WSN在核電站實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用
——一種復(fù)雜環(huán)境下的動(dòng)目標(biāo)魯棒檢測(cè)方法

中科華核電技術(shù)研究院 董超群，周舟

WSN在核電站實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用
——一種復(fù)雜環(huán)境下的動(dòng)目標(biāo)魯棒檢測(cè)方法

中科華核電技術(shù)研究院 董超群，周舟

核電站一般建在偏遠(yuǎn)的地方，地勢(shì)開闊，可供人通行的路徑多，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)困難?，F(xiàn)有核電站實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)的監(jiān)視范圍較小，對(duì)核電站的整個(gè)周界不能形成有效地實(shí)時(shí)監(jiān)視。這就讓不受地域和環(huán)境限制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大有可為。但由于節(jié)點(diǎn)隨機(jī)撒布和復(fù)雜多變的環(huán)境干擾，使得節(jié)點(diǎn)上傳感器的檢測(cè)概率和虛警概率難以先驗(yàn)獲取，從而導(dǎo)致基于傳感器特征已知的檢測(cè)算法在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中面臨困難。本文提出了一種針對(duì)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的方法——區(qū)域投票法。該方法通過搜索特殊三角形外心，確定目標(biāo)經(jīng)過區(qū)域，而后通過在特定圓形區(qū)域內(nèi)使用投票法來檢測(cè)目標(biāo)是否存在。仿真結(jié)果表明，與全區(qū)域節(jié)點(diǎn)加權(quán)法相比，在復(fù)雜環(huán)境下，所提出的目標(biāo)檢測(cè)方法可以達(dá)到高檢測(cè)概率，同時(shí)可以有效降低虛警率。完全滿足核電站對(duì)周界實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需要。

核電站；實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；特殊三角形；動(dòng)目標(biāo)；區(qū)域投票法

實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)[1]是核電站的門戶，是保證核電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的一道重要屏障。系統(tǒng)的安全性和可靠性對(duì)提升公眾的核安全信心具有至關(guān)重要的作用，是國(guó)家順利實(shí)施核能發(fā)展戰(zhàn)略的重要保證。實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)的投運(yùn)同時(shí)也是新電站的裝料條件之一。實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)的首要任務(wù)就是：監(jiān)視核電站周界的治安狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電站被入侵的緊急情況或其他異常情況并報(bào)警，使警衛(wèi)能夠及時(shí)響應(yīng)和應(yīng)對(duì)。核電站的選址都在偏遠(yuǎn)的地方，地勢(shì)開闊，地形和環(huán)境均比較復(fù)雜，可供人通行的路徑多，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)困難?，F(xiàn)有核電站實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)的監(jiān)視范圍較小，對(duì)核電站的整個(gè)周界不能形成有效的實(shí)時(shí)監(jiān)視。這些因素均使得不受地域和環(huán)境限制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大有可為。

日本福島核事故后，大量放射性物質(zhì)釋放到大氣環(huán)境、地表及附近海域，電站周圍成為了不可接近區(qū)域，政府也禁止無關(guān)人員的進(jìn)入，而對(duì)無人區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)視，防止有人誤闖放射性污染的區(qū)域，正是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)項(xiàng)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[2、3]是由大量成本低廉而具有一定感知能力、計(jì)算能力、無線通訊能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)。其主要功能是智能地感知外界環(huán)境，并將處理后的信息提供給用戶。WSN在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境感知及目標(biāo)跟蹤、環(huán)境觀測(cè)、交通管理、安全監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷及治療、野生動(dòng)物保護(hù)等場(chǎng)合具有廣泛的應(yīng)用前景[4]。目前，基于WSN的目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤系統(tǒng)是當(dāng)今世界上的研究熱點(diǎn)[5]。

