Содержание к диссертации
Введение
ПЕРВАЯ ГЛАВА « Обзор методов обнаружения взрывчатых веществ, постановка задачи» 11
ВТОРАЯ ГЛАВА « Методология решения задачи уменьшения ложных тревог при использовании установок на основе метода HP А» 62
ТРЕТЬЯ ГЛАВА «Формирователи и источники нейтронов» 72
ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА «Алгоритмы обработки данных для использования в установках HP А» 106
Заключение 123
Литература 127
Приложения
- Обзор методов обнаружения взрывчатых веществ, постановка задачи»
- Методология решения задачи уменьшения ложных тревог при использовании установок на основе метода HP А»
- «Формирователи и источники нейтронов»
- «Алгоритмы обработки данных для использования в установках HP А»
Введение к работе
В связи с участившимися случаями проведения террористических актов в общественных местах, вблизи и на территории различных стратегических объектов, включая аэропорты и железнодорожные вокзалы, на объектах транспорта, таких как поезда и самолеты, очевидна необходимость оснащения специальных служб современными средствами досмотра, обеспечивающими стабильное обнаружение замаскированных взрывчатых веществ (ВВ) при низком уровне ложных тревог.
Задача поиска ВВ возникла практически со времени создания самих ВВ и заключалась, в основном, в поиске металлических оболочек взрывных устройств в виде гранат и мин. Однако, в настоящее время ситуация в значительной степени осложнилась, поскольку террористы стали широко пользоваться безоболочными пластиковыми ВВ [1], обнаружение которых представляет собой очень сложную техническую проблему. В настоящее время предпринимаются активные попытки в области создания современных досмотровых средств [1-14].
Исторически наибольший прогресс в разработке и оснащении техническими средствами обнаружения ВВ связан с решением вопросов авиационной безопасности. В настоящее время существуют требования ИКАО (International Civil Aviation Organization) к аэропортам о необходимости организации 100% досмотра багажа авиапассажиров на предмет наличия ВВ.
В настоящее время используемые досмотровые системы на основе различных методов обнаружения ВВ не удовлетворяют необходимым требованиям к данным устройствам. Очевидна необходимость создания высоконадежных досмотровых комплексов, обеспечивающих 100%-ый оперативный досмотр ручной клади и багажа пассажиров, транспортных контейнеров и грузов для обеспечения защиты самолетов и других транспортных средств и объектов от террористических актов с применением ВВ.
В данной диссертационной работе будут проведены теоретические исследования возможности использования метода нейтронного радиационного анализа (НРА) для обнаружения ВВ при организации зон досмотра багажа. Выбор данной технологии обусловлен тем, что метод НРА в силу физического принципа позволяет обнаруживать любые азотосодержащие ВВ вне зависимости от вида формы и принятых мер маскировки. При этом азот является одним из основных компонентов практически всех широко распространенных ВВ. Единственным фактором, препятствующим широкому распространению установок НРА, является появление ложных тревог из-за большого количества азотосодержащих предметов и вещей, находящихся в ручной клади и багаже, не связанных с ВВ. Таким образом, основной задачей, которую необходимо решить для возможности широкого практического использования установок на основе метода НРА является устранение ложных тревог.
Цель работы. Целью диссертационной работы является теоретическое исследование, проведение системного анализа, создание математической модели распределения азота в багаже, создания специального формирователя нейтронов для сужения поля нейтронов, разработка алгоритмов обработки данных для успешного решения задачи устранения ложных тревог при использовании метода НРА.
В соответствии с указанной целью были поставлены следующие задачи, определившие структуру и подходы в диссертационном исследовании:
- Провести системный анализ и оценку эффективности использования имеющихся способов обнаружения ВВ;
Провести математическое моделирование и теоретические исследования возможных подходов к решению проблемы уменьшения ложных тревог при использовании установок НРА;
Разработать математическую модель распределения азота в багаже для расчета возможности сужения области досмотра исследуемого объекта
Разработать формирователь потока нейтронов, позволяющий сузить поток нейтронов для возможности частичного облучения исследуемого объекта
Разработать алгоритмы и критерии, позволяющие минимизировать количество ложных тревог при использовании установок на основе метода НРА в комбинации с рентгенотелевизионными установками для досмотра
багажа авиапассажиров;
Представить результаты практического использования достижений, полученных в рамках данной диссертационной работы
Методы исследования. Основными методами исследования являются методы маїематического моделирования, а также натурного и численного эксперимента.
