曾鐵軍，陽小華，萬亞平，蔣盼盼，劉征海，毛宇

（1. 南華大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，衡陽 421001；2. 南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院，衡陽 421001；3. 南華大學(xué) 計算機學(xué)院，衡陽 421001；4. 中核集團高可信計算重點學(xué)科實驗室，衡陽 421001）

為使被保護的核材料和核設(shè)施免于被破壞和被盜竊，目前的核安保（實物保護）系統(tǒng)一般配置了入侵報警系統(tǒng)、視頻復(fù)核系統(tǒng)、出入口控制系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)［1］。由于這些子系統(tǒng)不便于移動，所以在放射性物品運輸安保中應(yīng)用不多。放射性物品運輸安保系統(tǒng)更多地依靠人工管理和巡檢技術(shù)，這導(dǎo)致其安保性能比固定場所的安保系統(tǒng)薄弱［2］。國外發(fā)生的多次放射性物品運輸安保事故就證實了這一點。2020年7月3日夜間，含有50 mCi Am-241的CPN 503型設(shè)備在停在加利福尼亞州Visalia的技術(shù)人員的卡車中被盜［3］。2018年4月19日，加拿大阿爾伯塔省Gleichen附近高速公路一側(cè)發(fā)現(xiàn)帶有輻射警告標(biāo)簽的Type A包裹［4］，導(dǎo)致關(guān)閉了高速公路901，直到找到包裝中運輸?shù)姆派湓礊橹埂?017年5月17日上午，在加拿大多倫多和安大略省布蘭普頓之間的運輸過程中，丟失了Troxler 3440型便攜式包裝［4］。2015年4月16日，在墨西哥南部塔巴斯科州內(nèi)卡德納斯市發(fā)現(xiàn)了此前被盜的裝有放射源銥-192的貨車，但是放射源銥-192失蹤［5］。

IAEA 2020年頒布的《放射性物品運輸安保問題》［6］指出，以單個貨包為單位來確定安保級別，是確定運輸安保級別的方式之一。貨包既包括運輸車輛，也包括包裝容器。本文擬在包裝容器上實施安保技術(shù)，提高放射性物質(zhì)運輸安保水平的精細度。

項目團隊曾提出了放射性物品個體自主安全智能（Self-security intelligence）的概念［1］，通過在容器上增加安保裝置賦予其感知和應(yīng)對未經(jīng)授權(quán)的接近和獲取放射性物品的基本能力。本文基于個體自主安全智能技術(shù)，提出新型放射性物品運輸安保系統(tǒng)，并研究系統(tǒng)中放射性物品非法移動感知技術(shù)。

1 新型放射性物品運輸安保系統(tǒng)

新型車載運輸安保系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。車載安保系統(tǒng)將報警信息和關(guān)鍵圖像上傳給安保監(jiān)控中心，安保監(jiān)控中心負(fù)責(zé)與交通部門和公安部門等協(xié)調(diào)響應(yīng)安保事件。車載安保系統(tǒng)由車廂外監(jiān)測單元、車廂內(nèi)監(jiān)測單元、個體自主安保裝置（安裝在放射性物品容器上的電子設(shè)備）、單車安保平臺（包括主機host、LCD液晶顯示器）、便攜式終端組成。其中，車載安保主機host、LCD液晶顯示器置于駕駛室。車廂外監(jiān)測單元由車廂外的北斗定位模塊和車頂（靠近車門處）安裝的一個針孔攝像頭組成，并通過有線連接至主機host。車廂內(nèi)監(jiān)測單元包括車廂內(nèi)前后兩個攝像頭、一個輻射探測器和門磁開關(guān)，前攝像頭對著車廂內(nèi)的放射性物品，后攝像頭對著車門。門磁開關(guān)安裝在車門處，用于監(jiān)測車門是否開啟。個體自主安保裝置安裝在放射性物品容器上，完成非法接近、非法移動的探測功能，并經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給無線節(jié)點1，進而通過有線轉(zhuǎn)發(fā)至主機host。當(dāng)出現(xiàn)“非法接近”和“非法移動”（對應(yīng)丟失和被盜）報警信息時，在LCD液晶顯示模塊和便攜式終端上顯示報警信息。自主安全智能裝置上的“非法移動”感知與門磁開關(guān)是兩種獨立的安保手段，即使一方失效，另一方也能正常工作。單車安保平臺和便攜式終端還能夠調(diào)用攝像頭圖像進行復(fù)核報警信息。

圖1 新型放射性物品運輸安保系統(tǒng)Fig.1 A new type radioactive material transportation security system

