新型放射性物品运输安保系统及其非法移动感知方法

曾铁军，阳小华，万亚平，蒋盼盼，刘征海，毛宇

（1. 南华大学 核科学技术学院，衡阳 421001；2. 南华大学 电气工程学院，衡阳 421001；3. 南华大学 计算机学院，衡阳 421001；4. 中核集团高可信计算重点学科实验室，衡阳 421001）

为使被保护的核材料和核设施免于被破坏和被盗窃，目前的核安保（实物保护）系统一般配置了入侵报警系统、视频复核系统、出入口控制系统等多个子系统［1］。由于这些子系统不便于移动，所以在放射性物品运输安保中应用不多。放射性物品运输安保系统更多地依靠人工管理和巡检技术，这导致其安保性能比固定场所的安保系统薄弱［2］。国外发生的多次放射性物品运输安保事故就证实了这一点。2020年7月3日夜间，含有50 mCi Am-241的CPN 503型设备在停在加利福尼亚州Visalia的技术人员的卡车中被盗［3］。2018年4月19日，加拿大阿尔伯塔省Gleichen附近高速公路一侧发现带有辐射警告标签的Type A包裹［4］，导致关闭了高速公路901，直到找到包装中运输的放射源为止。2017年5月17日上午，在加拿大多伦多和安大略省布兰普顿之间的运输过程中，丢失了Troxler 3440型便携式包装［4］。2015年4月16日，在墨西哥南部塔巴斯科州内卡德纳斯市发现了此前被盗的装有放射源铱-192的货车，但是放射源铱-192失踪［5］。

IAEA 2020年颁布的《放射性物品运输安保问题》［6］指出，以单个货包为单位来确定安保级别，是确定运输安保级别的方式之一。货包既包括运输车辆，也包括包装容器。本文拟在包装容器上实施安保技术，提高放射性物质运输安保水平的精细度。

项目团队曾提出了放射性物品个体自主安全智能（Self-security intelligence）的概念［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的接近和获取放射性物品的基本能力。本文基于个体自主安全智能技术，提出新型放射性物品运输安保系统，并研究系统中放射性物品非法移动感知技术。

1 新型放射性物品运输安保系统

新型车载运输安保系统构成如图1所示。车载安保系统将报警信息和关键图像上传给安保监控中心，安保监控中心负责与交通部门和公安部门等协调响应安保事件。车载安保系统由车厢外监测单元、车厢内监测单元、个体自主安保装置（安装在放射性物品容器上的电子设备）、单车安保平台（包括主机host、LCD液晶显示器）、便携式终端组成。其中，车载安保主机host、LCD液晶显示器置于驾驶室。车厢外监测单元由车厢外的北斗定位模块和车顶（靠近车门处）安装的一个针孔摄像头组成，并通过有线连接至主机host。车厢内监测单元包括车厢内前后两个摄像头、一个辐射探测器和门磁开关，前摄像头对着车厢内的放射性物品，后摄像头对着车门。门磁开关安装在车门处，用于监测车门是否开启。个体自主安保装置安装在放射性物品容器上，完成非法接近、非法移动的探测功能，并经过无线网络传输给无线节点1，进而通过有线转发至主机host。当出现“非法接近”和“非法移动”（对应丢失和被盗）报警信息时，在LCD液晶显示模块和便携式终端上显示报警信息。自主安全智能装置上的“非法移动”感知与门磁开关是两种独立的安保手段，即使一方失效，另一方也能正常工作。单车安保平台和便携式终端还能够调用摄像头图像进行复核报警信息。

图1 新型放射性物品运输安保系统Fig.1 A new type radioactive material transportation security system

2 非法移动特点分析

2016年中国颁布的《放射性物品道路运输管理规定》对运输车辆的规定［7］：核定载质量在1吨及以下为厢式货车（如图2、图3所示）或封闭货车。

图2 放射性物品运输车1Fig.2 Radioactive material transport vehicle 1

图3 放射性物品运输车2Fig.3 Radioactive material transport vehicle 2

根据IAEA 2020年发布的运输安保规程［6］，安保系统需完成的非法移动探测功能见表1。

表1 不同运输安保级别下的探测功能目标Table 1 Detection function targets under different transportation security levels

放射性物品（容器）被盗窃或丢失后都会离开车厢，即移动至车厢外。对放射性物品（容器）的破坏，会同时破坏放射性物品（容器）上的自主安保装置，从而导致自主安保装置不能感受到自身离车厢的位置，也可以认为其移动到了无限远处，其移动距离更是超出了车厢外。上述移动都可以认为是“非法移动”。在正常道路运输过程中，由于不平坦的道路可能产生颠簸，导致放射性物品容器在车厢内产生一定程度的位移，这是正常移动。而非法移动是不正常移动，为了与正常移动相区分，这里的“非法移动”定义为移动至车厢外。因为运输车厢内的空间环境本身不大，且为金属空间环境，GPS或北斗等定位技术将因收不到信号而失效。本文采用以无线信号强度（RSSI）为基础数据，提出面积比较的方法对运输车厢内的放射性物品进行定位，以识别其是否移动至车厢外。

