基于層次分析法的安防監(jiān)控系統(tǒng)可靠性分析

蘆　杉，朱彥偉（中國(guó)核電工程有限公司鄭州分公司）

基于層次分析法的安防監(jiān)控系統(tǒng)可靠性分析

蘆杉，朱彥偉
（中國(guó)核電工程有限公司鄭州分公司）

論文結(jié)合層次分析法（AHP）基本理論，充分分析安防監(jiān)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)組成，建立了安防監(jiān)控系統(tǒng)整體可靠性三層遞階層次結(jié)構(gòu)模型。結(jié)合安防系統(tǒng)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)下層因素重要性?xún)蓛杀容^、判斷矩陣構(gòu)建、權(quán)值分析排序等步驟，得出安防監(jiān)控系統(tǒng)9個(gè)基本組成因素對(duì)系統(tǒng)整體可靠性的重要性影響權(quán)值。通過(guò)結(jié)果分析提出了提高安防監(jiān)控系統(tǒng)可靠性擬采取的6項(xiàng)措施建議。

層次分析；權(quán)值；安防監(jiān)控

1　引言

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，公共安全在各行各業(yè)中愈顯重要。建立高可靠性的安防監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于預(yù)防打擊犯罪、維護(hù)社會(huì)治安、保證安全生產(chǎn)、保障財(cái)產(chǎn)及生命安全等具有重要意義。在當(dāng)前主流安防監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式下，選用層次分析法（AHP）對(duì)影響安防監(jiān)控系統(tǒng)整體可靠性的因素進(jìn)行分析評(píng)估，提出提高系統(tǒng)可靠性的改進(jìn)措施建議。

2　安防監(jiān)控系統(tǒng)功能組成

安防監(jiān)控技術(shù)由計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電子技術(shù)、智能控制技術(shù)等發(fā)展結(jié)合而成，應(yīng)用于各行業(yè)重點(diǎn)區(qū)域的防范保護(hù)[1]。安防監(jiān)控系統(tǒng)主要由系統(tǒng)前端的攝像機(jī)、入侵探測(cè)器，中間的信號(hào)傳輸設(shè)備，以及后端的管理控制設(shè)備等部分組成?；窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　機(jī)房節(jié)能診斷思路

監(jiān)控?cái)z像機(jī)包括設(shè)置在周界、場(chǎng)所及建筑物內(nèi)重要位置處的固定式、球型、云臺(tái)型等各類(lèi)攝像機(jī)，用于防范區(qū)域的實(shí)時(shí)視頻圖像監(jiān)視及報(bào)警復(fù)核，視頻信號(hào)傳輸至控制中心實(shí)時(shí)顯示及存儲(chǔ)；入侵探測(cè)設(shè)備包括設(shè)置在周界及建筑物內(nèi)重要位置處的電子圍欄、振動(dòng)電纜、微波、雙鑒、門(mén)磁開(kāi)關(guān)等入侵報(bào)警探測(cè)器，用于人員、動(dòng)物等的非法入侵探測(cè)，報(bào)警信號(hào)傳輸至控制中心報(bào)警管理、控制設(shè)備；門(mén)禁識(shí)別設(shè)備包括設(shè)置在周界出入口通行門(mén)及建筑物重要位置出入口通行門(mén)處的讀卡器、生物識(shí)別設(shè)備等，用于人員進(jìn)出授權(quán)識(shí)別與核實(shí)，允許授權(quán)人員通行，拒絕未授權(quán)人員通行，門(mén)禁識(shí)別信號(hào)傳輸至門(mén)禁控制、管理設(shè)備；光信號(hào)傳輸設(shè)備包括用于視頻、報(bào)警、通信等信號(hào)傳輸?shù)母黝?lèi)光端發(fā)射機(jī)與接收機(jī)；電信號(hào)傳輸電纜泛指用于系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)母黝?lèi)型電纜；視頻控制設(shè)備是指設(shè)在控制中心內(nèi)的視頻分配器、視頻切換矩陣、控制鍵盤(pán)、數(shù)字化設(shè)備、錄像存儲(chǔ)設(shè)備以及監(jiān)視大屏等顯示設(shè)備，完成視頻系統(tǒng)后端的切換控制、實(shí)時(shí)顯示、錄像回放等功能；門(mén)禁報(bào)警控制設(shè)備包括報(bào)警控制器、門(mén)禁控制器及相關(guān)接口模塊等，完成報(bào)警接入控制、聯(lián)動(dòng)、門(mén)禁識(shí)別、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制等功能；管理服務(wù)設(shè)備是指設(shè)在控制中心內(nèi)安防系統(tǒng)上端的各類(lèi)型服務(wù)器、管理工作站及各類(lèi)管理軟件等，用于系統(tǒng)服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)及人機(jī)接口管理等；供配電設(shè)備包括用于整個(gè)系統(tǒng)供電的主供電回路設(shè)備、后備UPS電源及電池組，以及后備柴油發(fā)電機(jī)組等設(shè)備，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠的電源保障。

