新型放射性物品運(yùn)輸安保系統(tǒng)及其非法移動(dòng)感知方法

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(jì)算機(jī)學(xué)院，衡陽 421001；4. 中核集團(tuán)高可信計(jì)算重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，衡陽 421001）

為使被保護(hù)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(shí)物保護(hù)）系統(tǒng)一般配置了入侵報(bào)警系統(tǒng)、視頻復(fù)核系統(tǒng)、出入口控制系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)［1］。由于這些子系統(tǒng)不便于移動(dòng)，所以在放射性物品運(yùn)輸安保中應(yīng)用不多。放射性物品運(yùn)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(chǎng)所的安保系統(tǒng)薄弱［2］。國(guó)外發(fā)生的多次放射性物品運(yùn)輸安保事故就證實(shí)了這一點(diǎn)。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(yùn)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(yùn)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(yùn)輸安保問題》［6］指出，以單個(gè)貨包為單位來確定安保級(jí)別，是確定運(yùn)輸安保級(jí)別的方式之一。貨包既包括運(yùn)輸車輛，也包括包裝容器。本文擬在包裝容器上實(shí)施安保技術(shù)，提高放射性物質(zhì)運(yùn)輸安保水平的精細(xì)度。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)曾提出了放射性物品個(gè)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(duì)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(gè)體自主安全智能技術(shù)，提出新型放射性物品運(yùn)輸安保系統(tǒng)，并研究系統(tǒng)中放射性物品非法移動(dòng)感知技術(shù)。

1 新型放射性物品運(yùn)輸安保系統(tǒng)

新型車載運(yùn)輸安保系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。車載安保系統(tǒng)將報(bào)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(cè)單元、車廂內(nèi)監(jiān)測(cè)單元、個(gè)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(tái)（包括主機(jī)host、LCD液晶顯示器）、便攜式終端組成。其中，車載安保主機(jī)host、LCD液晶顯示器置于駕駛室。車廂外監(jiān)測(cè)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(gè)針孔攝像頭組成，并通過有線連接至主機(jī)host。車廂內(nèi)監(jiān)測(cè)單元包括車廂內(nèi)前后兩個(gè)攝像頭、一個(gè)輻射探測(cè)器和門磁開關(guān)，前攝像頭對(duì)著車廂內(nèi)的放射性物品，后攝像頭對(duì)著車門。門磁開關(guān)安裝在車門處，用于監(jiān)測(cè)車門是否開啟。個(gè)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(dòng)的探測(cè)功能，并經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給無線節(jié)點(diǎn)1，進(jìn)而通過有線轉(zhuǎn)發(fā)至主機(jī)host。當(dāng)出現(xiàn)“非法接近”和“非法移動(dòng)”（對(duì)應(yīng)丟失和被盜）報(bào)警信息時(shí)，在LCD液晶顯示模塊和便攜式終端上顯示報(bào)警信息。自主安全智能裝置上的“非法移動(dòng)”感知與門磁開關(guān)是兩種獨(dú)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(tái)和便攜式終端還能夠調(diào)用攝像頭圖像進(jìn)行復(fù)核報(bào)警信息。

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

2 非法移動(dòng)特點(diǎn)分析

2016年中國(guó)頒布的《放射性物品道路運(yùn)輸管理規(guī)定》對(duì)運(yùn)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(yùn)輸車1Fig.2 Radioactive material transport vehicle 1

圖3 放射性物品運(yùn)輸車2Fig.3 Radioactive material transport vehicle 2

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

表1 不同運(yùn)輸安保級(jí)別下的探測(cè)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(huì)離開車廂，即移動(dòng)至車廂外。對(duì)放射性物品（容器）的破壞，會(huì)同時(shí)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(dòng)到了無限遠(yuǎn)處，其移動(dòng)距離更是超出了車廂外。上述移動(dòng)都可以認(rèn)為是“非法移動(dòng)”。在正常道路運(yùn)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(dòng)。而非法移動(dòng)是不正常移動(dòng)，為了與正常移動(dòng)相區(qū)分，這里的“非法移動(dòng)”定義為移動(dòng)至車廂外。因?yàn)檫\(yùn)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(hào)而失效。本文采用以無線信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提出面積比較的方法對(duì)運(yùn)輸車廂內(nèi)的放射性物品進(jìn)行定位，以識(shí)別其是否移動(dòng)至車廂外。

