基于邊緣計算的文物安全遠程視頻監管系統設計

張冰峰 張學文

[摘要]通過互聯網或內部網絡連接到云計算中心或數據中心的方式，建設涵蓋全國重點文物保護單位、世界文化遺產地和國家一級博物館的文物安全監管視頻系統，對網絡的帶寬和服務器資源需求較高，費用過大。提出基于邊緣計算的文物安全遠程視頻監管系統設計方案，將原有基于云計算和數據中心的部分或全部計算任務，下沉到靠近用戶端的各文博單位視頻監控邊緣設備上。系統支持分布式計算，完成高危人員、監控車輛的識別與跟蹤任務，降低云計算中心的處理負擔，極大緩解網絡帶寬與數據中心的壓力，增強服務的響應能力，保護隱私數據，提高監控視頻分析速度，保證監控視頻流的實時性。

[關鍵詞]智能視頻監控;文物安全監管;邊緣計算

[中圖分類號]K 872[文獻標志碼]A[文章編號]1005-0310（2019）03-0083-06

Abstract： Through the internet or internal network， to connect to cloud computing center or data center， and build a security supervision system for covering major national cultural relics and historical relics， world cultural heritage sites and national first-level museums， the demand for network bandwidth and server resources of the video surveillance system is high， and so is the cost. The design scheme of the cultural relics security

remote video supervision system based on edge computing is proposed. Some or all of the original computing tasks based on the cloud computing and data center are transferred to the video surveillance edge devices of the user terminals， supporting distributed computing to complete the identification and tracking tasks of high-risk personnel and monitored vehicles， which reduces the processing burden of cloud computing center， greatly alleviates the pressure of network bandwidth and data center， enhances service responsiveness， protects private data， improves monitoring video analysis speed and ensures real-time monitoring of video streams.

Keywords： Intelligent video surveillance; Cultural relics security supervision; Edge computing

0引言

隨著數字視頻技術和網絡技術的發展，全國重點文物保護單位、世界文化遺產地和國家一級博物館大多安裝了視頻監控系統，對文物保護區域進行重點監控，實現預警、告警、防盜管理，確保文物安全。按照《國務院辦公廳關于進一步加強文物安全工作的實施意見》（國辦發〔2017〕81號），需建設覆蓋全國重點文物保護單位和世界文化遺產地的監控系統，實現遠程監管、文物安全監管人員智能巡檢，建設文物安全監管平臺。

若將全國重點文物保護單位、世界文化遺產地和國家一級博物館的文物安全視頻系統通過互聯網或內部網絡進行集成，連接到云計算數據中心，需要更高的帶寬和更多的服務器資源[1]。根據平臺建設方案估算，實現國家重點文物保護單位專線連接，每年的寬帶租賃費用不菲，占到平臺建設運營費用的30%左右。為提高視頻圖像數據的價值，降低時延、帶寬，提高處理效率等，必然要把邊緣計算和云計算結合在一起工作[2-5]，通過增加數據采集模塊、改造升級智能攝像頭、增加邊緣服務器設備并升級視頻監控系統功能，利用分布式計算技術建設基于邊緣計算的文物安全遠程視頻監管系統。該系統將視頻流傳輸、存儲、計算任務下沉到各文博單位的監控邊緣設備上，進行全天候、無間斷、高清晰動態監視及預警聯動，確保全國重點文物保護單位、世界文化遺產地和國家一級博物館的安全，同時實現國家、省、地市、文博單位聯動的遠程監管體系。

1文物視頻監管系統與邊緣計算

1.1文物安全遠程視頻監管系統

文博單位現有的安防系統大部分都是根據自身的需求建設的，信息數據分散，沒有統一的標準，信息數據的交換、共享、集成等工作比較困難。文物安全視頻監控系統主要實現所轄區域的文物保護安全監控，具備越界偵測、區域入侵、物品看守功能，能夠實現周界、禁區和重要文物的看守。

文物安全遠程視頻監管系統是要建設涵蓋全國重點文物保護單位、世界文化遺產地和國家一級博物館的監管體系，實現多級聯動的遠程監管體系。通過網絡統一連接各文博單位的視頻監控系統，能夠隨機調取具體的攝像頭，查看監控內容。視頻監控系統融合安防系統其他子系統，實現立體安全防范體系，提升文博單位整體安全防范水平。安全監控管理利用網絡技術、通信技術、地理信息系統技術，使管理人員能夠直觀判斷安防系統運行工作情況，了解文博單位的監控范圍。系統報警時可接入報警點視頻信息，遠程了解現場情況，為監管工作提供數據資料。

