雷群泌

（湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421005）

0 引言

城市安防系統(tǒng)是城市安全的保護屏障，能夠有效減少社會安全隱患[1]。隨著“平安城市”、“智慧城市”等城市智能安防建設(shè)項目的提出和實施，城市安防系統(tǒng)也在持續(xù)完善和升級，同時，大數(shù)據(jù)技術(shù)的飛速發(fā)展為城市安防系統(tǒng)提供了更整體化、智能化的有力支持[2]。如何將先進的大數(shù)據(jù)技術(shù)與城市安防系統(tǒng)結(jié)合，成為研究建設(shè)城市安防系統(tǒng)的熱門話題[3]。該文設(shè)計的基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的數(shù)字化城市智能安防系統(tǒng)總體框架分為監(jiān)控報警層、數(shù)據(jù)傳輸層和接警處理層。通過監(jiān)控攝像頭實時采集、編碼視頻信號，并在邊緣端完成視頻智能分析，對識別到的指令目標(biāo)進行自動報警處理，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)上傳至公安專網(wǎng)主系統(tǒng)，再由接警處理中心進行調(diào)閱查看，建立基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的高效、智能的數(shù)字化城市安防系統(tǒng)，保障城市安防工作順利進行。

1 建立城市智能安防系統(tǒng)總框架

基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的數(shù)字化城市智能安防系統(tǒng)主要分為3個部分：監(jiān)控報警層、數(shù)據(jù)傳輸層以及接警處理應(yīng)用層。監(jiān)控報警層由覆蓋整個城市的各個監(jiān)控子系統(tǒng)共同組成，通過為每個監(jiān)控子系統(tǒng)設(shè)備植入大數(shù)據(jù)處理技術(shù)模塊，增加系統(tǒng)智能性，減少無效數(shù)據(jù)的內(nèi)存占據(jù)；數(shù)據(jù)傳輸層由光纖作為傳輸介質(zhì)，將視頻數(shù)據(jù)上傳至云存儲服務(wù)器，以滿足大數(shù)據(jù)的存儲管理需求；接警處理層以安防系統(tǒng)運行服務(wù)平臺為主體，通過串連匯接整個城市的公共監(jiān)控子系統(tǒng)，并在大數(shù)據(jù)技術(shù)的支持下，搭建集成的智能化安防管理主系統(tǒng)，幫助公安機關(guān)實現(xiàn)遠(yuǎn)程的取證和調(diào)度。

2 城市智能安防系統(tǒng)硬件設(shè)計

目前，城市中常見的視頻監(jiān)控攝像頭以模擬監(jiān)控攝像頭和數(shù)字監(jiān)控攝像頭為主，由于城市現(xiàn)有安防系統(tǒng)的前端設(shè)備類型較多，情況較為復(fù)雜，因此，模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)更適合對舊系統(tǒng)的改造升級[4]。該文提出的城市智能安防系統(tǒng)監(jiān)控層硬件設(shè)計使用模擬高清攝像頭（AHD攝像頭），配有AHD復(fù)合信號光纖發(fā)射/接收模塊，采用Xilinx公司Kintex-7系列的FPGA芯片作為主控，同時攜帶嵌入式Linux操作系統(tǒng)，用于在系統(tǒng)中植入邊緣計算模型，為前端設(shè)備賦予大量數(shù)據(jù)計算處理能力和數(shù)據(jù)存儲功能。數(shù)據(jù)傳輸層使用SFP+收發(fā)一體光模塊，配合FPGA芯片組成穩(wěn)定高效的光纖傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程高速傳輸。

3 城市智能安防系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 監(jiān)控報警層設(shè)計

3.1.1 實時采集、編碼監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)