3 非法移動(dòng)感知

在運(yùn)輸車廂內(nèi)布置錨節(jié)點(diǎn)。錨節(jié)點(diǎn)輪流廣播發(fā)送無線定位信號(hào)，個(gè)體自主安保智能終端收到無線定位信號(hào)后，提取對(duì)應(yīng)的無線信號(hào)強(qiáng)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(dòng)到了車廂外，即是否發(fā)生了非法移動(dòng)。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(bào)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(dòng)檢測(cè)模型

在車廂的四個(gè)靠近車頂?shù)慕锹洌书L(zhǎng)方形布置，安裝4個(gè)zigbee節(jié)點(diǎn)作為錨節(jié)點(diǎn)（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(diǎn)在車廂左前端，B點(diǎn)在車廂右前端，C在車廂右后端，D點(diǎn)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(diǎn)不在同一平面，但是從工程角度出發(fā)，暫時(shí)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(bǔ)償。

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

D分別構(gòu)成的四個(gè)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(shí)，即O點(diǎn)為ABCD內(nèi)任意一點(diǎn)，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(shí)，即O點(diǎn)為ABCD外任意一點(diǎn)，則理論上存在公式（3）

考慮到測(cè)量誤差ΔS測(cè)量，即使自主安保智能裝置O位于車廂內(nèi)時(shí)，有

當(dāng)自主安保智能裝置O位于車廂外時(shí)，可得判據(jù)

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

3.2 基于面積比較法的非法移動(dòng)檢測(cè)方法

（1） 4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)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(gè)錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀時(shí)間的間隔很短，暫時(shí)忽略其時(shí)間差，便于后面對(duì)節(jié)點(diǎn)的定位。挑選出錨節(jié)點(diǎn)的RSSI數(shù)據(jù)、代表放射性物品運(yùn)輸軌跡的路線節(jié)點(diǎn)的RSSI數(shù)據(jù)。

（2） 根據(jù)公式（6）

式中，RSSI（k，i）表示節(jié)點(diǎn)k收到錨節(jié)點(diǎn)i的無線信號(hào)強(qiáng)度，單位為dB；Ak表示距離錨節(jié)點(diǎn)i一米遠(yuǎn)處的無線信號(hào)強(qiáng)度值；ηk表示環(huán)境衰減因子；dik表示節(jié)點(diǎn)k到錨節(jié)點(diǎn)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(duì)錨節(jié)點(diǎn)的RSSI數(shù)據(jù)均值濾波，求取Ak和ηk。即通過D點(diǎn)接收B點(diǎn)的RSSI數(shù)據(jù)，來獲得錨節(jié)點(diǎn)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(hào)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(duì)自主安全智能終端上的RSSI數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波，進(jìn)而按照公式（7）計(jì)算。

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

（4） 錨節(jié)點(diǎn)AB之間的距離是dAB，ABO的邊長(zhǎng)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(zhǎng)的一半，p=（dAB+dAO+dBO）/2，單位為m。

同理可求出其他三個(gè)三角形面積?？紤]到點(diǎn)O與平面ABCD實(shí)際上不在同一平面，這樣就會(huì)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(shí)，將可能導(dǎo)致公式（4）中的測(cè)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(dòng)。

