面向爆炸威脅的云模型安全防范系統(tǒng)效能評估方法研究

任建宇，彭子眉，吳 銘，周晶晶，金 華

(中國人民公安大學(xué)信息網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)院，北京 102600)

0 引言

效能理論由上世紀(jì)40年代蘇聯(lián)科學(xué)家B.C.Ttyiaueb[1]提出。國外學(xué)者最初使用半經(jīng)驗(yàn)的分析量化方法(如經(jīng)驗(yàn)公式法、專家評估法)和理論方法(如概率統(tǒng)計法、幾何規(guī)劃法)評價作戰(zhàn)系統(tǒng)效能，缺乏實(shí)踐性。近年來，國外基于威脅方式的單一入侵路徑進(jìn)行研究，缺乏系統(tǒng)綜合防范理念。而國內(nèi)學(xué)者直到本世紀(jì)初，才開始對安防系統(tǒng)的效能評估方法進(jìn)行研究，包括層次分析法(AHP)[2]和網(wǎng)絡(luò)層次分析法(ANP)[3]。這些方法具有確定性和主觀性的明顯缺陷。最近，國內(nèi)學(xué)者嘗試使用概率論和機(jī)器學(xué)習(xí)的相關(guān)理論對安防系統(tǒng)效能進(jìn)行研究，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[4]、風(fēng)險熵[5]、云模型[6-8]。其中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型研究基于大量數(shù)據(jù)集，不能研究頻率低、數(shù)據(jù)少的突發(fā)事件情況。風(fēng)險熵研究威脅發(fā)生后果的隨機(jī)性，不能研究安防系統(tǒng)效能的隨機(jī)性。而云模型結(jié)合了定性概念的模糊性和隨機(jī)性，將自然語言轉(zhuǎn)換為數(shù)值，可適應(yīng)于在突發(fā)事件下的安防系統(tǒng)效能評估。

本文借助于云模型評估方法，研究針對爆炸威脅的安防系統(tǒng)效能評估方法，提出了一種適應(yīng)于該突發(fā)事件下可兼顧系統(tǒng)隨機(jī)性和模糊性的評價方法，并通過實(shí)地評估，驗(yàn)證方法的可行性。

1 云模型理論

1.1 云模型理論基礎(chǔ)

1995年，我國工程院院士李德毅教授提出云的概念，研究的理論包括隨機(jī)性、模糊性和兩者之間的關(guān)聯(lián)性[9]。根據(jù)劉常昱等在《正態(tài)云模型的統(tǒng)計分析》的描述[10]，云模型的定義可理解為集合X是用數(shù)值表示的定量論域，集合C是用概念表示的語言論域。假設(shè)x∈X是C的一次隨機(jī)映射，并且x對C的確定度是有穩(wěn)定趨勢的隨機(jī)數(shù)，即表達(dá)為：

μ：X→[0,1]，?x∈X，x→μ(x)，μ(x)∈[0,1]

在論域X上，x的分布圖像組成云，每一個x組成一個云滴。

期望Ex、熵En、超熵He是用來表征云模型的數(shù)字特征。其中，期望值Ex表征云滴在定量論域中的分布期望，映射定性概念，在模型中標(biāo)定了云在定量論域中的位置。熵En表征云滴的不確定性，映射定性概念的不確定性，在模型中度量了云的概率值和模糊度。超熵He表征En的不確定性，是En的熵，在模型中間接地反映了云的厚度。即He越小，云滴的離散程度越小，隸屬度的隨機(jī)性越小，云的厚度也就越小。

生成云圖像時，少量云滴并不能明確云的形狀。云滴越多，則云的輪廓越明顯。因此只有大量的云滴分布才能反映模糊性和隨機(jī)性。云的厚度并非均勻，腰部最厚，兩端的尾部和頂部最窄。云的厚度可以直觀展現(xiàn)隸屬度的隨機(jī)性。即離概念中心適中的隸屬度隨機(jī)性大，離概念中心近或遠(yuǎn)的隸屬度隨機(jī)性小。云的厚度特征既能反映出評估過程具有整體性，也能反映評分的專家對變量的理解具有隨機(jī)性。

