化学工艺装置损失预防物理防护系统的动态有效性评估：双层增量优化模型

《Journal of Loss Prevention in the Process Industries》：Dynamic Effectiveness Evaluation of Physical Protection Systems for Loss Prevention in Chemical Process Plants: A Two-Layer Incremental Optimization Model

　　

## 摘要

化工过程设施在布局密集、通道受限的环境中处理危险化学品。在入侵事件中，动态激活的安全屏障可以改变对手的路径，因此基于固定地图的物理防护系统（PPS）评估可能无法捕捉不断变化的探测机会和响应时间余量。本研究提出了一种连续动态路径分析方法，该方法将摄像头特定的物理探测事件定义为对覆盖区域的一次连续访问，采用基于对手序列中断估计法（EASI）逻辑的首次有效报警递归，对候选路径进行事后EASI评估，并引入两层增量重新规划机制。每次屏障状态变化后，从对手当前位置更新剩余路径，同时保留已执行的前缀以及累积的探测、报警和响应历史记录。在一个53×77栅格的案例中，事件聚合避免了因将四个连续覆盖的单元格视为独立报警而产生的22.41%相对高估。在两次在线更新中，该方法记录的顶点处理工作量分别比Dijkstra算法低27.31%、比A*算法低17.77%。固定轨迹敏感性分析表明，中断概率随事件级探测和通信成功概率的增加而增加，随平均响应时间的增加而减小。该方法支持安全重组后的路径级PPS重新评估。

## 引言

化工行业中的重大损失通常源于工艺事件，如火灾、爆炸、有毒物质泄漏和危险化学品泄漏。化工工厂的特点是危险化学品库存集中，储罐、反应器、管廊和公用设施之间相互依赖性强，设备间距紧凑，事故可能向相邻装置传播。与维护相关的通道封闭、吊装作业和紧急隔离也可能暂时改变内部道路和门禁点的可达性。除了设备故障、操作失误和工艺偏差之外，蓄意的入侵、破坏或未经授权接近高后果目标也可能引发事故。因此，化工过程设施的损失预防必须同时考虑工艺安全屏障和工艺安保屏障，并动态重新评估关键路径、探测覆盖范围和响应可达性。

物理防护系统（PPS）是工艺安保的事前保护屏障。其主要功能是探测、延迟和响应，报警传输支持这些功能的实现。在化工厂中，受保护的目标可能包括储罐和关键阀门组等高后果资产、反应器、装卸站、管廊、公用设施和控制室。尽管国际原子能机构（IAEA）核安保建议和Garcia的基于性能的PPS设计方法最初主要用于核设施安保，但其资产识别、威胁定义、路径分析、响应时间和纵深防御的概念可以应用于处理危险化学品的过程设施[1]、[2]。在本研究中，条件路径中断概率被定义为特定路径、威胁和设施状态下的及时中断概率。它不包括中断后的消除过程，因此既不是完整的PPS有效性，也不是设施的整体事故风险[24]、[36]。

EASI（对手序列中断估计法）是评估PPS路径中断的经典方法。它建立了对手行动序列中探测概率、通信概率、剩余延迟时间和响应时间之间的关系，使用条件路径中断概率来表征系统的中断能力[3]、[4]。EASI的一个关键优势在于其透明的事件逻辑，便于解释每个探测位置对中断结果的贡献。然而，经典EASI主要针对预定义的静态对手序列。当设施内部出现局部封闭、摄像头退化、响应资源变化或对手当前位置更新时，仅通过序列评估无法快速识别新的脆弱路径或更新其中断概率。

在化工过程设施中，蓄意破坏可能通过危险化学品泄漏、点火或关键控制功能丧失来引发工艺事故。Reniers等人讨论了化工和过程行业的安保风险评估，Varadharajan和Bajpai综述了过程行业安保风险评估的演变，Ab Rahim等人综述了评估工艺安全、工艺安保和韧性的方法[12]、[13]、[14]。蓄意攻击还可能引发多米诺效应，使局部损伤升级为火灾、爆炸、有毒物质泄漏或级联生产停产[15]、[16]、[33]。因此，化工设施的PPS路径评估应考虑危险目标的暴露、维护相关变化、应急准备和安保资源配置。尽管如此，条件路径中断概率仍须与攻击频率和后果模型结合后，才能纳入完整风险分析[34]、[35]。

二维地图模型为PPS路径评估提供了空间表示。SAPE将传统的对手序列图扩展到二维设施地图上，允许道路、障碍物、探测覆盖范围和候选路径在统一的空间模型中表示[5]、[6]。MAPPS、MAVA和基于EASI的多路径代码进一步将该方法扩展到多路径和参数变异性分析[7]、[8]、[9]。然而，在栅格地图中，一个闭路电视监控覆盖区域通常被划分为多个单元格。如果将这些单元格错误地视为相互独立的事件，条件路径中断概率将随栅格细化而虚假膨胀，这可能误导防护升级和应急资源分配。

