Системный анализ и обработка информации при использовании метода нейтронного радиационного анализа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Вишневкин, Андрей Борисович

• Вишневкин, Андрей Борисович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Вишневкин, Андрей Борисович

ВВЕДЕНИЕ.

ПЕРВАЯ

ГЛАВА

Обзор методов обнаружения взрывчатых веществ, постановка задачи».

ВТОРАЯ

ГЛАВА

Методология решения задачи уменьшения ложных тревог при использовании установок на основе метода НРА».

ТРЕТЬЯ

ГЛАВА

Формирователи и источники нейтронов».

ЧЕТВЕРТАЯ

ГЛАВА

Алгоритмы обработки данных для использования в установках НРА».

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Системный анализ и обработка информации при использовании метода нейтронного радиационного анализа»

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 магматического 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 HP А.

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 1IPA, 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 научнопрактической 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. H.JI. Духова, Москва, май 8

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 нейтронные генераторы и технологии на их основе», ВНИИА им. H.J1. 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 I 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.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Вишневкин, Андрей Борисович

Выводы

Разработанный формирователь обеспечивает необходимую для принятия решения плотность потока нейтронов в области точки целеуказания камеры. За счет конструкции формирователя облучается только подозрительная область, при этом в случае нахождения в подозрительной области ВВ в виде тонкого листа или стержня, полученной статистики достаточно для принятия решения об их наличии или отсутствии. Использование формирователя такой формы минимизирует появление ложных тревог от азотосодержащих предметов, не являющихся ВВ. Облучается только сравнительно небольшая область камеры, а в природе существует весьма немного органических веществ, близких по концентрации азота к ВВ, и имеющих, кроме этого, аналогичную плотность. Это, например, меламин, но его обычно не возят в багаже. При этом за счет использования алгоритмов обработки данных с весами влияние от обычных азотосодержащих вещей практически отсутствует.

Таким образом, щелевой формирователь наилучшим образом подходит для решения поставленной задачи. Он был успешно встроен в установку НРА и позволяет быстро и эффективно решать поставленные задачи. На рис.16 представлена установка НРА, производства ОАО «НТЦ РАТЭК», в которой используется щелевой формирователь.

Рисунок 16. Фотография установки НРА, модель УВП-5101 производства ОАО «НТЦ РАТЭК».

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА

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:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты, полученные в рамках данной работы, позволяют выработать рекомендации по эффективному использованию установок НРА на практике [45-49]. Во-первых, использование специального формирователя нейтронов и алгоритмов обработки данных позволяет использовать целеуказание на подозрительные области внутри исследуемого багажа и проверять не весь багаж, а только найденные с помощью, например, компьютерного томографа или рентгенотелевизионной установки, подозрительные области повышенной плотности и органической природы. Обнаруженный подозрительный багаж, при этом, перемещается на второй этап досмотра, где используется установка НРА, которая настраивается только на подозрительную область, и в автоматическом режиме принимает решение о наличии или отсутствии ВВ в этой области. Такой вариант использования установок НРА позволяет уменьшить время досмотра багажа в целом, так как на второй этап досмотра попадает только подозрительный багаж; значительно уменьшить количество ложных тревог, из-за уменьшения зоны досмотра и использования специальных алгоритмов обработки данных; значительно уменьшить затраты на обеспечение безопасности, так как одна установка НРА в эюм случае может проверять подозрительный багаж от нескольких рентгенотелевизионных установок на втором этапе; повысить безопасность персонала, так как при использовании установок НРА ненужно проводить дополнительный ручной досмотр, который может быть небезопасен для персонала и значительно повысить возможности обнаружения ВВ за счет преимуществ метода НРА.