圖1為云模型各數(shù)學(xué)特征的圖形意義。對于云模型中的某一云滴來說，其隸屬度都是符合某一正態(tài)隨機(jī)分布的不確定數(shù)，并非具有唯一性。這體現(xiàn)了論域X與定性概念C映射的模糊性。即論域X上的概念C從論域X到隸屬區(qū)間[0,1]的映射是一對多的關(guān)系。在效能評估中，指定的定性變量的定量映射也具有一定的隨機(jī)性，但其隨機(jī)范圍是有限定的。這種一對多的變化可以解釋為在多次評估、轉(zhuǎn)換后，最終形成了該變量的專家共識。

圖1 云的數(shù)字特征

1.2 云模型理論算法

云模型的算法被稱為云發(fā)生器，建立起了定性與定量之間的相互聯(lián)系，包括正向發(fā)生器，逆向發(fā)生器等[11]。

正向發(fā)生器是指給定云的3個數(shù)字特征，利用代碼生成正態(tài)云模型的若干二維點(diǎn)，其算法如下：

(1)利用已有數(shù)據(jù)，生成期望為Ex，標(biāo)準(zhǔn)差為En的正態(tài)隨機(jī)數(shù)xi～N(Ex，En)；

(2)利用已有數(shù)據(jù)，生成期望為En，標(biāo)準(zhǔn)差為He的正態(tài)隨機(jī)數(shù)En′i～N(En,He);

(3)計算隸屬度μi=exp[-(xi-Ex)2/2(En′)2],(xi,μi)即構(gòu)成一個正態(tài)云的云滴drop(xi,μi);

(4)重復(fù)(1)～(3)，直到形成符合要求的云。

根據(jù)公式(1)、公式(2)、公式(3)計算期望、熵、超熵的估計值。

(1)

(2)

(3)

其中，Ex表示樣本數(shù)據(jù)的期望估計值，En表示樣本數(shù)據(jù)熵的估計值，He表示樣本數(shù)據(jù)超熵的估計值。

根據(jù)公式(4)計算綜合效能得分。

(4)

其中，ωi為各子指標(biāo)所占權(quán)重，Ci為各子指標(biāo)評價得分。

根據(jù)正向發(fā)生器、逆向發(fā)生器的不同計算方向可知，正向發(fā)生器是在定性的信息中獲取定量數(shù)據(jù)的范圍和分布規(guī)律，將文字信息賦予數(shù)學(xué)意義，以用來進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，多運(yùn)用于理論數(shù)學(xué)建模。逆向發(fā)生器要求在大量數(shù)據(jù)樣本基礎(chǔ)上，通過云圖直觀反映數(shù)據(jù)特征，將定量數(shù)據(jù)可視化展示，通過對圖形數(shù)據(jù)的語言描述將大量的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成文字語言進(jìn)行描述，多運(yùn)用于評估類模型當(dāng)中。

2 面向爆炸威脅的安防系統(tǒng)效能評價指標(biāo)建立

陳志華對防盜入侵系統(tǒng)效能研究，提出了一套安防系統(tǒng)評價指標(biāo)體系[12]。隨后，李蘇寧研究了安全防范系統(tǒng)的評價模式，提出從安防系統(tǒng)的4大子系統(tǒng)分別開展評價[13]。吳雅菊、高曉亮等人對指標(biāo)進(jìn)行改進(jìn)，提出了安全防范系統(tǒng)動態(tài)效能評估模型[14]。王勤勤等人對機(jī)場安檢系統(tǒng)從安檢人員、設(shè)備、環(huán)境和管理構(gòu)建指標(biāo)體系[15]。這些現(xiàn)有的評價指標(biāo)研究對象局限于公共場所的安全防范系統(tǒng)，面向所有常見類型的威脅，不具有單一威脅的針對性。根據(jù)《中國人民共和國反恐怖主義法》第三十二條，需要建立針對爆炸威脅的新型安防系統(tǒng)效能評價指標(biāo)體系評估特種單位的防護(hù)能力。

