CN109598374A - 一种关键设施实物保护系统的启发式有效性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种关键设施实物保护系统的启发式有效性分析方法，包括下述步骤：建立关键设施实物保护系统二维、三维场景模型；然后初始化模型关键设施参数；利用启发式分析方法进行实物保护系统入侵路径和响应路径分析，以检测概率、中断概率为启发式信息分析入侵路径，以响应时间为启发式信息分析响应路径，找到最薄弱防御路径和最有效响应路径；最后将分析结果反馈到有效性分析平台并可视化显示。本发明方法应用于关键设施实物保护系统二维和三维模型中，结合启发式算法，分析实物保护系统薄弱防御路径和响应路径，有效提高分析效率。

Description

一种关键设施实物保护系统的启发式有效性分析方法

技术领域

本发明涉及关键设施实物保护系统领域，具体涉及一种关键设施实物保护系统的启发式有效性分析方法。

背景技术

实物保护系统是指利用实体屏障、探测延迟技术及人员的响应能力，阻止盗窃、抢劫或非法转移核材料以及破坏核设施行为的安全防御系统。实物保护系统路径分析主要包括敌手入侵路径和反应部队响应路径。

目前采用传统实物保护系统有效性分析方法分析敌手入侵路径不易于枚举，分析效率低下，同时没有考虑评估反应部队响应路径。国外实物保护系统有效性分析基础研究包括：基于一维模型的设计和评估步骤用于分析实物保护系统有效性；使用入侵序列图图形化描述可能的敌手入侵路径；入侵薄弱路径系统性分析方法。国外研究普遍在一维场景下进行建模分析，本发明基于启发式算法，结合实物保护系统有效性分析方法，在二维和三维场景下对实物保护系统敌手入侵路径和反应部队响应路径进行路径分析，本发明应用于虚拟推演平台有助于分析人员快速挖掘出最薄弱防御路径和最优响应路径。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种关键设施实物保护系统的启发式有效性分析方法，建立启发式信息为检测概率、中断概率以及响应时间的三种情形下的路径规划，应用于二维和三维模型中，用于实物保护系统的有效性分析。

为实现以上目的，本发明采取如下技术方案：

一种关键设施物保护系统的启发式有效性分析方法，包括下述步骤：

S1、建立关键设施实物保护系统的二维和三维场景模型；

S2、初始化模型的关键设施参数，包括保护装置属性、设计基准威胁值；

S3、采用启发式算法进行路径规划分析，在路径搜寻过程中，使用A*算法对每个节点进行估价来搜索最优路径，估价函数记为F(n)，具体表示如下：

F(n)＝G(n)+H(n)

其中n为当前搜寻的节点；G(n)是源点到当前节点n的实际代价值，为已知代价值，代表广度优先搜索趋势；H(n)表示为当前节点n到终点的估计代价值，为未知代价值，代表深度优先搜索趋势；估价函数越准确，算法搜寻路径越接近现实中的“最优”路径；

S4、根据启发式信息不同，实物保护系统路径搜寻结果不同，考虑分别以检测概率和中断概率为启发式信息分析敌手入侵路径，以响应时间分析反应部队响应路线；

S5、根据步骤S4的分析结果，将最薄弱的敌手入侵路径和最有效的反应部队响应路线反馈到有效性分析平台并可视化显示。

作为优选的技术方案，步骤S1中，采用三维建模软件对实物保护系统各个部件及核电站设施建模，然后采用三维游戏引擎进行建模分析。

作为优选的技术方案，步骤S2中，所述保护装置属性包括保护装置安装区域、保护范围、延迟敌手入侵平均时间、通讯概率、敌手和响应部队行进速率；所述设计基准威胁值是引用敌手入侵核电站的设计基准威胁。

作为优选的技术方案，步骤S3中，所述采用启发式算法进行路径规划分析，基本步骤如下：

使用两个状态列表存储信息，OPEN列表和CLOSED列表；所述OPEN列表存储未被分析的节点，CLOSED列表存储已经检查过的节点：

S31、建立搜索地图，添加起始点到OPEN列表；

S32、分析OPEN列表，具体步骤如下：

S321、OPEN列表中，选择最小的估计值F(n)作为当前节点，然后从OPEN列表中移除该节点并添加进CLOSED列表；计算估价函数F(n)＝G(n)+H(n)，选择F(n)最小的值作为下一个移动节点；