當(dāng)城市智能安防系統(tǒng)前端的AHD監(jiān)控攝像頭采集到實時的視頻信號后，模擬視頻信號會傳輸至FPGA芯片系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器中，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并由DSP處理器根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸及通信協(xié)議進行視頻編碼、成幀。其中，芯片處理系統(tǒng)采用H.265編碼方式，通過GPU進行視頻壓縮，能夠快速完成實時的視頻編碼處理并減少CPU的占用。同時，在嵌入式Linux中運用拉格朗日函數(shù)設(shè)置自適應(yīng)調(diào)整算法，約束并控制H.265編碼模式，對其進行率失真優(yōu)化，提高系統(tǒng)魯棒性，并盡可能保證輸出比特流的比特率和失真度之間的平衡。視頻編碼模式如公式（1）和公式（2）所示。

式中：I為編碼模式；J（S，）代表損失函數(shù)；S為視頻數(shù)據(jù)樣本；λ為拉格朗日乘子；D（S，I）代表輸出比特流的失真度；R（S，I）代表輸出比特率（編碼碼率），最小時為最優(yōu)編碼模式。由于視頻數(shù)據(jù)樣本Sk在完成編碼后，其輸出比特流的失真度及編碼碼率僅和編碼模式Ik有關(guān)，即，因此，損失函數(shù)J最小化計算如公式（3）所示。

通過以上公式，計算每個樣本Sk相對應(yīng)的最優(yōu)編碼模式，控制視頻在相應(yīng)的編碼模式下的輸出效率，不僅保證監(jiān)控視頻的壓縮數(shù)據(jù)量，而且實現(xiàn)大量視頻數(shù)據(jù)的高速存儲。

3.1.2 基于邊緣計算的結(jié)構(gòu)化視頻處理

由于安防系統(tǒng)前端的監(jiān)控攝像頭內(nèi)置計算能力較低，因此，在嵌入式Linux操作系統(tǒng)中植入邊緣計算模型，將具有計算能力的硬件單元集成到邊緣端系統(tǒng)的軟硬件平臺上，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)源側(cè)的就近數(shù)據(jù)預(yù)處理，有效緩解城市安防系統(tǒng)大數(shù)據(jù)傳輸和云端處理的壓力，降低不必要的系統(tǒng)運行成本。模擬視頻信號在完成數(shù)字化轉(zhuǎn)換后，視頻數(shù)據(jù)將在邊緣計算系統(tǒng)中獲得進一步智能分析，結(jié)合邊緣計算技術(shù)進行視頻結(jié)構(gòu)化處理，去除視頻圖像冗余信息[5]?；谶吘売嬎愕慕Y(jié)構(gòu)化視頻處理系統(tǒng)邏輯如圖1所示。

圖1 城市智能安防系統(tǒng)前端視頻處理系統(tǒng)框圖

原始視頻在經(jīng)過數(shù)字化編碼處理后，將在嵌入式Linux系統(tǒng)的智能處理模塊中，通過邊緣計算獲得視頻幀圖像內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化分析，在邊緣端完成監(jiān)控視頻內(nèi)容數(shù)據(jù)的預(yù)處理。系統(tǒng)會智能識別視頻幀圖像內(nèi)容，提取圖像中人、車的各種特征屬性信息并整合歸檔，同時判斷監(jiān)控視頻中人、車違規(guī)違法行為，并向上端發(fā)送事件報告。在目標(biāo)查找等系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)場景下，由人工輸入目標(biāo)特征屬性信息，邊緣端監(jiān)控設(shè)備在對視頻進行結(jié)構(gòu)化預(yù)處理時，會根據(jù)特征信息鎖定并追蹤目標(biāo)，及時提交目標(biāo)檢測結(jié)果和相關(guān)視頻數(shù)據(jù)，為城市安防工作的深入開展提供有力支持[6]。同時，邊緣計算系統(tǒng)具有彈性儲存功能，能夠通過算法感知監(jiān)控場景內(nèi)存在的行為特征，智能調(diào)整視頻存儲數(shù)據(jù)，保留證據(jù)性數(shù)據(jù)的同時減少無效視頻的存儲，提高芯片的數(shù)據(jù)緩存空間有效使用率，從而實現(xiàn)監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)的高效存儲。

