基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的數(shù)字化城市智能安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雷群泌

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

0 引言

城市安防系統(tǒng)是城市安全的保護(hù)屏障，能夠有效減少社會(huì)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(xiàng)目的提出和實(shí)施，城市安防系統(tǒng)也在持續(xù)完善和升級(jí)，同時(shí)，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(jìn)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(jì)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(bào)警層、數(shù)據(jù)傳輸層和接警處理層。通過監(jiān)控?cái)z像頭實(shí)時(shí)采集、編碼視頻信號(hào)，并在邊緣端完成視頻智能分析，對(duì)識(shí)別到的指令目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)報(bào)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(jìn)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(jìn)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(gè)部分：監(jiān)控報(bào)警層、數(shù)據(jù)傳輸層以及接警處理應(yīng)用層。監(jiān)控報(bào)警層由覆蓋整個(gè)城市的各個(gè)監(jiān)控子系統(tǒng)共同組成，通過為每個(gè)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(chǔ)服務(wù)器，以滿足大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理需求；接警處理層以安防系統(tǒng)運(yùn)行服務(wù)平臺(tái)為主體，通過串連匯接整個(gè)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(jī)關(guān)實(shí)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(jì)

目前，城市中常見的視頻監(jiān)控?cái)z像頭以模擬監(jiān)控?cái)z像頭和數(shù)字監(jiān)控?cái)z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(duì)舊系統(tǒng)的改造升級(jí)[4]。該文提出的城市智能安防系統(tǒng)監(jiān)控層硬件設(shè)計(jì)使用模擬高清攝像頭（AHD攝像頭），配有AHD復(fù)合信號(hào)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(shí)攜帶嵌入式Linux操作系統(tǒng)，用于在系統(tǒng)中植入邊緣計(jì)算模型，為前端設(shè)備賦予大量數(shù)據(jù)計(jì)算處理能力和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)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(jì)

3.1 監(jiān)控報(bào)警層設(shè)計(jì)

3.1.1 實(shí)時(shí)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?cái)z像頭采集到實(shí)時(shí)的視頻信號(hào)后，模擬視頻信號(hào)會(huì)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(hào)，并由DSP處理器根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸及通信協(xié)議進(jìn)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(jìn)行視頻壓縮，能夠快速完成實(shí)時(shí)的視頻編碼處理并減少CPU的占用。同時(shí)，在嵌入式Linux中運(yùn)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(duì)其進(jìn)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?yè)p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(shí)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(jì)算如公式（3）所示。

通過以上公式，計(jì)算每個(gè)樣本Sk相對(duì)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(shí)現(xiàn)大量視頻數(shù)據(jù)的高速存儲(chǔ)。

3.1.2 基于邊緣計(jì)算的結(jié)構(gòu)化視頻處理

由于安防系統(tǒng)前端的監(jiān)控?cái)z像頭內(nèi)置計(jì)算能力較低，因此，在嵌入式Linux操作系統(tǒng)中植入邊緣計(jì)算模型，將具有計(jì)算能力的硬件單元集成到邊緣端系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)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(yùn)行成本。模擬視頻信號(hào)在完成數(shù)字化轉(zhuǎn)換后，視頻數(shù)據(jù)將在邊緣計(jì)算系統(tǒng)中獲得進(jìn)一步智能分析，結(jié)合邊緣計(jì)算技術(shù)進(jìn)行視頻結(jié)構(gòu)化處理，去除視頻圖像冗余信息[5]?；谶吘売?jì)算的結(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(jì)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(huì)智能識(shí)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(shí)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(bào)告。在目標(biāo)查找等系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)場(chǎng)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(duì)視頻進(jìn)行結(jié)構(gòu)化預(yù)處理時(shí)，會(huì)根據(jù)特征信息鎖定并追蹤目標(biāo)，及時(shí)提交目標(biāo)檢測(cè)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(shí)，邊緣計(jì)算系統(tǒng)具有彈性儲(chǔ)存功能，能夠通過算法感知監(jiān)控場(chǎng)景內(nèi)存在的行為特征，智能調(diào)整視頻存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，保留證據(jù)性數(shù)據(jù)的同時(shí)減少無效視頻的存儲(chǔ)，提高芯片的數(shù)據(jù)緩存空間有效使用率，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)。

