校園視頻監控布局分析優化方案淺析

張翔　徐超越　鄭蓓蕾　俞祚明

摘 要：本文基于對校園安全的考慮，對校園視頻監控器網絡的布局提出一套行之有效的分析和優化方法，為進一步仿真計算和試驗提供一些理論基礎。

關鍵詞：視頻監控；最優化；數學建模

一、研究背景

近年來，傳感器最優布局是傳感器研究領域內的熱點問題。傳統的傳感器以收集溫度、聲音等數據為主。但是由于社會各方面的安全問題日益突出，以捕捉圖像信息為主的視頻傳感器獲得空前的應用和發展。因此，對視頻傳感器的布局研究與優化具有潛在的社會價值和經濟價值。隨著科技的發展，視頻監控設備的微型化、智能化等性能已經獲得不同程度的提高。加之工藝流程、材料制造等領域的技術革新，監控設備的價格也不斷下降。視頻監控設備越來越廣泛地進入社會生活的方方面面，如高速公路的測速監控、大街小巷的治安監控等。

由于受多種復雜因素的影響，校園內的不安全事件頻發，于是寧靜的校園中也出現越來越多的監控攝像頭。然而，隨之而來的問題是：這些攝像頭的布局監控性能如何？能否優化？為了提高校園內攝像頭的監控能力，減少監控設備的采購經費，我們對校園道路和監控設備展開了調查分析，希望通過收集的數據分析出當前校園監控設備的布局是否合理，并提出優化方案。

二、視頻監控網絡布局分析的方法

視頻監控網絡布局分析的主要步驟為：收集校園道路與攝像數據、問題分析與建模、計算機模擬計算、結果分析。

收集校園道路信息是為了方便對問題建模，應該確保信息的詳細與準確。道路的描繪與攝像設備的位置應當準確無誤，尤其是小路、偏僻的道路等，這樣才能保證問題分析的全面性。

道路與攝像設備信息收集完成之后，開始進行問題分析與建模過程。此過程需要將具體的校園道路模型轉化成抽象的數學模型，然后用圖論知識進行全面分析與計算，找出該用什么方法處理此模型才可以獲得比較可靠的數據，分析它用以描述攝像設備的分布是否合理。也就是說，需要找一個可以量化的指標來描述攝像裝備布局的合理程度，這個量化的指標可以是從一個入口到一個出口每一個攝像設備的拍攝概率。利用圖論知識，整個校園可以抽象為一張關系復雜的網，交叉的路口變成結點。首先要解決的問題便是選擇走一條路的概率問題。我們假設路的選擇是等概率的隨機事件，即當遇到岔口的時候，我們是等概率地選擇一條路的，而且不可以走回頭路，除非走到了死路需要換一條路線。這樣可以簡化概率的計算，同時可以排除掉兜圈子的情況，大大降低了問題的復雜度。通過圖論的分析可以得到，道路的布局是決定著攝像設備的訪問概率的，也就是說，通過分析道路路口的訪問概率即可以得出攝像設備的合理程度。同時，一個設備安放在路口是比放在路中的利用率要大得多，所以假設設備都是在路口有一定的合理性。

通過圖論的分析與數學建模，我們獲得了一個簡化的問題模型。這個問題是計算機中圖論問題經典算法中的一種，被稱之為單源點圖遍歷問題。在這個問題中，我們需要遍歷圖來找到所有可行的路線，以此統計結點的訪問概率。死路被拋棄的原因是到了死路需要回頭再尋找一個路線，若設備分布合理，依然會被監控到。所以選擇統計所有可行路線結點的訪問概率。次概率的統計方法是選擇事先標識好每一個結點，當遍歷到一個可行路線的時候，為此路線每一個結點增加一個訪問次數，當訪問完所有可行路線的時候，記錄可行路線總數，每個結點訪問次數除以路線總數就可以獲得每個結點訪問的概率。

三、方案可行性分析

通過多次的結果分析與討論，此方法得到的概率雖說有一定的局限性，但也是具有參考價值的數據。局限性在于，路線的選擇并非是完全隨機的事件，這受人的主觀意愿的影響，攝像設備的位置也并非總是在結點位置才是最好的，同時，死路的丟棄有可能導致某些地區缺乏監控。參考價值在于，這是一種理想狀態的數據，當陌生人進入校園的時候，等概率事件是可靠的，同時結點處的設備可以最大限度地發揮效率，節省校園開支，也就是說當滿足此概率模型時，就會基本滿足安全要求。在此基礎上，可以再添加更加豐富的設備來加強校園安全。

參考文獻：

Xing，G.Wang，X.，Zhang，Y.，Lu，C.，Pless，R.，Gill，C.Integrated

Coverage and Connectivity Configuration in Wireless Sensor Networks[J].ACM Transactions on Sensor Networks，2005，1（1）.

基金項目：本文研究成果受江蘇科技大學張家港校區本科生創新計劃資助，項目編號：126031084。