清華大學校園安防系統(tǒng)建設與應用

韓 標，張 軒

（1.清華大學 保衛(wèi)處，北京 100084；2.清華大學 網絡科學與網絡空間研究院，北京 100084）

安防系統(tǒng)是平安校園建設的重要技術保障和支撐，對維護校園安全穩(wěn)定、預防安全事故、快速及時追查違法犯罪線索、有效威懾違法犯罪行為、提升學校安保效率具有重要意義［1－2］。目前，數(shù)字化、網絡化、高清化和智能化已成為安防監(jiān)控系統(tǒng)技術發(fā)展的趨勢，也是新一代安防監(jiān)控系統(tǒng)應遵循的技術路線［3－10］。本文對清華大學校園安防系統(tǒng)的總體設計和框架進行了說明，對安防專網、管理平臺和主要應用系統(tǒng)進行了描述，對該系統(tǒng)在安全保衛(wèi)工作中的實際應用效果進行了介紹。

1 總體設計

1.1 總體目標與遵循的原則

校園安防系統(tǒng)主要應實現(xiàn)校園治安、消防、交通的實時監(jiān)控、信息存儲和聯(lián)動的基本功能；實現(xiàn)指揮中心的集中監(jiān)控和分控中心二級聯(lián)動指揮功能；實現(xiàn)可視化、快速響應的指揮調度和智能監(jiān)控功能。其總體方案設計遵循以下原則。

（1）技術先進性。技術方案要符合學校發(fā)展趨勢，具有技術先進性，要體現(xiàn)數(shù)字化、網絡化、智能化和視頻質量全高清及統(tǒng)一的管理調度平臺的技術方向。

（2）可擴展性。清華大學校園面積大，需要考慮監(jiān)控節(jié)點的擴展和院系監(jiān)控系統(tǒng)的接入，需要考慮構架的可擴展性，例如在傳輸網絡方面要考慮充分的帶寬預留，考慮集中式存儲和分布式存儲的結合等。

（3）安全可靠。安全方面主要體現(xiàn)在安防網絡的物理隔離和用戶權限的分級管理。在可靠性方面，要實現(xiàn)網絡連接冗余、存儲冗余備份，設備的自動巡檢和報告機制等。

（4）易用性和易管理性。除了用統(tǒng)一的平臺外，基于IP的松耦合使得各子系統(tǒng)既有一定的獨立性，又有統(tǒng)一的入口，使得易操作。易用性的另外一方面是設備的自動檢測和對特定情境的智能識別與報警，以減少管理和值班人員的工作量。

（5）應急處理的可視化、機動性和實時交互。主要體現(xiàn)在基于多方音視頻通信的指揮調度，基于移動實時音視對話的電子巡更等。

（6）智能化。主要包括在線智能監(jiān)控和離線智能檢索［11］。

校園安防系統(tǒng)的數(shù)字化、網絡化和統(tǒng)一平臺是實現(xiàn)以上目標的基礎，視頻質量的高清化、指揮調度的可視化和快速機動是應用發(fā)展趨勢。

清華大學保衛(wèi)處與清華大學網絡科學與網絡空間研究院密切配合，由該院根據保衛(wèi)處的需求進行了方案的總體設計。

1.2 系統(tǒng)總體結構和組成

校園安防監(jiān)控系統(tǒng)由4部分組成（見圖1）。

（1）安防專網。安防專網是與校園網在物理上獨立的專用網絡，按主干網和接入網二層構架設計，作為網絡基礎設施和數(shù)據傳輸平臺，實現(xiàn)安防音視頻數(shù)據與控制信號的網內傳輸和可控的對外互聯(lián)。

（2）安防管理平臺與應用支撐系統(tǒng)。實現(xiàn)平臺的綜合管理功能，除具備視頻監(jiān)控、存儲與回放及基本的平臺管理功能外，還具有GIS電子地圖、網絡與設備狀態(tài)監(jiān)測與管理等應用支撐功能。

（3）應用系統(tǒng)。由各應用子系統(tǒng)構成，包括車牌識別與交通管理子系統(tǒng)、視頻指揮調度與電子巡更子系統(tǒng)、智能監(jiān)控/智能檢索子系統(tǒng)以及其他擴展的應用子系統(tǒng)。

（4）監(jiān)控指揮中心和分控中心。通過管理平臺對安防系統(tǒng)進行實時監(jiān)控和整體管理調度，分控中心是二級控制節(jié)點，實現(xiàn)區(qū)域監(jiān)控和接受指揮中心的調度。

