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機場飛行區(qū)安防系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計探究

2021-05-16 10:32丁寧
科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2021年13期
關(guān)鍵詞:防區(qū)報警輔助

丁寧

(博康云信科技有限公司上海分公司,上海200233)

機場飛行區(qū)安全防范系統(tǒng)主要取決于飛行區(qū)機坪及圍界安全。飛行區(qū)圍界作為空側(cè)與陸側(cè)隔離的主要安全屏障,建設(shè)過程存在時間長、范圍廣、數(shù)量多、更新快的現(xiàn)狀,需建設(shè)一套擴展性好、兼容性強、運行穩(wěn)定的安防系統(tǒng),針對多廠家不同設(shè)備要能兼顧共性和差異,同時為后期建設(shè)提供前瞻性,將需增加的功能或者接入的設(shè)備預(yù)留對接接口,避免后期安防系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大面積重寫和替換。

1 項目概況

本項目屬于改造擴建項目,視頻監(jiān)控系統(tǒng)將標(biāo)清攝像機升級為高清攝像機,同時按機場7003 規(guī)范擴大了錄像時間到90 天。圍界探測報警系統(tǒng)從原來總線型的報警設(shè)備更換為物聯(lián)網(wǎng)報警設(shè)備,將報警精度提高到3-5 米一個防區(qū)單位,設(shè)備數(shù)量增加到8 千多個。輔助照明系統(tǒng)保留了原有圍界位置的兩套系統(tǒng),在新建設(shè)的區(qū)域增加了一套新的輔助照明系統(tǒng)。圍界廣播保留了原有圍界位置的兩套圍界廣播系統(tǒng),在新建設(shè)的圍界區(qū)域新增一套廣播系統(tǒng)。新增一套智能分析系統(tǒng)用于圍界越界預(yù)警。因此,機場飛行區(qū)安防系統(tǒng)需要將一套視頻監(jiān)控系統(tǒng)、一套圍界報警系統(tǒng)、一套智能分析系統(tǒng)、三套輔助照明系統(tǒng)和三套圍界廣播系統(tǒng)統(tǒng)一控制管理。

2 系統(tǒng)工作流程

2.1 日常工作模式,主要使用視頻監(jiān)控系統(tǒng)對圍界的環(huán)境進行了解掌控,通過圍界廣播系統(tǒng)與崗?fù)せ蛘哐策壢藛T進行語音溝通,每日定時對輔助照明系統(tǒng)進行開關(guān)操作,檢查系統(tǒng)運行狀況和故障信息。

2.2 報警工作模式,出現(xiàn)報警信息,系統(tǒng)自動切換,對圍界報警系統(tǒng)和智能分析系統(tǒng)的接入獲取圍界闖入或觸碰攀爬圍欄報警信息,將報警信息采集后交給事件管理服務(wù)進行清洗、匹配、轉(zhuǎn)換、聯(lián)動控制消息生成等工作,最后將聯(lián)動控制消息交給呈現(xiàn)端進行報警信息的電子地圖位置顯示、報警實時視頻圖像在電視墻或者大屏幕顯示系統(tǒng)進行切換,同時控制視頻系統(tǒng)的報警防區(qū)關(guān)聯(lián)的球機實現(xiàn)預(yù)置位轉(zhuǎn)向,向圍界廣播系統(tǒng)發(fā)送前端報警音并打通控制中心與前端圍界廣播的喊話通道,對前端入侵行為進行勸阻警示,部分報警區(qū)域的輔助照明系統(tǒng)執(zhí)行開啟操作,補充光源。當(dāng)工作人員處理完畢后,關(guān)閉輔助照明系統(tǒng)、關(guān)閉語音廣播、關(guān)閉報警視頻聯(lián)動,系統(tǒng)恢復(fù)到日常工作模式。

3 系統(tǒng)集成平臺管理系統(tǒng)架構(gòu)

以高內(nèi)聚、松耦合為理念,通過采用微服務(wù)架構(gòu)將業(yè)務(wù)系統(tǒng)組件化和服務(wù)化,整個集成平臺分為三層:設(shè)備接入層、服務(wù)管理層和應(yīng)用框架層,如圖1 所示。

3.1 設(shè)備接入層

圖1 系統(tǒng)集成平臺管理系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

設(shè)備接入層用于屏蔽不同廠商安防產(chǎn)品接口的差異性,對平臺提供統(tǒng)一的設(shè)備接入接口及適配服務(wù),在開發(fā)中使用了微服務(wù)的架構(gòu)設(shè)計方法[1],針對每個廠商產(chǎn)品提供獨立組件,不同組件間沒有業(yè)務(wù)上的耦合調(diào)用,可以獨立開發(fā)和獨立部署,極大的提高了工作效率。