1.2視頻監控邊緣計算

邊緣計算是指在網絡邊緣執行計算的一種新型計算模式，這里的邊緣指在數據源和云計算中心間的任意計算和網絡資源[6-9]。邊緣計算的基本理念是將計算任務在接近本地數據源的計算資源上運行，降低云計算中心的處理負擔，減緩網絡帶寬的壓力，降低時延[10]。在物聯網的范疇里，邊緣是指靠近數據源的基礎設施，包括計算基礎設施和存儲設施。

視頻監控邊緣計算通過將本地云平臺或數據中心以及國家文物局數據中心的云服務功能下沉到視頻監控邊緣設備（攝像頭、網關、邊緣服務器等），為應用或告警提供低時延業務。邊緣計算可以實現對文物安全視頻監控數據的本地化處理，由采集設備本身或者本地計算設備處理。在保證數據可靠性的前提下，對視頻采集終端短時間內產生的大量實時邊緣數據進行預處理，提高視頻分析速度，或將部分分析處理任務遷移到邊緣設備上，降低處理和傳輸時延，保證監控視頻流的實時性。IPC（網絡視頻攝像頭）都是把視頻圖像的壓縮計算前移到攝像機端，通過邊緣計算模型實時分析視頻內容特征，動態調整視頻流參數（幀率、分辨率等），減少冗余視頻幀，提高傳輸質量和效率，降低存儲節點的能耗。

2基于邊緣計算的遠程視頻監管系統架構設計

2.1文物安全遠程視頻監管系統總體架構

2.2文物安全遠程視頻監管系統實施策略

文博單位包括全國重點文物保護單位、世界文化遺產地和國家一級博物館，屬于基于邊緣計算的遠程視頻監管系統的邊緣域。對文博單位現有視頻監控系統進行升級和改造，使其具備與國家級云服務數據中心連接的邊緣域功能，根據文博單位實際場景，包括攝像頭數量、設備的智能化程度、業務系統的復雜情況，實現數據采集模塊、智能網關、邊緣服務器的選擇和加裝。

視頻監控平臺屬于文博單位已有或已建平臺，智能視頻分析系統為基于邊緣計算的遠程監管系統新建應用模塊或應用。根據文博單位實際場景，直接部署具有邊緣計算功能的智能攝像頭和網關，通過網關直連市級或省級數據采集系統。省級和市級的數據采集系統屬于可選系統，無論是否建設數據采集系統，都可通過國家文物局云平臺的文物安全監管平臺實現本省、市的文物安全監管功能。按照分級接入、分類共享、按需聯網的策略，完成文博單位的視頻資源的整合，對接入的視頻監控資源，在確保安全的條件下接入和共享。視頻接入遵循《公共安全視頻監控聯網系統信息傳輸、交換、控制技術要求：GB/T 28181—2016》，通過部署視頻接入網關、聯網網關等多種兼容接入產品，解決技術兼容性問題，建立多維異構監控技術體系。建設省、市兩級文博單位視頻接入機制，國家級文物安全遠程監管平臺級聯各省級視頻接入系統，獲取視頻圖像。文博單位公共視頻資源可以公開傳輸和共享給其他部門和機構，內部視頻監控資源在文物局內部通過權限進行查看，其傳輸和播放需加密和鑒權。

2.3基于邊緣計算的遠程視頻監管系統設計

基于邊緣計算的遠程視頻監管設計，將各文博單位的視頻監控系統作為邊緣域。根據文博單位的重要性、數據量的大小及安全監控業務的復雜程度，增加數據采集模塊、邊緣網關設備、邊緣服務器設備，實現邊緣域功能。基于邊緣計算的文物安全遠程視頻監管系統網絡連接如圖2所示。

為實施遠程安全視頻監管系統的網絡互聯，需要對現場監控裝置的通信方式進行升級改造，附加數據采集模塊實現與外部信息交互，增加網絡接口實現互聯。邊緣域部署新的監測設備、執行器等實現視頻監控信息采集或反饋控制的執行。部署邊緣服務器，匯聚監控現場及安防系統的數據，進行數據的邊緣處理。部署智能網關設備，實現與云平臺的連接，將邊緣處理的數據傳送到云端。云平臺實現文物安全監管內外部數據的充分匯聚，支撐數據的存儲、挖掘和分析，有效支撐文物安全視頻監管系統的運行和各種創新應用。

