陽(yáng)小華，劉征海，曾鐵軍，萬(wàn)亞平，毛 宇，蔣盼盼

（1.南華大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖南衡陽(yáng) 421001；2.南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南衡陽(yáng) 421001；3.中核集團(tuán)高可信計(jì)算重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，湖南衡陽(yáng) 421001）

作者在分析當(dāng)前放射性物質(zhì)所面臨的威脅和安保技術(shù)不足的基礎(chǔ)上，提出了放射性物質(zhì)個(gè)體自主安全智能的概念［1］；并借鑒群防思想，研究多個(gè)放射性物質(zhì)如何通過聯(lián)系和相互協(xié)作來提高整個(gè)群體的安全性的方法，提出了群體自主安全智能［2］的概念。

有別于傳統(tǒng)的外在安全防護(hù)系統(tǒng)（例如監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、巡更系統(tǒng)等），個(gè)體自主安全智能和群體自主安全智能是通過賦予放射性物質(zhì)（群體）感知和應(yīng)對(duì)自身所面臨危險(xiǎn)的能力來保證其安全，是一種新型內(nèi)在安防技術(shù)，也可統(tǒng)稱為內(nèi)在安全智能。

信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-physical systems，簡(jiǎn)稱CPS）［3］是通過將物理對(duì)象與計(jì)算單元在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的高度集成與交互，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信、本地信息處理、遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制，利用反饋循環(huán)，得到多維異構(gòu)的具有自適用的智能自治系統(tǒng)。CPS受到各國(guó)的高度重視，德國(guó)將CPS作為其工業(yè)4.0的核心［4］，我國(guó)也在《中國(guó)制造2025》中將“基于信息物理系統(tǒng)的智能裝備、智能工廠等智能制造”定位為制造方式變革的引領(lǐng)技術(shù)［5］。信息物理融合系統(tǒng)已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用［6-9］。

本文首先從信息物理融合的角度，分析指出個(gè)體自主安全智能可以視為CPS的基本功能邏輯單元，群體自主安全智能可以視為物理層的基本單元集群，是另一種形式的邏輯單元；然后探討如何依據(jù)CPS體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)內(nèi)在安全智能與外在安防系統(tǒng)的融合，構(gòu)建放射性物質(zhì)信息物理融合安防系統(tǒng)（Radioactive Material Cyber Physi?cal Fusion Security System，簡(jiǎn)稱RCPSS），最后指出RCPSS的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

1 CPS視角下的自主安全智能

深度嵌入是CPS的重要特性。嵌入式傳感器、執(zhí)行器和計(jì)算單元深深地嵌入到每一個(gè)物理組件（物質(zhì)）里，使其具備計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)和自治5大功能，使計(jì)算成為物理世界的一部分。

CPS的基本組件包括傳感器（Sensor）、執(zhí)行器（Actuator）和決策控制單元（Decision-making Control Unit），組成如圖1所示的基本功能單元。

圖1 CPS的基本功能單元Fig.1 Basic functional unit of CPS

根據(jù)定義［1］，如果放射性物質(zhì)（容器）具有感知和應(yīng)對(duì)未經(jīng)授權(quán)的接近、獲取放射性物質(zhì)的基本能力，則稱其具有個(gè)體自主安全智能。

顯而易見，個(gè)體自主安全智能可以通過把CPS的基本功能單元嵌入放射性物質(zhì)容器來實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。

圖2 作為CPS基本單元的個(gè)體安全智能Fig.2 Individual self security intelligence’s CPS basic functional unit

根據(jù)定義［2］，如果若干個(gè)放射性物質(zhì)（容器）通過某種方式構(gòu)成一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)，并且具有感知和應(yīng)對(duì)關(guān)聯(lián)關(guān)系被破壞的基本能力，則稱該放射性物質(zhì)系統(tǒng)具有群體自主安全智能。

群體自主安全智能本質(zhì)上是一批具有個(gè)體安全智能的放射性物質(zhì)聚集在一起，通過各自的感知單元能實(shí)時(shí)感知彼此的存在并建立聯(lián)系，當(dāng)相互之間的聯(lián)系被破壞時(shí)，決策單元能夠及時(shí)做出判斷，響應(yīng)單元能夠按照決策做出必要的響應(yīng)，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 作為CPS基本單元群體的群體安全智能Fig.3 Group security intelligence of CPS basic unit group

2 信息物理融合安防系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

將個(gè)體自主安全智能和群體自主安全智能與外在的安防系統(tǒng)通過可配置可信網(wǎng)絡(luò)融合起來，可得到信息物理融合安防系統(tǒng)，其體系結(jié)構(gòu)邏輯視圖如圖4所示。

圖4 新型CPS安防系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)Fig.4 The logical structure of the new CPS security system

新型CPS安防系統(tǒng)邏輯上可分為物理層、網(wǎng)絡(luò)層和系統(tǒng)層。

個(gè)體自主安全智能、群體自主安全智能以及其他的傳感設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備共同組成物理層。

