智慧警營(yíng)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡賢 黃威巍 陸娟 葉森 楊樂(lè) 江蘇省南京市公安局

引言

近年來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)的普及應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展為智慧警營(yíng)建設(shè)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，通過(guò)智慧警營(yíng)管理系統(tǒng)對(duì)警營(yíng)人員、車(chē)輛和動(dòng)力環(huán)境實(shí)施精準(zhǔn)、高效的實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠最大限度提高警營(yíng)數(shù)字化管理水平。智慧警營(yíng)管理系統(tǒng)借助物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，運(yùn)用先進(jìn)的智能設(shè)備、系統(tǒng)創(chuàng)建統(tǒng)一的智能化管理平臺(tái)，建設(shè)滿(mǎn)足廣大民警用戶(hù)需求的智慧應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)公安警營(yíng)智慧升級(jí)，推動(dòng)警營(yíng)管理更加規(guī)范、安全、高效，切實(shí)為廣大民警、警輔提供高質(zhì)量智慧服務(wù)。

一、智慧警營(yíng)建設(shè)痛點(diǎn)分析

傳統(tǒng)警營(yíng)的信息化偏重垂直、孤立的煙囪式子系統(tǒng)建設(shè)，初期想到什么建設(shè)什么，數(shù)據(jù)不互通，業(yè)務(wù)難融合，長(zhǎng)期面臨服務(wù)體驗(yàn)差、資源浪費(fèi)、綜合安防弱、運(yùn)營(yíng)效率低、管理成本高，數(shù)據(jù)的格式繁多，對(duì)標(biāo)成本極高，難以為大數(shù)據(jù)分析提供支撐。在公安警營(yíng)進(jìn)行信息化建設(shè)的初始階段，一些信息化的想法和需求往往只是想要解決他們目前在運(yùn)營(yíng)上所遇到的一些難題，試圖通過(guò)信息化的手段對(duì)警營(yíng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。在科技飛速發(fā)展的信息化時(shí)代，很難預(yù)測(cè)兩年后普及應(yīng)用哪些智能系統(tǒng)或設(shè)備，因此在規(guī)劃的初始階段就必須具有較強(qiáng)的前瞻性和包容性，否則開(kāi)發(fā)出的智慧警營(yíng)管理系統(tǒng)毫無(wú)生命力可言。

二、系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)思路

（一）系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于開(kāi)放的理念創(chuàng)建智慧警營(yíng)管理系統(tǒng)，通過(guò)先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)，充分考慮當(dāng)前需求和未來(lái)發(fā)展，創(chuàng)建信息共享的數(shù)字化平臺(tái)。系統(tǒng)總體架構(gòu)以建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系、安全保障體系為支撐，按照承載的功能劃分為五個(gè)層次：接入層、應(yīng)用層、感知層、數(shù)據(jù)中臺(tái)、平臺(tái)層，如圖1所示。

1. 平臺(tái)層

主要承載數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、運(yùn)算資源等基礎(chǔ)云服務(wù)，能夠?qū)崟r(shí)收集感知層產(chǎn)生的全量數(shù)據(jù)，為智慧警營(yíng)業(yè)務(wù)提供關(guān)鍵的業(yè)務(wù)能力支撐。同時(shí)，在邊緣節(jié)點(diǎn)，通過(guò)輕量化處理平臺(tái)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備為前端聯(lián)動(dòng)控制和即時(shí)響應(yīng)提供支撐。

2. 數(shù)據(jù)中臺(tái)

依托平臺(tái)層提供的云數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)及云計(jì)算、大數(shù)據(jù)處理能力，在底層云平臺(tái)提供的彈性計(jì)算和存儲(chǔ)能力的支撐下，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)和人工智能算法提供各類(lèi)智能數(shù)據(jù)處理服務(wù)，依托大數(shù)據(jù)平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接入、治理，并呈營(yíng)區(qū)管理數(shù)據(jù)中臺(tái)。

3. 感知層

感知層主要承載多源數(shù)據(jù)的采集功能，通過(guò)各種不同智能終端設(shè)備采集各類(lèi)音視頻、狀態(tài)參數(shù)等數(shù)據(jù)，由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)安全的網(wǎng)絡(luò)通道匯聚到平臺(tái)層。感知層目前已具備視覺(jué)智能（面部識(shí)別、車(chē)牌識(shí)別），智能問(wèn)答、智能分派工單、智能監(jiān)測(cè)等服務(wù)提供文本智能（OCR工具）的能力，隨著科技發(fā)展，智慧警營(yíng)管理系統(tǒng)支持兼容更多新型的智能系統(tǒng)和設(shè)備。