Все полученные в работе результаты были использованы при разработке установок НРА, производства ОАО «НТЦ РАТЭК», в частности в модели УВП-5101, УВП-6101 и установки для контроля сдаваемого багажа. Установка УВП-5101 предназначена для контроля ручной клади и подозрительных предметов из багажа авиапассажиров. Установка УВП-5101 используется на втором этапе досмотра ручной клади и багажа авиапассажиров после их проверки на рентгенотелевизионных установках. УВП-5101 проверяет только подозрительный багаж и в своей работе использует целеуказание на подозрительную область от рентгенотелевизионной установки, т.е. в процессе досмотра па рентгенотелевизионной установке при обнаружении внутри исследуемого багажа областей и предметов, подозрительных на наличие ВВ (органическая природа и повышенная плотность), оператор помещает подозрительный багаж в установку УВП-5101, отмечает на сенсорном экране подозрительную область, которая соответствует подозрительной области внутри багажа, и установка автоматически проверяет только эту область на наличие ВВ в соответствии с алгоритмами, описанными в данной работе.

По результатам выполненной работы можно сформулировать следующие выводы:

1. Разработана математическая модель распределения азота в багаже, позволяющая минимизировать количество ложных тревог за счет сужения потока нейтронов и использования целеуказания на подозрительную область с помощью специального формирователя нейтронов и использования информации о нахождении подозрительного объекта внутри багажа.

2. Разработаны алгоритмы обработки данных детекторов при использовании целеуказания, позволившие значительно уменьшить количество ложных тревог до 5%-8% (ранее 20-40%) и минимизировать время анализа каждого исследуемого объекта до 10-15 секунд в зависимости от мощности источника нейтронов (ранее около 60 секунд).

3. Разработаны и предложены рекомендации по созданию установки на основе метода НРА и технологии организации принципиально новой двухступенчатой зоны досмотра багажа авиапассажиров на основе рентгенотелевизионных установок и установок НРА.

Предложенная технология досмотра: рентгенотелевизионные установки и установка НРА позволяет значительно уменьшить количество ложных тревог при работе установки на основе метода

НРА и значительно повысить эффективность досмотра в целом;

При оценке вероятности ложных тревог досмотрового комплекса в целом необходимо отметить, что уровень ложных тревог составляет не более 1-2,5%, что в настоящее время является наилучшим показателем среди всех существующих досмотровых средств (вероятность ложных тревог при использовании, например компьютерных томографов или рентгенотелевизионных установок составляет порядка 20-30%).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Вишневкин, Андрей Борисович, 2007 год

1. Ниэюаловский А.В , Защита и безопасность 4 (2001)16.

2. ФланагаиП., Электроника 13 (1989) 15.

3. GrodzinsL., Nucl. Instr. and Meth. Phys. Res. В56/57 (1991) 829.

4. Proceedings of First International Symposium on «Nuclear Physics Methods for Detection of Smuggled Explosives and Nuclear Materials» // Obninsk, Kaluga Region, Russia, April 8-11, 1996.

5. Вандышев Б А., Системы безопасности, связи, и телекоммуникаций 1 (1997) 24.

6. Оперативное детектирование взрывчатых веществ и скоростные нолевые количественные измерения. // Сб. переводов под ред. В.М. Грузнова. Новосибирск.: Новосибирский госуниверситет, 1998.

7. Ольшанский Ю.И., Системы безопасности, связи и телекоммуникаций // 20 (1998); 21 (1999) 87.

8. Коробков И.Н., Радчук Н.Б., Ушаков А Ю., Труды Второй Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности (5-8 апреля 1999). // СПб, 1999, т.2,184.

9. Щербаков Г.Н., Специальная техника 6 (1999) 34.

10. Грузное В.М., Иванов Н.А., Ольшанский Ю.И., Труды Четвертой Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности (3-6 апреля 2001). // СПб, 2001, 79.

11. Kuznetsov A. V., In Proceedings of the NATO Advanced Research Workshop on «Detection of Explosives and Landmines» // St.-Petersburg, 2001, NATO Science Series II. Mathematics, Physics and Chemistry 66 (2002)21.

12. Olshansky Y.I., Filippov S.G., Kyzyurov V.S et al., In Proceedings of the NATO Advanced Research Workshop on «Detection of Explosives and Landmines» // St.-Petersburg, 2001, NATO Science Series II. Mathematics, Physics and Chemistry 66 (2002) 125.