圖1 安防系統(tǒng)組成架構

2 安防專網的建設

2.1 建設安防專網必要性

為安防系統(tǒng)建設專網而不是復用已有的校園網，主要基于兩方面的考慮：一是安全性，二是流量隔離。

安防系統(tǒng)有較高安全性要求，安防系統(tǒng)主要用于安全保衛(wèi)部門實時監(jiān)控和查詢用，不允許其他用戶訪問；安防專網應對監(jiān)控區(qū)域的訪問進行安全分級，而校園網是一個公共互聯(lián)網絡，所有師生都可訪問。

流量隔離是基于監(jiān)控視頻數(shù)據流量大的需求。目前高清監(jiān)控視頻的單路流量平均約為4Mbit/s，以500個部署節(jié)點為例，如全部匯聚到監(jiān)控中心存儲，則控制中心的入流量可達2Gbit/s?？紤]到監(jiān)控節(jié)點的擴容（IPC數(shù)量增加），則流量負載會進一步增加。當然也可通過分布式存儲方式來降低主干流量，但分布式存儲要求分控節(jié)點要有恒溫恒濕機房，并增加了分控點安全管理和維護的成本和風險，例如分數(shù)據丟失或泄密的風險。

2.2 安防專網設計

安防專網采用二層構架，一級為主干網，二級為接入網。

一級網絡采用雙核雙星拓撲結構，核心交換機到一級匯聚交換機節(jié)點作鏈路冗余，以保障主干網絡的可靠性。由于校園面積比較大，按照分區(qū)匯聚的原則設置約20個一級匯聚節(jié)點，其中7個流量較大的一級節(jié)點設計為萬兆上行，其余設計為千兆上行。

二級網絡節(jié)點大部分采用工業(yè)交換機，根據IPC分布密度和布線方案決定二級匯聚節(jié)點的數(shù)量和分布位置。網絡攝像機（IPC）直接接入二級網絡節(jié)點（二級匯聚交換機）。二級節(jié)點一般根據位置分布就近連接到附近的一級匯聚點。

3 安防管理平臺與應用支撐系統(tǒng)

3.1 視頻監(jiān)控、存儲與平臺基本功能

視頻的實時監(jiān)控、存儲和回放是平臺的基本功能，設備配置管理與用戶分級權限管理是大型監(jiān)控系統(tǒng)的基本要求。

實時監(jiān)控和回放主要包括對IPC設備的快速查找、支持多種視頻布局顯示、云臺控制功能等，支持按照起始/終止時間（日歷）的檢索和回放等。

穩(wěn)定可靠的視頻存儲是系統(tǒng)的核心功能。除采用N＋1的RAID冗余外，系統(tǒng)還采用存儲設備關鍵部件的冗余技術、磁盤碎片避免技術、針對流媒體優(yōu)化的RAID技術等提高存儲的可靠性。

在兼容性方面，要求平臺具有良好的兼容性和可擴展性，除兼容各種前端設備外，也能為其他子系統(tǒng)及功能的增加提供接口或開發(fā)接口。

3.2 GIS地圖的可視化管理支撐

GIS電子地圖作為一個增強的應用支撐子系統(tǒng)，融合到平臺管理中并為其他應用提供支撐。GIS地圖的功能，一是將監(jiān)控點位、消防點位分層標注在GIS地圖上，使監(jiān)控節(jié)點的地理位置屬性得到體現(xiàn)；二是在電子巡更系統(tǒng)中，巡更員的位置信息和軌跡（GPS位置）能夠實時在地圖上顯示和標定。

本系統(tǒng)對GIS地圖的基本要求是基于分層管理、具有方便的定制功能和可擴展性：

（1）具有放大、縮小、定位、測距等功能；

（2）具有良好的定制功能，能夠將監(jiān)控、消防、報警等要素方便地在地圖上標注和定制，方便添加和刪除（見圖2）；

（3）具有分層開關功能，能夠將各種部署要素（監(jiān)控攝像機/消防探測點/報警點等）以分層方式在GIS地圖上顯示；

（4）能將巡更節(jié)點實時軌跡顯示在GIS地圖上；

（5）具有開放性，能提供開發(fā)接口以與其他模塊的融合。

圖2 在GIS地圖上標注IPC視頻監(jiān)控節(jié)點

3.3 基于GIS可視化管理的應用

GIS地圖的優(yōu)點是直觀，尤其是在快速查找和應急指揮時優(yōu)勢明顯。

在查找監(jiān)控節(jié)點或錄像時，通常的方法是在列表中查找或根據IPC名稱搜索，當使用者記不住IPC名稱時，通過GIS地圖，可直接在地圖上找到標注的攝像機，直接點擊打開即可。

