高正明,趙 娟,李素若
(1.荊楚理工學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,湖北 荊門 448000;2.荊楚理工學(xué)院電子信息工程學(xué)院,湖北 荊門 448000)
20世紀(jì)90年代以來,脆弱性研究受到了廣泛的關(guān)注[1],該研究最早始于社科領(lǐng)域研究環(huán)境對人文變化的響應(yīng),用以描述環(huán)境受到災(zāi)害、人為破壞等不利因素時(shí)受到的損害的程度或可能性[2]。隨著脆弱性研究的深入,脆弱性分析逐漸成為全球環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展研究的熱點(diǎn)問題和重要的分析工具[3],并逐步擴(kuò)展到其它學(xué)科和領(lǐng)域。
目前,脆弱性研究已經(jīng)擴(kuò)展到消費(fèi)金融[4]、氣候變化[5]、軟件測試[6]等多個(gè)領(lǐng)域,并且較多地應(yīng)用于各種大型系統(tǒng)之中,評估系統(tǒng)對于某一種破壞因素的抗性或受損害難易程度[7]。這一特征可以很容易地?cái)U(kuò)展到各種大型復(fù)合系統(tǒng)的評估過程中[8]。顯然,在核裁軍監(jiān)護(hù)鏈中,為確保核部件的全程高安全、高可靠性,必須綜合采用多種監(jiān)護(hù)手段,組成全程可信監(jiān)護(hù)鏈。但即使如此,在互信的前提條件下,仍然需要評估監(jiān)控系統(tǒng)對各種有意或意外因素的抵御能力,這一評估機(jī)制,亟需監(jiān)控系統(tǒng)的脆弱性分析工具。
當(dāng)前已經(jīng)開展的系統(tǒng)的脆弱性分析研究主要集中于電力系統(tǒng)脆弱性[9]和軟件脆弱性[10],前者以故障作為脆弱性表征對象,以高樣本量為基礎(chǔ),是一種基于大規(guī)模數(shù)據(jù)表征的系統(tǒng)整體故障率的描述;后者以黑客或病毒攻擊行為日志為基礎(chǔ),采用攻防測試的方式評估攻擊后系統(tǒng)崩潰的幾率。電力系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的脆弱性,均源于大樣本的統(tǒng)計(jì)測試。而監(jiān)控系統(tǒng)的脆弱性分析屬于系統(tǒng)部署前的評測,缺乏現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)支撐,不能直接挪用電力系統(tǒng)或軟件系統(tǒng)的脆弱性研究。
裁減后核武器監(jiān)護(hù)鏈監(jiān)控系統(tǒng)的脆弱性分析,和其它系統(tǒng)如空間信息網(wǎng)[11]的脆弱性分析方法也有所不同,其防范對象雖然同樣具有時(shí)滯性[12],但往往是人為有目的入侵,尤其是有意識有組織的篡改行為,防范對象的高技術(shù)性、嚴(yán)密性更強(qiáng)。因此,對核部件儲存庫房的脆弱性進(jìn)行分析,不僅需要考慮核部件周邊環(huán)境如支撐體[13]對測量數(shù)據(jù)的影響,明確測量數(shù)據(jù)的精度和測量方法[14],更需要站在系統(tǒng)的角度,針對具體的篡改行為開展有針對性的脆弱性分析。
為此,本文結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外研究工作,針對核裁軍監(jiān)護(hù)鏈中的輻射探測系統(tǒng),分析了影響基于輻射探測的核部件儲存庫房安全監(jiān)控系統(tǒng)的脆弱性因素,建立了脆弱性評估指標(biāo)體系,并結(jié)合可靠性理論探索了脆弱性評估方法,以期提出核裁軍監(jiān)控鏈脆弱性分析與評估工作。