本文對安防系統(tǒng)效能指標(biāo)進(jìn)行研究，構(gòu)建面向爆炸威脅的安防系統(tǒng)效能評價指標(biāo)，能夠適用于特種單位的防護(hù)能力評價，最終提取智能視頻監(jiān)控效能，感知探測效能，識別準(zhǔn)入控制效能，運(yùn)維、管理、響應(yīng)效能作為該評價體系中的一級指標(biāo)。下設(shè)16個二級指標(biāo)，構(gòu)建的面向爆炸威脅的安防系統(tǒng)效能評價，如圖2所示。

圖2 面向爆炸威脅的安防系統(tǒng)效能評價

在智能視頻監(jiān)控效能的一級指標(biāo)下，又設(shè)置了監(jiān)控圖像質(zhì)量、智能圖像分析能力、視頻監(jiān)控分布合理程度、設(shè)備選型與環(huán)境相符程度4個二級指標(biāo)對安防系統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)做出效能評價。監(jiān)控圖像質(zhì)量是指監(jiān)控圖像是否具備監(jiān)測區(qū)域內(nèi)人臉的清晰抓拍能力。智能圖像分析能力是指監(jiān)控系統(tǒng)是否具備可疑車輛、人員、物品的分析能力。視頻監(jiān)控分布合理程度是指監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備布點(diǎn)是否滿足環(huán)境需求，監(jiān)控范圍是否覆蓋所有核心區(qū)域和重點(diǎn)區(qū)域，是否存在盲區(qū)。設(shè)備選型與環(huán)境相符程度是指減速系統(tǒng)的設(shè)備選型是否適應(yīng)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。

在感知探測報警效能的一級指標(biāo)下設(shè)置入侵報警觸發(fā)響應(yīng)平均時間、探測器類型和分布合理程度、系統(tǒng)探測誤報率與漏報率、事件感知預(yù)警能力4個二級指標(biāo)，對安防系統(tǒng)的入侵報警與探測系統(tǒng)做出效能評價。入侵報警觸發(fā)響應(yīng)平均時間是指響應(yīng)時間是否滿足該環(huán)境的人員應(yīng)急響應(yīng)的需要。探測器類型和分布合理程度是指探測器是否滿足禁區(qū)、重點(diǎn)區(qū)域全覆蓋，以及設(shè)備選型是否功能互補(bǔ)。系統(tǒng)探測誤報率與漏報率是指在實(shí)踐中該系統(tǒng)的誤報率與漏報率是否滿足該環(huán)境的需求。事件感知預(yù)警能力是指能否識別人員非法入侵與野生動物意外入侵的能力。

在識別準(zhǔn)入控制效能的一級指標(biāo)下設(shè)目標(biāo)識別拒識率水平、目標(biāo)識別誤識率水平、準(zhǔn)入控制能力、目標(biāo)識別設(shè)備類型和布局合理程度4個二級指標(biāo)對安防系統(tǒng)的出入口控制系統(tǒng)開展效能評價。目標(biāo)識別拒識率水平是指對公安重點(diǎn)人員、易燃易爆物品的識別與拒入能力。目標(biāo)識別誤識率水平是指實(shí)踐中錯誤識別人員、物品能力，是否在該環(huán)境承受能力之內(nèi)。準(zhǔn)入控制能力包括阻車等屏障控制能力，通道、門禁的控制能力等。目標(biāo)識別設(shè)備類型和布局合理程度是指設(shè)備選型與布局是否滿足環(huán)境需要和防護(hù)等級要求。