以報警設(shè)備為例,首先設(shè)計用于保存報警設(shè)備編碼、IP 地址、訪問用戶名、密碼等信息的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu),報警設(shè)備的接入組件讀取這些信息后,調(diào)用廠家提供的SDK,輸入以上設(shè)備信息后連接到所有的報警設(shè)備。建立好連接后,通過SDK提供的報警上報接口獲取非法觸碰、攀爬等信息,然后將信息進行篩選,同一個設(shè)備在一個時間段內(nèi)重復(fù)的報警信息只向上層服務(wù)發(fā)送一次。

對于廣播設(shè)備,采用同樣方式設(shè)計用于保存廣播設(shè)備的設(shè)備編碼、廣播終端通道、廣播是否空閑狀態(tài)、音量大小等信息的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu),由于廣播設(shè)備采用的是TCP 網(wǎng)絡(luò)通信的方式來下發(fā)控制命令和狀態(tài)信息上傳的,因此要根據(jù)廠家提供的TCP 通信協(xié)議來解析和創(chuàng)建命令包。考慮到有三種不同的圍界廣播設(shè)備,為每種設(shè)備開發(fā)了一個接入服務(wù),服務(wù)之間不會有消息交互,通過各自的通信協(xié)議來管理圍界廣播設(shè)備。

其它幾種設(shè)備也采用相類似的微服務(wù)架構(gòu)進行設(shè)計。

根據(jù)現(xiàn)場需接入設(shè)備類型將對應(yīng)的接入組件啟動,若某些設(shè)備需升級更換,只要把對應(yīng)的組件停止運行即可從系統(tǒng)架構(gòu)中移除。其中各個廠商的安防子系統(tǒng)獨立運行,自行實現(xiàn)內(nèi)部業(yè)務(wù)流程,和集成平臺的接入僅有數(shù)據(jù)交互而無功能耦合,集成平臺中的組件是否運行正常也不會影響各個廠商安防子系統(tǒng)的正常工作。

3.2 服務(wù)管理層

服務(wù)管理層提供各類運行服務(wù),包括統(tǒng)一管理服務(wù)和事件管理服務(wù)兩大部分。其中統(tǒng)一管理服務(wù)包括身份認(rèn)證管理、資源管理和系統(tǒng)配置管理。事件管理服務(wù)包括事件配置服務(wù)、事件轉(zhuǎn)換服務(wù)和報警聯(lián)動服務(wù)。

身份認(rèn)證管理使用非對稱加密算法對用戶密鑰進行管理[2],設(shè)計了身份認(rèn)證服務(wù)供需要認(rèn)證的終端訪問,終端連接上身份認(rèn)證服務(wù)后,向服務(wù)端請求服務(wù)公鑰,然后用服務(wù)公鑰加密終端公鑰然后將加密的信息發(fā)送給服務(wù)端,服務(wù)端收到信息后,用服務(wù)私鑰進行解密,同時保存這個連接提供的終端公鑰,這樣服務(wù)端和終端完成了服務(wù)公鑰和終端公鑰的交換。終端然后向服務(wù)端發(fā)送登錄信息,包含用戶名、密碼的登錄信息經(jīng)過服務(wù)公鑰加密后發(fā)送服務(wù)端,服務(wù)端用服務(wù)私鑰解密后來進行用戶名和密碼的認(rèn)證,通過認(rèn)證后,根據(jù)不同用戶分配對應(yīng)權(quán)限。