故障是指產(chǎn)品、設(shè)備或系統(tǒng)(以下統(tǒng)稱為系統(tǒng))喪失規(guī)定的功能,故障描述了系統(tǒng)的一種狀態(tài),該狀態(tài)對應(yīng)的事件稱為失效。失效是人類在系統(tǒng)使用過程中需要直接面對的一種異于常態(tài)的事件,是早期人們開發(fā)和使用系統(tǒng)的過程中不得不重視的問題,其評價(jià)指標(biāo)是故障率,即工作至某一時(shí)刻時(shí)尚未失效的系統(tǒng)在該時(shí)刻發(fā)生故障的概率。故障率是關(guān)于時(shí)間的函數(shù),隨著時(shí)間的增長,故障率一般會增大。人們對故障和失效的研究,逐步形成了系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)和故障診斷技術(shù),用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)加工、使用過程故障的發(fā)現(xiàn)、識別與修復(fù)。
系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)、規(guī)定的條件下,完成規(guī)定的功能的能力,定義為系統(tǒng)的可靠性??煽啃允窍到y(tǒng)不發(fā)生故障的測度,是人類對失效理論的深入發(fā)展。系統(tǒng)可靠性越高,發(fā)生故障的機(jī)率就越低。
可靠性是對系統(tǒng)總體功能的測度,是系統(tǒng)的固有屬性特征之一。系統(tǒng)可靠性不考慮異常因素,即一旦出現(xiàn)超出規(guī)定之外的條件,如系統(tǒng)承受環(huán)境溫濕度超出許可范圍、承受過載的振動(dòng)沖擊等情況時(shí),系統(tǒng)可靠性就需要重新測算,或?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行檢修論證后予以忽略。此外,由于可靠性是統(tǒng)計(jì)參數(shù),對單個(gè)產(chǎn)品的測度是不穩(wěn)定的,對超出規(guī)定時(shí)間之外的測算也十分困難。
針對這一現(xiàn)象,隨著技術(shù)研究的深入,學(xué)者們將可靠性影響因素進(jìn)行細(xì)化,強(qiáng)化導(dǎo)致系統(tǒng)失效的諸因素的量化分析,將可靠性概念和失效機(jī)理分析相結(jié)合,提出了脆弱性的概念。
脆弱性是系統(tǒng)對內(nèi)外干擾的敏感性,以及由于缺乏應(yīng)對能力而導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或功能容易發(fā)生改變的一種屬性。系統(tǒng)的脆弱性總是相對某一或某些因素而言,用于量化分析系統(tǒng)抵御給定的某一因素或某些因素的影響的能力,它是可靠性概念的進(jìn)一步深化和延拓。系統(tǒng)的脆弱性采用脆弱度進(jìn)行量化分析,脆弱度是系統(tǒng)對某一或某些因素的脆弱程度,它用于量化系統(tǒng)抵御該因素影響的能力。
系統(tǒng)失效、可靠性和脆弱性具有如圖 1所示的關(guān)系,即對系統(tǒng)失效的研究是可靠性研究的基礎(chǔ),可靠是失效的反問題,而脆弱性則是可靠性研究的進(jìn)一步深入和延拓。
圖1 系統(tǒng)失效、可靠與脆弱性之間的關(guān)系
系統(tǒng)是由相互作用相互依賴的若干單元組成的具有特定功能的有機(jī)整體。因此對監(jiān)控系統(tǒng)的脆弱性研究,可定量為系統(tǒng)各單元對給定的某一或某些因素的組合。這就需要開展以下4個(gè)部分的研究工作。
(1)監(jiān)控系統(tǒng)脆弱性影響因素。根據(jù)脆弱性定義可知,影響監(jiān)控系統(tǒng)脆弱性的因素包括兩個(gè)方面:一是監(jiān)控系統(tǒng)的內(nèi)部干擾,包括系統(tǒng)的其它固有屬性及其關(guān)聯(lián)作用;二是監(jiān)控系統(tǒng)外部干擾,包括環(huán)境因素、人為因素等。系統(tǒng)的脆弱性總是針對特定因素而來,因此脆弱性影響因素分析是脆弱性研究的基礎(chǔ)和首要條件。
