智慧視頻監(jiān)控在智慧醫(yī)院建設(shè)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

楊聚加，段 然

(1.陸軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院信息科，重慶 400038；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)重慶醫(yī)院/重慶市人民醫(yī)院信息處，重慶 400013)

2019年3月，國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)首次提出智慧醫(yī)院建設(shè)，并提出了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，為醫(yī)院智慧化建設(shè)提供了建設(shè)性指導(dǎo)方向，而視頻監(jiān)控在智慧醫(yī)院建設(shè)中顯得尤為重要[1]。隨著人工智能(AI)、智能識(shí)別分析、第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5G)、混合現(xiàn)實(shí)、空間計(jì)算等新一代信息技術(shù)的應(yīng)運(yùn)而生，如何在視頻監(jiān)控建設(shè)中利用上述技術(shù)并結(jié)合建筑信息模型(BIM)+地理信息系統(tǒng)(GIS)已經(jīng)成為新的研究方向。視頻監(jiān)控是醫(yī)院后勤信息化建設(shè)中的一個(gè)極為重要的子系統(tǒng)[2]，其需深度融合門(mén)禁、停車、消防、能源監(jiān)測(cè)、訪客等子系統(tǒng)，構(gòu)建視頻數(shù)據(jù)互聯(lián)、互通與共享，以及各子系統(tǒng)之間功能相互集成與復(fù)用，才能真正做到視頻集監(jiān)、控、管與維的多維可視化智慧應(yīng)用。

1 現(xiàn)狀分析

當(dāng)前三級(jí)甲等醫(yī)院的后勤信息化建設(shè)均較落后，缺乏統(tǒng)一規(guī)劃與頂層設(shè)計(jì)，各業(yè)務(wù)子系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)互聯(lián)、互通與共享，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間功能復(fù)用，同時(shí)存在重復(fù)建設(shè)浪費(fèi)資源的情況，已無(wú)法適用于新時(shí)代的智慧醫(yī)院建設(shè)要求。

智慧視頻監(jiān)控建設(shè)可破除現(xiàn)有后勤信息化領(lǐng)域中的數(shù)據(jù)孤島、業(yè)務(wù)壁壘、局部智能等一系列難題，實(shí)現(xiàn)以視頻數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的深度學(xué)習(xí)、跨系統(tǒng)和跨業(yè)務(wù)融合、數(shù)據(jù)匯集與分析、功能集成與聯(lián)動(dòng)、智能感知與共享開(kāi)放的多維智慧可視化綜合應(yīng)用。

2 建設(shè)目標(biāo)

本系統(tǒng)以視頻數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)采用AI視覺(jué)算法，運(yùn)用新一代信息技術(shù)深度融合醫(yī)院信息系統(tǒng)、人力資源、后勤各業(yè)務(wù)并聯(lián)動(dòng)公檢法司等系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)視頻數(shù)據(jù)的深度挖掘、分析和利用，打造集全面感知、智能分析、功能復(fù)用、聯(lián)勤聯(lián)動(dòng)、共享開(kāi)放的智慧視頻服務(wù)平臺(tái)，著力構(gòu)建以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)、AI為抓手、智慧應(yīng)用為目標(biāo)的多維感知醫(yī)院安防管理體系。同時(shí)，建立一套集數(shù)據(jù)采集、清洗、分類、智能分析與挖掘的視頻大數(shù)據(jù)資源存儲(chǔ)共享平臺(tái)[3]，實(shí)現(xiàn)具備“感-聯(lián)-知-用-融”全面一體化深度融合的視頻綜合應(yīng)用中心，將視頻監(jiān)控與安防管理向數(shù)智化方向推進(jìn)。具體建設(shè)目標(biāo)如下。

2.1 視頻監(jiān)控平臺(tái)

具備統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與管理、統(tǒng)一注冊(cè)、統(tǒng)一索引、統(tǒng)一門(mén)戶、統(tǒng)一界面、統(tǒng)一權(quán)限、統(tǒng)一通信、統(tǒng)一交互、統(tǒng)一管控、單點(diǎn)登陸、AI智慧運(yùn)維等功能[4]。遵循統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制層面的統(tǒng)一管控、權(quán)限精細(xì)化管理，以及對(duì)數(shù)據(jù)層面的智能分析、研判和預(yù)警等功能。

