-10]研究恐怖组织及其成员的多维特征属性、恐怖组织袭击偏好等问题，并建立“脏弹”恐怖袭击风险分析模型，分析不同城市场景下各种预防策略的有效性。

当前针对城市“脏弹”恐怖袭击风险分析的研究多侧重于事中的应急处置和事后的后果分析，而对于事前的主动预防策略研究较少。本文针对城市“脏弹”恐怖袭击的风险分析与预防策略研究需求，选取我国北方某大型城市的重点城区作为场景，利用Anylogic 8.5.2建立多主体仿真模型；通过设置对比算例，分析不同风险防控手段的有效性，以期为防控策略的制定提供依据。

1 研究方法

1.1 多主体仿真模型的建立

本文建模流程主要分为以下5个步骤：1)对现实系统进行模型描述，并将其作为仿真模型所有步骤的指导。2)选取多主体仿真的建模方法，并创建各种主体类型。3)对各主体进行行为规则的定义，并根据我国警务工作实际情况对各类主体的参数属性进行设置。4)在仿真模型初步确立后，对模型的可信度进行验证，判断模型功能是否与定义的系统功能相符合，在模型可信的情况下对模型进行调试并多次迭代优化。5)对仿真实验数据以及各类主体所涌现出的行为规律进行分析，得出针对城市“脏弹”恐怖袭击有效的预防策略。

1.2 多主体行为规则的建立

本文所建立的模型包括城市防御力量、承灾载体以及恐怖袭击者3部分场景内容。

城市防御力量包括盘查卡口、巡逻警察、便衣警察3类主体，三者均能在不同程度上对恐怖袭击行为产生预防、阻碍和终止效果，并且能够通过各自的行为方式捕获袭击者；承灾载体包括建筑物和室外人群2类主体，二者分别作为袭击者不同袭击偏好下的袭击目标，通过不同的参数化方案设置，可以研究建筑物分布位置以及人群密度对袭击成功率的影响；恐怖袭击者指针对重点城区进行“脏弹”恐怖袭击的恐怖分子主体，可以针对不同的防范策略做出不同的反应，并且可以选择不同的承灾载体采取不同的袭击策略。表示恐怖分子与其他主体间交互关系的模型状态图如图1所示。

图1 模型状态Fig.1 Model state

恐怖分子在区域内不断寻找袭击目标，通过进入不同的状态试图发动1次“脏弹”恐怖袭击。在此期间，恐怖分子进入何种状态则受到周边环境的影响。此外，恐怖分子需要对城市防御力量进行躲避，一旦被城市防御力量捕获则进入结束状态。

1.3 算例设置

模型结合研究区域的场景特点以及研究区域内现行警务工作模式中的经验数据，对仿真模型中城市防御力量及承灾载体2类主体进行参数设置，具体设置如下：1)研究区域内共有建筑物16栋，以建筑物几何中心点为圆心，以20 m为半径画圆，设定在此圆形范围内的区域为有效袭击区域；2)日常巡逻警察数量与便衣警察数量各10人；3)关键路段及主要路口常设盘查卡口9个，当区域内举办重要活动的情况下，随机增加3个临时盘查卡口；4)区域内日常人流量为1 000人。

模型将巡逻警察、便衣警察、室外人群与恐怖分子4类可实时移动的主体设定为动态主体，将盘查卡口与建筑物2类不发生移动的主体设定为静态主体，所建立的主体行为规则见表1。

表1 主体行为规则Table 1 Behavioral rules of agents

袭击者由进入场景位置处入场，随后按照表1相应的行为规则与3类城市防御力量进行互动，并伺机向承灾载体发动袭击。模型中的建筑物与盘查卡口2类静态主体位置及袭击者进入场景位置如图2所示。

图2 静态主体分布情况Fig.2 Distribution of static agents

当恐怖袭击事件发生在人员密集、环境复杂的公共场所时，极易造成大量的人员伤亡[11]。在本文所研究的场景中，放射性核素的辐射途径主要包括内照射与外照射2种，其中内照射途径主要包括放射性核素(烟羽、扬尘)经呼吸道吸入、污染的食品和水源经消化道摄入或经皮肤或伤口的吸收，均可对人体造成伤害；外照射途径主要来自于放射源或装置、放射性沾染的皮肤或衣物、扩散性放射性烟羽、环境放射性沾染残留物、放射性污染的日用消费品，其通过地表沉积方式与空气浸没方式对人体造成伤害[12]。当袭击者在重点城区中进行“脏弹”袭击时，靠近放射源位置的室外人群同时受到各类急性放射和烈性爆炸物的威胁；靠近放射源位置的建筑物由于对放射性核素具有一定的屏蔽作用，因此处于建筑物内部的人员主要受到空气浸没外照射与地表外照射的伤害[13]。