В диссертационной работе используются:
Теоретические основы и методы системного анализа, разработки критериев и моделей описания и оценки эффективности решения задач системного анализа, оптимизации, принятия решений и обработки информации;
Методы разработки математической модели, алгоритмов решения задач системного анализа, оптимизации, принятия решений и обработки информации;
Методы разработки специального математического и программного обеспечения систем анализа, оптимизации, принятия решения и обработки информации.
Положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель распределения азота в багаже
авиапассажиров, позволяющая успешно решить задачу сужения области досмотра, за счет использования специального формирователя нейтронов, обеспечивающего уменьшение ложных тревог.
2. Математическая модель и методика использования
целеуказания на подозрительную область внутри исследуемого объекта,
позволяющего минимизировать количество ложных срабатываний за счет
специальных алгоритмов обработки данных для решения задачи уменьшения
ложных тревог.
3. Реализация результатов исследований в установках НРА.
Научная новизна работы. Все результаты, изложенные в
оригинальной части диссертационной работы, получены впервые и являются новыми.
Практическая значимость
Математическая модель распределения азота в багаже была применена для расчета формирователя нейтронов.
Разработанный формирователь нейтронов был успешно встроен в установки НРА, которые успешно используются на практике (Пулково, Шереметьево, антитеррористический центр ФСБ)
Использование двухступенчатой зоны досмотра
(рентгенотелевизионная установка + установка НРА) с целеуказанием от
рентгенотелевизионной установки на подозрительную область внутри багажа
позволило более эффективно организовать досмотр и оперативно отделять
«чистый» багаж от «подозрительного», при этом весь подозрительный багаж
проходит проверку на установке НРА, в которой зондируется не целиком
багаж, а только области, вызвавшие подозрение на рентгенотелевизионной
установке
Алгоритмы принятия решения, учитывающие целеуказание на подозрительную область были успешно встроены в модуль обработки данных, коюрый используется в установках НРА.
Использование вышеперечисленных результатов привело к значительному уменьшению ложных тревог при досмотре багажа и привело к возможности создания досмотрового комплекса нового поколения на основе установок рентгеноскопии и НРА.
Решение задачи уменьшения ложных тревог позволит широко использовать установки НРА на практике. Использование установок НРА позволяет организовывать линии досмотра принципиально нового уровня эффективности. Установка, разработанная с использованием предложенных алгоритмов, сертифицирована Минтрансом РФ и уже практически используется в аэропортах Пулково (Санкт-Петербург) и Шереметьево (Москва).
Апробация результатов. Основные положения и результаты работы
докладывались и обсуждались на Шестой Всероссийской научно-
практической конференции «Актуальные проблемы защиты и
безопасности», Санкт-Петербург, апрель 2003; на Международной
конференции НАТО «Advanced Techniques against Terrorism», Санкт-
Петербург, июнь 2003; на Межотраслевой научно-технической конференции
«Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе»,
Министерство РФ по Атомной Энергии. Всероссийский Научно-
Исследовательский Институт Автоматики им. Н.Л. Духова, Москва, май
2003; на III Международной научно-практической конференции «Терроризм и безопасность на транспорте». Генеральная прокуратура Российской Федерации, Москва, март 2004; на Седьмой Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности», Санкт-Пегербург, апрель 2004; на Международной конференции НАТО «Nanoscale Devices - Fundamentals and Applications», Кишинев, сентябрь 2004; на Международной научно-технической конференции «Портативные нейіронньїе генераторы и технологии на их основе», ВНИИА им. Н.Л. Духова, Москва, октябрь 2004; на международной конференции по авиационной безопасности, гостиница «Повотель», Москва, октябрь 2004; на Российско-американском форуме по борьбе с терроризмом, Москва, январь 2005; на Международной конференции по безопасности на транспорте, Москва, февраль 2005; на Международной конференции по инновациям в Филадельфии (США), ноябрь 2005 года, на международной конференции по