2.2 統(tǒng)一視覺(jué)中樞管理

建立統(tǒng)一視覺(jué)中樞管理平臺(tái)，對(duì)所有監(jiān)控、門(mén)禁、停車導(dǎo)航等子系統(tǒng)中生成的視頻進(jìn)行智能抽取、存儲(chǔ)并分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)各子系統(tǒng)中視頻采集終端進(jìn)行統(tǒng)一管理和運(yùn)維等。建立視頻算法倉(cāng)庫(kù)，具備海量AI智能算法與算法融合功能，以及開(kāi)放模型訓(xùn)練能力、算法構(gòu)建和部署能力,支持?jǐn)?shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)標(biāo)注、數(shù)據(jù)管理、模型訓(xùn)練、模型評(píng)估、模型優(yōu)化、算法構(gòu)建、算法分銷、算法部署、算法接入等功能。建立自主新型視頻壓縮算法和標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)省存儲(chǔ)空間、釋放重復(fù)占用，并提升視頻存儲(chǔ)能力和效率。

2.3 統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范接口

建立視頻應(yīng)用相關(guān)元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，包括內(nèi)容監(jiān)管、視頻采集、傳輸、壓縮、存儲(chǔ)、分析相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以及安全性規(guī)范，防止泄露。建立統(tǒng)一視頻監(jiān)控API接口與SDK標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，具備開(kāi)放性、適應(yīng)性，滿足海量設(shè)備接入且無(wú)限制，同時(shí)滿足跨平臺(tái)、跨系統(tǒng)、接口調(diào)用無(wú)限制及功能復(fù)用等需求。

2.4 統(tǒng)一集成管理

在統(tǒng)一BIM+GIS主模型基礎(chǔ)上，建立視頻監(jiān)控相關(guān)的精細(xì)化BIM模型，相關(guān)設(shè)備在模型上進(jìn)行部署與融合，結(jié)合5G、混合現(xiàn)實(shí)和物聯(lián)網(wǎng)、三維視頻融合等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控在全院統(tǒng)一BIM+GIS模型下的虛擬現(xiàn)實(shí)的漫游呈現(xiàn)沉浸式統(tǒng)一管控與聯(lián)動(dòng)。結(jié)合BIM+GIS模型提供可視化、數(shù)字孿生化服務(wù)，將設(shè)備、布線等與BIM模型深度結(jié)合與綁定，實(shí)現(xiàn)在BIM模型中實(shí)時(shí)可視化查看、管控監(jiān)控終端設(shè)備，甚至其他子系統(tǒng)間的深度融合。具備三維視頻融合功能，實(shí)現(xiàn)實(shí)景場(chǎng)景與虛擬場(chǎng)景的融合，二三維的統(tǒng)一展示與操控，并在三維視頻模型中混合現(xiàn)實(shí)沉浸式自由漫游管控。

2.5 適配性和開(kāi)放性

全面兼容目前市場(chǎng)主流廠家的監(jiān)控相關(guān)設(shè)備，且具備平滑升級(jí)功能以適配未來(lái)設(shè)備升級(jí)換代帶來(lái)的無(wú)法兼容問(wèn)題。遵循信創(chuàng)國(guó)產(chǎn)化要求，適配主流國(guó)產(chǎn)基礎(chǔ)硬件、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)及通用軟件等。

2.6 統(tǒng)一安全管理

具備對(duì)海量終端設(shè)備接入統(tǒng)一管理功能，如身份認(rèn)證、設(shè)備綁定、防篡改及漏洞更新、補(bǔ)丁升級(jí)等。具備安全態(tài)勢(shì)分析、自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)告警等功能。具備數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出的安全防護(hù)措施。

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

視頻監(jiān)控關(guān)系到全院的安防保衛(wèi)工作，是院區(qū)安防的重要組成部分，其必須與后勤信息化各子系統(tǒng)之間深入融合、共享互通。因此，在建設(shè)時(shí)需全面考慮、通盤(pán)考量，并以頂層思路設(shè)計(jì)，避免后期重復(fù)建設(shè)。醫(yī)院視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用一套管理平臺(tái)、兩個(gè)中心、三類管控、四層防護(hù)及N+業(yè)務(wù)的體系架構(gòu)，見(jiàn)圖1。

圖1 視頻監(jiān)控體系架構(gòu)

3.2 技術(shù)架構(gòu)

本系統(tǒng)采用面向服務(wù)的架構(gòu)(SOA)與微服務(wù)相融合的能力開(kāi)放設(shè)計(jì)，既保障共性業(yè)務(wù)能力下沉與復(fù)用，又確保共性能力可大拆小的微服務(wù)方式，確保實(shí)現(xiàn)服務(wù)重用，同時(shí)解決不同系統(tǒng)間相互集成的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用的靈活編排，見(jiàn)圖2。

圖2 技術(shù)架構(gòu)