13. Иванов H.A., Кузнецов AB, Римский-Корсаков A.A, Вопросы оборонной техники, сер. 16 «Технические средства противодействия терроризму» 1-2 (2003) 17.

14. Орлова Е.Ю., Химия и технология бризантных взрывчатых веществ. М., 1960.

15. Краткая химическая энциклопедия. М.: Советская Энциклопедия, 1967.

16. Henderson B.W., Aviation Week & Space Technology March 25 (1991)34.

17. Hughes D., Aviation Week & Space Technology June 19 (1989).

18. Gallucci J., 1NTERSEC 4 (1994) 12.

19. Aviation Security In Practice, INTERSEC 4 (1994) 32.

20. Hughes D., Aviation Week & Space Technology March 25 (1991) 63.

21. Hassan A.M. et al, J. Phys. D: Appl. Phys. 16 (1983) 2061.

22. Ryde S.J.S. et al. Phys. Med. Biol. 34 (1989) 1429.

23. Henderson B.W., Aviation Week & Space Technology March 25 (1991) 55.

24. Nuclear Techniques Being Developed to Provide More Discriminating Explosive Detection Capability, Aviation Week & Space Technology March 25 (1991) 52. ,

25. Гавриш Ю.Н., Сидоров A.B., Фиалковский A.M., Вопросы оборонной техники, сер. 16 «Технические средства противодействия терроризму» 1-2 (2003) 35.

26. Гордеев И.В., Кардашев Д.А., Малышев А.В., Ядерно-физические константы. М.: Госатомиздат, 1963.

27. Habiger K.W., Clifford J.R., Miller R.B. et al., Nucl. Instr. and Meth. Phys. Res. B56/57 (1991) 834.

28. Trower W.P., Nucl. Instr. and Meth. B79 (1993) 589.

29. Karev A.I., Raevsky V.G., Konyaev J.A. et al., In Proceedings of the NATO Advanced Research Workshop on «Detection of Explosives and Landmines», St.-Petersburg, 2001, NATO Science Series II. Mathematics, Physics and Chemistry 66 (2002) 185.

30. Belovintsev K.A., Karev A.I. and Karakin V.G., Nucl. Instr. and Meth. A 2615 (1987), 36.

31. Olshansky Y.I., Filippov S.G. and Gjibovski N.E., United States Patent No: US 6,928,131 B2 "Method for detecting an explosive in an object under investigation" Date of Patent Aug.9, 2005. Prior Publication Data: Aug. 7, 2003.

32. Baum Ph., Aviation Security International 10 (2004) 4.

33. Вишневкии А Б., Иванов Н.А., Коробков ИН, Ольшанский Ю.И. «Методы обнаружения взрывчатых веществ». // Препринт 2693. Российская академия наук, Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова. Гатчина -2206.

34. Машкович ВП, Кудрявцева А.В. «Защита от ионизирующих излучений», Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1995. - 496 с.

35. Кирьянов Г. И. «Генераторы быстрых нейтронов». Москва: Энергоатомиздат, 1990. - 224 с.

36. Гума В. И, Демидов А М, Иванов В А., Миллер В В «Нейтронно-радиационный анализ». М.: Энергоатомиздат, 1984,. - 64 с.

37. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99): Гигиенические нормативы. М.: Центр санитарно-эпидемиологического нормирования, гигиенической сертификации и экспертизы Минздрава России, 1999. - 116 с.

38. Ольшанский Ю.И., Сорокин А.Г., Гольцев М.А., Вишневкин А.Б., Брук И.Б. Патент Российской Федерации № 2276352 на изобретение «Способ обнаружения взрывчатого вещества в контролируемом предмете». Приоритет изобретения 30 июля 2004 года.

39. Ольшанский Ю И., Жуков М.Н., Бакута Г.В., Вишневкин А.Б. Патент Российской Федерации № 2280248 на изобретение «Устройство для обнаружения взрывчатого вещества в контролируемом предмете». Приоритет изобретения 13 января 2005 года.

40. Ольшанский Ю.И., Вишневкин А.Б., Викдорович А.М

41. Использование установки УВП-5101 с нейтронным генератором