物理層是CPS安防系統(tǒng)的基本單元，負(fù)責(zé)近場(chǎng)的威脅感知與融合計(jì)算，近場(chǎng)的威脅識(shí)別與決策，以及近場(chǎng)響應(yīng)，并向上層提供自己識(shí)別的威脅信息和自己作出的決策信息，作為上層的感知輸入。同時(shí)也接收上層的控制和響應(yīng)指令，作為上層的響應(yīng)執(zhí)行單元。

物理層還可以根據(jù)實(shí)際的需要，組織成不同尺度的CPS單元（例如對(duì)象級(jí)單元、庫(kù)房級(jí)單元、廠級(jí)單元等）。底層的基本CPS單元是安裝在放射性物質(zhì)（容器）上的對(duì)象級(jí)單元，它可以作為上層CPS單元的感知單元，上層通過自己的決策單元進(jìn)行威脅的識(shí)別與決策，通過向上層反饋和向底層發(fā)送控制指令作為響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)該層的CPS融合，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 CPS嵌套邏輯結(jié)構(gòu)Fig.5 CPS nested logical structure

網(wǎng)絡(luò)層由可配置可信網(wǎng)絡(luò)組成，可根據(jù)需要構(gòu)建不同尺度的網(wǎng)絡(luò)（如局域網(wǎng)，廠級(jí)網(wǎng)，城域網(wǎng)等）。其作用是向上層提供感知輸入，向下層提供控制指令作為響應(yīng)。

系統(tǒng)層負(fù)責(zé)全局的威脅識(shí)別計(jì)算與決策，并通過網(wǎng)絡(luò)層和物理層實(shí)現(xiàn)全局的感知和響應(yīng)。

新型安防CPS融合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。

圖6 新型安防CPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 The new security CPS system structure diagram

3 RCPSS的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

將放射性物質(zhì)的內(nèi)在安全智能與外在安防系統(tǒng)按照CPS思想進(jìn)行有機(jī)的融合得到的新型CPS安防系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

（1）全時(shí)空感知

通過內(nèi)在安全智能與外在安防系統(tǒng)的有機(jī)融合，一方面外在安防系統(tǒng)可獲得自身感知場(chǎng)景的信息，接收內(nèi)在安全智能感知的信息，以及內(nèi)在安全智能是否處于工作狀態(tài)，并將這些信息進(jìn)行融合，形成全局態(tài)勢(shì)。另一方面，內(nèi)在安全智能可在與外在安防系統(tǒng)的通訊中，覺察到外在安防系統(tǒng)的失效并及時(shí)通知安保人員進(jìn)行處理。從而可提高內(nèi)在安全智能和外在安防系統(tǒng)的魯棒性。

當(dāng)放射性物質(zhì)處于移動(dòng)或運(yùn)輸中時(shí)，即使它們脫離了外在安防系統(tǒng)的監(jiān)視，外在安防系統(tǒng)也可通過內(nèi)在安全智能掌控放射性物質(zhì)的安全狀態(tài)。從而實(shí)現(xiàn)全時(shí)空的感知和應(yīng)對(duì)能力。

以小孩的安全為例，剛出生的嬰兒不具備感知和應(yīng)對(duì)危險(xiǎn)的能力，這時(shí)需要有監(jiān)護(hù)人24小時(shí)連續(xù)監(jiān)護(hù)（這類似于傳統(tǒng)的安防系統(tǒng)，監(jiān)護(hù)對(duì)象不具備任何能力，外部系統(tǒng)需要連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，以保證監(jiān)護(hù)對(duì)象的安全）；當(dāng)小孩具有感知和應(yīng)對(duì)危險(xiǎn)的能力后，監(jiān)護(hù)人可通過間斷式的詢問方式，及時(shí)了解小孩的狀態(tài)，而不再需要采用24小時(shí)連續(xù)監(jiān)護(hù)的方式，當(dāng)小孩遇到自己不能應(yīng)對(duì)的危險(xiǎn)時(shí)，也可以呼叫監(jiān)護(hù)人的幫助（這類似于新型安防系統(tǒng)，監(jiān)護(hù)對(duì)象具有自主安全智能）。

（2）全要素聯(lián)動(dòng)

外在安防系統(tǒng)具有感知危險(xiǎn)的能力，它在感知到危險(xiǎn)后，一方面可通知安保人員進(jìn)行及時(shí)處置；另一方面可控制智能放射性物質(zhì)，提高自身的安防等級(jí)，從而阻礙或延遲危險(xiǎn)的發(fā)生，為安保人員的響應(yīng)與處置贏得寶貴時(shí)間。

內(nèi)在安全智能可充當(dāng)外在安防系統(tǒng)的千里眼和順風(fēng)耳的作用，將外在安防系統(tǒng)感知不到的信息傳遞給它。內(nèi)在安全智能在感知到危險(xiǎn)時(shí)，可自身提高安全防護(hù)等級(jí)，同時(shí)通知外在安防系統(tǒng)，由它采取相應(yīng)的措施來應(yīng)對(duì)。