当袭击者向室外人群发动袭击时，袭击所造成的伤亡人数根据以引爆传统烈性爆炸物所在位置为圆心的10 m范围内所有人数来计算，以10 m作为有效杀伤半径符合传统烈性爆炸物的有效杀伤距离[14]；当袭击者向建筑物内部人员发动袭击时，需要到达位于目标建筑物10 m范围以内的有效袭击位置。文献[15]结果显示：水平方向上，建筑物在10 m的范围内对流场能够产生明显的影响作用；垂直方向上，在10 m范围内发动袭击，建筑物迎风侧壁面附近气流的下沉作用对扩散出的放射性物质影响更明显，进而形成较强的地表外照射。

为便于对比不同场景设置下的结果，设置参考算例如下：巡逻警察与便衣警察识别距离为20 m(当城市动态防御主体与袭击者之间的距离小于20 m时能够对袭击者进行识别，当城市动态防御主体与袭击者之间的距离大于20 m时不能意识到袭击者的存在，无法对其进行识别)；识别成功率为60%；2类警察主体人数均为10人；盘查卡口数量为9个；袭击者对室外人群的伤亡预期110人。其中，识别距离是指巡逻警察与便衣警察2类城市动态防御主体与袭击者能够产生行动交互的最远距离；识别成功率是指当袭击者与城市防御力量主体之间的直线距离小于识别距离时，城市防御力量能够成功识别袭击者的概率。

本文以袭击者进入研究区域的时间点为起始点，以成功完成1次“脏弹”恐怖袭击的时间点为终止点，将起止点之间的时长定义为时间成本；以袭击者在研究区域的进入点作为起始点，以袭击者完成“脏弹”恐怖袭击时的所在位置作为终止点，将袭击者在起止点之间通过的全部路程定义为袭击空间成本。

设置算例A1～A6，依次对应袭击者80,95,110,125,140,155人的袭击伤亡预期，在袭击者以室外人群作为袭击目标的情况下比较不同袭击伤亡预期值。本文以对应110人袭击伤亡预期的A3算例作为参考算例，以下算例中未进行说明的参数与参考算例中的参数设定保持一致。

设置算例B1～B3，在袭击者以建筑物内部人员作为袭击目标的情况下比较不同袭击吸引力建筑物的分布情况，建筑物对于袭击者的袭击吸引力见表2。

表2 建筑物袭击吸引力Table 2 Attraction of building attack

设置算例C1～C18，其中C1～C9算例拥有9处盘查卡口，C10～C18算例中拥有12处盘查卡口(C1～C9算例与C10～C18算例依次对应，除去盘查卡口数量，其他参数设置均保持一致)，在城市防御力量通过不同数量组合形成不同防范策略的情况下，比较城市防御力量中各类主体不同的数量搭配情况。

设置算例D1～D9，同一种防范策略中，在城市防御力量对应不同的防范能力的情况下，比较影响防范能力参数的不同搭配情况。具体算例设置见表3。

表3 算例设置Table 3 Settings of cases

2 结果与讨论

2.1 针对室外人群的脏弹恐怖袭击仿真结果分析

A1～A6算例旨在不同伤亡预期的情况下，研究袭击者袭击成功率、袭击时间成本以及袭击空间成本等指标的变化情况。各项袭击指标随袭击者的袭击伤亡预期的变化情况如图3所示。

由图3可知，袭击成功率随袭击者对室外人群伤亡预期值的增加而降低，二者呈现明显负相关关系。袭击者成功发动袭击的时间成本以及空间成本与袭击者对室外人群伤亡预期值之间存在一定的相关性，总体上，袭击成本随袭击者对室外人群伤亡预期值的增加呈现上升的趋势。

图3 A算例中各项袭击指标随伤亡预期值变化情况Fig.3 The situation that each attack index changes with the expected value of casualties varies in case A