4. 應(yīng)用層

從警營(yíng)安防、人車(chē)管理、動(dòng)環(huán)監(jiān)控的實(shí)際需求出發(fā)，在數(shù)據(jù)中心、智能中心基礎(chǔ)上搭建業(yè)務(wù)應(yīng)用，滿(mǎn)足警營(yíng)內(nèi)部各類(lèi)業(yè)務(wù)智慧化應(yīng)用需求。應(yīng)用層主要承載基于云平臺(tái)的業(yè)務(wù)應(yīng)用功能，在平臺(tái)層的業(yè)務(wù)能力支撐下，應(yīng)用層提供警營(yíng)安防管理、人員管理、車(chē)輛管理、動(dòng)環(huán)監(jiān)控、智慧服務(wù)和態(tài)勢(shì)綜合展現(xiàn)等業(yè)務(wù)功能，在整個(gè)系統(tǒng)的建設(shè)過(guò)程中，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系將對(duì)系統(tǒng)的質(zhì)量及服務(wù)保障提供強(qiáng)有力的支撐，安全保障體系為系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供可靠的防護(hù)屏障。

5. 接入層

包含公安門(mén)戶(hù)、警營(yíng)門(mén)戶(hù)、職能門(mén)戶(hù)等各類(lèi)集成門(mén)戶(hù)，為各個(gè)警營(yíng)、警種、職能部門(mén)提供統(tǒng)一的入口。通過(guò)手機(jī)端、PC電腦端、平板端、大屏等多端以WEB、APP、公眾號(hào)、大屏等多形式進(jìn)行對(duì)外呈現(xiàn)，為智慧警營(yíng)業(yè)務(wù)提供敏捷靈活的應(yīng)用前臺(tái)展現(xiàn)和人機(jī)交互能力。

（二）數(shù)據(jù)流程設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)流程設(shè)計(jì)如圖2所示。

感知層包含警營(yíng)安防、人員管理、車(chē)輛管理、動(dòng)環(huán)管理等分系統(tǒng)，通過(guò)單向光隔離設(shè)備從物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)焦矁?nèi)網(wǎng)。

平臺(tái)層對(duì)非結(jié)構(gòu)化信息通過(guò)相關(guān)智能識(shí)別算法識(shí)別出結(jié)構(gòu)化信息，會(huì)同物聯(lián)網(wǎng)采集的各類(lèi)結(jié)構(gòu)化信息進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)并存儲(chǔ)到分析型數(shù)據(jù)庫(kù)，供應(yīng)用層綜合應(yīng)用平臺(tái)進(jìn)行信息展示。同時(shí)，非結(jié)構(gòu)化信息可直接提供給應(yīng)用層綜合應(yīng)用平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，存儲(chǔ)于對(duì)象存儲(chǔ)區(qū)域，為綜合應(yīng)用平臺(tái)提供歷史視頻圖像查詢(xún)。公安內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，將控制指令信息和訪(fǎng)客身份比對(duì)結(jié)果等通過(guò)二維碼隔離設(shè)備回傳至物聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)而對(duì)相關(guān)攝像頭、閘機(jī)和智慧服務(wù)相關(guān)業(yè)務(wù)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)信息安全有效交換。

（三）網(wǎng)絡(luò)安全

智慧警營(yíng)網(wǎng)絡(luò)涵蓋公安內(nèi)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)為單獨(dú)構(gòu)建，物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)、公安內(nèi)網(wǎng)間有物理隔離，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

互聯(lián)網(wǎng)用于發(fā)布警營(yíng)非涉密公共服務(wù)信息，同時(shí)將移動(dòng)終端APP的訪(fǎng)客身份信息等導(dǎo)入至物聯(lián)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)間的數(shù)據(jù)交互通過(guò)二維碼隔離系統(tǒng)保證安全。物聯(lián)網(wǎng)將采集到的實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)，通過(guò)單向光隔離設(shè)備導(dǎo)入至內(nèi)網(wǎng)中，再按照信息類(lèi)型進(jìn)行分發(fā)，實(shí)現(xiàn)信息的高效安全交換。公安內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)并進(jìn)行顯示。對(duì)來(lái)自物聯(lián)網(wǎng)的視頻、照片和動(dòng)環(huán)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和比對(duì)，將控制指令信息和訪(fǎng)客身份比對(duì)結(jié)果等回傳至物聯(lián)網(wǎng)，這些控制策略通過(guò)二維碼隔離設(shè)備傳輸至物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息安全交換。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中的安全設(shè)備和涉密信息的安全防護(hù)需求，需部署安全管理和審計(jì)、接入認(rèn)證以及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)分析等系統(tǒng)，采取身份認(rèn)證安全審計(jì)手段，對(duì)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一配置和集中管理，匯集上報(bào)日志，采用探針技術(shù)對(duì)安全事件進(jìn)行報(bào)警、預(yù)警和分析，實(shí)現(xiàn)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)交互和邊界防御的統(tǒng)一安全管理。