S322、如果OPEN列表为空，则搜索失败；

S323、如果当前节点为目标点，发现“最优”路径，转到步骤S34；

S33、分析相邻节点的移动方向，具体包括下述步骤：

S331、如果节点禁止敌手行进或者节点已经在CLOSED列表中，跳过该步骤；

S332、如果节点不在OPEN列表中，添加该节点到OPEN列表；

S333、如果该节点已经在OPEN列表中，使用估价函数检验新路径是否更“最优”，如果是，更新估价函数值F(n)和实际代价值G(n)；

作为优选的技术方案，步骤S4具体包括下述步骤：

S41、计算启发式信息为检测概率的实物保护系统有效性；

在A*算法搜索过程，针对启发式信息为检测概率的估计函数记为P(D)，实际代价值为P(D)_G，估计代价值为P(D)_H；检测概率最低的路径为最薄弱的防守路径；启发式信息为检测概率的估价函数为：P(D)＝P(D)_G+P(D)_H；

假设警卫可成功提前到达目标区域进行防御，入侵警报信息能成功通知到反应部队；只考虑探测器检测概率对入侵路径的影响，相关代价公式如下：

其中n为中间状态过渡点；i为起点到中间点n的一个节点；P(D)_G是从起点到中间点n的检测概率，属于实时计算的代价值；P(D)_H为估计代价值；h(p)为计算估计代价值的影响因子；

S42、计算启发式信息为中断概率的实物保护系统有效性；

在A*算法搜索过程，针对启发式信息为中断概率的估计函数记为P(I)，实际代价值为P(I)_G，估计代价值为P(I)_H，中断概率最低的路径为最薄弱的防守路径；针对启发式信息为中断概率的估计函数为：P(I)＝P(I)_G+P(I)_H；

P(I)_H＝0

式中，P(I)_G为A*算法中的实际代价值，用于计算起点到中间点n的中断概率；P(I)_H为中间点n到目标点t的估计代价值，由于这两点之间路线的不明确，估计值很难与实际值相符，假设P(I)_H＝0；P(R|A)为警卫提前到达目标区域进行防御的概率；P(C)_i为各保护装置检测敌手入侵后，成功通知响应部队的通讯概率；

S43、计算启发式信息为响应时间的最有效响应路径，具体如下：

在A*算法搜索过程，针对启发式信息为响应时间的估计函数记为RFT，实际代价值为RFT_G，估计代价值为RFT_H，响应时间最长的路径为最薄弱的防守路径；针对启发式信息为响应时间的估价函数为：RFT＝RFT_G+RFT_H；

式中RFT_G表示当前状态下反应部队已经行进的时间，为实际代价值；RFT_H表示当前状态节点下反应部队到目标状态节点的时间估计值，为估计代价值；n_x和n_y属于当前状态节点；t_x和t_y属于目标状态节点，使用欧氏距离计算当前节点和目标状态节点两者之间的距离，同时得出启发式响应时间。

本发明相对于现有技术具有如下的优点和效果：

1、本发明方法将关键设施实物保护系统有效性分析模型从一维提升到二维、三维中，分析结果可应用到实物保护系统虚拟推演中；

2、本发明方法可以使用工厂常用的CAD图纸进行建模分析，CAD图纸能包含且用户自定义新增扩展信息记录存储每个保护装置信息；采用启发式算法进行路径规划，CAD图纸作为二维模型能够即时被采用。

3、本发明方法分析实物保护系统的所有分析场景，包括敌手入侵的检测概率、中断概率，和反应部队的响应时间。

4、本发明方法结合启发式算法，分析实物保护系统薄弱防御路径和响应路径，提高分析效率。

附图说明

图1为本实施例中对实物保护系统模型的网格分析；

图2为本实施例中网格生成、检测分布以及入侵移动方向的示意图；

图3为本实施例中敌手入侵路径、逃跑路线以及中断概率的示意图；

图4为本实施例中关键设施实物保护系统的启发式有效性分析流程。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不限于本发明。

