基于分层定界与对抗推演的物理系统风险预测与模拟体系的制作方法

本发明属于仿真验证与可信智能，尤其是涉及基于分层定界与对抗推演的物理系统风险预测与模拟体系。

背景技术：

1、在安全关键场景中，智能系统的运行必须经过严格的验证评测，以证明其在各种边界条件和异常场景下的安全性和可靠性。然而，复杂物理系统的状态空间维度极高，边界条件组合呈指数增长。以核电控制系统为例，仅考虑温度、压力、流量三类状态变量，每类变量取10个离散值，组合数即达；若扩展至十个状态变量，组合数将达，传统穷举测试方法完全不可行。

2、现有验证评测方法存在以下具体不足：

3、第一，边界覆盖不系统。缺乏对复杂物理系统状态空间边界的系统性确定方法，边界条件的选择多依赖专家经验，覆盖面和代表性不足，存在大量未探索的边界盲区。现有方法通常仅测试设计工况点和少量极端工况点，对边界空间的覆盖率往往不足5%。

4、第二，缺乏对抗性。现有推演多在正常或预设条件下进行，缺乏面向最坏情况的对抗性推演，无法主动发现系统的薄弱环节。攻击者或极端自然条件可能恰好利用这些薄弱环节导致系统失效，而常规测试无法暴露这些风险。

5、第三，风险预估不前瞻。现有方法多为事后统计或离线分析，缺乏基于世界模型的在线风险预估能力，无法在系统运行前预判潜在风险，丧失了在设计阶段消除风险的机会。

6、第四，推演与验证脱节。推演结果缺乏可复现的输入记录和可核验的输出标准，验证结论难以追溯，无法支撑工程验收和监管审计。当验证结论受到质疑时，缺乏完整的证据链支撑。

7、第五，评测指标不全面。现有评测多关注功能正确性（系统是否按预期工作），缺乏对推演稳定性（多次推演结果是否一致）、不确定性校准度（模型输出的置信区间是否可靠）和模型演进质量（模型更新后性能是否提升）的系统性评测。

8、第六，缺乏闭环改进机制。验证评测结果未能有效反馈至模型更新流程，评测发现的问题无法系统性地驱动模型改进，形成“评测-归因-改进”的闭环。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于分层定界与对抗推演的物理系统风险预测与模拟体系，能够系统性确定边界条件、主动生成对抗性场景、全面评估风险并形成可追溯验证结论。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于分层定界与对抗推演的物理系统风险预测与模拟体系，体系的实现包括以下步骤：