在運(yùn)維、管理、響應(yīng)效能的一級指標(biāo)下設(shè)安保人員技能水平、安保資源配置能力、系統(tǒng)定期檢查和維護(hù)頻率、系統(tǒng)突發(fā)事件處理能力4個二級指標(biāo)展開評價。安保人員技能水平包括人員管理制度、巡更時間是否滿足防護(hù)要求。安保資源配置能力是指物資、通信、管理控制是否滿足防護(hù)需求。系統(tǒng)定期檢查和維護(hù)頻率是指運(yùn)維記錄、管理制度、運(yùn)維保障是否合理滿足防護(hù)需求。系統(tǒng)突發(fā)事件處理能力是指預(yù)案制備和演練頻率是否滿足應(yīng)急處突需求。

采用層次分析法，通過1～9標(biāo)度的專家賦值法對同一層元素進(jìn)行兩兩比較形成判斷矩陣?，F(xiàn)將智能視頻監(jiān)控效能，感知探測效能，識別準(zhǔn)入控制效能，運(yùn)維、管理、響應(yīng)效能4個一級指標(biāo)構(gòu)建比較矩陣A=(B1，B2，B3，B4)T,其他二級指標(biāo)比較矩陣B1，B2，B3，B4的比較矩陣如表1所示。

由計算判斷矩陣A中每行元素幾何平均值，通

表1 一級指標(biāo)比較矩陣表

過歸一化處理，得到所求特征向量的近似值W=(W1，W2，W3，W4)T，即有下式：

W=(0.115 8,0.512 4,0.313 8,0.058 0)T

(5)

由此求解算出判斷矩陣A的最大特征根值λmax為：

(6)

計算判斷的一致性CI，其中n為矩陣階數(shù)有：

(7)

由于4階矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI=0.89，則一致性比率為：

CR=CI/RI=0.005 8<0.1

(8)

判斷矩陣A滿足一致性檢驗(yàn)，因此各一級指標(biāo)的權(quán)重即為判斷矩陣A的特征向量值。同理可得各二級指標(biāo)的權(quán)重由判斷矩陣B1,B2,B3,B4得出，最后得到二層指標(biāo)的權(quán)重表如表2所示。

表2 二級指標(biāo)中各指標(biāo)占所在一級指標(biāo)權(quán)重

3 云模型應(yīng)用

3.1 評估對象

從2010～2020年的GTD數(shù)據(jù)統(tǒng)計看，我國爆炸襲擊事件發(fā)生率最高的地區(qū)是新疆地區(qū)，其受到爆炸襲擊的可能性較高。從爆炸襲擊的對象看，主要的襲擊目標(biāo)是政府機(jī)關(guān)和公安局。因此需要對這類場地建立針對爆炸襲擊的防護(hù)等級更高的安防系統(tǒng)，降低爆炸襲擊風(fēng)險。本文選擇新疆某公安分局A局駐地作為研究對象，針對爆炸威脅使用云模型對其的安全防范系統(tǒng)進(jìn)行效能評估。

A局地處郊區(qū)，四周較為空曠，附近無高層建筑。周界北、南、東側(cè)建有高3 m的鐵質(zhì)防攀爬圍欄，西側(cè)為高3 m的磚墻。周界圍欄裝有防攀爬探測裝置和高清攝像頭，可覆蓋周界外圍10 m延伸區(qū)域。南北兩側(cè)均有一個出入口，為鋼制可推拉式大門，可防止車輛沖撞。人員進(jìn)入需要經(jīng)門衛(wèi)登記，聯(lián)系人來人接洽后，可以通行。且配備警衛(wèi)駐守，院落內(nèi)設(shè)有主辦公樓、餐廳、訓(xùn)練場地、地下停車場等場所，且均配有攝像探頭，覆蓋場地內(nèi)所有公共區(qū)域。

3.2 評估過程

邀請5位專家針對爆炸襲擊的特點(diǎn)對該地安防系統(tǒng)的效能做出量化評價(標(biāo)準(zhǔn)范圍0～1，其依據(jù)量化評價“很差”“差”“中”“良”“優(yōu)”將其分為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0)。整理得到各個指標(biāo)對應(yīng)的評價結(jié)果，如公式(9)、公式(10)、公式(11)、公式(12)所示。

(9)

(10)

(11)

(12)