3.1.3 自動發(fā)送報警信息

當(dāng)出現(xiàn)以下2種情況時，前端監(jiān)控系統(tǒng)將自動向接警處理中心發(fā)送報警信息：1）系統(tǒng)在任務(wù)指令為識別監(jiān)控中異常行為時，將根據(jù)視頻分析結(jié)果和相應(yīng)的事件等級，向上發(fā)送分級報警信息。2）系統(tǒng)在任務(wù)指令為追蹤某目標(biāo)時，將通過目標(biāo)特征屬性和視頻結(jié)構(gòu)化分析中提取的信息，快速識別鎖定偵查目標(biāo)，并發(fā)送報警信息至接警處理中心。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸層設(shè)計

考慮到城市安防監(jiān)控視頻的采集和存儲相對分散，難以實現(xiàn)整個城市安防系統(tǒng)上下端的統(tǒng)一互聯(lián)，因此采用光纖作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，由FPGA和SFP+光模塊、光纖電纜組成光纖傳輸系統(tǒng)，用于構(gòu)建整體的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)字視頻信號的遠(yuǎn)程高速傳輸。光纖傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程如圖2所示。

圖2 光纖傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程簡圖

攝像頭采集到的視頻為發(fā)送端數(shù)據(jù)，首先會送入FPGA的A/D轉(zhuǎn)換器中，由模擬視頻信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字視頻信號，在視頻獲得編碼和結(jié)構(gòu)化分析后，視頻數(shù)據(jù)繼續(xù)經(jīng)過發(fā)送端FPGA的GTX收發(fā)器完成串并轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)流以并行形式進入SFP+光模塊，通過電光轉(zhuǎn)換器將電信號轉(zhuǎn)化為光信號，并經(jīng)由光纖將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C的云存儲服務(wù)器中。當(dāng)n路數(shù)據(jù)進入云存儲服務(wù)器時，將在服務(wù)器中完成大數(shù)據(jù)的智能整合和備份存儲，再通過光纖繼續(xù)發(fā)送至主系統(tǒng)接收端設(shè)備。接收端的SFP+光模塊會再次將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，并進一步通過接收端FPGA的GTX收發(fā)器完成高速串行數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換，在視頻數(shù)據(jù)完成解幀、解碼后，由接收端D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號重新恢復(fù)為模擬視頻信號，并在接警處理層的設(shè)備上顯示出來。

3.3 接警處理層設(shè)計

通常情況下，城市安防系統(tǒng)的前端監(jiān)控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)排查城市安全隱患，觀測城市中的違規(guī)、違法行為，接警處理中心不需要占用過多的公安人力資源，便能通過系統(tǒng)完成大部分城市安防工作，如在城市的交通管理中，通過道路攝像頭智能識別、標(biāo)記違章車輛，自動記錄車輛信息，并以短信的方式通知車主進行違章處理[7]。而在有出警需求的信息條件下，如打擊違法犯罪行為、追蹤犯罪分子等需要公安機關(guān)出警的情況，接警處理中心主系統(tǒng)則會根據(jù)報警信息迅速作出反應(yīng)，具體工作流程如圖3所示。

圖3 有出警需求下的接警處理系統(tǒng)工作流程圖

當(dāng)服務(wù)中心接到前端監(jiān)控系統(tǒng)上傳的犯罪分子信息后，接警處理主系統(tǒng)將進一步向110指揮中心發(fā)出報警信息，同時使用系統(tǒng)的警情路徑預(yù)測模塊和警情處理模塊對報警信息和視頻數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)智能分析整合，自動生成電子地圖和出警調(diào)度方案，并與原始數(shù)據(jù)一同打包發(fā)送至指揮中心，通過大數(shù)據(jù)智能安防系統(tǒng)，幫助公安機關(guān)更高效地完成城市治安管理工作，有效保障城市公共安全。