实施例

本发明根据实物保护系统，考虑分别以检测概率和中断概率为启发式信息分析敌手入侵路径，以响应时间分析反应部队响应路线。

本发明采用以下技术方案：

1、建立实物保护系统二维、三维模型，将模型导入实物保护系统分析平台；

采用3ds Max三维建模软件进行对实物保护系统各个部件及核电站设施建模，采用专业游戏引擎Unity 3D二次开发技术进行建模分析；

对模型进行网格划分，如图1，网格划分的粗细程度取决于计算机性能和用户需要的分析速度；网格划分越细，表示路径规划更逼真现实，结果可信度更高；反之，虚拟仿真无法完全模拟实物保护系统，如延迟时间、检测概率等无法在可信度范围内评估。

2、初始化关键设施参数。

如图2所示，根据实际厂区保护装置状态，输入各属性，并引入敌手入侵核电站的设计基准威胁，对不同场景模式下进行路径规划。保护装置主要属性包括保护装置安装区域、保护范围、延迟敌手入侵平均时间、通讯概率、敌手和响应部队行进速率等。

3、计算启发式信息为检测概率的实物保护系统有效性

在路径搜寻过程中，使用A*算法搜索代替盲目搜索算法，提高搜索效率，检测概率最低的路径为最薄弱的防守路径；假设针对启发式信息为检测概率的估价函数记为P(D)，具体为：

P(D)＝P(D)_G+P(D)_H

式中P(D)_G可以看成是实际代价值；P(D)_H为估计代价值。

假设警卫可以成功提前到达目标区域进行防御，入侵警报信息能成功通知到反应部队。只考虑探测器检测概率对入侵路径的影响；代价公式如下：

其中n为中间状态过渡点；i为起点到中间点n的节点；P(D)_G是从起点到中间点n的检测概率，属于实时计算的代价值；P(D)_H为估计代价值；h(p)为计算估计代价值的影响因子。

如果h(p)＝0，A*算法等价于Dijkstra算法；类比分析曼哈顿距离(ManhattanDistance)(曼哈顿距离：在笛卡尔坐标系下，两坐标(n_x,n_y)和(t_x,t_y)距离是|n_x-t_x|+|n_y-t_y|)。本实施例中，h(p)为两点之间的水平和垂直路线的检测概率：

式中，h(p)_X→Y表示检测概率计算沿虚线X→Y，如图3所示；h(p)_Y→X为检测概率计算沿虚线Y→X。

4、实物保护系统有效性启发式分析基本步骤

使用两个状态列表存储信息，OPEN列表和CLOSED列表；OPEN列表存储未被分析的节点，CLOSED列表存储已经检查过的节点：

(1)建立搜索地图(如图3所示)，添加起始点到OPEN列表；

(2)分析OPEN列表；

1)OPEN列表中，选择最小的估价函数值作为当前节点，然后从OPEN列表中移除该节点并添加进CLOSED列表；例如，上述以检测概率为例，如果敌手行进到R1区域，7个方向可供敌手进行下一步移动；计算起点到R1未被检测概率计算从R1到目标点的检测概率，计算代价值P(D)＝P(D)_G+P(D)_H，选择最小的检测概率作为下一个移动节点；

2)如果OPEN列表为空，则搜索失败；

3)如果当前节点为目标点，发现“最优”路径，转到步骤(4)；

(3)分析相邻节点的移动方向；

1)如果节点禁止敌手行进或者节点已经在CLOSED列表中，跳过该步骤；

2)如果节点不在OPEN列表中，添加该节点到OPEN列表；

3)如果该节点已经在OPEN列表中，使用检测概率P(D)检验新路径是否更“最优”，如果是，更新P(D)和P(D)_G；

(4)根据在CLOSED列表中的节点信息，回溯“最优”路径。

5、计算启发式信息为中断概率的实物保护系统有效性

根据美国桑迪亚实验室发布的敌手入侵序列评估方法，计算中断概率，如图3所示。以中断概率作为启发式信息，分析步骤和上述第4步一致；使用泊松分布计算在响应实物保护系统有效检测敌手入侵的前提下(定义为事件A)，警卫提前到达目标区域进行防御的概率P(R|A)。