其中，C1表示智能視頻監(jiān)控效能指標(biāo)的評價結(jié)果，C2表示感知探測效能指標(biāo)的評價結(jié)果，C3表示識別準(zhǔn)入控制效能指標(biāo)的評價結(jié)果，C4表示運(yùn)維、管理、響應(yīng)效能指標(biāo)的評價結(jié)果。

現(xiàn)依據(jù)已有得分矩陣結(jié)合公式(1)、公式(2)、公式(3)得到指標(biāo)云C1e,C2e，C3e,C4e

(13)

(14)

(15)

(16)

將上述權(quán)重轉(zhuǎn)化為權(quán)重云進(jìn)行表示有下式：

(17)

同理可得各指標(biāo)層的權(quán)重：

(18)

將其轉(zhuǎn)化為權(quán)重云表示為CW(Exω,Enω，Heω)

(19)

結(jié)合公式(1)、(2)、(3)、(18)得到一級指標(biāo)下的各權(quán)重云：

(20)

(21)

(22)

(23)

根據(jù)得到指標(biāo)權(quán)重云與評價云，依照正態(tài)運(yùn)算規(guī)則對安防系統(tǒng)做出效能評估：

(24)

通過公式(24)可分別得出基于爆炸威脅的“智能視頻監(jiān)控效能冶”“感知探測報警冶”“識別準(zhǔn)入控制效能冶”“運(yùn)維、管理、響應(yīng)效能”的4個效能云模型C1、C2、C3、C4，如公式(25)、公式(26)、公式(27)、公式(28)所示。

(25)

(26)

(27)

(28)

將結(jié)果通過Matlab進(jìn)行圖形化得到圖3、圖4、圖5、圖6的云滴模型。4個一級指標(biāo)不同云模型圖顯示出其不同的能力隸屬度和效能得分區(qū)間。

圖3 一級指標(biāo)云模型效果圖(A)

圖5 一級指標(biāo)云模型效果圖(C)

圖6 一級指標(biāo)云模型效果圖(D)

其中，圖3代表智能視頻監(jiān)控效能指標(biāo)云模型效果圖，表現(xiàn)最為穩(wěn)定，且綜合得分最高，說明對于目標(biāo)對象而言，視頻監(jiān)控領(lǐng)域已經(jīng)完全滿足爆炸威脅所需要的監(jiān)控能力，可以及時捕獲到人員進(jìn)出入各區(qū)域空間，并對異常行為進(jìn)行報警。

圖4代表感知探測報警指標(biāo)云模型效果圖，表現(xiàn)差，且云模型顯示較為分散，隸屬度不集中，說明對于來自內(nèi)部的爆炸襲擊，該區(qū)域很難做到及時發(fā)現(xiàn)并制止，爆炸行為一旦發(fā)生在室內(nèi)，造成的損害量會極大。

圖5代表識別準(zhǔn)入控制效能指標(biāo)云模型效果圖，其大部分點(diǎn)集中于0.6～0.8的區(qū)間內(nèi)，其余空間點(diǎn)分布較為分散，隸屬度較低，說明識別準(zhǔn)入控制系統(tǒng)面對爆炸威脅時，可以做到及時的發(fā)現(xiàn)并制止，但需要進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，在重要的時間段需要配備一定量的人員輪班。

圖6代表運(yùn)維、管理、響應(yīng)效能指標(biāo)云模型效果圖，表現(xiàn)較為完美的云狀模型，說明在人員技能、設(shè)備保障方面的重視程度較高，其系統(tǒng)可以長時間運(yùn)行，且相關(guān)人員具有良好的應(yīng)對措施與經(jīng)驗(yàn)。

根據(jù)公式(4)，將4個一級指標(biāo)依據(jù)相應(yīng)權(quán)重進(jìn)行整合得到面向爆炸威脅的安防系統(tǒng)的整體性效能評估云模型，如公式(29)所示。

(29)