WSN目標(biāo)檢測(cè)時(shí)，WSN節(jié)點(diǎn)承載的傳感器探測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)發(fā)出的信號(hào)，但節(jié)點(diǎn)可靠性不高，只能得到精度較低的探測(cè)結(jié)果[6]；而WSN中節(jié)點(diǎn)探測(cè)能力有限可能導(dǎo)致目標(biāo)檢測(cè)無法滿足在一個(gè)采樣周期內(nèi)目標(biāo)不動(dòng)的假設(shè)；還可能會(huì)受到故意的強(qiáng)干擾產(chǎn)生大量虛警。并且，在實(shí)際應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)工作一般是非人工干預(yù)的，傳感器檢測(cè)概率和虛警概率會(huì)受到環(huán)境干擾，而與預(yù)先給定不相符。所以，在WSN檢測(cè)問題中，雖然信息量大，但是信噪比低，對(duì)單節(jié)點(diǎn)的信任度低，極易受到環(huán)境影響。WSN中靜目標(biāo)檢測(cè)與動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的主要區(qū)別在于：靜目標(biāo)影響區(qū)域小，發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)少，但是目標(biāo)處于節(jié)點(diǎn)探測(cè)區(qū)域的時(shí)間長(zhǎng)，單節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率大；動(dòng)目標(biāo)影響區(qū)域大，發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)多，但是目標(biāo)處于節(jié)點(diǎn)探測(cè)區(qū)域的時(shí)間短，單節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率小。目前，國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)主要是針對(duì)靜目標(biāo)[7~9]。文獻(xiàn)[7]研究了WSN中非中心化二進(jìn)制檢測(cè)問題，通過節(jié)點(diǎn)自身決定向頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送何種類型的信息進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，使Chernoff信息極小化，亦即極小化融合中心的檢測(cè)誤差。文獻(xiàn)[8]用柱狀圖融合來研究WSN目標(biāo)檢測(cè)中的編碼和傳送策略，并分析了節(jié)點(diǎn)上傳感器數(shù)量對(duì)目標(biāo)檢測(cè)的影響。文獻(xiàn)[9]使用投票法進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)。在WSN中，目標(biāo)檢測(cè)之前幾乎無法得到任何關(guān)于目標(biāo)的先驗(yàn)信息，并且由于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)使發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的區(qū)域增大，節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率降低；再加上環(huán)境的影響使得節(jié)點(diǎn)上傳感器的檢測(cè)和虛警概率不能精確已知。所以，應(yīng)用于WSN中的算法面對(duì)的是一個(gè)惡劣的環(huán)境。本文算法的大體思路是：在不影響檢測(cè)效果的前提下，為了節(jié)約能量，只喚醒一部分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，這樣還可以減少虛警干擾。然后使用搜索特殊三角形外心的方法找到目標(biāo)經(jīng)過的區(qū)域，最后用投票法融合該區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)信息。

1 區(qū)域投票法

1.1 問題描述

在節(jié)點(diǎn)報(bào)告發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，考慮到：（1）節(jié)約能量；（2）減少虛警干擾；（3）如果目標(biāo)在一個(gè)探測(cè)周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)的距離超過兩倍的探測(cè)半徑，那么絕大多數(shù)節(jié)點(diǎn)不會(huì)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，就算全喚醒也找不到目標(biāo)。因此，文中只喚醒發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)周圍兩倍探測(cè)半徑范圍內(nèi)的點(diǎn)。

假設(shè)目標(biāo)進(jìn)入節(jié)點(diǎn)探測(cè)區(qū)域時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)采集目標(biāo)發(fā)出的信號(hào)。節(jié)點(diǎn)寄存器存有一個(gè)變量rk，初始值為0。節(jié)點(diǎn)采集一段信號(hào)后，用這一段信號(hào)作一次判斷，如果信號(hào)處理后的數(shù)據(jù)越過了門限r(nóng)k加1，否則不加。當(dāng)節(jié)點(diǎn)處理完N段信號(hào)后，就會(huì)發(fā)包給頭節(jié)點(diǎn)，里面包括變量rk的終值，節(jié)點(diǎn)發(fā)送完后rk自動(dòng)清零。

1.2 區(qū)域投票法

1.2.1 算法初始條件

本文算法需要的初始條件有：（1）有一個(gè)頭節(jié)點(diǎn)；（2）除頭節(jié)點(diǎn)之外，各節(jié)點(diǎn)的性能一樣，探測(cè)時(shí)各向同性；（3）節(jié)點(diǎn)之間自定位完畢，頭節(jié)點(diǎn)已經(jīng)知道了各節(jié)點(diǎn)的地理坐標(biāo)，節(jié)點(diǎn)間的路由算法已經(jīng)預(yù)先給定。

區(qū)域投票法中設(shè)有兩個(gè)門限，檢測(cè)門限Td，決策門限Tt。檢測(cè)門限是單節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的門限；決策門限是投票后使用的門限。假設(shè)探測(cè)區(qū)域內(nèi)存在k個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果某一拍，探測(cè)區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)報(bào)告的集合為，那么對(duì)于探測(cè)區(qū)域內(nèi)的各節(jié)點(diǎn)，目標(biāo)出現(xiàn)的概率為文中近似認(rèn)為各節(jié)點(diǎn)確認(rèn)目標(biāo)存在的概率（t表示時(shí)刻）。當(dāng)時(shí)，就認(rèn)為節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，最終的決策門限Tt與傳感器的檢測(cè)概率和虛警概率無關(guān)。文中：