3 非法移动感知

在运输车厢内布置锚节点。锚节点轮流广播发送无线定位信号，个体自主安保智能终端收到无线定位信号后，提取对应的无线信号强度，并将其转换为空间距离。综合利用这些距离，按照本文提出的面积比较方法判断该自主安保智能装置是否移动到了车厢外，即是否发生了非法移动。将这些判断结果经无线网络发送给安保系统，为其报警决策提供数据支撑。

3.1 基于面积比较法的非法移动检测模型

在车厢的四个靠近车顶的角落，呈长方形布置，安装4个zigbee节点作为锚节点（为了不影响无线通信效果，其天线至少距离车顶及车厢内壁10 cm），如图4所示，A点在车厢左前端，B点在车厢右前端，C在车厢右后端，D点在车厢左后端。ABCD的面积代表车厢内部面积。放射性物品（容器）单层摆放，自主安保装置安装在容器的顶上，尤其要注意其天线不能被遮挡。尽管自主安保装置与锚节点不在同一平面，但是从工程角度出发，暂时忽略其误差，然后在后面判据中以增大阈值的方式予以补偿。

图4 基于面积比较法的非法移动检测模型Fig.4 Illegal movement detection model based on area comparison method

D分别构成的四个三角形面积之和减去四边形ABCD的面积，即

式中，SABO、SBCO、SCDO、SDAO分别表示三角形ABO、BCO、CDO、DAO的面积；SABCD表示四边形ABCD的面积。

当自主安保智能装置O位于车厢内时，即O点为ABCD内任意一点，则理论上存在公式（2）

当自主安保智能装置O位于车厢外时，即O点为ABCD外任意一点，则理论上存在公式（3）

考虑到测量误差ΔS测量，即使自主安保智能装置O位于车厢内时，有

当自主安保智能装置O位于车厢外时，可得判据

式中，ΔSMset是面积之和测量误差阈值，单位为m2。四个三角形面积之和减去四边形ABCD的值SSUM大于阈值ΔSMset时，可得出放射性物品已被移出车厢的结论，从而报警。该阈值应大于ΔS测量。

3.2 基于面积比较法的非法移动检测方法

（1） 4个锚节点每间隔1 s发送一次带自身地址广播帧，用于提供RSSI。4个锚节点发送帧时间的间隔很短，暂时忽略其时间差，便于后面对节点的定位。挑选出锚节点的RSSI数据、代表放射性物品运输轨迹的路线节点的RSSI数据。

（2） 根据公式（6）

式中，RSSI（k，i）表示节点k收到锚节点i的无线信号强度，单位为dB；Ak表示距离锚节点i一米远处的无线信号强度值；ηk表示环境衰减因子；dik表示节点k到锚节点i的距离；v（k，i）表示均值为0的噪声。

如果滤除噪声，则通过RSSI值可获得d值。对锚节点的RSSI数据均值滤波，求取Ak和ηk。即通过D点接收B点的RSSI数据，来获得锚节点B发出的Ak和ηk。其他的类似。

（3） 考虑到车厢内无线信号的多径效应、路径衰减及遮挡效应，RSSI值可能存在误差，该误差一般符合高斯分布，所以对自主安全智能终端上的RSSI数据进行卡尔曼滤波，进而按照公式（7）计算。

通过公式（7），求取该节点至锚节点之间的距离dAO、dBO、dCO、dDO。

（4） 锚节点AB之间的距离是dAB，ABO的边长分别为dAB、dAO、dBO，根据海伦公式，三角形的面积用公式（8）表示。

式中，P为周长的一半，p=（dAB+dAO+dBO）/2，单位为m。

同理可求出其他三个三角形面积。考虑到点O与平面ABCD实际上不在同一平面，这样就会导致求出的dAO、dBO偏大。而dAB是定值，所以可能导致求出的三角形面积偏小。这样，当放射性物品O在车厢内时，将可能导致公式（4）中的测量误差小于0。

（5） 依据公式（5）判断是否发生了非法移动。

（6） ΔSMset值可以根据运输的放射性物品的重要性来确定。

（7） 对报警的节点调用摄像头联动复核。

3.3 无线信号强度滤波

当运输车内的放射性物品较少时，无线信号受到障碍物的遮挡较少，但是可能存在较多的反射、散射，即存在多径效应；当运输车内的放射性物品较多，导致车内空间较拥挤时，无线信号受较大的路径衰减及障碍物遮挡效应的影响较大。多径效应、障碍物遮挡将导致节点接收到的信号强度产生波动，可看成在RSSI值上叠加了噪声。该噪声特征一般与高斯噪声相符。若直接使用测量所得的原始数据会产生较大的测距误差。因此必须对信号测量值进行平滑预处理，消除噪声。自主安全智能装置的计算能力和电池容量有限，为了减轻其计算压力和通信开销，平滑滤波方法既要能够对噪声有一定的消除能力，又不能带来太大的计算量．从滤波效果来说，高斯滤波算法将是一种较好的选择，但是该算法计算量大，且时间窗长。卡尔曼滤波仅仅使用前后两次采样值，计算量相对较少，且滤波效果好，因此本项目采用卡尔曼滤波方法。