从图3(a)中可以看出，当伤亡预期值达到155时，袭击者的成功率下降到3%，此时，袭击者几乎无法在半径为10 m的范围内造成更高的室外人群伤亡，即达到袭击伤亡预期的最大值。由图3(b)可知，袭击者成功发动袭击造成的伤亡人数以及被城市防御力量捕获时周边人数均随着袭击者的伤亡预期值的增加而升高。结合图3(c)～(d)的数据分析，当伤亡预期值为95时，袭击者发动袭击所需要花费的时空成本是6个算例中最低的。

2.2 针对建筑物内部人员的脏弹恐怖袭击仿真结果分析

B1～B3算例分析袭击者的袭击时间成本与袭击空间成本随建筑物袭击吸引力的变化趋势。对该区域内16栋建筑物的袭击吸引力进行划分。在B1，B2算例中，建筑物1、建筑物2、建筑物5以及建筑物6组成袭击者进入场景位置的近距离高袭击吸引力建筑物集中区(以下简称近距离集中区)，建筑物11、建筑物12、建筑物15以及建筑物16共同组成袭击者进入场景位置的远距离高袭击吸引力建筑物集中区(以下简称远距离集中区)；在B3算例中，建筑物13、建筑物14、建筑物15以及建筑物16组成场景中唯一的高袭击吸引力建筑物集中区。B1～B3的算例中袭击成功的结果见表4。

表4 袭击成功情况下的仿真结果Table 4 Simulation results of successful attack

由表4可知，袭击者对袭击吸引力较高的建筑物内部人员的袭击成功率随着空间距离的增加而明显降低。此外，B1与B2算例中由于空间距离的不同导致近距离集中区遭受袭击的概率明显高于远距离集中区遭受袭击的概率。由于该重点城区中存在的城市防御力量相对薄弱，因此城市防御力量难以在袭击者进入重点城区后至选定袭击目标前的阶段将其捕获。

袭击失败时的结果见表5。由表5可知，在未能成功发动袭击的情况中，便衣警察的盘查行为导致袭击者绝大部分的袭击失败，这表明袭击者通常只在无法躲避巡逻警察时才会进入巡逻警察识别距离所覆盖的范围，并承担被识别捕获的风险。由此可见，恐怖袭击行为有较高的被其未知的防御力量所阻止的可能性。

表5 袭击失败情况下的仿真结果Table 5 Simulation results of failed attack

2.3 城市防御力量预防策略仿真结果分析

算例C1～C18旨在研究城市防御力量的最有效预防策略。在袭击者对室外人群的伤亡预期值为110人的情况下，通过统计算例中不同的盘查卡口数量与警力人数，配置对应袭击者的袭击成功率以及袭击时间成本，得出防御力量最有效的防范策略。C1～C18的算例结果如图4所示。

图4 2种情况下袭击成功率对比Fig.4 Comparison of attack success rate under two types of conditions

在图4中，将C1～C18算例分为盘查卡口数量为9和12 2种情况进行分析，进而研究袭击成功率随2类警察数量增加的变化情况。由图4可知，随着区域内巡逻警察与便衣警察人数的增加，袭击成功率明显下降，当区域内2类警察数量为20～30时对袭击者发动袭击所产生的阻力较大，表明城市防御力量的人数接近当前场景内的最优人数配置。

通过对比图4(a)与(b)中数据可以得出：盘查卡口数量的变化未对袭击成功率造成明显影响。在C1～C18全部的仿真算例中，袭击者仅被盘查卡口捕获1次，这表明袭击者会极力对盘查卡口进行躲避。此外，城市动态防御力量对于袭击行为会造成明显的阻力，而增加便衣警察数量对于风险补偿能力的提升更为明显。

在算例C1～C18的基础上，通过D1～D9算例进一步研究城市动态防御力量中不同的识别距离与识别成功率组合对当前预防策略有效性的影响，并对二者如何影响袭击者的袭击成功率进行分析。D1～D9的算例结果如图5所示。

图5 袭击成功率与时间成本随识别距离与识别成功率变化关系Fig.5 Change relationship of attack success rate and time cost with recognition distance and recognition success rate

由图5(a)与(b)可知，袭击者的袭击成功率随着城市动态防御力量的识别距离与识别成功率的提高而明显下降，袭击时间成本随着识别距离与识别率的提高明显增加。在D1～D9算例中可以发现识别成功率与识别距离对于袭击成功率的影响无明显差异，但城市动态防御力量对袭击者的识别成功率与识别距离的不同组合会对袭击成功率造成明显影响。