实物保护系统服务于核电站建造、运行和退役阶段,利用人、程序以及装置设备确保核设施和核材料免受盗窃、抢劫或非法转移核材料以及核设施破坏等威胁。目前随着国际反恐形势的日益恶化,更需要对核材料和核设施的安保问题给予高度关注,建立有效的实物保护系统有效性评价体系和方法提高核电站安保水平、确保核安全至关重要。论文从核电站实物保护系统设计、评估和演练培训等三个层次开展研究工作,研究内容包括:(1)实物保护系统三维建模:采用Unity3D作为平台,利用虚拟现实技术构建核电站实物保护系统三维模型,实现实体防护装置设计的直观效果。(2)实物保护系统有效性分析:将终止敌手入侵评估方法(EASI)与三维模型相结合,根据实体防护装置生成入侵序列图(ASD),进而建立实物保护系统有效性的数学模型,通过量化分析入侵序列图中每条入侵路径对实物保护系统有效性进行评估,判别在虚拟环境下所设计的实物保护系统是否满足设计要求,并进一步进行敏感参数分析,识别改进实物保护系统设计的关键。(3)实物保护系统入侵路径分析:针对实际工程实践中通常难以枚举ASD图中每条入侵路径的难点,采用启发式算法实现薄弱路径的智能搜索。将启发式方法运用到三维模型中,通过三维平台进行分析入侵路径和响应路径。同时,启发式方法有助于核电站工作人员进行三维模拟仿真演练。(4)实物保护系统软件可靠性分析:根据软件代码的逻辑结构建立软件可靠性的层次化模型和数学模型,进而将软件可靠性模型转化为贝叶斯网络模型,根据软件代码的测试结果进行软件可靠性的定量评估。对软件可靠性层次化建模平台进行了设计和开发,实现了图形化建模、贝叶斯网络模型的自动转换、软件可靠性分配、软件可靠性定量评估以及敏感单元和敏感路径分析等功能。(5)实物保护系统内部威胁评估:提出将内部威胁与实物保护系统保护装置失效模式相互关联。使用经典FMEA方法分析实物保护系统保护装置失效模式,讨论保护装置的共因失效问题。结合EASI方法,在假设条件下,论文最后定性评估实物保护系统内部威胁。(6)实物保护系统虚拟演练:使用统一建模语言作为实物保护系统演练方法,采用DiD风险监控平台作为虚拟演练平台。设计好的实物保护系统规程遵循平台操作原则,转化为平台理解的状态和事件。虚拟演练有助于加强核电站工作人员和反应部队对实物保护系统的认知,以及每次实物保护系统更新后的模拟。论文在以下方面取得创新成果:(1)提出一种利用Unity3D技术在虚拟环境下,综合进行核电站实物保护系统设计、评价和演练的一体化平台技术。(2)提出启发式算法求解实物保护系统入侵路径和防御路径,分析实物保护系统有效性。Unity 3D作为虚拟环境下实物保护系统三维仿真平台,平台结合启发式搜索算法,实现实物保护系统路径智能化分析。(3)提出结构层次化建模分析实物保护系统软件可靠性,实现软件可靠性分配和分析。结构层次化建模方法能自动识别软件代码结构,建立代码模型,通过在软件生命周期各阶段对软件进行可靠性分配和分析,确保软件无故障运行,提高实物保护系统有效性。(4)提出内部威胁定性评估方法,降低实物保护系统内部敌手入侵的可能性。分析内部工作人员进出关键区域的授权情况和检测人员的监控范围,发现员工管理薄弱点。论文通过对实物保护系统建模层、分析层以及演练层进行研究,建立一套可以在虚拟环境下展开实物保护系统设计、分析和演练的综合方法。虚拟实物保护系统能提高核电厂工作人员对核安保的整体认知,有助于提高核电厂安保预防和解决威胁的能力。