資源管理考慮到圍界報警設(shè)備數(shù)量有8 千多個探測器,首先采用防區(qū)分級的方式將探測器劃歸不同的防區(qū),例如現(xiàn)場劃分了150 個防區(qū),這樣每個防區(qū)就只有60 個左右的探測器,通過給每個探測器分配一個地址碼作為在歸屬的防區(qū)內(nèi)唯一標(biāo)識這個設(shè)備,例如01-23 指01 號防區(qū)的第23 號地址碼的探測器,當(dāng)收到報警消息時,上傳的信息中帶有防區(qū)號和地址碼,通過這兩個信息可以唯一確定這個探測器,然后在數(shù)據(jù)庫的聯(lián)動配置中,可以檢索到這個探測器關(guān)聯(lián)的攝像機、廣播、輔助照明等設(shè)備信息。由于這些數(shù)據(jù)都存放在數(shù)據(jù)庫中,每次訪問數(shù)據(jù)庫都會給數(shù)據(jù)庫造成一定的壓力,在報警量比較頻繁的時候就會引起排隊檢索,訪問數(shù)據(jù)積壓問題又會影響報警的響應(yīng),不能滿足即時的性能要求??紤]到數(shù)據(jù)庫主要進行資源配置信息的檢索,頻繁寫入的要求不高,數(shù)據(jù)庫中的配置數(shù)據(jù)一般不會發(fā)生變化,因此在設(shè)計時采用了高性能的Redis 來對關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進行補充。Redis 是Key-Value 數(shù)據(jù)庫,可以將關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中的資源配置信息緩存在內(nèi)存中,通過哈希算法進行快速的訪問。例如將防區(qū)號和地址碼作為參數(shù)查詢對應(yīng)的探測器時,服務(wù)首先通過Redis 的接口查詢在內(nèi)存中是否已經(jīng)保存了這個探測器的信息,如果沒有保存,服務(wù)會訪問關(guān)系型數(shù)據(jù)庫把存放在設(shè)備數(shù)據(jù)表中對應(yīng)的探測器信息獲取出來,同時保存一份在Redis 的內(nèi)存中,可以將“01-23”這個字符串作為Key,其它的信息數(shù)據(jù)作為Value,這樣當(dāng)下次服務(wù)再進行查詢時會發(fā)現(xiàn)Redis 中已經(jīng)保存了這個探測器的信息,就直接獲取此信息,無需再到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)了。在實際中通過使用Redis,可以將檢索的時間從2s 縮短到20ms,極大的提高了效率。

事件配置服務(wù)保存了每種事件類型所應(yīng)當(dāng)攜帶的信息,例如不同的圍界報警設(shè)備有的帶有設(shè)備ID,有的帶有IP 地址,這些信息需要記錄在事件中進行傳輸。筆者設(shè)計統(tǒng)一的事件信息結(jié)構(gòu),包括設(shè)備ID、設(shè)備IP 地址、設(shè)備地址碼等,如果圍界報警設(shè)備不包含設(shè)備地址碼,只有IP 地址,那么設(shè)備地址碼字段設(shè)置為空,通過這種統(tǒng)一的事件信息結(jié)構(gòu)才能在接入層和服務(wù)層用一套標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)解析出正確的信息,再轉(zhuǎn)給事件轉(zhuǎn)換服務(wù)進行轉(zhuǎn)換。

事件轉(zhuǎn)換服務(wù)根據(jù)配置信息,將報警事件轉(zhuǎn)換為發(fā)送給不同聯(lián)動設(shè)備,其中包括:發(fā)送給呈現(xiàn)端的包含防區(qū)ID、區(qū)域位置、聯(lián)動的攝像機以及球機預(yù)置位的信息。發(fā)送給圍界廣播接入服務(wù)的包含廣播設(shè)備ID、播放警示音的索引、播放音量大小和播放自動關(guān)閉時間的信息。發(fā)送給輔助照明接入服務(wù)的包含照明設(shè)備ID、開關(guān)照明命令的信息。

報警聯(lián)動服務(wù)將轉(zhuǎn)換好的事件信息發(fā)送給呈現(xiàn)端因為包含了防區(qū)ID、區(qū)域位置,系統(tǒng)電子地圖就可以查詢出應(yīng)當(dāng)將哪個區(qū)域進行居中高亮顯示,然后將聯(lián)動的攝像機編號輸入到視頻模塊進行視頻切換。如果聯(lián)動的是球機,就將球機的預(yù)置位發(fā)送給視頻模塊,視頻模塊給球機發(fā)送調(diào)用預(yù)置位的命令,進行球機預(yù)置位移動。發(fā)送給輔助照明接入服務(wù)的信息帶有照明設(shè)備ID 和開關(guān)命令,輔助照明接入服務(wù)通過調(diào)用廠家的SDK,將設(shè)備ID 和開關(guān)命令作為參數(shù)調(diào)用相應(yīng)的接口,來控制照明設(shè)備的開啟關(guān)閉。發(fā)送給廣播接入服務(wù)的信息通過廠家的SDK 接口打開指定設(shè)備ID 的廣播號角,根據(jù)警示音的索引來播放對應(yīng)的聲音文件,通過音量數(shù)值調(diào)整播放聲音的大小。