(2)監(jiān)控系統(tǒng)脆弱度量化方法。系統(tǒng)抵御某一因素的影響的能力采用脆弱度進(jìn)行量化,其量化的方法根據(jù)系統(tǒng)對該因素的響應(yīng)而定。
(3)監(jiān)控系統(tǒng)脆弱性評價(jià)指標(biāo)和評估方法。監(jiān)控系統(tǒng)的脆弱性雖然可以脆弱度進(jìn)行評價(jià),但是由于監(jiān)控系統(tǒng)和影響因素的復(fù)雜性,目前整個(gè)系統(tǒng)的脆弱度尚不具備科學(xué)計(jì)算的條件。
(4)脆弱性評價(jià)與決策。開展監(jiān)控系統(tǒng)脆弱性分析的目的是確保系統(tǒng)正常運(yùn)行,因此,依托監(jiān)控系統(tǒng)對某些因素的脆弱性評估結(jié)果開展決策分析,預(yù)測和評價(jià)系統(tǒng)受內(nèi)外干擾的影響程度,評估其抵抗力和恢復(fù)能力,提出保持系統(tǒng)正常運(yùn)行、減輕干擾對系統(tǒng)的不利影響或?yàn)橥嘶南到y(tǒng)提出綜合整治意見建議,是監(jiān)控系統(tǒng)脆弱性研究的另一重要內(nèi)容。
由于系統(tǒng)總是由若干個(gè)單元組件構(gòu)成,因此監(jiān)控系統(tǒng)對某一因素的脆弱度,是監(jiān)控系統(tǒng)組成單元對該因素的脆弱度的權(quán)函數(shù),取值區(qū)間為(0,1],其基本計(jì)算方法保持可靠性、失效率的計(jì)算方法。所不同的是,由于不同單元所處位置、組成構(gòu)成等的不同,不同單元遭遇某一因素的機(jī)率不同。因此,系統(tǒng)對該因素的脆弱度,是脆弱性事件發(fā)生機(jī)率的權(quán)函數(shù)。從原理上講,監(jiān)控系統(tǒng)或組成單元對某一因素的脆弱度具有如下性質(zhì):
(1)監(jiān)控系統(tǒng)或組成單元對任一因素的脆弱度總是大于0的。理論上講,監(jiān)控系統(tǒng)對任一因素都具有敏感性,只是程度不同,因此,脆弱度總是大于0的數(shù)值。
(2)監(jiān)控系統(tǒng)或組成單元對任一因素的脆弱度表征其對該因素響應(yīng)的敏感程度。敏感事件的發(fā)生具有隨機(jī)性,因此,脆弱度不具備統(tǒng)計(jì)特性,脆弱度和事件發(fā)生機(jī)率表征監(jiān)控系統(tǒng)或組成單元對某一因素的脆弱性。
(3)監(jiān)控系統(tǒng)整體對某一因素的脆弱度,是系統(tǒng)各組成單元對該因素的脆弱度的權(quán)和,其計(jì)算原則是事件發(fā)生后,系統(tǒng)對其不敏感,或系統(tǒng)維持其結(jié)構(gòu)和功能不發(fā)生改變的能力不受明顯影響。因此,監(jiān)控系統(tǒng)對某一因素的脆弱度可表征為各組成單元對該因素脆弱度的權(quán)函數(shù),其中基本函數(shù)式可采用可靠性、失效率或故障率的串并聯(lián)關(guān)系式。即對于n個(gè)串聯(lián)單元,若對某一因素的脆弱性事件發(fā)生機(jī)率分別為p1,p2,…,pn,脆弱度分別為v1,v2,…,vn,則系統(tǒng)對該因素的脆弱度為:
(1)
對于組成單元并聯(lián)組成的系統(tǒng),則有:
(2)
公式(1)、(2)同樣適用于系統(tǒng)對多個(gè)因素的脆弱度量化計(jì)算。
核部件儲存庫房安全監(jiān)控系統(tǒng)由周界監(jiān)控系統(tǒng)、出入庫監(jiān)控系統(tǒng)和庫區(qū)內(nèi)部監(jiān)控系統(tǒng)組成,包含紅外、微波、地音、視頻、輻射探測、金屬探測等監(jiān)控手段,如圖 2所示。
圖2 核部件儲存庫房安全監(jiān)控系統(tǒng)組成
輻射探測系統(tǒng)以核部件核材料自身輻射粒子為探測源,采用中子和γ探測器構(gòu)建探測單元,運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件開展數(shù)據(jù)分析,實(shí)現(xiàn)對核部件的存在性判別、識別認(rèn)證、監(jiān)控、定位和衡算等。