3　層次分析法（AHP）基本理論

3.1基本理論

由于社會(huì)系統(tǒng)的復(fù)雜性，系統(tǒng)工程中能應(yīng)用自如地解決各類(lèi)問(wèn)題的方法很少，大部分復(fù)雜系統(tǒng)很難完全用定量的數(shù)學(xué)模型解決。追求建立一個(gè)完全精確的數(shù)學(xué)模型，其結(jié)果必然使解題十分繁復(fù)，耗資巨大。有鑒于此，美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家匹茲堡大學(xué)薩迪（T?L?Satty）教授提出了層次分析法（The Analytic Hierarchy Process，AHP）。

AHP是一種思維方式，把復(fù)雜問(wèn)題分解成各個(gè)組成因素，又將這些因素按支配關(guān)系分組形成遞階層次結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩兩比較的方式確定層次中諸因素的相對(duì)重要性；然后綜合決策者的判斷，確定決策方案相對(duì)重要性總排序[2]。

3.2分析過(guò)程

AHP方法是一種定量與定性相結(jié)合將主觀判斷用數(shù)量形式表達(dá)和處理的方法。依據(jù)人們對(duì)實(shí)際問(wèn)題的分析，利用層次單排序的方法得出各要素的權(quán)重值，通過(guò)層次總排序的方法得出底層因素對(duì)問(wèn)題的相對(duì)重要性，確定最底層相對(duì)于最高層的相對(duì)重要權(quán)值，排列相對(duì)優(yōu)劣次序[3]。AHP分析一般通過(guò)以下三步完成。

1）確定系統(tǒng)分析總目標(biāo)，分層分析達(dá)到這一目標(biāo)的影響因素，建立系統(tǒng)遞階層次結(jié)構(gòu)。一般將問(wèn)題中所含因素劃分為三層：最高層為目標(biāo)層，只有一個(gè)元素，是分析的最終目標(biāo)；中間層為準(zhǔn)則層，是影響最終目標(biāo)的中間環(huán)節(jié)，含多個(gè)元素；最底層為基本層，是在上兩層約束下的具體指標(biāo)項(xiàng)。

2）對(duì)同一層次各因素關(guān)于上一層次某因素的重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)建判斷矩陣并計(jì)算各因素相對(duì)權(quán)重。通過(guò)判斷矩陣中各元素的值，反映對(duì)各因素相對(duì)重要程度的認(rèn)識(shí)；通過(guò)分析判斷矩陣的特征值問(wèn)題，歸一化同一層次各因素對(duì)上一層次某因素的相對(duì)重要性排序權(quán)值。

3）計(jì)算確定各層因素對(duì)系統(tǒng)目標(biāo)的合成權(quán)重并進(jìn)行排序，即利用同一層次中所有層次單排序的結(jié)果，計(jì)算該層所有元素對(duì)于最高層(總目標(biāo))相對(duì)重要性的排序權(quán)值，得出分析結(jié)果。