*
перспективным инновационным разработкам «Открытые Двери в
Силиконовую Долину» (Silicon Valley Open Doors), университет Стэнфорд
(США), ноябрь 2005 года; на научно-практической конференции
инновационных достижений, ВВЦ, Москва, февраль 2006; на
международном Российско-финском форуме в Финляндии, Хельсинки,
апрель 2006; на выставке Инновационных достижений России в рамках Х-го
Петербургского Экономического форума, Санкт-Петербург, июнь 2006; на
Седьмой Венчурной Ярмарке (Втором российском венчурном форуме),
Санкт-Петербург, октябрь 2006; а также на научных семинарах кафедры
Моделирования электромеханических и компьютерных систем факультета прикладной математики - процессов управления Санкт-Петербургского государственного университета. Установки производства НТЦ РАТЭК, в которых активно используются результаты данной работы, имеют много российских и международных дипломов и наград, включая диплом и золотую медаль международного салона изобретений в Женеве (Швейцария, апрель 2004 года); ведущее мировое издание в области авиационной безопасности Aviation Security International признало разработки НТЦ РАТЭК в области нейтронного анализа лучшими в мире, апрель 2004; медаль за победу в международном конкурсе Российский Техтур (в рамках которого, международное жюри выбирает наиболее перспективные и интересные проекты), сентябрь 2004; диплом и статуэтку Надежда, за победу в конкурсе Министерства Науки и образования совместно с изданием «Эксперт» в номинации «Лучшая инновация в области безопасности», Москва, июнь 2005; диплом за победу в конкурсе в рамках Седьмой Венчурной Ярмарки в номинации «Перспективный бизнес», Санкт-Петербург, октябрь 2006.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 13 приложений. Список литературы включает 49 наименований. Работа изложена на 133 страницах и 17 страницах приложений, содержит 19 рисунков.
Обзор методов обнаружения взрывчатых веществ, постановка задачи»
Актуальность проблемы обнаружения ВВ обусловлена ростом количества и разнообразия форм террористических актов во многих регионах и странах. Борьба с этими преступлениями невозможна без оснащения соответствующих служб эффективными техническими средствами поиска замаскированных взрывных устройств (ВУ). Ранее задача обнаружения В У заключалась, в основном, в поиске металлических оболочек гранат или мин из традиционных ВВ типа динамит, тротил и т.д. В настоящее время эта задача существенно усложнилась из-за применения безоболочечных ВУ на основе пластикового ВВ типа С-4, Semtex или Detasheet. Данные материалы по разрушительной силе значительно превосходят динамит и тротил, могут производиться в виде пластин толщиной 5 мм ("листовые" ВВ) и ВУ на их основе можно придать любую форму и замаскировать под обычные предметы.
Главная причина, затрудняющая использование традиционных рентгеновских методов интроскопии для поиска ВУ без металлической оболочки, заключается в том, что большинство ВВ состоят из элементов с малым атомным номером. В частности, основными составляющими пластиковых ВВ являются гексоген (RDX, полное наименование -циклотриметилентринитроамин) и ТЭН (PETN, полное наименование -тетранитрагпентаэритрит), которые представляют собой азотно-кислородные соединения [15]. С-4 и Detasheet изготовлены, соответственно, на основе RDX и PETN, a Semtex - на основе этих обоих веществ. Сведения об элементном составе и плотности ряда ВВ и обычных материалов приведены в табл.1 [2,15,16], из которой следует, что ВУ легко могут быть замаскированы в бытовых предметах: мыло, кожаные изделия, радиоаппаратура и др. Маскировке дополнительно способствуют малый вес и объём самих ВВ, а также таймеров и взрывателей, которые тоже могут быть замаскированы в подобной аппаратуре. Так например, при расследовании авиакатастрофы рейса 103 компании Pan Am (Локерби, Шотландия, 1988 г.) установлено [2], что пластиковое ВВ типа Semtex массой » 300 грамм была вложена в кассетный магнитофон, а взрыватель был спрятан в замок чемодана.