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

（7） 對(duì)報(bào)警的節(jié)點(diǎn)調(diào)用攝像頭聯(lián)動(dòng)復(fù)核。

3.3 無線信號(hào)強(qiáng)度濾波

當(dāng)運(yùn)輸車內(nèi)的放射性物品較少時(shí)，無線信號(hào)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(yùn)輸車內(nèi)的放射性物品較多，導(dǎo)致車內(nèi)空間較擁擠時(shí)，無線信號(hào)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(diǎn)接收到的信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生波動(dòng)，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(cè)量所得的原始數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)距誤差。因此必須對(duì)信號(hào)測(cè)量值進(jìn)行平滑預(yù)處理，消除噪聲。自主安全智能裝置的計(jì)算能力和電池容量有限，為了減輕其計(jì)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?jì)算量．從濾波效果來說，高斯濾波算法將是一種較好的選擇，但是該算法計(jì)算量大，且時(shí)間窗長(zhǎng)?？柭鼮V波僅僅使用前后兩次采樣值，計(jì)算量相對(duì)較少，且濾波效果好，因此本項(xiàng)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(dòng)，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(cè)數(shù)據(jù)誤差，v表示觀測(cè)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(cè)誤差的方差， ，可設(shè)為一個(gè)較小的數(shù)，如0.01。R是數(shù)據(jù)測(cè)量誤差的方差， ，可在放射性物品裝車完成后的一小段時(shí)間內(nèi)（如1分鐘）實(shí)測(cè)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(yùn)輸安全等級(jí)。根據(jù)D值和A值，確定四個(gè)傳輸安全級(jí)別：謹(jǐn)慎的管理做法，基本的運(yùn)輸安全等級(jí)，加強(qiáng)型運(yùn)輸安全水平，附加型運(yùn)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(qiáng)型運(yùn)輸安全水平的要求最高，其運(yùn)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(cè)量誤差的情況下：安保需要高級(jí)別的，由于其重要性高，可將ΔSMset值設(shè)置得小一點(diǎn)，檢測(cè)準(zhǔn)確度降低，可能存在一定程度的誤報(bào)，但同時(shí)也會(huì)減少漏報(bào)，從而降低丟失或被盜的概率；安保需要低級(jí)別的，由于其重要性低，可將ΔSMset值設(shè)置得大一點(diǎn)，檢測(cè)速度雖慢，但檢測(cè)準(zhǔn)確度高。

4 仿真試驗(yàn)

紅宇牌HYJ5060XFS-JX型放射性物品廂式運(yùn)輸車，如圖5所示，外形尺寸的長(zhǎng)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(yùn)輸車Fig.5 HYJ5060XFS-JX radioactive material van

我們?cè)O(shè)置的仿真環(huán)境實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)區(qū)域網(wǎng)格化以左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)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(diǎn)為參考點(diǎn)位置。在周邊設(shè)置4個(gè)AP發(fā)射點(diǎn)（錨節(jié)點(diǎn)），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(gè)仿真區(qū)域如圖6所示。

圖6 仿真區(qū)域Fig.6 Simulation area

運(yùn)輸車輛臨時(shí)?？繒r(shí)，盜竊者以2.25 m/s的速度移動(dòng)該放射性物品容器至車廂后門外，通過車廂門口時(shí)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(dòng)軌跡在圖7中以空心圓圈表示。實(shí)心點(diǎn)表示SSUM。從圖7可以看出，當(dāng)放射性物品在車廂內(nèi)部時(shí)，面積差值SSUM的值為負(fù)。當(dāng)其移動(dòng)至車廂后門外面時(shí)，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(gè)數(shù)值記錄見表2。

表2 面積差值由負(fù)轉(zhuǎn)正的第一個(gè)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(yàn)中面積差值SSUM由負(fù)轉(zhuǎn)正后的第一個(gè)數(shù)值的最大值為1.4957。實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，我們繼續(xù)仿真了100次，該值最大為1.5322；仿真1000次時(shí)，該值最大為1.5534。之所以在不同的仿真中，該數(shù)值會(huì)有不同，是因?yàn)槲覀兡M了隨機(jī)噪聲，該隨機(jī)噪聲每次出現(xiàn)的結(jié)果會(huì)有不同，但是不管如何，這個(gè)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(dòng)至外部時(shí)，SSUM值理論上會(huì)越來越大，即在剛移動(dòng)出車廂時(shí)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(shí)，由于這些面都是鐵皮內(nèi)壁，其對(duì)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(yuǎn)時(shí)，無線信號(hào)過于微弱可能導(dǎo)致自主安保智能裝置檢測(cè)不到數(shù)據(jù)。此時(shí)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(cè)出來，實(shí)現(xiàn)直接報(bào)警。

6 總結(jié)

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