由于需要在多個分布式系統(tǒng)間同步數(shù)據(jù),在不同進程間進行消息交換,雖然單個數(shù)據(jù)量不大,但是數(shù)據(jù)的數(shù)量多,對于反應(yīng)速度和可靠性要求極高,通過傳統(tǒng)的TCP 服務(wù)監(jiān)聽轉(zhuǎn)發(fā)的模式無法滿足項目的需求。通過研究,選擇了RabbitMQ消息服務(wù)中間件,采用發(fā)布/訂閱消息的模式進行數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)報警接入服務(wù)產(chǎn)生報警信息時,需要將數(shù)據(jù)“發(fā)布”到RabbitMQ 的消息隊列中,消息隊列會自動將數(shù)據(jù)推送到事先“訂閱”該消息的系統(tǒng),例如事件轉(zhuǎn)換服務(wù)。所以,若某個接入服務(wù)需要獲得接入消息,只需事先“訂閱”該消息即可,如果不需要該類消息,只需“取消訂閱”即可。同樣,例如廣播和輔助照明接入服務(wù)需要獲取控制命令信息,只要通過消息服務(wù)中間件訂閱這些消息即可。通過消息服務(wù)中間件,報警聯(lián)動管理平臺軟件內(nèi)部的各個接收和轉(zhuǎn)發(fā)模塊,就可以徹底的解耦了。同時,消息傳輸?shù)膶崟r性和可靠性,都獲得極大的提高。

3.3 應(yīng)用框架層

應(yīng)用框架層是平臺的最終用戶GUI,提供各類應(yīng)用及前端呈現(xiàn),以友好的用戶界面進行平臺數(shù)據(jù)的查詢和管理。它具有更強的業(yè)務(wù)性,可以統(tǒng)一監(jiān)視、控制和管理所有可視、可控的安防設(shè)備,并快速可視化定義跨系統(tǒng)的信息交換或設(shè)備聯(lián)動規(guī)則。

3.4 平臺物理架構(gòu)

平臺的物理架構(gòu)根據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)劃分為安防業(yè)務(wù)、視頻業(yè)務(wù)和通用業(yè)務(wù),主要由相關(guān)的服務(wù)器設(shè)備來承載。每個服務(wù)器作為負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)模塊的獨立單位進行部署。平臺物理架構(gòu)如圖2 所示。

4 系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計

安防系統(tǒng)主要對多個子系統(tǒng)進行集成,將孤立的系統(tǒng)整合為有機整體,實現(xiàn)信息交互,保證在報警發(fā)生時,聯(lián)動子系統(tǒng)完成突發(fā)事件處理。因此將系統(tǒng)功能設(shè)計為兩種模式:日常模式和報警模式。在日常模式下,主要包含視頻調(diào)閱、電子地圖、輔助照明、廣播控制和系統(tǒng)配置等功能。在報警模式下,主要包含報警管理和視頻、廣播、燈光聯(lián)動功能。

圖2 系統(tǒng)集成平臺物理架構(gòu)示意圖

4.1 日常模式

該模式主要為了機場工作人員日常工作時通過檢查圍界視頻圖像,判斷飛行區(qū)周圍環(huán)境是否正常,是否存在不明人員徘徊,對智能分析系統(tǒng)進行報警區(qū)域規(guī)劃調(diào)整。

通過圍界廣播與現(xiàn)場巡邏以及崗?fù)すぷ魅藛T進行指揮和溝通,上報正常或者異常情況。

在現(xiàn)場光照不足時,通過手動開啟輔助照明系統(tǒng)對現(xiàn)場環(huán)境進行補光,并按照季節(jié)變化,進行夜間打開輔助照明,白天關(guān)閉輔助照明的自動配置。

在電子地圖上查看所有設(shè)備的狀態(tài)和分布,同時能快速的預(yù)覽每一個攝像頭的視頻圖像。

針對歷史的報警信息進行檢索、分類、過濾、打印等工作,供機場工作人員分析和預(yù)測。

日常模式的功能主要在應(yīng)用框架層實現(xiàn),根據(jù)視頻設(shè)備廠家提供的SDK,實現(xiàn)實時視頻調(diào)閱、歷史錄像查詢、錄像播放控制、錄像下載、球機控制等功能。

在應(yīng)用框架層實現(xiàn)輔助照明控制的應(yīng)用界面,通過調(diào)用廠家的SDK,實現(xiàn)輔助照明的開關(guān)控制。

在應(yīng)用框架層實現(xiàn)廣播控制的應(yīng)用界面,通過調(diào)用廠家的SDK,實現(xiàn)廣播的遠(yuǎn)程喊話功能和播放警示音功能。

4.2 報警模式

該模式是圍界在發(fā)生人員進入警戒區(qū)域或者觸碰攀爬圍界時引發(fā)的一系列聯(lián)動操作,在系統(tǒng)的呈現(xiàn)端電子地圖上居中顯示發(fā)生報警的防區(qū)以及報警的級別、類型等。