Для успешного решения задачи обнаружения взрывчатых устройств (ВУ) необходимо провести системный анализ и оценить возможность оптимизации использования уже имеющегося оборудования и различных новых подходов и методов к решению задачи поиска ВВ. Исторически наибольший прогресс в разработке и оснащении техническими средствами обнаружения ВВ связан с решением вопросов авиационной безопасности и организации досмотра багажа авиапассажиров. В настоящее время существуют требования ИКАО (International Civil Aviation Organization) к аэропортам о необходимости организации 100% досмотра багажа авиапассажиров на предмет наличия ВВ. Поэтому теоретические исследования при решении задачи организации быстрого и эффективного обнаружения ВВ стоят особенно остро при решении задачи авиационной безопасности. Для разработки критериев эффективности использования методов обнаружения ВВ, необходимо оценить основные признаки, по которым происходит идентификация ВВ. Таким образом, безоболочные ВВ имеют несколько отличительных признаков, по которым они в настоящее время могут быть детектированы различными техническими средствами, основные из них представлены в табл.1.
Методология решения задачи уменьшения ложных тревог при использовании установок на основе метода HP А»
Единственным фактором, препятствующим широкому использованию установок на основе метода НРА, является большое количество ложных тревог из-за наличия в багаже азотосодержащих вещей, не связанных с ВВ [36]. Решение задачи устранения ложных тревог позволит открыть широкие перспективы использования установок, основанных на данном физическом принципе и значительно повысить уровень безопасности.
Для успешного решения задачи уменьшения ложных тревог сначала необходимо проанализировать мировой опыт по разработке и использованию установок НРА, накопленный к настоящему моменту. Все разработки, сделанные до последнего времени, сводились к тому, что исследуемый багаж в установках НРА всегда облучался целиком, и установки НРА использовались на первом этапе досмотра багажа. Это приводило к тому, что:
Для облучения всего исследуемого багажа, требовался более мощный источник нейтронов;
При использовании более мощного источника нейтронов требовалась больше защиты от излучения, что приводило к увеличению размеров и веса установки;
Очевидно, что при облучении всего багажа вероятность того, что в багаже будет находиться некоторое количество азота, не связанного с ВВ и достаточного, чтобы вызвать ложные тревоги, увеличивается. При этом, чем больше объем исследуемого багажа, тем в нем может быть больше азота;
Еще также необходимо отметить, что если установки НРА использовать для проверки всего потока багажа, то скорость проверки каждого багажа будет в среднем значительно ниже, чем при проверке с помощью рентгенотелевизионных установок и при этом установки НРА не настроены на поиск оружия. Таким образом, после использования установок НРА необходимо весь поток багажа проверять и на рентгенотелевизионных установках для поиска оружия. Поэтому установки НРА не эффективно использовать на первом этапе;
Очевидно, что при наличии возможности облучать только подозрительную часть багажа, вероятность возникновения ложных тревог от азота, находящегося в багаже и не связанного с ВВ, уменьшается;
В результате проведенных исследований по возможности уменьшения количества ложных тревог при использовании метода НРА были сделаны следующие выводы:
Одним из подходов к решению поставленной задачи является оптимизация и уменьшение досматриваемой зоны исследуемого объекта. С этой целью необходимо построить математическую модель распределения азота в багаже и определить влияние сужения зоны досмотра на количество ложных тревог. На основе полученных данных необходимо разработать специальный формирователь нейтронов для обеспечения сужения зоны досмотра для использования в установке НРА для возможности облучения только части исследуемого багажа.
Эффективным подходом к решению задачи представляется возможность использования целеуказания на подозрительную область внутри исследуемого объекта, полученного от, например, рентгенотелевизионной установки, с помощью которой производится предварительная проверка. Для корректного и эффективного использования целеуказания необходимы алгоритмы обработки данных, использующие информацию о месте внутри исследуемого объекта, подозрительном на наличие ВВ. Использование таких алгоритмов позволит минимизировать количество ложных тревог и увеличить вероятность правильного обнаружения.