3.3 設(shè)計(jì)思路

智慧視頻監(jiān)控利用自帶5G模組的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與5G融為一體作為傳輸網(wǎng)絡(luò)，采用軟件定義攝像機(jī)對(duì)音視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)采集[5]，同時(shí)遵循統(tǒng)一的數(shù)據(jù)與應(yīng)用建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，運(yùn)用BIM+GIS、大數(shù)據(jù)、AI、計(jì)算機(jī)視頻識(shí)別、商業(yè)智能與傾斜攝影等技術(shù)，深度融合并聯(lián)動(dòng)智慧門(mén)禁、智慧消防、能源管理及梯控等子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)院內(nèi)二維、三維地理模型與視頻融合拼接，形成基于BIM+GIS的三維虛擬沉浸漫游式的管控，讓物理世界與虛擬世界深度結(jié)合，打造具備運(yùn)、管、營(yíng)、維等多維度可視化沉浸漫游式的互聯(lián)互通型全方位感知的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)整體思路如下：(1)頂層設(shè)計(jì)，統(tǒng)籌兼顧。以頂層設(shè)計(jì)規(guī)劃的理念貫穿全局，既要充分考慮開(kāi)放性、松耦性及復(fù)用性，也要兼顧與后勤其他子系統(tǒng)之間兼容性與互操性，確保數(shù)據(jù)互聯(lián)互通和共享，功能之間實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)與復(fù)用，做到統(tǒng)籌兼顧，著眼未來(lái)，充分保證系統(tǒng)的可彈性擴(kuò)展需求。(2)統(tǒng)一管控，深度融合。既要充分保障深度融合又要做到統(tǒng)一管控，甚至與其他子系統(tǒng)協(xié)同工作、聯(lián)動(dòng)防范，建成一個(gè)具備AI智能分析視頻功能的監(jiān)控體系。(3)可視化、沉浸式漫游管控。采用視頻融合技術(shù)，將視頻終端設(shè)備與二維地圖和三維場(chǎng)景進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)全院的BIM模型下的沉浸式漫游管控，同時(shí)具備互操作性。

3.4 建設(shè)內(nèi)容

智慧視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要包括硬件與軟件兩大部分，硬件采用軟件定義攝像機(jī)、5G物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、通用服務(wù)器等，軟件主要由視頻中樞系統(tǒng)、智能算法倉(cāng)庫(kù)、三維視頻融合等組成，而傳輸網(wǎng)絡(luò)則是采用院內(nèi)5G專網(wǎng)為主干網(wǎng)絡(luò)，底層基礎(chǔ)設(shè)施采用超融合架構(gòu)將通用X86服務(wù)器虛擬化形成統(tǒng)一資源管理池,實(shí)現(xiàn)計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)甚至圖形處理器等資源在統(tǒng)一界面下可視化智能管理、分配與運(yùn)維[6]。

3.4.1軟件定義攝像機(jī)

軟件定義攝像機(jī)是在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)化的硬件基礎(chǔ)上利用智能算法讓其可以根據(jù)場(chǎng)景需求進(jìn)行自我感知、自我學(xué)習(xí)與進(jìn)化，滿足不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求，智能在線加載與自動(dòng)切換所需算法，并根據(jù)用戶自定義的需求智能提取與識(shí)別相關(guān)特征，且具備對(duì)實(shí)時(shí)采集的圖像進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)估的功能，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用智能識(shí)別場(chǎng)景的功能。

3.4.25G融合傳輸網(wǎng)絡(luò)

5G可有效解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)引起的傳輸速率低、畫(huà)質(zhì)效果差、部署不靈活等問(wèn)題；同時(shí)具備高帶寬、低延遲及海量設(shè)備接入的顯著特點(diǎn)，如果與邊緣計(jì)算、AI相結(jié)合勢(shì)必會(huì)將運(yùn)算、存儲(chǔ)與分析前移，極大減輕視頻中樞的壓力，有力保障視頻中樞計(jì)算中心的處理效率。本設(shè)計(jì)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用5G專網(wǎng)，前端采用支持5G物聯(lián)網(wǎng)卡與邊緣計(jì)算的工業(yè)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，組成一套基于5G的融合物聯(lián)網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)，其不僅有效保障了視頻監(jiān)控的傳輸，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了院區(qū)內(nèi)各類感知層設(shè)備的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、上傳、處理和存儲(chǔ)等。

同時(shí)，將5G與H.266技術(shù)相結(jié)合，必將引發(fā)視頻監(jiān)控朝著4K甚至8K超高清畫(huà)質(zhì)的方向高速發(fā)展。試想，當(dāng)自帶5G模組的超高清軟件定義攝像機(jī)普遍應(yīng)用時(shí)，結(jié)合5G海量接入的特性定會(huì)讓視頻中樞管理中心獲取并處理更多且全面的多維度音視頻數(shù)據(jù)[7]，實(shí)現(xiàn)更智能化的應(yīng)用、分析、判斷與個(gè)性化的針對(duì)性安全防范措施。

3.4.3全新云存儲(chǔ)架構(gòu)