4　安防監(jiān)控系統(tǒng)可靠性分析

4.1確立分層結(jié)構(gòu)

針對(duì)安防監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性分析過(guò)程，系統(tǒng)整體可靠性即為分析評(píng)判總目標(biāo)；進(jìn)一步分析得，影響系統(tǒng)可靠性的因素主要包括系統(tǒng)的故障頻率、故障時(shí)間及修復(fù)時(shí)間三類(lèi)，確定為中間準(zhǔn)則層元素；安防監(jiān)控系統(tǒng)組成的9個(gè)部分即為基本層指標(biāo)項(xiàng)。安防監(jiān)控系統(tǒng)遞階層次結(jié)構(gòu)及各層元素代號(hào)如圖2所示。

圖2　安防監(jiān)控系統(tǒng)遞階層次結(jié)構(gòu)

4.2構(gòu)建判斷矩陣與權(quán)值分析

遞階層次結(jié)構(gòu)確定了系統(tǒng)上下層次之間元素的隸屬關(guān)系。下一步采用兩兩比較的方法構(gòu)造判斷矩陣，確定在上一層各元素的約束下同層元素之間的相對(duì)重要性。依據(jù)心理學(xué)的“人區(qū)分信息等級(jí)的極限能力為7±2”的理論，按照1～9的比例標(biāo)度對(duì)各元素的相對(duì)重要性進(jìn)行賦值（賦值標(biāo)度具體含義如表1所示）。

表1　判斷矩陣賦值標(biāo)度含義表

4.2.1準(zhǔn)則層判斷矩陣構(gòu)建與權(quán)值分析

分析準(zhǔn)則層故障頻率、故障時(shí)間、修復(fù)時(shí)間相對(duì)于目標(biāo)層系統(tǒng)整體可靠性的相對(duì)重要度，結(jié)合安防系統(tǒng)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)建立判斷矩陣，如表2所示。

表2　準(zhǔn)則層判斷矩陣

分析計(jì)算故障頻率（B1）、故障時(shí)間（B2）、修復(fù)時(shí)間（B3）對(duì)于安防監(jiān)控系統(tǒng)整體可靠性（A）的重要性權(quán)值，即為計(jì)算判斷矩陣的最大實(shí)特征根λmax與對(duì)應(yīng)的歸一化特征向量W。應(yīng)用Matlab工具計(jì)算得λmax=3.0092，W=[0.5396，0.2970，0.1634]。

為確保計(jì)算的準(zhǔn)確性，需進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。表3為T(mén)．L．Satty給出的1～10階矩陣的隨機(jī)一致性指標(biāo)值RI。判斷矩陣的一致性指標(biāo)值CI=（λmax-N）/(N-1)，N為矩陣階數(shù)。當(dāng)CI/RI（CR）＜0.1時(shí)，判斷矩陣具有滿(mǎn)意的一致性，否則需要調(diào)整判斷矩陣元素取值。

由CI=0.0046，CI/RI=0.0079＜0.1，確定B1、B2、B3相對(duì)于A的權(quán)值分別為W1=0.5396，W2=0.2970，W3=0.1634。

表3　1～10階矩陣隨機(jī)一致性指標(biāo)值RI

4.2.2基本層判斷矩陣構(gòu)建與權(quán)值分析

按照準(zhǔn)則層判斷矩陣構(gòu)建及權(quán)值分析步驟，分別構(gòu)建9個(gè)基本層（C1～C9）相對(duì)于3個(gè)準(zhǔn)則層（B1～B3）的判斷矩陣，并分析計(jì)算各基本層元素的相對(duì)權(quán)值W，結(jié)果如表4～表6所示。

