基于大數據技術的數字化城市智能安防系統設計

雷群泌

（湖南環境生物職業技術學院，湖南 衡陽 421005）

0 引言

城市安防系統是城市安全的保護屏障，能夠有效減少社會安全隱患[1]。隨著“平安城市”、“智慧城市”等城市智能安防建設項目的提出和實施，城市安防系統也在持續完善和升級，同時，大數據技術的飛速發展為城市安防系統提供了更整體化、智能化的有力支持[2]。如何將先進的大數據技術與城市安防系統結合，成為研究建設城市安防系統的熱門話題[3]。該文設計的基于大數據技術的數字化城市智能安防系統總體框架分為監控報警層、數據傳輸層和接警處理層。通過監控攝像頭實時采集、編碼視頻信號，并在邊緣端完成視頻智能分析，對識別到的指令目標進行自動報警處理，數據傳輸系統將數據上傳至公安專網主系統，再由接警處理中心進行調閱查看，建立基于大數據技術的高效、智能的數字化城市安防系統，保障城市安防工作順利進行。

1 建立城市智能安防系統總框架

基于大數據技術的數字化城市智能安防系統主要分為3個部分：監控報警層、數據傳輸層以及接警處理應用層。監控報警層由覆蓋整個城市的各個監控子系統共同組成，通過為每個監控子系統設備植入大數據處理技術模塊，增加系統智能性，減少無效數據的內存占據；數據傳輸層由光纖作為傳輸介質，將視頻數據上傳至云存儲服務器，以滿足大數據的存儲管理需求；接警處理層以安防系統運行服務平臺為主體，通過串連匯接整個城市的公共監控子系統，并在大數據技術的支持下，搭建集成的智能化安防管理主系統，幫助公安機關實現遠程的取證和調度。

2 城市智能安防系統硬件設計

目前，城市中常見的視頻監控攝像頭以模擬監控攝像頭和數字監控攝像頭為主，由于城市現有安防系統的前端設備類型較多，情況較為復雜，因此，模擬視頻監控系統更適合對舊系統的改造升級[4]。該文提出的城市智能安防系統監控層硬件設計使用模擬高清攝像頭（AHD攝像頭），配有AHD復合信號光纖發射/接收模塊，采用Xilinx公司Kintex-7系列的FPGA芯片作為主控，同時攜帶嵌入式Linux操作系統，用于在系統中植入邊緣計算模型，為前端設備賦予大量數據計算處理能力和數據存儲功能。數據傳輸層使用SFP+收發一體光模塊，配合FPGA芯片組成穩定高效的光纖傳輸系統，實現數據的遠程高速傳輸。

3 城市智能安防系統軟件設計

3.1 監控報警層設計

3.1.1 實時采集、編碼監控視頻數據

當城市智能安防系統前端的AHD監控攝像頭采集到實時的視頻信號后，模擬視頻信號會傳輸至FPGA芯片系統的A/D轉換器中，轉換為數字信號，并由DSP處理器根據數據傳輸及通信協議進行視頻編碼、成幀。其中，芯片處理系統采用H.265編碼方式，通過GPU進行視頻壓縮，能夠快速完成實時的視頻編碼處理并減少CPU的占用。同時，在嵌入式Linux中運用拉格朗日函數設置自適應調整算法，約束并控制H.265編碼模式，對其進行率失真優化，提高系統魯棒性，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，）代表損失函數；S為視頻數據樣本；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），最小時為最優編碼模式。由于視頻數據樣本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，即，因此，損失函數J最小化計算如公式（3）所示。

通過以上公式，計算每個樣本Sk相對應的最優編碼模式，控制視頻在相應的編碼模式下的輸出效率，不僅保證監控視頻的壓縮數據量，而且實現大量視頻數據的高速存儲。

3.1.2 基于邊緣計算的結構化視頻處理

由于安防系統前端的監控攝像頭內置計算能力較低，因此，在嵌入式Linux操作系統中植入邊緣計算模型，將具有計算能力的硬件單元集成到邊緣端系統的軟硬件平臺上，能夠實現數據源側的就近數據預處理，有效緩解城市安防系統大數據傳輸和云端處理的壓力，降低不必要的系統運行成本。模擬視頻信號在完成數字化轉換后，視頻數據將在邊緣計算系統中獲得進一步智能分析，結合邊緣計算技術進行視頻結構化處理，去除視頻圖像冗余信息[5]。基于邊緣計算的結構化視頻處理系統邏輯如圖1所示。

圖1 城市智能安防系統前端視頻處理系統框圖

原始視頻在經過數字化編碼處理后，將在嵌入式Linux系統的智能處理模塊中，通過邊緣計算獲得視頻幀圖像內容的結構化分析，在邊緣端完成監控視頻內容數據的預處理。系統會智能識別視頻幀圖像內容，提取圖像中人、車的各種特征屬性信息并整合歸檔，同時判斷監控視頻中人、車違規違法行為，并向上端發送事件報告。在目標查找等系統應用服務場景下，由人工輸入目標特征屬性信息，邊緣端監控設備在對視頻進行結構化預處理時，會根據特征信息鎖定并追蹤目標，及時提交目標檢測結果和相關視頻數據，為城市安防工作的深入開展提供有力支持[6]。同時，邊緣計算系統具有彈性儲存功能，能夠通過算法感知監控場景內存在的行為特征，智能調整視頻存儲數據，保留證據性數據的同時減少無效視頻的存儲，提高芯片的數據緩存空間有效使用率，從而實現監控視頻數據的高效存儲。