Математическая модель распределения азота. Для построения математической модели были использованы результаты измерений, полученные при тестировании установки УВП-2101 на основе метода НРА производства НТЦ РАТЭК. В последствии данные сравнивались с информацией о подобных испытаниях установки Snoope (SA1C, США) в США. Результаты измерений количества азота в багаже представлены на рис.7 и 8.
«Формирователи и источники нейтронов»
Материалом мишени в фотонейтронных источниках являются вещества с минимальным порогом (g-n) реакции - дейтерий или бериллий. В качестве источника первичного g-излучения используются изотопы с большим выходом квантов с энергией, превышающей порог (g-n) реакции на мишени. Недостатки данного вида источников: - низкий удельный выход нейтронов, - высокий фон сопутствующего g-излучения, - малые периоды полураспада изотопов.
К положительным качествам следует отнести низкоэнергетичный спектр нейгронов. Например, для источника Y+Be (период полураспада 106,61 суток) выход нейтронов ориентировочно составляет 105 н/с на 3.7 1010 Бк при средней энергии нейтронов 0,16 МэВ. Уровень сопутствующего гамма-излучения тогда равен 105 квант/нейтрон. Учитывая, что сопутствующее g-излучение заметным образом сказывается на работе установки, использование данного типа источников вряд ли возможно.
Источники на основе а-n реакции являются наиболее изученным и распространенным типом изотопных источников нейтронов. В качестве материала мишени используются Be или В, в качестве излучателя а-частиц применяются изотопы плутония или америция. Меньшее применение в настоящее время находят источники на основе 210Ро (малый период полураспада) и Ra (сопутствующее g-излучение составляет порядка 10000 кв/н). Выход нейтронов составляет 105 ... 7 10 н/г, Энергетический спектр нейтронов зависит от энергии и спектра а-частиц и имеет выраженный линейчатый характер. Верхняя энергия нейтронов около 10 МэВ, средняя энергия 3... 4 МэВ. Максимальный поток нейтронов для серийно изготавливаемых источников не превышает 5 10 н/с. Выход сопутствующего излучения составляет единицы квантов на нейтрон, и обусловлен в основном излучением с энергией 4,4 МэВ, собственное излучение изотопов в жесткой части спектра незначительно.
Существует достаточно много нуклидов, имеющих канал распада через спонтанное деление, однако промышленное применение получили только источники нейтронов на основе Cf. Период полураспада Cf равен 2.52 г, выход нейтронов 2.2 105 н/мкг, спектр близок к спектру нейтронов деления. Сопутствующее g-излучение имеет спектр квантов деления и средний выход около 3 квантов на нейтрон. Максимальный поток нейтронов для стандартных промышленно изготавливаемых источников на основе 252Cf равен 1010 н/с.
Применительно к рассматриваемым установкам, наиболее подходящим является применение источников на основе Cf. Удельный поток тепловых нейтронов в расчете на 1 нейтрон источника для 252Cf и (а-п) источников в заданной конструкции замедлителя примерно одинаков. Средняя энергия нейтронов спектра деления заметно ниже средней энергии спектра (а-n) источника, что заметно сказывается на размере необходимой биологической защиты. Размер и масса корпуса источника 252Cf много меньше габаритов (а-п) источников, соответственно меньше и уровень захватного излучения на железе корпуса источников. Срок службы источника Cf дольше, а стоимость в несколько раз ниже. При длительной эксплуатации недостатком Cf является его сравнительно малый период полураспада, что приводит к необходимости ежегодной замены источника, однако учитывая ею малые размеры, можно по мере снижения потока нейтронов использовать несколько источников с необходимым суммарным потоком нейтронов, продлевая таким образом срок эксплуатации источников. [38]
Нейтронный генератор по своей сути является специфическим видом ускорителя зараженных частиц, взаимодействие пучка которых с мишенью приводит к образованию значительного числа нейтронов. Для получения нейтронов используется две беспороговые реакции - d(d,t)n и d(t,a)n, ускоряющее напряжение не превышает 200 ... 250 кВ. Вылетающие ней фоны практически моноэнергетичны с энергией Еп=2.5 МэВ и Еп=14.4 МэВ соответственно. Собственное g-излучение отсутствует.