3.1.3 自動(dòng)發(fā)送報(bào)警信息

當(dāng)出現(xiàn)以下2種情況時(shí)，前端監(jiān)控系統(tǒng)將自動(dòng)向接警處理中心發(fā)送報(bào)警信息：1）系統(tǒng)在任務(wù)指令為識(shí)別監(jiān)控中異常行為時(shí)，將根據(jù)視頻分析結(jié)果和相應(yīng)的事件等級(jí)，向上發(fā)送分級(jí)報(bào)警信息。2）系統(tǒng)在任務(wù)指令為追蹤某目標(biāo)時(shí)，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(shí)別鎖定偵查目標(biāo)，并發(fā)送報(bào)警信息至接警處理中心。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸層設(shè)計(jì)

考慮到城市安防監(jiān)控視頻的采集和存儲(chǔ)相對(duì)分散，難以實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻信號(hào)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(jiǎn)圖

攝像頭采集到的視頻為發(fā)送端數(shù)據(jù)，首先會(huì)送入FPGA的A/D轉(zhuǎn)換器中，由模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字視頻信號(hào)，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(jìn)入SFP+光模塊，通過電光轉(zhuǎn)換器將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，并經(jīng)由光纖將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的云存儲(chǔ)服務(wù)器中。當(dāng)n路數(shù)據(jù)進(jìn)入云存儲(chǔ)服務(wù)器時(shí)，將在服務(wù)器中完成大數(shù)據(jù)的智能整合和備份存儲(chǔ)，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(huì)再次將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并進(jìn)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(hào)重新恢復(fù)為模擬視頻信號(hào)，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(jì)

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(cè)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(shí)別、標(biāo)記違章車輛，自動(dòng)記錄車輛信息，并以短信的方式通知車主進(jìn)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(jī)關(guān)出警的情況，接警處理中心主系統(tǒng)則會(huì)根據(jù)報(bào)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(jìn)一步向110指揮中心發(fā)出報(bào)警信息，同時(shí)使用系統(tǒng)的警情路徑預(yù)測(cè)模塊和警情處理模塊對(duì)報(bào)警信息和視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)智能分析整合，自動(dòng)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(jī)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(cè)試試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)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(kù)，硬件設(shè)備選擇HIKVISION公司的DS-2CE16G0T-IT5型號(hào)高清監(jiān)控?cái)z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(hào)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(shí)，為減少單個(gè)設(shè)備造成的試驗(yàn)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(cè)試試驗(yàn)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)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(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，分別對(duì)三組系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，記錄系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻信號(hào)采集耗時(shí)、視頻結(jié)構(gòu)化智能分析耗時(shí)、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(jì)算出平均值作為結(jié)果數(shù)據(jù)，以減少誤差。具體測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 綜合測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證城市智能安防系統(tǒng)的高效性，同時(shí)對(duì)3組系統(tǒng)的采集、編碼、傳輸各工作階段的時(shí)間延遲數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)算，并統(tǒng)計(jì)各節(jié)點(diǎn)時(shí)延平均值。時(shí)間延遲測(cè)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(shí)間小于350 ms，視頻結(jié)構(gòu)化分析處理的時(shí)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(yùn)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(shì)。并且監(jiān)控視頻的編碼、分析時(shí)間延遲在20ms以內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延全部小于1.5 ms，存儲(chǔ)時(shí)延在20 ms以內(nèi)，系統(tǒng)總時(shí)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(yùn)行。

表2 時(shí)間延遲測(cè)試平均數(shù)據(jù)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

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(bào)警層、數(shù)據(jù)傳輸層和接警處理層。通過監(jiān)控報(bào)警層系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(bào)警信息，相關(guān)視頻數(shù)據(jù)會(huì)快速上傳至接警處理中心，為公安機(jī)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(cè)試試驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。