周界監(jiān)控系統(tǒng)中的輻射探測器主要用于核部件的存在性判定,在發(fā)現(xiàn)核部件時(shí),及時(shí)告知監(jiān)控中心,由監(jiān)控中心進(jìn)行輸運(yùn)許可判斷與處置。在出入庫監(jiān)控系統(tǒng)中,輻射探測器主要完成核部件的存在性判定、識別認(rèn)證、衡算和監(jiān)控管理等功能。庫區(qū)內(nèi)部的輻射探測器主要用于核部件的精確定位管理。采集處理后的輻射探測數(shù)據(jù)通過有線或無線通信傳輸至監(jiān)控中心,由配套軟件進(jìn)行處理后,提交監(jiān)管人員處置。基于輻射探測的核部件儲存庫房安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖 3所示。
開展核部件儲存庫房安全監(jiān)控系統(tǒng)的脆弱性研究,主要包括脆弱性影響因素分析、脆弱性量化指標(biāo)構(gòu)建和脆弱性評價(jià)三個(gè)部分的工作,考慮到核部件儲存庫房安全監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜,功能多樣,此處以輻射探測系統(tǒng)為研究對象,開展基于輻射探測技術(shù)的核部件儲存庫房安全監(jiān)控系統(tǒng)脆弱性分析與評價(jià)。
由圖 3可知,基于輻射探測的核部件儲存庫房安全監(jiān)控系統(tǒng)由輻射探測器、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)和外設(shè)等組成,可分為通信系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、硬件設(shè)備三大類,其影響因素仍然區(qū)分為內(nèi)部干擾和外部干擾兩大類,見表1。其中內(nèi)部干擾因素不僅包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征如結(jié)構(gòu)尺寸、材料性質(zhì)、構(gòu)成方式、部署方式等,還包括系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)如冗余、技術(shù)成熟度、技術(shù)適應(yīng)性等,而外部干擾可區(qū)分為人為因素和自然因素,考慮到脆弱性分析屬事前安全性分析論證,本文暫不討論脆弱性因素的權(quán)重分布。
表1 基于輻射探測的核部件儲存庫房安全監(jiān)控系統(tǒng)脆弱性影響因素
圖3 核部件儲存庫房安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
由脆弱性定義可知,對監(jiān)控系統(tǒng)脆弱性的量化指標(biāo)可區(qū)分為四個(gè)部分:一是監(jiān)控系統(tǒng)對內(nèi)部干擾的敏感性(ⅰ類);二是監(jiān)控系統(tǒng)對外部干擾的敏感性(ⅱ類);三是由于缺乏應(yīng)對能力而使監(jiān)控系統(tǒng)功能容易發(fā)生改變的屬性(ⅲ類);四是由于缺乏應(yīng)對能力而使監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)容易發(fā)生改變的屬性(ⅳ類)。據(jù)此可提出脆弱性量化評估指標(biāo),列于表2。
表2 基于輻射探測的核部件儲存庫房安全監(jiān)控系統(tǒng)脆弱性評估指標(biāo)
根據(jù)特定的評價(jià)指標(biāo)可以構(gòu)建量化計(jì)算方法,目前評價(jià)指標(biāo)的量化方法主要可分為以下幾種:
(1)加權(quán)平均法。如恢復(fù)率、冗余率、覆蓋率、服務(wù)率、干擾率;轉(zhuǎn)換率等指標(biāo),可進(jìn)一步細(xì)化為更小的二級、三級甚至更低層次的指標(biāo),其數(shù)值大小是低級指標(biāo)的加權(quán)平均值。
(2)數(shù)學(xué)函數(shù)法。如抗氧化性、熱敏性、抗電擊能力等指標(biāo),可采用特定設(shè)備在給定條件下的化學(xué)反應(yīng)幾率、電學(xué)參數(shù)漂移量、擊穿幾率等數(shù)學(xué)量表示,這些參數(shù)可表示為特定干擾因素?cái)?shù)學(xué)量的函數(shù)。
(3)統(tǒng)計(jì)平均法。有些指標(biāo)如系統(tǒng)漏報(bào)率、誤報(bào)率等,具有統(tǒng)計(jì)特性,需要結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)或歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析而來。
(4)模糊處理法。有些指標(biāo)如設(shè)備抗彎曲、抗沖擊、抗擠壓能力等,由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有閾值而表現(xiàn)出不同的特性,如材料的應(yīng)力極限區(qū)分為彈性極限、屈服極限和強(qiáng)度極限等,當(dāng)應(yīng)力小于彈性極限時(shí),材料具有顯著的恢復(fù)能力,一旦撤除應(yīng)力,系統(tǒng)恢復(fù)正常狀態(tài),若應(yīng)力大于彈性極限而小于屈服極限,材料將產(chǎn)生塑性變形,而若應(yīng)力大于強(qiáng)度極限,材料將發(fā)生斷裂現(xiàn)象。此時(shí),需要根據(jù)影響因素量值的不同采用模糊處理的方法,構(gòu)建階段性分布函數(shù)進(jìn)行量化,該方法也可以作為數(shù)學(xué)函數(shù)法的特殊情況。
在確定監(jiān)控系統(tǒng)脆弱性影響因素,建立脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系之后,可采用脆弱性評估方法對監(jiān)控系統(tǒng)脆弱性進(jìn)行量化評估。常見的脆弱性評價(jià)方法如綜合指數(shù)法,包括加權(quán)求和法、主成分分析法、層次分析法、模糊綜合評價(jià)法、專家打分法等,原理和操作都很簡單。除此之外,對于某些特定的量化指標(biāo),可構(gòu)建脆弱性函數(shù)評價(jià)模型開展定量評估。如基于輻射探測的核部件儲存庫房安全監(jiān)控系統(tǒng)中,為防止庫區(qū)內(nèi)部核部件不被偷竊、轉(zhuǎn)移和替換,需要采用輻射探測器陣列對放射性材料實(shí)施精細(xì)管理。系統(tǒng)監(jiān)控核部件轉(zhuǎn)移功能的主要指標(biāo)可細(xì)化為對輻射源的定位精度、對多個(gè)輻射源的區(qū)分度以及對人員、工地裝設(shè)備和環(huán)境本底的辨別能力等。其中多個(gè)輻射源的區(qū)分度由探測器陣列數(shù)量保證,則可定義監(jiān)控系統(tǒng)防人為轉(zhuǎn)移功能的脆弱性函數(shù)vp為不同人員、工地裝設(shè)備條件下的輻射源定位誤差的函數(shù):
vp=f(σloc)
(3)
式中,σloc為特定條件下輻射源的定位誤差;函數(shù)f可根據(jù)需要定義為定位誤差的倒函數(shù),即在給定人員、工地裝和環(huán)境本底的條件下,基于輻射探測技術(shù)的核部件儲存庫房安全監(jiān)控系統(tǒng)對輻射源的定位精度越高,監(jiān)控系統(tǒng)對人為轉(zhuǎn)移功能的脆弱性越小。