對于只知道區(qū)域的情況、但位置不明確的攝像機，通過鼠標在GIS地圖上選擇區(qū)域，管理系統(tǒng)會快速將該選中區(qū)域所有的監(jiān)控攝像機以列表方式顯示出來，從而用戶可逐一查找或選擇列表中的某一個攝像機察看視頻及錄像。

圖3是對清華大學校園某個區(qū)域選擇后生成的IPC列表和視頻的顯示。

圖3 基于GIS地圖選擇區(qū)域IPC

3.4 網絡與設備狀態(tài)的監(jiān)測與管理

對系統(tǒng)的運行和維護而言，網絡和設備的工作是否正常是需要實時監(jiān)控的。如果網絡或設備（IPC設備或存儲設備）出現(xiàn)故障而沒有及時被發(fā)現(xiàn)，就會使故障區(qū)域和時段監(jiān)控視頻記錄缺失，這對問題查詢和案件偵破均是不利的。通過對設備和網絡建立實時狀態(tài)監(jiān)測和報警，能夠及時發(fā)現(xiàn)問題，進行故障排除和維修。

圖4是網絡實時監(jiān)控圖，包括網絡通斷情況、網絡流量和擁塞情況。當網絡正常時，連接線為綠色；當網絡出現(xiàn)擁塞時，連接線就顯示為紅色報警。

圖4 網絡狀態(tài)監(jiān)控圖

圖5是IPC設備在線狀態(tài)的監(jiān)控和統(tǒng)計。通過該列表圖可直觀看到有哪些IPC出現(xiàn)了故障或處于離線狀態(tài)，從而通知維護人員及時處理和修復。

4 應用系統(tǒng)

4.1 交通管理

圖5 IPC在線狀態(tài)實時監(jiān)控

交通管理是基于部署于各校門與主要路口的卡口系統(tǒng)，實現(xiàn)車牌識別、記錄查詢、流量統(tǒng)計、車速告警、布控管理和停車引導等功能。

卡口攝像機部署于各校門與主要路口，對通過車輛的車牌實時識別，識別車體顏色和大小車型等主要特征并按時間進行存儲。系統(tǒng)支持時間檢索、快速檢索和時間區(qū)間流量統(tǒng)計等基本功能；能夠對車輛速度進行判斷，對超過規(guī)定速度車輛進行超速記錄、存儲和告警，對超速車輛抓拍記錄。

交通布控管理功能是對進入黑名單的車輛進行管理和告警，包括對黑名單車輛進入的實時報警，對黑名單車輛的歷史記錄查詢和生成。

此外，通過與停車場車位統(tǒng)計信息系統(tǒng)和信息發(fā)布系統(tǒng)配合，可以進行停車導引服務等。

4.2 指揮調度

指揮調度系統(tǒng)是基于清華大學網絡中心自主研發(fā)的多點高清視頻會議系統(tǒng)TH－HDVCS［12］建立起來的，并增加了對監(jiān)控視頻流的選擇接入和調度功能。其中高清視頻會議是基于H.264編碼，采用SVC的分層可擴展視頻編碼和軟交換架構，實現(xiàn)了多點視頻通信功能，而對音頻則仍然采用服務器混音處理方式。這種架構使視頻的接入和控制方式靈活且成本較低。

由于軟交換對標準視頻流的接入具有靈活性，視頻會議系統(tǒng)能方便地將支持ONVIF標準的監(jiān)控視頻流接入到視頻會議中，從而實現(xiàn)多方音視頻通話指揮和對監(jiān)控視頻流調度的功能一體化。

4.3 基于GIS與GPS的電子巡更

為了保持通用性和靈活性，移動巡更終端基于Android平臺開發(fā)。移動終端音視頻采集編碼后通過RTP發(fā)送給指揮中心，由指揮中心計算機對視頻進行多窗口顯示和多路音頻對話的混音處理。

移動終端通過3G或4G網絡連接到指揮中心。對于部分只有音頻對話的終端，則采用價格更為便宜的GPRS。移動終端通過網絡將音視頻數(shù)據和GPS位置信息發(fā)送到指揮中心，通過動態(tài)更新，在指揮中心的GIS地圖上顯示巡更人員的行走軌跡和當前位置，同時顯示巡更移動終端所拍攝到的實時視頻，并實現(xiàn)實時通話對講（見圖6）。