1） 數據采集模塊

數據采集模塊如無線I/O模塊（采用LoRa、Wi-Fi等協議）、有線遠程以太網I/O模塊（采用OPC UA、Modbus等協議），有線遠程采集模塊需具備以太網絡接口，便于與原有網絡架構整合，方便通過網絡交換器采集現場設備信息。數據采集模塊主要完成智能攝像頭、安防設備、傳感器等設備的數據采集，實現設備之間以及與上位管理系統的數據交互。整合和監控關鍵設備的當前運作狀態，掌握設備利用率和故障率等信息。一方面保證文博單位實時監控安防設備的狀態，保證設備的正常運行;另一方面能夠實現文物安全監管部門通過統計數據了解區域的安防監控情況。

2） 邊緣網關設備

智能網關實現各類設備的接入和設備間的互聯互通的通信功能，能夠動態添加設備，配置報警策略，根據連接的數據采集模塊實時分析數據;按照預置的業務邏輯，可將達到故障條件的設備進行預警和報警、智能故障診斷及服務執行、遠程診斷與預防性維護，進行設備事件日志的登記;并通過網絡傳送到本地數據中心和國家級云數據中心監管平臺。

3） 邊緣服務器

邊緣服務器能夠直連數據采集模塊或邊緣網關設備，實現輕量計算任務，配備小型的數據庫以及支持數據斷點續傳功能的工控計算機或專用邊緣服務器設備。邊緣服務器可將終端設備包括監控攝像頭、攝像存儲設備、安防監控設備進行注冊登記直連管理，也可通過網關的注冊登記進行管理。

邊緣服務器具備應用層業務的簡單處理能力，實現數據采集模塊數據的匯總、處理和分析，能夠實現部分安全管理、交互式多媒體內容編輯、人機界面交互管理功能。邊緣服務器采用MQTT協議將采集到的數據傳送到云端，實現與云服務連接。

4） 云平臺遠程監控和管理

云平臺遠程監控系統通過互聯網或內部專網實現遠程監控和管理，采用MQTT協議連接智能網關或邊緣服務器設備，接收經過加工處理、分析后的數據。通過鏡像服務，能夠對遠程提供邊緣計算服務的軟件

（網關和服務器軟件）進行更新。基于B/S架構，完成國家級、省級、市級文物安全監管功能。

2.4基于邊緣計算的遠程視頻監管系統安全設計

本設計采用綜合的安全防護措施，保證邊緣設備、網絡、數據和應用的安全。邊緣域部署防火墻、網絡入侵防護系統，相關設備實行接入認證和訪問授權，實現視頻監管系統安全綜合防御。

網關的安全，只允許指定的用戶對網關進行參數配置，通過網關注冊和授權數據采集模塊或連接設備，防止非法訪問。對邊緣應用服務先注冊后訪問，實現邊緣設備對特定服務的注冊及部署。

邊緣服務器的安全，主要是防止邊緣計算服務器在提供服務時遭受攻擊而采取的安全策略。為減少被入侵，需對網絡安全做嚴格控制，僅允許特定的局域網地址和端口訪問本地特定端口。采用本地數據中心的入侵檢測、漏洞分析、防火墻等安全保護，將關鍵隱私數據的操作限制在防火墻內，提升數據的安全性。

文物安全監管平臺的安全管控，通過分層協同安全控制，實現邊緣設備層安全狀態、安全事件的采集，進行協同防御和管控，完成安全事件、設備故障、安全漏洞、合規統計的關聯分析。通過入侵檢測、非法接入監控、安全漏洞補丁分發、流量分析等手段完成安全檢測，進行漏洞分析、告警關聯。

3基于邊緣計算的遠程視頻監管系統功能設計

文博單位現有的視頻監控系統、安防系統屬于數據采集的來源，網絡傳輸數據量大，需要大量的帶寬、存儲和計算資源。設計基于邊緣計算的文物安全監管視頻監控系統，將文博單位已建的視頻監控系統、安防系統作為邊緣域，通過升級改造，實現邊緣計算應用架構。

3.1邊緣域視頻監控系統功能

邊緣計算節點（智能攝像設備、智能網關、邊緣服務器）可以提供網絡、計算、存儲等資源，主要實現協議適配、實時連接、實時流式數據分析。在保證視頻傳輸實時性與識別準確率的前提下，通過邊緣計算模型對采集到的監控視頻流進行預處理，包括過濾冗余視頻幀、動態壓縮視頻流等。將視頻流初始分析工作遷移到邊緣節點上，從而降低對云計算中心存儲、計算和網絡帶寬的需求，提高監控視頻分析速度，保證監控視頻流的實時性。在網絡邊緣部署邊緣服務器，通過無線或有線連接邊緣節點，在靠近客戶側提供IT和云計算的能力。根據應用場景進行策略設置，在邊緣節點和云平臺或數據中心進行協同應用。