通過Matlab將面向爆炸威脅的安防系統(tǒng)的整體性效能評估云模型進(jìn)行圖形化，得到圖7安防系統(tǒng)云模型效果圖。

圖7 安防系統(tǒng)云模型效果圖

由圖7可知，隸屬度的云滴集中分布于0.5～0.7的效能得分中間，而隸屬度0.8以下的云滴則分散在效能得分小于0.5或大于0.7的范圍內(nèi)，說明A局的防范爆炸威脅的綜合防范能力在0.6左右。這表明對于未知的突發(fā)性爆炸威脅，安全防范系統(tǒng)可以起到一定的防護(hù)功能，降低爆炸威脅的后果。但其防護(hù)能力有限，很難阻止爆炸威脅的發(fā)生和人員財產(chǎn)的損壞?？傮w看，該云模型分布較廣，云滴較分散，表明該安全防范系統(tǒng)的綜合防護(hù)性能較差，在進(jìn)行防護(hù)時具有很強(qiáng)的不穩(wěn)定性，綜合性較弱，需要進(jìn)一步完善。

3.3 防護(hù)建議

在面對爆炸威脅時，需根據(jù)爆炸威脅的特點(diǎn)相應(yīng)的提升防范重心。在收集到GTD中數(shù)十年爆炸數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)爆炸襲擊是以爆炸點(diǎn)為核心，其威力隨著半徑的擴(kuò)大，殺傷力越來越小。而對于封閉的室內(nèi)空間來說，由于四周具有的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)墻壁，其爆炸碎片可能會出現(xiàn)不規(guī)則的反彈軌跡，造成二次傷害，因此其防范核心即為盡量避免爆炸物接近室內(nèi)。一旦進(jìn)入室內(nèi)引爆，要在室內(nèi)設(shè)立多扇室內(nèi)門，并在墻壁上加蓋海綿膜，以避免碎片的反彈。對于重點(diǎn)區(qū)域(供電、供水、管道)需采用鋼化板等硬質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)，以防止散射碎片碰撞使其失去應(yīng)有功能。

對于室外防護(hù)來說，要采用X光射線等儀器對周界進(jìn)行監(jiān)控，并聯(lián)合監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)核，以確定入侵行為。周界圍欄要采取鐵制結(jié)構(gòu)圍欄，有條件可以使用鋼筋等堅硬物體組成防護(hù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，防止被炸彈爆破進(jìn)入。對于以汽車炸彈沖撞方式闖入目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行引爆的爆炸方式來說，在正對出入口處設(shè)立多個阻車樁，并采用升降式阻車器。有條件的可以設(shè)立緩沖空間，搭建兩層防護(hù)大門，并與報警裝置聯(lián)動。一旦發(fā)現(xiàn)車輛闖入行為，及時報警至值班室，通知有關(guān)保衛(wèi)人員。安保人員要定期對室內(nèi)室外使用炸彈探測器進(jìn)行探測，以防止內(nèi)部人員設(shè)置定時炸彈，進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控爆炸。建筑物的玻璃要采用防爆式鋼化玻璃，以防止爆炸產(chǎn)生的聲波對玻璃產(chǎn)生影響，使其喪失功能。

4 結(jié)論

本文使用云模型評估方法，對面向爆炸威脅的安防系統(tǒng)效能評估方法進(jìn)行研究，提出一種適應(yīng)于該突發(fā)事件下可兼顧系統(tǒng)隨機(jī)性和模糊性的評價方法，并通過新疆某公安局為例，驗(yàn)證方法的可行性，提供了云模型方法在安全防范系統(tǒng)效能評估的一種應(yīng)用。云模型依據(jù)特定威脅進(jìn)行量化評估，其量化評價代表該安防系統(tǒng)所能抵御威脅的防護(hù)等級，可以作為安防系統(tǒng)建設(shè)、維護(hù)和完善的參考依據(jù)。通過對比同級各個指標(biāo)產(chǎn)生的云模型，可以判斷安防系統(tǒng)在面對威脅時各個模塊的防護(hù)效果，有助于尋找防護(hù)漏洞并進(jìn)行修補(bǔ)。