在大屏顯示系統(tǒng)中切換發(fā)生報警的防區(qū)關(guān)聯(lián)的攝像機的視頻圖像,如果該防區(qū)配置了一體化球機,則調(diào)用相應(yīng)的球機預(yù)置位指向防區(qū)位置,顯示清晰的詳情信息。

聯(lián)動圍界廣播系統(tǒng),在報警發(fā)生的防區(qū)播放警示音,同時打通指揮室或者附近崗?fù)さ暮霸捦ǖ?對前端的報警行為進行勸阻和警示。

聯(lián)動輔助照明系統(tǒng),打開報警防區(qū)范圍的燈光,照亮周圍環(huán)境,確保工作人員能夠清晰了解現(xiàn)場情況。

工作人員處理完畢該防區(qū)報警信息后,聯(lián)動關(guān)閉,系統(tǒng)返回到日常模式中。

報警模式的功能主要在服務(wù)層實現(xiàn),由聯(lián)動服務(wù)完成子系統(tǒng)的聯(lián)動控制功能,聯(lián)動服務(wù)設(shè)計為windows 服務(wù)的方式,隨服務(wù)器系統(tǒng)啟動。

通過RabbitMQ 注冊報警消息,當(dāng)RabbitMQ隊列里收到圍界報警消息和視頻預(yù)警消息時,轉(zhuǎn)發(fā)給聯(lián)動服務(wù),調(diào)用預(yù)先定義好的聯(lián)動配置,調(diào)用視頻的SDK,驅(qū)動球機移動到報警點位置。在聯(lián)動配置中取出報警防區(qū)對應(yīng)的廣播功放ID,調(diào)用廣播系統(tǒng)的SDK,在指定的廣播號角播放報警語音。調(diào)用輔助照明系統(tǒng)提供的SDK,打開對應(yīng)照明。

5 系統(tǒng)調(diào)試與優(yōu)化

穩(wěn)定性調(diào)試采用由局部到整體的方案:調(diào)試每個微服務(wù)模塊的穩(wěn)定性,再整體聯(lián)調(diào),跟蹤平臺的穩(wěn)定性,避免微服務(wù)模塊出現(xiàn)問題后在系統(tǒng)運行中不斷放大。

性能調(diào)試采用由整體到局部的方案:將經(jīng)過穩(wěn)定性調(diào)試完畢的系統(tǒng)根據(jù)功能列表逐一檢查運行效率,找出性能不足,檢查實現(xiàn)該功能的整個環(huán)節(jié)的性能指標(biāo)加以完善。

調(diào)試時發(fā)現(xiàn),微服務(wù)架構(gòu)隔離了不同模塊間的差異,避免了連鎖反應(yīng),增強了穩(wěn)定性,但導(dǎo)致日志信息過于分散,無法進行篩選檢索。為此,使用日志分析組件,調(diào)整代碼,將微服務(wù)日志都調(diào)用日志分析組件的接口,由日志分析組件來接收所有日志信息,并通過其檢索篩選工具定位問題。

Redis 數(shù)據(jù)庫改善了檢索性能,但設(shè)備呈現(xiàn)性能出現(xiàn)了瓶頸,過多設(shè)備一次性顯示在電子地圖上會出現(xiàn)感覺延遲。為此,采用分組顯示、延遲加載,將所有設(shè)備根據(jù)區(qū)域不同分成多組,在需要顯示設(shè)備時,將設(shè)備信息在內(nèi)存中緩存好,當(dāng)要查看某個區(qū)域設(shè)備時,只呈現(xiàn)這部分的數(shù)據(jù),大幅提升顯示速度。

6 結(jié)論

基于機場飛行區(qū)新舊安防系統(tǒng)并存從而導(dǎo)致管理難度提升的現(xiàn)狀,提出解決方案:放棄直觀單體架構(gòu),采用微服務(wù)架構(gòu)將新舊安防系統(tǒng)從設(shè)計上隔離,實現(xiàn)模塊間松耦合和高內(nèi)聚。減少模塊間關(guān)聯(lián)程度,在保證獨立性的同時為模塊更新、部署、問題調(diào)試提供便利,降低開發(fā)調(diào)試工作量與維護成本。采用Redis 內(nèi)存數(shù)據(jù)庫,緩存大量設(shè)備配置、聯(lián)動配置信息,通過哈希算法快速查詢數(shù)據(jù),避免頻繁訪問數(shù)據(jù)庫引起性能瓶頸,加快響應(yīng)速度。微服務(wù)和Redis優(yōu)缺點并存,需平衡二者結(jié)合實踐摸索完善,讓技術(shù)更好地為項目服務(wù)。

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