圖6 基于GIS和GPS的電子巡更

4.4 智能監(jiān)控

智能監(jiān)控包括絆線檢測、徘徊檢測、入侵檢測、人群聚集等，此外，還部署了視頻摘要和基于特征的智能視頻檢索。本文僅以絆線檢測和徘徊檢測為例予以說明。

（1）絆線檢測。校園室外為典型越線入侵檢測部署場景，絆線檢測用于對重點場所的侵入防護、圍墻翻越檢測、限制區(qū)域的侵入防護等。在視頻監(jiān)控視場中設定警戒線和警戒方向，檢測視頻監(jiān)控中的絆線行為并產生告警（見圖7）。

圖7 絆線檢測

（2）徘徊檢測。校園室外為典型徘徊檢測部署場景，徘徊檢測用于對重點場所的可疑人員徘徊滯留的監(jiān)控。在監(jiān)控區(qū)域內，對設定區(qū)域內的人員滯留、徘徊行為進行自動檢測，并對滯留、徘徊行為產生告警。支持多邊形監(jiān)控區(qū)域設置，只有進入區(qū)域內的目標才能觸發(fā)告警（見圖8）。

圖8 徘徊檢測

5 監(jiān)控指揮中心和分控中心

5.1 監(jiān)控指揮中心與分控中心

指揮中心兼具指揮調度中心與數(shù)據中心職能。數(shù)據中心既是安防專網的核心節(jié)點，也是管理服務器、存儲服務器和應用服務器的存放節(jié)點。指揮中心通過客戶端訪問服務器，實現(xiàn)集中的實時監(jiān)控、管理和調度。

分控中心按區(qū)域分布設置，它不但是區(qū)域的值班室和監(jiān)控室，還是網絡的區(qū)域節(jié)點，起到網絡流量區(qū)域匯聚作用，此外還可作為分級存儲節(jié)點，以減輕指揮中心的流量和存儲負擔。

5.2 拼接大屏顯示系統(tǒng)

目前拼接大屏顯示系統(tǒng)有兩種，一種是LED光源的液晶顯示LCD，一種是基于LED或激光光源的DLP。前者的優(yōu)點是價格相對便宜，但有7mm的間隙，后者則基本無間隙，但價格要貴一些。在光源方面，無論LCD還是DLP，如果都選擇LED光源，則在節(jié)能和壽命上是接近的，但激光光源比LED光源具有更大的節(jié)能空間?；跓o縫和節(jié)能考慮，清華大學校園安防系統(tǒng)選擇了激光光源的DLP作為拼接大屏，32塊60寸屏幕按照4行8列進行拼接

6 系統(tǒng)應用與效果

清華大學校園安防系統(tǒng)主體工程于2015年6月完成。在建設和試用的過程中，系統(tǒng)已在打擊破案、師生求助、勤務指揮、秩序整治和糾紛處理方面發(fā)揮了重要的作用。

2015年上半年，通過查詢視頻監(jiān)控資料，共抓獲各類違法犯罪嫌疑人28人，其中盜竊嫌疑人17人；通過查詢監(jiān)控錄像，為師生員工找回遺失的手機、錢包、書包等物品70多件，挽回經濟損失共計約20多萬元。

該系統(tǒng)為學校舉辦各類大型活動的勤務、警衛(wèi)工作保駕護航。通過實時監(jiān)控，對車輛從進校到離校進行全程跟蹤，及時了解大型活動現(xiàn)場的情況，滿足活動對現(xiàn)場人員和設施設備的指揮和調配，提高了勤務指揮的效率，有力保障了活動的安全、順利進行。

在校園秩序整治方面，通過監(jiān)控系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)并勸離黑導游204人次，無照游商29人次，踩踏草坪3500余人次；通過監(jiān)控錄像取證，依法查處各類擾亂校園秩序行為10人次，相關人員受到了警告或行政拘留的處罰。

7 結束語

清華大學校園安防系統(tǒng)的建設基于實際需求，在設計中充分考慮到安防技術的發(fā)展趨勢，堅持方案的易用性、可擴展性和可靠性，在保持技術先進性的同時注重實際應用效果。該系統(tǒng)的建成和使用已在校園安全保衛(wèi)工作發(fā)揮了積極有效的作用。

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