其中，表示節(jié)點(diǎn)的探測(cè)半徑，表示節(jié)點(diǎn)密度，為常數(shù)。經(jīng)多次仿真測(cè)試后，取0.25合適。

1.2.2 算法步驟

檢測(cè)詳細(xì)過程如下：

第一步：當(dāng)?shù)趥€(gè)節(jié)點(diǎn)在任一個(gè)探測(cè)周期內(nèi)報(bào)告發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí)，頭節(jié)點(diǎn)就喚醒發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)周圍兩倍探測(cè)半徑內(nèi)的所有點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)開始進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)。如果在該拍內(nèi)，，頭節(jié)點(diǎn)就通知喚醒的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)休眠，否則就先找到目標(biāo)存在區(qū)域。

第二步：當(dāng)有節(jié)點(diǎn)確認(rèn)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，為了滿足檢測(cè)實(shí)時(shí)性，文中利用搜索特殊三角形的方法來確定目標(biāo)經(jīng)過的區(qū)域。該三角形需要滿足如下條件：

條件1：為了最快地找到目標(biāo)出現(xiàn)的區(qū)域，搜索時(shí)，先取三個(gè)最大的點(diǎn)，即（令表示所有節(jié)點(diǎn)的集合）：

條件2：為了構(gòu)成三角形，所找的三點(diǎn)不能共線。令三個(gè)節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)為：、、，則其坐標(biāo)關(guān)系滿足：

條件3：同時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的節(jié)點(diǎn)，必須要有一定的重疊區(qū)。故這三個(gè)點(diǎn)組成的三角形的最長(zhǎng)邊不能超過兩倍的探測(cè)半徑。后經(jīng)多次仿真擬合得到，最長(zhǎng)邊不超過1.68倍的探測(cè)半徑時(shí)可降低虛警概率且不影響檢測(cè)概率，即：

條件4：三角形內(nèi)的節(jié)點(diǎn)不超過兩個(gè)。因?yàn)槿绻@三個(gè)點(diǎn)組成的三角形就是要找的三角形，那么目標(biāo)肯定在三角形內(nèi)或附近，三角形內(nèi)點(diǎn)會(huì)更接近目標(biāo)，剔除掉就能更好找到目標(biāo)軌跡的中心區(qū)域。令表示三角形內(nèi)點(diǎn)的集合，，即：

如果找到的三個(gè)點(diǎn)不滿足上述條件，就留下最短邊的兩個(gè)頂點(diǎn)，剔除掉另一個(gè)頂點(diǎn)，在該拍信息中重新找另一個(gè)檢測(cè)概率次大的節(jié)點(diǎn)重復(fù)上面的判斷，直到找到了符合上述條件的三角形。

1.2.3 區(qū)域投票法流程圖

算法流程如圖1所示。

圖1 區(qū)域投票法流程圖

2 仿真分析

為了體現(xiàn)區(qū)域投票法的特點(diǎn)，本文將之與全域節(jié)點(diǎn)加權(quán)找目標(biāo)出現(xiàn)中心的方法在同一流程下（使用全區(qū)域節(jié)點(diǎn)加權(quán)法時(shí)，先通過這一方法找到目標(biāo)出現(xiàn)的中心區(qū)域，然后同樣使用投票法融合中心點(diǎn)周圍一倍探測(cè)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的信息）進(jìn)行對(duì)比。區(qū)域投票法的取4，全域加權(quán)投票法的取3，在不同條件下兩種算法的結(jié)果對(duì)比如表1所示（1000次仿真，節(jié)點(diǎn)密度）。

表1 兩種算法的比較

表1中表示算法的檢測(cè)虛警，表示算法的虛警概率。由表1可以看到，區(qū)域投票法的檢測(cè)概率和虛警概率大大優(yōu)于全域加權(quán)投票法。由于全域加權(quán)投票法取的門限值小于區(qū)域投票法，說明區(qū)域投票法找到的質(zhì)心更接近目標(biāo)出現(xiàn)的中心區(qū)域；而且在虛警率較高時(shí)，全域加權(quán)投票法的檢測(cè)概率降低，說明區(qū)域投票法的抗虛警能力要明顯優(yōu)于全域加權(quán)投票法。

并且，進(jìn)一步還在不同節(jié)點(diǎn)密度和速度的情況下對(duì)區(qū)域投票法作了驗(yàn)證，得到圖2中的結(jié)果（1000次仿真）：