式中，P(X＝k)表示入侵事件发生k次，警卫无法提前到达目标区域的概率，k为自然数，入侵事件发生的次数；λ是正数，表示入侵平均发生率；P(R|A)表示入侵事件在评估发生率λ下发生k次时，警卫提前到达目标区域进行防御的概率。

式中，P(R|A_i)表示在第i保护层下，警卫提前到达目标区域进行防御的概率；i为敌手入侵路线中保护装置屏障层次，对于敌手入侵事件，λ_i用于评估在第i保护层的RFT_i和TR_i，具体公式如下：

λ_i＞1表示反应部队能在规定时间内到达目标地点，中断或中和敌手；RFT_i表示在第i保护层，反应部队响应时间；TR_i表示在第i保护层，敌手的入侵剩余时间。

如图3右下角所示，两节点之间的移动时间T为：

其中TR是T的累加值，属于敌手入侵剩余时间值，定义TR＝d/v；v是敌手入侵速率；d是从当前点到终点的曼哈顿距离表示。为了准确模拟，TR可以手动赋值为当前点到终点的最保守延迟时间。

假设没有事件发生，即k＝0，P(X＝0)＝e^-λ；因此，如果事件一定发生，P(R|A)变为：

假设P(I)为启发式估价函数，中断概率由两部分组成，P(I)_G和P(I)_H，公式如下：

P(I)_H＝0

式中，P(I)＝P(I)_G+P(I)_H；P(I)_G为A*算法中的实际代价值，用于计算起点到中间点n的中断概率；P(I)_H为中间点n到目标点t的估计代价值，由于这两点之间路线的不明确，估计值很难与实际值相符，假设P(I)_H＝0；P(C)_i为各保护装置检测敌手入侵后，成功通知响应部队的通讯概率。

6、计算启发式信息为响应时间的最有效响应路径

假设“最优”路径为花费时间最少的路径，针对启发式信息为响应时间的启发式函数为：RFT＝RFT_G+RFT_H

式中RFT_G为当前状态下反应部队已经行进的时间，为实际代价值；RFT_H为当前状态节点下反应部队到目标状态节点的时间估计值，估计代价值；n_x和n_y属于当前状态节点；t_x和t_y属于目标状态节点，使用欧氏距离计算当前节点和目标状态节点两者之间的距离，同时得出启发式响应时间。

针对启发式信息为响应时间的仿真步骤和第4步相同，对于无启发式信息的模拟，A*算法可以找出设计“最优”路径，但是耗时。如果考虑了启发式信息，使用如欧氏距离，曼哈顿距离等路径计算方法，仿真模拟的“最优”路径可能不是实际中的“最优”路径，但是省时。

关键设施实物保护系统有效性分析总流程如图4所示，最后得出最有效的响应路径和最薄弱的入侵路径并反馈到有效性分析平台并可视化显示。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (5)

1.一种关键设施物保护系统的启发式有效性分析方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1、建立关键设施实物保护系统的二维和三维场景模型；

S2、初始化模型的关键设施参数，包括保护装置属性、设计基准威胁值；

S3、采用启发式算法进行路径规划分析，在路径搜寻过程中，使用A*算法对每个节点进行估价来搜索最优路径，估价函数记为F(n)，具体表示如下：

F(n)＝G(n)+H(n)

其中n为当前搜寻的节点；G(n)是源点到当前节点n的实际代价值，为已知代价值，代表广度优先搜索趋势；H(n)表示为当前节点n到终点的估计代价值，为未知代价值，代表深度优先搜索趋势；估价函数越准确，算法搜寻路径越接近现实中的“最优”路径；

S4、根据启发式信息不同，实物保护系统路径搜寻结果不同，考虑分别以检测概率和中断概率为启发式信息分析敌手入侵路径，以响应时间分析反应部队响应路线；

S5、根据步骤S4的分析结果，将最薄弱的敌手入侵路径和最有效的反应部队响应路线反馈到有效性分析平台并可视化显示。

2.根据权利要求1所述的关键设施物保护系统的启发式有效性分析方法，其特征在于，步骤S1中，采用三维建模软件对实物保护系统各个部件及核电站设施建模，然后采用三维游戏引擎进行建模分析。