基于輻射探測的庫房安全監(jiān)控系統(tǒng)中,為防止庫區(qū)內(nèi)部核部件不被偷竊、轉(zhuǎn)移和替換,需要采用輻射探測器陣列對核部件實(shí)施精細(xì)管理。系統(tǒng)監(jiān)控放核部件移功能的主要指標(biāo)可細(xì)化為對輻射源的定位精度、對多個(gè)輻射源的區(qū)分度以及對人員、工地裝設(shè)備和環(huán)境本底的辨別能力等。其中多個(gè)輻射源的區(qū)分度由探測器陣列數(shù)量保證,考慮到探測器計(jì)數(shù)與距離源的尺寸、源活度等參數(shù)相關(guān),參考照射率/劑量率的計(jì)算方法[15],可定義監(jiān)控系統(tǒng)防人為替換功能的脆弱性函數(shù)vp為不同人員、工地裝設(shè)備條件下的輻射源定位誤差的函數(shù):
(4)
式中,n為輻射探測器個(gè)數(shù);x為探測器距離房間中心距離,m;A為探測器計(jì)數(shù),cps或μSv/h;k為脆弱度標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù),后續(xù)計(jì)算中k=3 600,(m/μSv或m/cps);t為探測器響應(yīng)時(shí)間,s。
對某輻射源實(shí)驗(yàn)大廳進(jìn)行防替換功能實(shí)驗(yàn)研究,探測實(shí)驗(yàn)場景和采點(diǎn)設(shè)置如圖 4所示,四個(gè)探測器分別位于門和墻壁側(cè)上方,源分別放置于1、2、…、8等位置,測量探測器對不同位置源的區(qū)分能力。首先采用Inspector 10000測量大廳γ輻射本底;再移動(dòng)Cs-137輻射源,測量獲得各點(diǎn)位的劑量率。對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行本底扣除后,由式(4)計(jì)算可得由4個(gè)探測器組成的輻射探測系統(tǒng)對替換的脆弱度為0.2132。需要說明的是,本次實(shí)驗(yàn)中由于未能組建完整的輻射探測系統(tǒng),而只是采用了兩個(gè)探測器進(jìn)行了模擬,因此該數(shù)據(jù)不能用于實(shí)際輻射探測系統(tǒng)的描述,而且采用此公式描述輻射探測系統(tǒng)防替換功能時(shí),該數(shù)據(jù)只有在對比的條件下才有意義,如探測器的響應(yīng)時(shí)間為0.2 s,若采用響應(yīng)時(shí)間為0.5 s的AGM型γ輻射探測器,則脆弱度數(shù)據(jù)為原來的2.5倍,即采用響應(yīng)時(shí)間更為靈敏的輻射探測器可降低脆弱度,提高監(jiān)控系統(tǒng)防替換功能。
圖4 防替換功能實(shí)驗(yàn)場景設(shè)置
根據(jù)脆弱性在環(huán)境、政治、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域的研究成果,結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)脆弱性分析需求,本文提出監(jiān)控系統(tǒng)脆弱性研究是系統(tǒng)可靠性和失效機(jī)理分析的綜合,脆弱性是可靠性研究的深入和延拓的理念,并初步論證了脆弱性研究范疇,提出了監(jiān)控系統(tǒng)脆弱性量化計(jì)算方法。結(jié)合裁減后核武器儲存庫房安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)際,本文重點(diǎn)基于輻射探測系統(tǒng)分析了核部件儲存庫房案例監(jiān)控系統(tǒng)的脆弱性,梳理和匯總了脆弱性影響因素,并對脆弱性量化評估指標(biāo)體系進(jìn)行了分析,論證給出了脆弱性評價(jià)分析方法。最后結(jié)合實(shí)地開展的基于輻射探測系統(tǒng)的核部件的防替換功能實(shí)驗(yàn),分析給出了該系統(tǒng)防替換功能的脆弱度計(jì)算方法和實(shí)際數(shù)據(jù),最后提出了基于輻射探測的核部件儲存庫房安全監(jiān)控系統(tǒng)脆弱性分析方法,為后續(xù)核部件儲存房安全監(jiān)控系統(tǒng)脆弱性評估提供技術(shù)支持。