圖2 不同條件下算法結(jié)果顯示圖

從圖2可以看到區(qū)域投票法能很好的抑制虛警，提高檢測(cè)概率。圖2-a和圖2-c顯示，對(duì)于區(qū)域投票法，當(dāng)其他條件一定時(shí)，節(jié)點(diǎn)密度越大，檢測(cè)概率越高。圖2-b和圖2-d顯示，當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，隨著速度加快，檢測(cè)概率略有升高。

3 結(jié)語

WSN中，由于節(jié)點(diǎn)隨機(jī)撒布和復(fù)雜多變的環(huán)境干擾，使節(jié)點(diǎn)承載的傳感器檢測(cè)概率和虛警概率難以先驗(yàn)獲?。煌瑫r(shí)節(jié)點(diǎn)有限的探測(cè)能力導(dǎo)致目標(biāo)檢測(cè)可能無法滿足在一個(gè)采樣周期內(nèi)目標(biāo)不動(dòng)的假設(shè)。這使基于傳感器特征已知的目標(biāo)檢測(cè)算法在WSN應(yīng)用中面臨困難。區(qū)域投票法只喚醒一部分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，可以有效地節(jié)省能量；而后通過確定目標(biāo)經(jīng)過的區(qū)域，有效地解決了由于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)帶來的節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率減少的問題，提高了檢測(cè)概率，同時(shí)降低了虛警的影響，有效抑制了虛警；此外，區(qū)域投票法不需要知道傳感器檢測(cè)概率和虛警概率，因此對(duì)應(yīng)用環(huán)境和傳感器特性都將有一定普適性。仿真結(jié)果表明，當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，區(qū)域投票法的檢測(cè)概率會(huì)隨其增加而增加；在同一條件下，區(qū)域投票法的抗虛警能力和檢測(cè)效果明顯優(yōu)于全區(qū)域節(jié)點(diǎn)加權(quán)定位法，并且能更精確地找到目標(biāo)經(jīng)過的區(qū)域。

經(jīng)核實(shí)相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，基于WSN的區(qū)域投票法完全滿足HAD501/03和EJ/T1054對(duì)實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)的要求，可適用于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)核設(shè)施的安全保衛(wèi)，可以作為核電站實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)的重要補(bǔ)充手段，使警衛(wèi)能在任何時(shí)間段內(nèi)，針對(duì)任何地點(diǎn)的入侵等異常情況第一時(shí)間做出響應(yīng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必將在今后的核電站安全保衛(wèi)工作中大有作為。

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表5 執(zhí)行管理表

（6）數(shù)據(jù)收集，如表6所示。

表6 數(shù)據(jù)收集表

（7）跟蹤，如表7所示。

表7 跟蹤表格

（8）分析，如表8所示。

表8 分析表格

作者簡(jiǎn)介

華镕，男，1982年畢業(yè)于北京科技大學(xué)自動(dòng)化系，現(xiàn)任羅克韋爾自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司全球標(biāo)準(zhǔn)及貿(mào)易部中國(guó)地區(qū)經(jīng)理。

Wireless Sensor Networks Application in the Physical Protection System of Nuclear Power Plant——A Robust Detection Method of Moving Target in Intricate Environment

The nuclear power plant (NPP) is commonly constructed in distant suburbs which has wide surrounding space. There are many routes to approach the NPP so that is very difficult to take surveillance to all of routes. The existing physical protection system can only monitor a small region. All of these give good opportunity to wireless sensor networks (WSN) which is not limited to region and surrounding. But, the random distribution of the nodes and the intricate disturbance of the environment makes difficult to obtain the prior of the detection and false alarm probability of sensors. Accordingly, difficulty is brought into the detection algorithms that based on the characteristics of sensors. A new target detection method -- Local Voting -- is proposed in this paper. It first finds out the object region by seeking the centroid of a peculiar triangle. Then, the object is determined based on a voting method in a given circular region. Simulation results show that the proposed local voting method can effectively has high detection probability and low false alarm rate in intricate environment compared with the global weighting method. It can fully satisfy the demand of real time surveillance on perimeter around NPP.

Nuclear power plant; Physical protection system; Wireless sensor networks; Peculiar triangle; Moving target; Local voting method

董超群（1974-），男，高級(jí)工程師，1995年畢業(yè)于西安交通大學(xué)自動(dòng)控制專業(yè)，現(xiàn)就職于中科華核電技術(shù)研究院，主要從事核電站儀表控制方面的改造工作。

周舟（1982-），男，工程師，碩士研究生, 現(xiàn)就職于中科華核電技術(shù)研究院，主要研究方向?yàn)閮x表控制系統(tǒng)及其自動(dòng)化。