4 測試試驗

4.1 試驗準(zhǔn)備

采用C/S模式作為系統(tǒng)架構(gòu)，使用Canal數(shù)據(jù)庫，硬件設(shè)備選擇HIKVISION公司的DS-2CE16G0T-IT5型號高清監(jiān)控攝像頭，以Xilinx公司Kintex-7 FPGA的XC7K480T作為主控芯片，采用GIGALIGHT公司的12G-SDI型號SFP+收發(fā)一體光模塊，并利用多模光纖組成數(shù)據(jù)傳輸通道，組建基本的小型安防系統(tǒng)。同時，為減少單個設(shè)備造成的試驗誤差，設(shè)置三組相同的監(jiān)控子系統(tǒng)，連接同一安防管理主系統(tǒng)，以此開展基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的數(shù)字化城市智能安防系統(tǒng)的測試試驗。

4.2 試驗結(jié)果

為驗證基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的數(shù)字化城市智能安防系統(tǒng)的可行性，隨即選取7個時間節(jié)點，分別對三組系統(tǒng)進行測試試驗，記錄系統(tǒng)的實時監(jiān)控視頻信號采集耗時、視頻結(jié)構(gòu)化智能分析耗時、結(jié)構(gòu)化處理的準(zhǔn)確率以及視頻數(shù)據(jù)傳輸速率的相關(guān)綜合數(shù)據(jù)，并計算出平均值作為結(jié)果數(shù)據(jù)，以減少誤差。具體測試結(jié)果見表1。

表1 綜合測試試驗結(jié)果

為了進一步驗證城市智能安防系統(tǒng)的高效性，同時對3組系統(tǒng)的采集、編碼、傳輸各工作階段的時間延遲數(shù)據(jù)進行測算，并統(tǒng)計各節(jié)點時延平均值。時間延遲測試數(shù)據(jù)結(jié)果見表2。

從表1、表2的數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)監(jiān)控視頻的采集時間小于350 ms，視頻結(jié)構(gòu)化分析處理的時間在2 s以內(nèi)，視頻分析準(zhǔn)確率大于98%，數(shù)據(jù)傳輸速率保持在9 GB/s以上，說明智能安防系統(tǒng)的運行效率、大數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確程度均可以滿足城市安防工作的需求，系統(tǒng)具備一定的可行優(yōu)勢。并且監(jiān)控視頻的編碼、分析時間延遲在20ms以內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸時延全部小于1.5 ms，存儲時延在20 ms以內(nèi)，系統(tǒng)總時延不超過35 ms，說明系統(tǒng)整體延遲較低，能夠使數(shù)字化城市智能安防系統(tǒng)高效地運行。

表2 時間延遲測試平均數(shù)據(jù)結(jié)果

5 結(jié)語

綜上所述，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的飛速發(fā)展，在城市安防系統(tǒng)中使用大數(shù)據(jù)技術(shù)，建立數(shù)字化智能安防系統(tǒng)，能夠有效提高城市安防工作效率，保障城市安全。基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的數(shù)字化城市智能安防系統(tǒng)總框架主要包括監(jiān)控報警層、數(shù)據(jù)傳輸層和接警處理層。通過監(jiān)控報警層系統(tǒng)進行實時監(jiān)控視頻的采集和編碼，在邊緣端完成視頻結(jié)構(gòu)化分析處理后，系統(tǒng)根據(jù)指令情況發(fā)出報警信息，相關(guān)視頻數(shù)據(jù)會快速上傳至接警處理中心，為公安機關(guān)提供高清視頻證據(jù)支持，以此建立具有人車異常行為管理及犯罪分子追蹤等功能的城市智能安防系統(tǒng)。并且，通過測試試驗，驗證了該系統(tǒng)的可行性。