三、系統(tǒng)應(yīng)用

（一）圖像識(shí)別KSVD算法的應(yīng)用

智慧警營(yíng)管理系統(tǒng)包含的電子圍墻、人臉閘機(jī)、停車(chē)管理，大量使用到圖像識(shí)別KSVD算法。KSVD算法在字典更新階段的核心思想是使字典中的每一列字典原子都發(fā)揮自身的價(jià)值以最小化重構(gòu)誤差，學(xué)習(xí)到的字典僅用來(lái)求解稀疏表示系數(shù)，但在分類(lèi)過(guò)程中缺乏判別能力。為了得到一個(gè)具有判別性的訓(xùn)練字典，標(biāo)簽一致KSVD（LC-KSVD）算法，引入了樣本類(lèi)別標(biāo)簽，加強(qiáng)了字典原子與標(biāo)簽之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。另外，在目標(biāo)函數(shù)中加入了稀疏編碼誤差約束項(xiàng)和分類(lèi)誤差約束項(xiàng)，最終使學(xué)習(xí)到的字典同時(shí)具有表示和判別能力。

1. 在出入警營(yíng)人員布控與防疫管理中的應(yīng)用

通過(guò)圖像識(shí)別KSVD算法辨識(shí)出人員面部特征，與人臉庫(kù)的數(shù)據(jù)自動(dòng)匹配，匹配到人員信息后，通過(guò)細(xì)致的人員信息、組織架構(gòu)管理，再加上對(duì)外部訪(fǎng)客提供便捷的預(yù)約入口，構(gòu)建了內(nèi)部民警和外部訪(fǎng)客的人員出入管理服務(wù)體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)入警營(yíng)人員來(lái)源的精確認(rèn)證、出入場(chǎng)所授權(quán)、門(mén)禁聯(lián)動(dòng)控制等。同時(shí)，將人臉識(shí)別與黑白名單結(jié)合，對(duì)特殊的人員和車(chē)輛進(jìn)行布控或者提供VIP服務(wù)，確保人員進(jìn)入警營(yíng)和重要場(chǎng)所可控可追蹤。此外，根據(jù)疫情防控需要，智慧警營(yíng)管理系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)通道閘機(jī)，整合分散的防疫數(shù)據(jù)，添加了通過(guò)人臉查詢(xún)檢測(cè)蘇康碼、行程碼、核酸檢測(cè)、體溫等防疫信息的亮點(diǎn)功能，實(shí)現(xiàn)刷臉驗(yàn)身份、“驗(yàn)碼”同步進(jìn)行，做到精準(zhǔn)防疫、實(shí)時(shí)攔截，切實(shí)阻斷疫情傳播鏈條，確保高效通行。

2. 在警營(yíng)內(nèi)部車(chē)輛管理中的應(yīng)用

聚焦公安警營(yíng)內(nèi)部安全管理的實(shí)際需求，在系統(tǒng)內(nèi)將執(zhí)法執(zhí)勤用車(chē)與人員建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過(guò)圖像識(shí)別KSVD算法辨識(shí)出車(chē)牌號(hào)碼，車(chē)輛進(jìn)入時(shí)快速識(shí)別車(chē)牌，并根據(jù)車(chē)輛準(zhǔn)入規(guī)則配置，放行進(jìn)入預(yù)定的區(qū)域。面向預(yù)約訪(fǎng)客的車(chē)輛，則根據(jù)設(shè)置的規(guī)則，在指定時(shí)間段放行進(jìn)入預(yù)定區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，以物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接和數(shù)字化運(yùn)營(yíng)為抓手，通過(guò)無(wú)人化、集中管理等手段實(shí)現(xiàn)車(chē)場(chǎng)不堵、快速停車(chē)，保障警營(yíng)內(nèi)部車(chē)輛高效通行。

3. 在警營(yíng)內(nèi)部安全防控管理中的應(yīng)用

通過(guò)視頻圖像識(shí)別，實(shí)現(xiàn)電子圍墻、視頻監(jiān)控、電子巡更功能。高效率的視頻人臉及車(chē)牌識(shí)別為監(jiān)控中心對(duì)警營(yíng)內(nèi)全時(shí)域地域的感知夯實(shí)了基礎(chǔ)。將所有安防信息進(jìn)行集中管理和整合應(yīng)用，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)交互、報(bào)警聯(lián)動(dòng)響應(yīng)，提高警營(yíng)安防集成系統(tǒng)的整體預(yù)警聯(lián)防能力。