2 非法移動特點分析

2016年中國頒布的《放射性物品道路運輸管理規(guī)定》對運輸車輛的規(guī)定［7］：核定載質(zhì)量在1噸及以下為廂式貨車（如圖2、圖3所示）或封閉貨車。

圖2 放射性物品運輸車1Fig.2 Radioactive material transport vehicle 1

圖3 放射性物品運輸車2Fig.3 Radioactive material transport vehicle 2

根據(jù)IAEA 2020年發(fā)布的運輸安保規(guī)程［6］，安保系統(tǒng)需完成的非法移動探測功能見表1。

表1 不同運輸安保級別下的探測功能目標(biāo)Table 1 Detection function targets under different transportation security levels

放射性物品（容器）被盜竊或丟失后都會離開車廂，即移動至車廂外。對放射性物品（容器）的破壞，會同時破壞放射性物品（容器）上的自主安保裝置，從而導(dǎo)致自主安保裝置不能感受到自身離車廂的位置，也可以認(rèn)為其移動到了無限遠處，其移動距離更是超出了車廂外。上述移動都可以認(rèn)為是“非法移動”。在正常道路運輸過程中，由于不平坦的道路可能產(chǎn)生顛簸，導(dǎo)致放射性物品容器在車廂內(nèi)產(chǎn)生一定程度的位移，這是正常移動。而非法移動是不正常移動，為了與正常移動相區(qū)分，這里的“非法移動”定義為移動至車廂外。因為運輸車廂內(nèi)的空間環(huán)境本身不大，且為金屬空間環(huán)境，GPS或北斗等定位技術(shù)將因收不到信號而失效。本文采用以無線信號強度（RSSI）為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提出面積比較的方法對運輸車廂內(nèi)的放射性物品進行定位，以識別其是否移動至車廂外。

3 非法移動感知

在運輸車廂內(nèi)布置錨節(jié)點。錨節(jié)點輪流廣播發(fā)送無線定位信號，個體自主安保智能終端收到無線定位信號后，提取對應(yīng)的無線信號強度，并將其轉(zhuǎn)換為空間距離。綜合利用這些距離，按照本文提出的面積比較方法判斷該自主安保智能裝置是否移動到了車廂外，即是否發(fā)生了非法移動。將這些判斷結(jié)果經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給安保系統(tǒng)，為其報警決策提供數(shù)據(jù)支撐。

3.1 基于面積比較法的非法移動檢測模型

在車廂的四個靠近車頂?shù)慕锹?，呈長方形布置，安裝4個zigbee節(jié)點作為錨節(jié)點（為了不影響無線通信效果，其天線至少距離車頂及車廂內(nèi)壁10 cm），如圖4所示，A點在車廂左前端，B點在車廂右前端，C在車廂右后端，D點在車廂左后端。ABCD的面積代表車廂內(nèi)部面積。放射性物品（容器）單層擺放，自主安保裝置安裝在容器的頂上，尤其要注意其天線不能被遮擋。盡管自主安保裝置與錨節(jié)點不在同一平面，但是從工程角度出發(fā)，暫時忽略其誤差，然后在后面判據(jù)中以增大閾值的方式予以補償。

圖4 基于面積比較法的非法移動檢測模型Fig.4 Illegal movement detection model based on area comparison method

D分別構(gòu)成的四個三角形面積之和減去四邊形ABCD的面積，即

式中，SABO、SBCO、SCDO、SDAO分別表示三角形ABO、BCO、CDO、DAO的面積；SABCD表示四邊形ABCD的面積。

當(dāng)自主安保智能裝置O位于車廂內(nèi)時，即O點為ABCD內(nèi)任意一點，則理論上存在公式（2）

當(dāng)自主安保智能裝置O位于車廂外時，即O點為ABCD外任意一點，則理論上存在公式（3）

考慮到測量誤差ΔS測量，即使自主安保智能裝置O位于車廂內(nèi)時，有

當(dāng)自主安保智能裝置O位于車廂外時，可得判據(jù)

式中，ΔSMset是面積之和測量誤差閾值，單位為m2。四個三角形面積之和減去四邊形ABCD的值SSUM大于閾值ΔSMset時，可得出放射性物品已被移出車廂的結(jié)論，從而報警。該閾值應(yīng)大于ΔS測量。

3.2 基于面積比較法的非法移動檢測方法

（1） 4個錨節(jié)點每間隔1 s發(fā)送一次帶自身地址廣播幀，用于提供RSSI。4個錨節(jié)點發(fā)送幀時間的間隔很短，暫時忽略其時間差，便于后面對節(jié)點的定位。挑選出錨節(jié)點的RSSI數(shù)據(jù)、代表放射性物品運輸軌跡的路線節(jié)點的RSSI數(shù)據(jù)。