表4　基本層（C1～C9）相對(duì)于B1的判斷矩陣及權(quán)值

表5　基本層（C1～C9）相對(duì)于B2的判斷矩陣及權(quán)值

表6　基本層（C1～C9）相對(duì)于B3的判斷矩陣及權(quán)值

4.2.3確定基本層元素對(duì)系統(tǒng)分析總目標(biāo)的相對(duì)權(quán)值

在計(jì)算出各層元素對(duì)上層元素相對(duì)權(quán)值的基礎(chǔ)上，采取自上而下的方法，用上層元素本身的權(quán)值加權(quán)，綜合計(jì)算出基本層元素相對(duì)于頂層總目標(biāo)的總權(quán)值，結(jié)果如表7所示。

表7　基本層（C1～C9）相對(duì)于頂層總目標(biāo)的總權(quán)值

進(jìn)行總權(quán)值一致性校驗(yàn)得：CR=0.0168＜0.1，具有滿(mǎn)意的一致性效果。

因此，對(duì)于安防監(jiān)控系統(tǒng)整體可靠性總目標(biāo)而言，9個(gè)基本層元素的重要性權(quán)值依次為：0.2079，0.1595，0.1153，0.0659，0.1163，0.0960，0.0944，0.0838，0.0608，分析柱狀圖如圖3所示。

圖3　安防監(jiān)控系統(tǒng)基本層元素可靠性權(quán)值

將安防監(jiān)控系統(tǒng)9個(gè)基本組成部分，按照對(duì)系統(tǒng)整體可靠性影響程度由高到低排序，依次為監(jiān)控?cái)z像機(jī)、入侵探測(cè)設(shè)備、電信號(hào)傳輸電纜、門(mén)禁識(shí)別設(shè)備、視頻控制設(shè)備、門(mén)禁報(bào)警控制設(shè)備、管理服務(wù)設(shè)備、光信號(hào)傳輸設(shè)備和供配電設(shè)備。

4.3結(jié)果分析

4.3.1系統(tǒng)故障頻率、故障時(shí)間及修復(fù)時(shí)間影響因素分析

攝像機(jī)、探測(cè)器、門(mén)禁識(shí)別裝置等由于前端設(shè)備數(shù)量很大，且大多數(shù)均全天候工作在室外環(huán)境中，因此該3個(gè)基本部分是對(duì)系統(tǒng)整體故障頻率影響較為嚴(yán)重的因素，造成的系統(tǒng)故障占所有系統(tǒng)故障總數(shù)的一半以上；同時(shí)，攝像機(jī)、探測(cè)器以及信號(hào)傳輸電纜對(duì)系統(tǒng)整體故障時(shí)間的影響較嚴(yán)重，造成的系統(tǒng)故障時(shí)間約占總時(shí)間的60%；由于管理服務(wù)器、供配電設(shè)備一般均采取了必要的冗余備份措施，穩(wěn)定性較高，光纖通信設(shè)備及光纜的環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)、可靠性較高，故三者對(duì)系統(tǒng)故障頻率及故障時(shí)間的影響程度較低；攝像機(jī)、探測(cè)器等設(shè)備均設(shè)有一定的備品備件，故障后維修時(shí)間較短，而管理服務(wù)器、供電系統(tǒng)等出現(xiàn)故障后所需的維修時(shí)間較長(zhǎng)，影響系統(tǒng)的使用。