（二）K-means動(dòng)態(tài)聚類(lèi)算法的應(yīng)用

警營(yíng)內(nèi)部不乏單場(chǎng)景的智能應(yīng)用和硬件，例如人臉閘機(jī)、電子圍墻、停車(chē)場(chǎng)智能感知設(shè)備、精密空調(diào)、消防監(jiān)控、電量?jī)x等設(shè)備，以前投入使用的系統(tǒng)都是垂直、孤立、相對(duì)封閉的子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)無(wú)法融合、業(yè)務(wù)無(wú)法協(xié)同。智慧警營(yíng)管理系統(tǒng)在利舊的前提下向這些系統(tǒng)共享基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如人員、車(chē)輛、防疫、區(qū)域、樓宇等信息，避免同樣的數(shù)據(jù)重復(fù)占用硬件空間資源，同時(shí)收集這些系統(tǒng)的日志數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)可視化和大數(shù)據(jù)分析提供支撐。

圖6為基于云平臺(tái)的數(shù)據(jù)挖掘體系架構(gòu)。在該體系結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)利用算法服務(wù)管理模塊和數(shù)據(jù)并行處理模塊中內(nèi)嵌入聚類(lèi)算法，以降低計(jì)算的維度，加快數(shù)據(jù)融合的速度。智慧警營(yíng)管理系統(tǒng)采用K-means動(dòng)態(tài)聚類(lèi)算法對(duì)信息進(jìn)行挖掘分類(lèi)。粒度分解算法的維度由聚類(lèi)算法的分類(lèi)群來(lái)確定。由K-means算法的特性可知：數(shù)據(jù)的分類(lèi)按照特征相似的數(shù)據(jù)無(wú)限趨近同一個(gè)類(lèi)。在智慧警營(yíng)管理系統(tǒng)中，采集到的子數(shù)據(jù)群就天然帶有一定的分類(lèi)效果，這種效果是不精準(zhǔn)的。因此，需要利用K-means動(dòng)態(tài)聚類(lèi)算法進(jìn)行糾正。以K-means算法為云計(jì)算的粒度分解算法提供降維處理，提高處理的效率，為警營(yíng)各類(lèi)數(shù)據(jù)的分類(lèi)和融合提供良好的基礎(chǔ)。

K-means動(dòng)態(tài)聚類(lèi)算法在智慧警營(yíng)管理系統(tǒng)中具體應(yīng)用于動(dòng)力環(huán)節(jié)監(jiān)控。主要功能為集中監(jiān)控警營(yíng)特定區(qū)域的動(dòng)力系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、安保系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等，該功能模塊通過(guò)大量的傳感器和智能硬件監(jiān)視各系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及工作參數(shù)，即時(shí)上傳分析，不同監(jiān)控設(shè)備上傳數(shù)據(jù)特征差異小，采取K-means動(dòng)態(tài)聚類(lèi)算法，可將數(shù)據(jù)分類(lèi)，整合成有效的歷史數(shù)據(jù)集，并為系統(tǒng)故障判斷提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時(shí)，為響應(yīng)國(guó)家“碳中和”號(hào)召，助力節(jié)能減排，動(dòng)環(huán)監(jiān)控還通過(guò)系統(tǒng)獲取各區(qū)域的歷史能耗情況，進(jìn)行大數(shù)據(jù)歸類(lèi)分析，對(duì)異常能源消耗報(bào)警，全面提高警營(yíng)管理的效益。

四、結(jié)語(yǔ)

智慧警營(yíng)管理系統(tǒng)依托強(qiáng)大的集成管理云平臺(tái)，通過(guò)分布式的數(shù)據(jù)采集中心，連接前端各專(zhuān)業(yè)智能化系統(tǒng)以及物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲取設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、能源使用數(shù)據(jù)、環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)等，打通相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)軟硬件，應(yīng)用大數(shù)據(jù)決策分析引擎，進(jìn)行海量數(shù)據(jù)的分析、統(tǒng)計(jì)、診斷，篩選價(jià)值數(shù)據(jù)進(jìn)行豐富多元的智能化控制，為警營(yíng)提供標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的管理服務(wù)，提高警營(yíng)用能管理效率，降低運(yùn)維成本，滿(mǎn)足“安全、高效、綠色、智慧”的現(xiàn)代警營(yíng)建設(shè)規(guī)劃要求。