3、s1、对复杂物理系统的边界条件进行分层确定，形成四层边界空间；

4、s2、基于世界模型，在确定的边界条件下进行对抗推演；

5、s3、基于推演结果进行风险预测；

6、s4、构建对照基线，将推演结果与对照基线进行比较，计算验证评测指标，输出验证评测结论；

7、s5、判断验证评测结论是否满足要求，若不满足则执行异常归因分析，否则直接进行s6；

8、s6、生成风险预测与验证评测报告并将结果反馈至模型更新流程。

9、优选的，s1中的四层边界空间的定界过程如下：

10、状态空间层定界：基于物理规律、设备规格和运行约束，确定系统的个状态变量的取值范围；对每个状态变量确定其物理可行域和动态约束：

11、；

12、；

13、其中和分别表示预设的状态变量物理可行域的最低阈值和最高阈值；表示状态变量对时间的导数，表示状态变量的最大允许变化速率；

14、确定状态变量之间的组合约束集合；

15、；

16、其中表示第个耦合约束函数，为约束总数；

17、输入空间层定界：确定系统可能接收的输入范围，将输入空间划分为四个子域：

18、；

19、其中为正常输入域，为极端输入域，为异常输入域，为对抗性输入域；

20、环境层定界：确定环境条件的变化范围；

21、；

22、其中为气象条件范围，为电磁环境范围，为地形条件范围，为人为干扰范围；

23、时间层定界：确定评测的时间范围，并将其划分为三个尺度；

24、；

25、其中为短期瞬态响应窗口，为中期稳态运行窗口，为长期退化趋势窗口。

26、优选的，s1中的四层边界空间定界完成之后采用拉丁超立方采样与基于风险的采样相结合的混合策略生成边界条件组合集。

27、优选的，s2的过程如下：

28、s21、对抗边界生成：通过优化算法在世界模型中搜索使风险指标最大化的边界条件组合；定义最优对抗边界如下：

29、；

30、；

31、其中表示边界条件，表示状态风险度量函数，为推演时间范围，表示第个状态变量在时刻的值，为安全阈值，为各状态变量的风险权重，表示第个状态变量的最大值；

32、s22、得到对抗边界之后执行五类推演，包括正常场景推演、边界场景推演、异常场景推演、级联场景推演和长期退化推演；

33、s23、基于推演结果输出候选状态轨迹集合、风险分布、关键节点标识、异常事件序列和恢复路径。

34、优选的，s22中的五类推演如下：

35、正常场景推演：在正常边界条件下推演系统运行轨迹，验证功能正确性；

36、边界场景推演：在边界条件下推演系统响应，验证边界处理能力，其中表示边界空间的边界面；

37、异常场景推演：在异常输入和环境突变中的任一种条件下推演系统响应，验证鲁棒性；

38、级联场景推演：推演单一故障引发的级联影响链，验证系统隔离和恢复能力；

39、长期退化推演：推演系统长期运行后的性能退化趋势，验证退化预警能力。

40、优选的，s3风险预测的过程如下：

41、s31、进行风险识别，从推演结果中识别潜在风险事件集合，风险事件类型包括功能失效、性能退化、安全越限和级联故障；

42、s32、风险识别完成之后进行风险量化，对每种风险事件计算其发生概率和后果严重度，定义风险值过程如下：

43、；

44、；

45、；

46、其中为推演总次数，为第次推演中出现的风险事件集合，为风险事件对第个后果维度的影响函数，为后果维度权重；

47、s33、进行风险排序，根据风险值对风险事件进行降序排序，生成风险优先级列表；

48、s34、进行风险可接受性判定：将风险值与可接受阈值进行比较；

49、；

50、当时，属于不可接受的风险，此时生成缓解措施建议，包括设计修改建议、运行限制建议和监控加强建议；

51、当时，属于可接受的风险，进行s4。

52、优选的，s4的过程如下：

53、s41、构建四类对照基线，过程如下：

54、s411、基于历史运行数据的统计分布构建，包括均值、方差和分位数构造历史基线；

55、s412、基于简化模型或解析解的理论预测构建模型基线；

56、s413、基于受控实验的实测数据构建对照实验基线；

57、s414、基于领域专家判断的预期结果构建专家基线；

58、s42、对照基线构建完成之后，计算验证评测指标，过程如下：

59、s421、计算推演准确性；

60、；

61、其中表示对照基线中的参考状态，表示实际的状态；

62、s422、计算推演稳定性；

63、；

64、其中表示多次推演结果的方差，表示多次推演结果二阶矩的均值；

65、s423、计算不确定性校准度；

66、；

67、其中为预测的置信区间，为验证集，表示实际的状态值；

68、s424、计算风险预估质量；

69、；

70、其中为风险识别召回率，为风险识别精确率，为风险排序一致性，、和分别表示对应的风险权重参数；

71、s425、计算边界覆盖度；

72、；

73、其中为已覆盖的边界区域集合，为总边界空间；

74、s426、计算模型演进质量；

75、；

76、其中和分别表示推演前后的综合性能指标；

77、s43、对每项评测指标进行评测，给出合格和不合格的判定，并附判定依据和置信度。

78、优选的，s5的过程为接收s4的判定结果，当评测结果不满足要求时进行异常归因，否则进行s6；

79、异常归因的过程如下：

80、s51、检查输入数据质量，计算数据质量分数，进行数据归因；

81、；

82、其中为原始数据，为期望值，为数据点置信度；

83、当低于预设的数据质量阈值时判定为数据归因；

84、s52、检查模型结构和参数，通过交叉验证识别模型的容量不足、过拟合和欠拟合情况，进行模型归因；

85、；

86、其中和分别表示模型在训练集和测试集上的损失，表示模型的交叉验证识别结果；

87、当超过交叉验证识别阈值时判定为模型归因；

88、s53、检查边界条件设定，通过灵敏度分析识别边界遗漏和边界过严的情况，进行边界归因；

89、；

90、其中表示状态变量的灵敏度；

91、s54、检查推演过程，识别数值误差、截断误差和收敛问题，进行推演归因；

92、s55、根据归因结果生成归因分析报告，并明确偏差来源和改进方向，之后进行s6。

93、优选的，s6的风险预测与验证评测报告包括以下内容：

94、评测范围描述：边界空间定义、采样策略和推演场景集；

95、推演过程记录：每次推演的输入条件、推演参数和输出结果；

96、风险预测结论：风险事件列表、风险量化结果和风险优先级排序；

97、验证评测指标：各指标的计算值、合格判定和判定依据；

98、归因分析结果：偏差来源和改进方向；

99、改进建议：针对不可接受风险和评测不达标项的具体改进措施。

100、优选的，体系通过物理系统风险预测与模拟系统实现，包括用于对复杂物理系统的边界条件进行四层分层确定的分层定界模块；

101、用于采用混合采样策略生成边界条件组合集的边界组合生成模块；

102、基于世界模型执行五类推演和对抗边界生成的对抗推演模块；

103、基于推演结果进行风险识别、量化、排序和可接受性判定的风险预测模块；

104、用于构建对照基线、计算评测指标和生成验证结论的验证评测模块；

105、用于对评测不达标项执行四维归因分析的异常归因模块；

106、用于生成完整的风险预测与验证评测报告的评测报告生成模块。

107、因此，本发明采用上述的基于分层定界与对抗推演的物理系统风险预测与模拟体系，具有以下有益效果：

108、（1）通过四层分层定界方法，实现了边界空间的系统性确定和全面覆盖，消除了依赖专家经验的局限性；

109、（2）通过对抗边界生成算法，主动搜索系统最薄弱环节，将风险发现从“被动等待”提升为“主动搜索”；

110、（3）通过五类推演体系，全面评估系统在正常、边界、异常、级联和退化场景下的风险；

111、（4）通过四类对照基线和六维评测指标体系，形成可复现、可核验、可追溯的验证结论；

112、（5）通过四维归因分析和闭环反馈机制，实现模型的持续改进。

113、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。