路径搜索算法为二维PPS评估提供了计算基础。Dijkstra算法求解非负权图上的最短路径问题，而A*算法通过启发式函数减少节点扩展[17]、[18]。在动态环境中，D* Lite通过维护g值、rhs值和局部一致性，在相似搜索任务间复用历史代价信息[19]。任意时间动态A*进一步研究了动态重新规划中效率与解质量之间的关系，而多目标路径搜索则为联合建模长度、时间、风险和其他目标提供了基础[20]、[21]。然而，PPS脆弱路径问题并不等同于常规最短路径问题。路径长度和局部风险可以表示为可加性代价，但EASI中断概率取决于探测事件顺序、首次有效报警语义和响应及时性，因此不能简单地压缩为单一边权。

表1总结了与本研究相关的主要研究领域。现有研究已分别探讨了PPS功能定义、条件路径中断概率计算、二维地图建模、多路径分析、动态风险和图搜索。然而，在设施条件动态变化的情况下，一种能够同时处理空间可达性、探测事件物理语义、EASI概率递归和局部在线更新的统一方法仍不可用。在基于栅格的评估中，特别是，探测覆盖单元格与物理传感事件之间的关系必须显式建模，否则概率估计将依赖于栅格分辨率。

为了解决这些局限性，本研究开发并评估了一种面向化工过程设施损失预防的动态PPS路径分析框架。该框架在空间离散化下保留探测事件的物理含义，并在设施状态局部变化后更新代理候选路径及其条件路径中断概率。主要贡献如下：（1）引入首次有效报警语义，在探测或通信失败后保留后续报警机会，使EASI更适合连续空间路径和多摄像头覆盖。（2）通过连通分量聚合将物理探测区域作为事件单元处理，防止栅格细化后对单个摄像头覆盖区域的重复计数，从而提高路径级中断估计的栅格划分一致性。（3）将剩余延迟域与代理风险域分离，并在代理风险层引入基于局部一致性的增量修复，使得在维护相关通道封闭、紧急隔离、探测退化或当前位置变化后能够快速更新候选路径。本研究输出工艺安保和损失预防的候选脆弱路径、区域聚合EASI中断概率以及在线更新工作量。

## 章节片段

### 动态PPS有效性评估的问题定义

将厂区离散化为一组空间单元格，在时刻$t$构建约束图模型为$G = (V, E, A)$，其中$V_L$是低探测覆盖的可通行单元格集合，$V_D$是探测覆盖单元格集合，$v_s$是对手初始位置，$v_t$是受保护目标，$A$是探测概率、通信概率、延迟参数和响应资源状态集合。使用四邻域连通性构建$G$。

相邻节点之间的移动延迟

### 化工过程设施与损失预防场景

案例研究考虑一个包含门卫室、办公区、实验室、维修车间、工艺装置、公用设施区、储罐区、内部服务道路和消防站的化工过程设施。受保护目标固定为储罐区的关键阀门组；对该阀门组的蓄意操纵被视为潜在的泄漏前兆。图2展示了主要设施区域和摄像头位置。图3展示了栅格编码方案。

### 初始路径与动态重新规划结果

图4展示了同一次行程中两个进入触发事件和累积重新规划。面板（a）展示了$S_0$时刻的初始候选路径，此时$O_1$和$O_2$均处于未激活状态。面板（b）固定从起点到当前位置的已执行前缀，激活$O_1$，并展示从当前位置开始的$E_1$后缀。面板（c）进一步固定到当前位置的累积前缀，在$O_1$保持激活的同时激活$O_2$，并展示$E_2$后缀。

表3报告了完整的候选轨迹，包括已执行的

## 结论

本研究通过结合摄像头身份和一次连续覆盖访问定义的物理探测事件、首次有效报警递归、事后EASI路径评估和两层增量重新规划，为化工过程设施物理防护系统开发了一种连续动态路径分析方法。每次安全屏障状态变化后，该方法从对手当前位置重新规划剩余路径，同时保留已执行的前缀和累积探测、报警、响应历史记录。

## CRediT作者贡献声明

刘春强：方法论。张琪：资源。张孟雪：调查。王勇东：形式分析。赵东：验证。裴刚：软件。邹博文：撰写——初稿

## 利益冲突声明

作者声明在本文发表过程中不存在利益冲突。

## 致谢

本研究部分由国家自然科学基金委员会资助（批准号62302377）。

邹博文 | 裴刚 | 张孟雪 | 张琪 | 赵东 | 王勇东 | 刘春强
西安电子科技大学杭州研究院，中国杭州 311231