3.根据权利要求1所述的关键设施物保护系统的启发式有效性分析方法，其特征在于，步骤S2中，所述保护装置属性包括保护装置安装区域、保护范围、延迟敌手入侵平均时间、通讯概率、敌手和响应部队行进速率；所述设计基准威胁值是引用敌手入侵核电站的设计基准威胁。

4.根据权利要求1所述的关键设施物保护系统的启发式有效性分析方法，其特征在于，步骤S3中，所述采用启发式算法进行路径规划分析，基本步骤如下：

使用两个状态列表存储信息，OPEN列表和CLOSED列表；所述OPEN列表存储未被分析的节点，CLOSED列表存储已经检查过的节点：

S31、建立搜索地图，添加起始点到OPEN列表；

S32、分析OPEN列表，具体步骤如下：

S321、OPEN列表中，选择最小的估计值F(n)作为当前节点，然后从OPEN列表中移除该节点并添加进CLOSED列表；计算估价函数F(n)＝G(n)+H(n)，选择F(n)最小的值作为下一个移动节点；

S322、如果OPEN列表为空，则搜索失败；

S323、如果当前节点为目标点，发现“最优”路径，转到步骤S34；

S33、分析相邻节点的移动方向，具体包括下述步骤：

S331、如果节点禁止敌手行进或者节点已经在CLOSED列表中，跳过该步骤；

S332、如果节点不在OPEN列表中，添加该节点到OPEN列表；

S333、如果该节点已经在OPEN列表中，使用估价函数检验新路径是否更“最优”，如果是，更新估价函数值F(n)和实际代价值G(n)；

5.根据权利要求1所述的关键设施物保护系统的启发式有效性分析方法，其特征在于，步骤S4具体包括下述步骤：

S41、计算启发式信息为检测概率的实物保护系统有效性；

在A*算法搜索过程，针对启发式信息为检测概率的估计函数记为P(D)，实际代价值为P(D)_G，估计代价值为P(D)_H；检测概率最低的路径为最薄弱的防守路径；启发式信息为检测概率的估价函数为：P(D)＝P(D)_G+P(D)_H；

假设警卫可成功提前到达目标区域进行防御，入侵警报信息能成功通知到反应部队；只考虑探测器检测概率对入侵路径的影响，相关代价公式如下：

其中n为中间状态过渡点；i为起点到中间点n的一个节点；P(D)_G是从起点到中间点n的检测概率，属于实时计算的代价值；P(D)_H为估计代价值；h(p)为计算估计代价值的影响因子；

S42、计算启发式信息为中断概率的实物保护系统有效性；

在A*算法搜索过程，针对启发式信息为中断概率的估计函数记为P(I)，实际代价值为P(I)_G，估计代价值为P(I)_H，中断概率最低的路径为最薄弱的防守路径；针对启发式信息为中断概率的估计函数为：P(I)＝P(I)_G+P(I)_H；

式中，P(I)_G为A*算法中的实际代价值，用于计算起点到中间点n的中断概率；P(I)_H为中间点n到目标点t的估计代价值，由于这两点之间路线的不明确，估计值很难与实际值相符，假设P(I)_H＝0；P(R|A)为警卫提前到达目标区域进行防御的概率；P(C)_i为各保护装置检测敌手入侵后，成功通知响应部队的通讯概率；

S43、计算启发式信息为响应时间的最有效响应路径，具体如下：

在A*算法搜索过程，针对启发式信息为响应时间的估计函数记为RFT，实际代价值为RFT_G，估计代价值为RFT_H，响应时间最长的路径为最薄弱的防守路径；针对启发式信息为响应时间的估价函数为：RFT＝RFT_G+RFT_H；

式中RFT_G表示当前状态下反应部队已经行进的时间，为实际代价值；RFT_H表示当前状态节点下反应部队到目标状态节点的时间估计值，为估计代价值；n_x和n_y属于当前状态节点；t_x和t_y属于目标状态节点，使用欧氏距离计算当前节点和目标状态节点两者之间的距离，同时得出启发式响应时间。