这里预期放射性物品在车厢内不发生移动，所以其速度为0。系统可以由公式（9）和公式（10）表示。

式中，w表示预测数据误差，v表示观测数据误差。

则迭代方程为式（11）至式（15）

式中，Q为数据预测误差的方差， ，可设为一个较小的数，如0.01。R是数据测量误差的方差， ，可在放射性物品装车完成后的一小段时间内（如1分钟）实测得到。

3.4 ΔSMset值确定

本文考虑“每容器（包裹）”方法来指定放射性物品的运输安全等级。根据D值和A值，确定四个传输安全级别：谨慎的管理做法，基本的运输安全等级，加强型运输安全水平，附加型运输安全水平。其中后三者需要设置专门的安保措施，且加强型运输安全水平的要求最高，其运输的放射性物品活度最高。一旦发生泄漏，如前文分析，则引起安保装置失效的概率越高。在确保大于测量误差的情况下：安保需要高级别的，由于其重要性高，可将ΔSMset值设置得小一点，检测准确度降低，可能存在一定程度的误报，但同时也会减少漏报，从而降低丢失或被盗的概率；安保需要低级别的，由于其重要性低，可将ΔSMset值设置得大一点，检测速度虽慢，但检测准确度高。

4 仿真试验

红宇牌HYJ5060XFS-JX型放射性物品厢式运输车，如图5所示，外形尺寸的长宽高为6350×2120×2800（mm），货 厢 尺 寸 为4260× 2005×1730（mm），离地高度450 mm。

图5 HYJ5060XFS-JX型放射性物品厢式运输车Fig.5 HYJ5060XFS-JX radioactive material van

我们设置的仿真环境实验区域大于货厢尺寸，为20 m×1.9 m（假定天线距离车厢内壁 0.1 m）。自主智能装置的天线离车厢顶部1.5 m。以该天线所在平面为坐标平面，实验区域网格化以左上角为坐标原点建立坐标系，网格线横、纵间隔均为0.5 m，网格线交点为参考点位置。在周边设置4个AP发射点（锚节点），位置分布为A（0.1 m，0.1 m，1.5 m），B（0.1 m，1.9 m，1.5 m），C（2.1 m，0.1 m，1.5 m），D（2.1 m，1.9 m，1.5 m）。整个仿真区域如图6所示。

图6 仿真区域Fig.6 Simulation area

运输车辆临时停靠时，盗窃者以2.25 m/s的速度移动该放射性物品容器至车厢后门外，通过车厢门口时速度变慢，下车后行走的速度还是2.25 m/s。放射性物品的移动轨迹在图7中以空心圆圈表示。实心点表示SSUM。从图7可以看出，当放射性物品在车厢内部时，面积差值SSUM的值为负。当其移动至车厢后门外面时，该值为正。所以只要设置合适的ΔSMset值，判据是成立的。在图7中，只要将ΔSMset值设为1.3，放射性物品移至离车厢前部5.3米，即脱离车厢1.04米后都能正确判别。

图7 仿真结果Fig.7 Simulation result

5 结果与分析

经多次仿真，面积差值SSUM由负转正后的第一个数值记录见表2。

表2 面积差值由负转正的第一个数值Table 2 The first value of area difference from negative to positive

从表2可以看出，10次仿真试验中面积差值SSUM由负转正后的第一个数值的最大值为1.4957。实际试验时，我们继续仿真了100次，该值最大为1.5322；仿真1000次时，该值最大为1.5534。之所以在不同的仿真中，该数值会有不同，是因为我们模拟了随机噪声，该随机噪声每次出现的结果会有不同，但是不管如何，这个结果总是有界的。结合理论分析可知，当放射性物品从车厢内部经由车厢后门移动至外部时，SSUM值理论上会越来越大，即在刚移动出车厢时都是单调递增的，所以只要设置合适的阈值，公式（5）是成立的。放射性物品从车厢前部和侧面移出车厢时，由于这些面都是铁皮内壁，其对应的RSSI衰减更大，将有利于公式（5）的成立。需要注意的是，当放射性物品离车厢过远时，无线信号过于微弱可能导致自主安保智能装置检测不到数据。此时需要车载安保系统将与自主安保智能装置的通信失效方法检测出来，实现直接报警。

6 总结

本文基于个体自主安全智能理论，提出了新型放射性物品运输安保系统。针对盗窃和丢失导致的非法移动和车辆颠簸导致的正常移动的不同特征，提出了基于面积比较法的非法移动检测方法。以HYJ5060XFS-JX型放射性物品厢式运输车为原型，建立了仿真模型。对仿真数据进行了分析与总结，结果表明，本文提出的方法是可行的。