（3）縱深防御

在原有安防系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，增加內(nèi)在安全智能，它獨(dú)立于周界防護(hù)系統(tǒng)和庫(kù)房防護(hù)系統(tǒng)，并使用不同的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)，因此它與原安防系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)共因失效，相當(dāng)于增加了一個(gè)層次的防御手段，從而提高其整體安全性，這也符合核安全中的縱深防御理念。內(nèi)外安防融合的縱深防御結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 縱深防御結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Defense in depth structure diagram

新型CPS安防系統(tǒng)和傳統(tǒng)的安防系統(tǒng)相比較，具有以下優(yōu)勢(shì)。

（1）由被動(dòng)防護(hù)向主動(dòng)溝通轉(zhuǎn)變

因內(nèi)在安全智能本身具有一定的近場(chǎng)場(chǎng)景和威脅的感知能力，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)自身的脆弱性和感知自己所受到的威脅。安防系統(tǒng)可充分利用這一特性，主動(dòng)與內(nèi)在安全智能進(jìn)行溝通，詢問內(nèi)在安全智能的狀態(tài)和近場(chǎng)信息，一方面能擴(kuò)展安防系統(tǒng)對(duì)近場(chǎng)場(chǎng)景態(tài)勢(shì)的感知能力，使其具有點(diǎn)線面全域感知能力，另一方面可針對(duì)脆弱性和威脅進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，這也能有效地提高監(jiān)控的效率，降低監(jiān)控成本。

（2）由聚焦于面到點(diǎn)面結(jié)合的轉(zhuǎn)變

因內(nèi)在安全智能具有對(duì)其自身所處環(huán)境近場(chǎng)的感知能力，在實(shí)現(xiàn)與安防系統(tǒng)的融合后，就可以將內(nèi)在安全智能感知的信息及時(shí)報(bào)告監(jiān)控中心，從而使監(jiān)控中心具有了對(duì)被監(jiān)測(cè)對(duì)象周圍環(huán)境近場(chǎng)的感知能力。通過內(nèi)在安全智能實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)的監(jiān)控，通過外在安防系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)線和面的監(jiān)控，從而使得被監(jiān)控區(qū)域的點(diǎn)線面能夠得到全面監(jiān)控。

（3）由單打獨(dú)斗轉(zhuǎn)向齊心協(xié)力

充分發(fā)揮內(nèi)在安全智能的作用，通過邊緣計(jì)算能力，使它與外在安全系統(tǒng)按照分布式結(jié)構(gòu)進(jìn)行有機(jī)融合。外在安防系統(tǒng)，可以將局部的分析和預(yù)警功能交給內(nèi)在安全智能去完成，自己則側(cè)重于全局的統(tǒng)計(jì)、分析、決策和各方面聯(lián)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，主要功能向綜合服務(wù)方向轉(zhuǎn)變，與內(nèi)在安全智能形成一定程度的互補(bǔ)。同時(shí)，也能提高系統(tǒng)的可靠性。

以美國(guó)空軍戰(zhàn)術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)為例，原本戰(zhàn)術(shù)是以預(yù)警機(jī)為中心而展開的，預(yù)警機(jī)是戰(zhàn)場(chǎng)的大腦，負(fù)責(zé)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的感知與指揮。一旦預(yù)警機(jī)被擊落，則感知和指揮能力就會(huì)喪失。這就類似于原有的以監(jiān)控中心為核心的安防系統(tǒng)，一旦中心節(jié)點(diǎn)失效，則整個(gè)系統(tǒng)失效。

而現(xiàn)在則主要發(fā)展以F35為代表的多平臺(tái)協(xié)同組網(wǎng)感知戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，通過數(shù)據(jù)鏈共享信息，與其他戰(zhàn)機(jī)和預(yù)警機(jī)形成新的戰(zhàn)場(chǎng)大腦。在這種分布式結(jié)構(gòu)下，即使個(gè)別節(jié)點(diǎn)被摧毀，也不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)大腦失效，這使整個(gè)系統(tǒng)具有更高的可靠性。

4 小結(jié)

本文在賦予放射性物質(zhì)內(nèi)在安全智能的條件下，提出了放射性物質(zhì)內(nèi)在安全智能與外在安防系統(tǒng)融合的概念。將放射性物質(zhì)的局部智能安全升級(jí)為全局智能安全，使放射性物質(zhì)管理體系具有全時(shí)空感知能力、全要素聯(lián)動(dòng)能力、全周期迭代能力，從而具有更高的智能安全等級(jí)。

下一步擬將內(nèi)外安保能力的有機(jī)融合方法在具體的放射性物質(zhì)管理實(shí)踐中運(yùn)用，探索內(nèi)外安全融合的具體技術(shù)，從整體上提高放射性物質(zhì)的安全性。