（2） 根據(jù)公式（6）

式中，RSSI（k，i）表示節(jié)點k收到錨節(jié)點i的無線信號強度，單位為dB；Ak表示距離錨節(jié)點i一米遠處的無線信號強度值；ηk表示環(huán)境衰減因子；dik表示節(jié)點k到錨節(jié)點i的距離；v（k，i）表示均值為0的噪聲。

如果濾除噪聲，則通過RSSI值可獲得d值。對錨節(jié)點的RSSI數(shù)據(jù)均值濾波，求取Ak和ηk。即通過D點接收B點的RSSI數(shù)據(jù)，來獲得錨節(jié)點B發(fā)出的Ak和ηk。其他的類似。

（3） 考慮到車廂內(nèi)無線信號的多徑效應(yīng)、路徑衰減及遮擋效應(yīng)，RSSI值可能存在誤差，該誤差一般符合高斯分布，所以對自主安全智能終端上的RSSI數(shù)據(jù)進行卡爾曼濾波，進而按照公式（7）計算。

通過公式（7），求取該節(jié)點至錨節(jié)點之間的距離dAO、dBO、dCO、dDO。

（4） 錨節(jié)點AB之間的距離是dAB，ABO的邊長分別為dAB、dAO、dBO，根據(jù)海倫公式，三角形的面積用公式（8）表示。

式中，P為周長的一半，p=（dAB+dAO+dBO）/2，單位為m。

同理可求出其他三個三角形面積?？紤]到點O與平面ABCD實際上不在同一平面，這樣就會導(dǎo)致求出的dAO、dBO偏大。而dAB是定值，所以可能導(dǎo)致求出的三角形面積偏小。這樣，當(dāng)放射性物品O在車廂內(nèi)時，將可能導(dǎo)致公式（4）中的測量誤差小于0。

（5） 依據(jù)公式（5）判斷是否發(fā)生了非法移動。

（6） ΔSMset值可以根據(jù)運輸?shù)姆派湫晕锲返闹匾詠泶_定。

（7） 對報警的節(jié)點調(diào)用攝像頭聯(lián)動復(fù)核。

3.3 無線信號強度濾波

當(dāng)運輸車內(nèi)的放射性物品較少時，無線信號受到障礙物的遮擋較少，但是可能存在較多的反射、散射，即存在多徑效應(yīng)；當(dāng)運輸車內(nèi)的放射性物品較多，導(dǎo)致車內(nèi)空間較擁擠時，無線信號受較大的路徑衰減及障礙物遮擋效應(yīng)的影響較大。多徑效應(yīng)、障礙物遮擋將導(dǎo)致節(jié)點接收到的信號強度產(chǎn)生波動，可看成在RSSI值上疊加了噪聲。該噪聲特征一般與高斯噪聲相符。若直接使用測量所得的原始數(shù)據(jù)會產(chǎn)生較大的測距誤差。因此必須對信號測量值進行平滑預(yù)處理，消除噪聲。自主安全智能裝置的計算能力和電池容量有限，為了減輕其計算壓力和通信開銷，平滑濾波方法既要能夠?qū)υ肼曈幸欢ǖ南芰Γ植荒軒硖蟮挠嬎懔浚畯臑V波效果來說，高斯濾波算法將是一種較好的選擇，但是該算法計算量大，且時間窗長?？柭鼮V波僅僅使用前后兩次采樣值，計算量相對較少，且濾波效果好，因此本項目采用卡爾曼濾波方法。

這里預(yù)期放射性物品在車廂內(nèi)不發(fā)生移動，所以其速度為0。系統(tǒng)可以由公式（9）和公式（10）表示。

式中，w表示預(yù)測數(shù)據(jù)誤差，v表示觀測數(shù)據(jù)誤差。

則迭代方程為式（11）至式（15）

式中，Q為數(shù)據(jù)預(yù)測誤差的方差， ，可設(shè)為一個較小的數(shù)，如0.01。R是數(shù)據(jù)測量誤差的方差， ，可在放射性物品裝車完成后的一小段時間內(nèi)（如1分鐘）實測得到。