實現網絡邊緣節點內容緩存，與視頻監控邊緣節點進行對接，獲取傳輸的視頻流或畫面，進行深度的業務數據分組解析，并進行本地緩存。本地數據經過邊緣服務器進行分流，不經過核心網絡，減少網絡帶寬使用。田野文物重點區域等視頻采集可以基于核心網絡進行高速回傳，反饋數據處理后的指令。將海量視頻數據的收集、存儲、傳輸、分析等功能，根據實際場景，部分下沉到網絡邊緣，靠近數據源，按需實現特定的數據處理能力。

邊緣服務器的圖像視頻分析功能完成對回傳視頻、畫面中的目標對象進行檢測識別、跟蹤，數據分析的結果一部分可以形成指令直接反饋給監控手機，另一部分可直接報送給監控終端（監管中心）;通過本地存儲和計算單元接受檢測跟蹤任務，及時對發現的緊急情況傳送給監控或監管中心，可降低網絡時延，增強服務的響應能力，保護隱私數據。

3.2云數據中心遠程視頻監管系統功能

文物安全遠程監管平臺部署在國家級云數據中心，協同邊緣域各文博單位視頻監控系統，完成邊緣設備的標識、注冊、授權。省、市級單位根據需求和場景使用基于B/S架構的文物安全遠程監管系統功能。遠程監管平臺主要功能是在遠程對文博單位的視頻監控碼流進行輪詢查看、點播查看以及監控室檢測等，通過邊緣計算完成對文博單位的人臉卡口、車輛卡口、監控室視頻進行智能分析;支持采集下級系統和智能視頻分析系統的數據，并按用戶要求進行數據統計;具有對接入的用戶進行認證和授權的功能，在系統級聯的情況下，支持下級平臺繼承上級平臺的用戶和權限。

利用物聯網和邊緣計算技術，完成視頻前端邊緣設備的建檔、狀態信息的實時采集，實現各邊緣設備的策略配置。遠程文物安全監管功能集成在統一的電子地圖之上，預警指揮中心大屏幕上展現預警、報警等綜合統計分析信息。設置輪詢策略和算法，實現集成監控視頻邊緣設備的統一輪詢，并通過預警指揮中心大屏展示實現監察情況。邊緣設備具有緩存功能，支持本地播放和遠程點播，完成對歷史視頻的檢索、回放和下載。遠程邊緣設備的圖像識別和分析功能，可以實現對文博單位監控室監察，能夠進行人員識別和統計，并通過設置策略和算法，實現值班人員離崗超時預警，統計分析值班人員的工作效率。

搭建大數據分布式計算框架，通過國家、省、市、文博單位四級聯動，進行人臉、車輛布控并進行智能分析。通過策略設置算法，進行統一任務下發，分布式計算和匯總結果，進行人臉布控、車輛圖片或車牌布控、身份認證、頻次、軌跡分析，通過以圖搜圖算法、分析比對完成視頻分析，進行預警和告警，能夠實現遠程人臉、車輛檢索。

4結束語

結合全國文物安全監管平臺建設的應用研究，基于視頻監控數據、安防數據的集中存儲、遠程調用方式，占用大量存儲資源，網絡帶寬要求高，費用昂貴，本文對已有視頻監控系統進行升級改造，搭建大數據分布式計算框架，實現基于邊緣計算的文物安全遠程視頻監管系統。各文博單位作為國家文物安全遠程視頻監管系統架構中的邊緣域，根據應用場景的需要，升級或集成重點監控區域的智能攝像頭，加裝具有本地視頻圖像分析算法的邊緣服務器。通過邊緣計算模型對采集到的監控視頻流進行預處理，將視頻流初始分析工作遷移到邊緣節點上，從而降低對云計算中心存儲和網絡帶寬的需求，提高監控視頻分析速度，保證監控視頻流的實時性。在邊緣節點或邊緣服務器中融入人臉識別、車輛識別算法或視頻人物檢測和跟蹤算法，實現一幅地圖上完成文物安全遠程視頻監管，完成預警、告警聯動，通過分布式計算完成人臉、車輛智能分析和統一聯動。

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（責任編輯白麗媛）