3.1.3 自動發送報警信息

當出現以下2種情況時，前端監控系統將自動向接警處理中心發送報警信息：1）系統在任務指令為識別監控中異常行為時，將根據視頻分析結果和相應的事件等級，向上發送分級報警信息。2）系統在任務指令為追蹤某目標時，將通過目標特征屬性和視頻結構化分析中提取的信息，快速識別鎖定偵查目標，并發送報警信息至接警處理中心。

3.2 數據傳輸層設計

考慮到城市安防監控視頻的采集和存儲相對分散，難以實現整個城市安防系統上下端的統一互聯，因此采用光纖作為數據傳輸介質，由FPGA和SFP+光模塊、光纖電纜組成光纖傳輸系統，用于構建整體的數據傳輸網絡，實現數字視頻信號的遠程高速傳輸。光纖傳輸系統數據傳輸流程如圖2所示。

圖2 光纖傳輸系統數據傳輸流程簡圖

攝像頭采集到的視頻為發送端數據，首先會送入FPGA的A/D轉換器中，由模擬視頻信號轉化為數字視頻信號，在視頻獲得編碼和結構化分析后，視頻數據繼續經過發送端FPGA的GTX收發器完成串并轉換，數據流以并行形式進入SFP+光模塊，通過電光轉換器將電信號轉化為光信號，并經由光纖將數據傳輸到上位機的云存儲服務器中。當n路數據進入云存儲服務器時，將在服務器中完成大數據的智能整合和備份存儲，再通過光纖繼續發送至主系統接收端設備。接收端的SFP+光模塊會再次將光信號轉化為電信號，并進一步通過接收端FPGA的GTX收發器完成高速串行數據的串并轉換，在視頻數據完成解幀、解碼后，由接收端D/A轉換器將數字信號重新恢復為模擬視頻信號，并在接警處理層的設備上顯示出來。

3.3 接警處理層設計

通常情況下，城市安防系統的前端監控系統主要負責排查城市安全隱患，觀測城市中的違規、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別、標記違章車輛，自動記錄車輛信息，并以短信的方式通知車主進行違章處理[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關出警的情況，接警處理中心主系統則會根據報警信息迅速作出反應，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工作流程圖

當服務中心接到前端監控系統上傳的犯罪分子信息后，接警處理主系統將進一步向110指揮中心發出報警信息，同時使用系統的警情路徑預測模塊和警情處理模塊對報警信息和視頻數據進行大數據智能分析整合，自動生成電子地圖和出警調度方案，并與原始數據一同打包發送至指揮中心，通過大數據智能安防系統，幫助公安機關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 測試試驗

4.1 試驗準備

采用C/S模式作為系統架構，使用Canal數據庫，硬件設備選擇HIKVISION公司的DS-2CE16G0T-IT5型號高清監控攝像頭，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SFP+收發一體光模塊，并利用多模光纖組成數據傳輸通道，組建基本的小型安防系統。同時，為減少單個設備造成的試驗誤差，設置三組相同的監控子系統，連接同一安防管理主系統，以此開展基于大數據技術的數字化城市智能安防系統的測試試驗。

4.2 試驗結果

為驗證基于大數據技術的數字化城市智能安防系統的可行性，隨即選取7個時間節點，分別對三組系統進行測試試驗，記錄系統的實時監控視頻信號采集耗時、視頻結構化智能分析耗時、結構化處理的準確率以及視頻數據傳輸速率的相關綜合數據，并計算出平均值作為結果數據，以減少誤差。具體測試結果見表1。

表1 綜合測試試驗結果

為了進一步驗證城市智能安防系統的高效性，同時對3組系統的采集、編碼、傳輸各工作階段的時間延遲數據進行測算，并統計各節點時延平均值。時間延遲測試數據結果見表2。

從表1、表2的數據可以看出，系統監控視頻的采集時間小于350 ms，視頻結構化分析處理的時間在2 s以內，視頻分析準確率大于98%，數據傳輸速率保持在9 GB/s以上，說明智能安防系統的運行效率、大數據分析的準確程度均可以滿足城市安防工作的需求，系統具備一定的可行優勢。并且監控視頻的編碼、分析時間延遲在20ms以內，數據傳輸時延全部小于1.5 ms，存儲時延在20 ms以內，系統總時延不超過35 ms，說明系統整體延遲較低，能夠使數字化城市智能安防系統高效地運行。

表2 時間延遲測試平均數據結果

5 結語

綜上所述，隨著大數據技術的飛速發展，在城市安防系統中使用大數據技術，建立數字化智能安防系統，能夠有效提高城市安防工作效率，保障城市安全。基于大數據技術的數字化城市智能安防系統總框架主要包括監控報警層、數據傳輸層和接警處理層。通過監控報警層系統進行實時監控視頻的采集和編碼，在邊緣端完成視頻結構化分析處理后，系統根據指令情況發出報警信息，相關視頻數據會快速上傳至接警處理中心，為公安機關提供高清視頻證據支持，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。并且，通過測試試驗，驗證了該系統的可行性。