3.4 ΔSMset值確定

本文考慮“每容器（包裹）”方法來指定放射性物品的運輸安全等級。根據(jù)D值和A值，確定四個傳輸安全級別：謹(jǐn)慎的管理做法，基本的運輸安全等級，加強型運輸安全水平，附加型運輸安全水平。其中后三者需要設(shè)置專門的安保措施，且加強型運輸安全水平的要求最高，其運輸?shù)姆派湫晕锲坊疃茸罡?。一旦發(fā)生泄漏，如前文分析，則引起安保裝置失效的概率越高。在確保大于測量誤差的情況下：安保需要高級別的，由于其重要性高，可將ΔSMset值設(shè)置得小一點，檢測準(zhǔn)確度降低，可能存在一定程度的誤報，但同時也會減少漏報，從而降低丟失或被盜的概率；安保需要低級別的，由于其重要性低，可將ΔSMset值設(shè)置得大一點，檢測速度雖慢，但檢測準(zhǔn)確度高。

4 仿真試驗

紅宇牌HYJ5060XFS-JX型放射性物品廂式運輸車，如圖5所示，外形尺寸的長寬高為6350×2120×2800（mm），貨 廂 尺 寸 為4260× 2005×1730（mm），離地高度450 mm。

圖5 HYJ5060XFS-JX型放射性物品廂式運輸車Fig.5 HYJ5060XFS-JX radioactive material van

我們設(shè)置的仿真環(huán)境實驗區(qū)域大于貨廂尺寸，為20 m×1.9 m（假定天線距離車廂內(nèi)壁 0.1 m）。自主智能裝置的天線離車廂頂部1.5 m。以該天線所在平面為坐標(biāo)平面，實驗區(qū)域網(wǎng)格化以左上角為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系，網(wǎng)格線橫、縱間隔均為0.5 m，網(wǎng)格線交點為參考點位置。在周邊設(shè)置4個AP發(fā)射點（錨節(jié)點），位置分布為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）。整個仿真區(qū)域如圖6所示。

圖6 仿真區(qū)域Fig.6 Simulation area

運輸車輛臨時停靠時，盜竊者以2.25 m/s的速度移動該放射性物品容器至車廂后門外，通過車廂門口時速度變慢，下車后行走的速度還是2.25 m/s。放射性物品的移動軌跡在圖7中以空心圓圈表示。實心點表示SSUM。從圖7可以看出，當(dāng)放射性物品在車廂內(nèi)部時，面積差值SSUM的值為負(fù)。當(dāng)其移動至車廂后門外面時，該值為正。所以只要設(shè)置合適的ΔSMset值，判據(jù)是成立的。在圖7中，只要將ΔSMset值設(shè)為1.3，放射性物品移至離車廂前部5.3米，即脫離車廂1.04米后都能正確判別。

圖7 仿真結(jié)果Fig.7 Simulation result

5 結(jié)果與分析

經(jīng)多次仿真，面積差值SSUM由負(fù)轉(zhuǎn)正后的第一個數(shù)值記錄見表2。

表2 面積差值由負(fù)轉(zhuǎn)正的第一個數(shù)值Table 2 The first value of area difference from negative to positive

從表2可以看出，10次仿真試驗中面積差值SSUM由負(fù)轉(zhuǎn)正后的第一個數(shù)值的最大值為1.4957。實際試驗時，我們繼續(xù)仿真了100次，該值最大為1.5322；仿真1000次時，該值最大為1.5534。之所以在不同的仿真中，該數(shù)值會有不同，是因為我們模擬了隨機噪聲，該隨機噪聲每次出現(xiàn)的結(jié)果會有不同，但是不管如何，這個結(jié)果總是有界的。結(jié)合理論分析可知，當(dāng)放射性物品從車廂內(nèi)部經(jīng)由車廂后門移動至外部時，SSUM值理論上會越來越大，即在剛移動出車廂時都是單調(diào)遞增的，所以只要設(shè)置合適的閾值，公式（5）是成立的。放射性物品從車廂前部和側(cè)面移出車廂時，由于這些面都是鐵皮內(nèi)壁，其對應(yīng)的RSSI衰減更大，將有利于公式（5）的成立。需要注意的是，當(dāng)放射性物品離車廂過遠時，無線信號過于微弱可能導(dǎo)致自主安保智能裝置檢測不到數(shù)據(jù)。此時需要車載安保系統(tǒng)將與自主安保智能裝置的通信失效方法檢測出來，實現(xiàn)直接報警。

6 總結(jié)

本文基于個體自主安全智能理論，提出了新型放射性物品運輸安保系統(tǒng)。針對盜竊和丟失導(dǎo)致的非法移動和車輛顛簸導(dǎo)致的正常移動的不同特征，提出了基于面積比較法的非法移動檢測方法。以HYJ5060XFS-JX型放射性物品廂式運輸車為原型，建立了仿真模型。對仿真數(shù)據(jù)進行了分析與總結(jié)，結(jié)果表明，本文提出的方法是可行的。