«Алгоритмы обработки данных для использования в установках HP А»
«Алгоритмы обработки данных для использования в установках НРА» Для создания алгоритмов обработки данных сначала строится матрица откликов от детекторов, регистрирующих количество гамма-квантов.
Построение матрицы откликов Для построения матрицы откликов детекторов используется тестовый образец, содержащий большое количество азота (например, меламин 67% азота). Образец помещается в досмотровую камеру, и при последовательном перемещении образца в камере, производится его облучение потоком нейтронов и регистрация спектра гамма квантов. Значение сигнала отклика каждого детектора зависит от положения тестового образца и фонового излучения. После вычисления фонового сигнала, величина превышения полученного отклика над фоновым сигналом заносится в матрицу откликов. Элемент данной матрицы соответствует зоне досматриваемой камеры, которая разделена на 80 зон. Тестовый образец последовательно перемещается в каждую из этих зон. Число матриц равно числу детекторов.
Пример матрицы М,(х,у) для одного из детекторов нормированной на один грамм азота, при мощности источника один нейтрон в секунду, в табл.10:
Таким образом, мы имеем матрицу откликов - %EI или по-другому маїрицу калибровки. В дальнейшем значения элементов данной матрицы будут использоваться в алгоритмах обработки данных.
Обработка информации осуществляется программным обеспечением, структура которого представлена на рис.17.
Принятие решения производится об обнаружении эффекта (обнаружении превышения пороговой массы азота в точке целеуказания) на основе проверки двух альтернативных гипотез:
Hi . показания детекторов соответствуют регистрации фона и эффекта, связанного с регистрацией гамма-излучения азота массой Mi , расположенного в точке целеуказания Е;
Но - показания детекторов соответствуют регистрации фона (отсутствие азота с заданной или большей массой в точке целеуказания).
Решение о справедливости гипотезы Hi принимается на основе сравнения с порогами (по схеме последовательного анализа) логарифма отношения правдоподобия: где xBt - значения фона і-ого детектора за время от начала измерения (рассчитывается по специальному алгоритму расчета фона на основе показаний детектора в одной из двух областей с применением калибровочных множителей, определяемых при калибровке установки): XBl=XBitt (12) где Хві - средний фон (количество импульсов в секунду в пустой камере установки). %ЕІ - заранее рассчитанные (средние) значения показаний детекторов при регистрации азота массой Mt в точке целеуказания Е, они рассчитываются из полученной матрицы откликов, п - число детекторов. xbl=Ml(x,y)mptt (13), где х,у - точка целеуказания в ячейках матрицы, т - масса предполагаемого азота, р - мощность источника.
Величина L\ сравнивается с двумя порогами (с0 - нижний и с і -верхний) по схеме последовательного анализа. Со= Чт -) , Сх = Н -) , (14), 1-а a v где а - вероятность ошибочных решений первого рода (вероятность ложных тревог, а = Рлт); /? - вероятность ошибочных решений второго рода (вероятность пропуска эффекта при обнаружении, /? = \-Рпо, где Рт - вероятность правильного обнаружения эффекта). Рассмотренный выше алгоритм принятия решений устанавливает правило решения о присутствии дополнительного по отношению к фоновому количества азота. Алгоритм L4.
В алгоритме L4 для обработки данных используются веса. Обработка данных с весами служит для исключения ложных тревог при наличии распределенного азота (не сконцентрированного как в ВВ).
Для осуществления дополнительных проверок в большинстве случаев необходимо ввести в рассмотрение какую-либо информацию о виде ложных тревог, связанных с присутствием азотосодержащих предметов в кои гролируемых объектах.
Для выявления степени сконцентрированности азота можно осуществить проверку простой гипотезы о том, что взвешенная сумма показаний детекторов будет иметь большее значение, чем просто сумма показаний детекторов.
Это будет соответствовать проверке двух конкретных гипотез: 1. Hi. показания детекторов соответствуют регистрации фона и эффекта, связанного с регистрацией гамма-излучения азота массой Мь расположенного в точке целеуказания Т;
Похожие диссертации на Системный анализ и обработка информации при использовании метода нейтронного радиационного анализа