4.3.2系統(tǒng)整體可靠性影響因素分析

綜合分析安防監(jiān)控系統(tǒng)9個(gè)基本組成部分對(duì)系統(tǒng)整體可靠性的影響，監(jiān)控?cái)z像機(jī)、入侵探測(cè)設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性對(duì)系統(tǒng)整體可靠性影響最大，任一攝像機(jī)故障所造成的圖像丟失、畫(huà)面嚴(yán)重失真，以及任一入侵探測(cè)器失效所造成的無(wú)效設(shè)防等問(wèn)題，均會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的功能故障；大量的系統(tǒng)信號(hào)傳輸電纜以及門(mén)禁識(shí)別設(shè)備對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響次之，傳輸電纜蓄意或無(wú)意的外力破壞、門(mén)禁識(shí)別設(shè)備的高負(fù)荷運(yùn)行亦會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障；設(shè)置在機(jī)房?jī)?nèi)的子系統(tǒng)及系統(tǒng)的管理控制設(shè)備在系統(tǒng)正?；\(yùn)行后，一般能保證長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)整體可靠性影響較小；具有較高電源負(fù)荷等級(jí)的供配電設(shè)備以及高穩(wěn)定性能的光信號(hào)傳輸設(shè)備對(duì)系統(tǒng)整體可靠性的影響最低。

5　提高安防監(jiān)控系統(tǒng)可靠性擬采取的措施建議

1）提高前端監(jiān)控?cái)z像機(jī)、入侵探測(cè)設(shè)備以及門(mén)禁識(shí)別設(shè)備的單體可靠性，優(yōu)選平均故障間隔時(shí)間、平均修復(fù)時(shí)間等參數(shù)性能優(yōu)越的單體設(shè)備；結(jié)合系統(tǒng)規(guī)模需求，設(shè)置一定比例數(shù)量的備品備件。

2）電信號(hào)、光信號(hào)傳輸線(xiàn)纜嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范施工安裝，加強(qiáng)運(yùn)行期間的線(xiàn)路巡檢保護(hù)，有效降低線(xiàn)路中斷等風(fēng)險(xiǎn)。

3）系統(tǒng)控制、服務(wù)設(shè)備應(yīng)具備較高的穩(wěn)定性，優(yōu)選具有主機(jī)熱備、通信冗余、自帶備用電池等功能的系統(tǒng)設(shè)備。

4）系統(tǒng)電源建議在一級(jí)負(fù)荷，配備UPS以進(jìn)一步保證電能質(zhì)量及后備時(shí)間，條件允許時(shí)應(yīng)設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組。

5）優(yōu)選成熟的管理控制軟件，有效、適用的管理軟件是保證安防系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要條件。

6）業(yè)主應(yīng)組建專(zhuān)業(yè)化的安防系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)隊(duì)伍，提高運(yùn)維人員的技術(shù)水平，提升安防系統(tǒng)可用性。

6　結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用AHP分析法，通過(guò)建立三層結(jié)構(gòu)模型及分層評(píng)估分析，對(duì)影響安防監(jiān)控系統(tǒng)可靠性的9個(gè)基本組成因素進(jìn)行了分析，得出各基本因素對(duì)系統(tǒng)整體可靠性的影響權(quán)值并分析結(jié)果，給出了提高安防監(jiān)控系統(tǒng)可靠性的有效改進(jìn)措施建議，為進(jìn)一步提高安防監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)、施工等水平，提供了一定的理論基礎(chǔ)與指導(dǎo)。

【1】溫素婷.未來(lái)安防監(jiān)控市場(chǎng)[J].信息與電腦，2013（5）：77-78.

【2】王建芬,許樹(shù)柏.層次分析法引論[M].北京：中國(guó)人民大學(xué)出版社，1990.

【3】張志源.基于層次分析法（AHP）的學(xué)校消防安全評(píng)估[J].中國(guó)公共安全.學(xué)術(shù)版，2011， 4(25)：71-75.

Reliability Analysis of Security Monitoring System Based on Analytic Hierarchy Process

LU Shan，ZHU Yan-wei
（Zhengzhou Branch of China Nuclear Power Engineering Co., Ltd.）

This paper analyzed the function structure of security monitoring system based on the principal theory of analytic hierarchy process (AHP); and built 3 layers hierarchical structure for overall reliability of security monitoring system. The paper worked out the influence weight of 9 basic factors to the overall reliability of the system by pairwise comparison of substratum factors importance, judging matrix structure, weight analysis and sorting, etc.

analytic hierarchy process; weight; security monitoring