云存儲(chǔ)系統(tǒng)是一個(gè)具備智慧運(yùn)營(yíng)、靈活部署、快速回收資源等功能的智能信息技術(shù)系統(tǒng)，其采用軟件定義技術(shù)基于分布式架構(gòu)運(yùn)行在通用X86服務(wù)器之上，利用集群化、虛擬化和智能配置等技術(shù)，將存儲(chǔ)資源進(jìn)行整合[8]，從而提供統(tǒng)一、靈活、安全及可彈性擴(kuò)展、低成本、低能耗的“云存儲(chǔ)服務(wù)”，將存儲(chǔ)建設(shè)從系統(tǒng)建設(shè)上升到服務(wù)建設(shè)。

云存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)具體如下：(1)高效靈活性。①采用通用X86服務(wù)器為底層基礎(chǔ)，使用分布式架構(gòu)對(duì)存儲(chǔ)資源進(jìn)行虛擬化整合，提高存儲(chǔ)使用與靈活動(dòng)態(tài)分配[8]；②具備存儲(chǔ)資源在線按需靈活擴(kuò)展與管理功能，能對(duì)存儲(chǔ)空間根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整。(2)快速定位與索引。①采用一體化索引設(shè)計(jì)，提高查找速度且具備持續(xù)可靠的數(shù)據(jù)服務(wù)；②具備智能處理與分析視頻、圖片功能，支持在海量數(shù)據(jù)中快速定位與讀取。(3)高可擴(kuò)展性與可靠性。①采用高性能設(shè)計(jì)支持并發(fā)服務(wù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻數(shù)據(jù)的高速讀取，并保障安全可靠；②采用流式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，制訂視頻、圖片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，可滿足非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的持續(xù)寫(xiě)入與讀??；③采用全集群化、分布式、虛擬化、離散存儲(chǔ)算法和智能配置等技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高存儲(chǔ)效率和負(fù)載均衡，保障性能全面提升，避免單/多點(diǎn)故障引起業(yè)務(wù)中斷。(4)開(kāi)放性與兼容性。①制訂統(tǒng)一開(kāi)放的應(yīng)用功能接口標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，可直接為上層業(yè)務(wù)應(yīng)用提供調(diào)用服務(wù)；②采用通用X86服務(wù)器且兼容當(dāng)前主流FC SAN、IP SAN等存儲(chǔ)設(shè)備的接入[8]。

3.4.4視頻分析中樞

視頻分析中樞是視頻監(jiān)控中的重要組成部分，采用AI智能視頻分析技術(shù)構(gòu)建視頻資源融合與解耦、能力開(kāi)放和運(yùn)營(yíng)支撐平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)視頻資源全生命周期管理。建立數(shù)據(jù)共享倉(cāng)庫(kù)、AI算法倉(cāng)庫(kù)及開(kāi)放模型訓(xùn)練,支持?jǐn)?shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)標(biāo)注、數(shù)據(jù)管理、模型訓(xùn)練、模型評(píng)估、模型優(yōu)化等功能;中樞也需具備算法融合、算法構(gòu)建、算法分銷、算法部署等功能，且支持多種智能解析算法協(xié)同處理，且互不干擾，結(jié)果統(tǒng)一呈現(xiàn)[9-14]。

3.4.5視頻融合應(yīng)用

將軟件定義攝像機(jī)與BIM+GIS融合，結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)標(biāo)簽標(biāo)注、數(shù)字孿生技術(shù)，對(duì)畫(huà)面中的建筑物、道路、公共設(shè)施、興趣點(diǎn)、重點(diǎn)防御點(diǎn)及室內(nèi)等進(jìn)行標(biāo)簽標(biāo)注，且支持分層分類展示、搜索、定位等功能；同時(shí)與攝像機(jī)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議及相關(guān)信息關(guān)聯(lián)，當(dāng)搜索到某個(gè)目標(biāo)位置時(shí)，畫(huà)面可自動(dòng)聚焦到目標(biāo)位置，并在監(jiān)控中心以最大畫(huà)面展示，整體形成一個(gè)實(shí)景地圖，如親臨現(xiàn)場(chǎng)，以第一視角自動(dòng)漫游至事發(fā)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)基于BIM+GIS的三維虛擬全景下所有設(shè)備定位、監(jiān)測(cè)、管控、運(yùn)維及三維可視化聯(lián)動(dòng)互操作，結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，從此告別監(jiān)控畫(huà)面碎片化的時(shí)代，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)院區(qū)的沉浸式實(shí)景監(jiān)控新“視”代。

3.4.6統(tǒng)一應(yīng)用與管控

采用統(tǒng)一架構(gòu)模式實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一門(mén)戶、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一訪問(wèn)入口和統(tǒng)一移動(dòng)端應(yīng)用，同時(shí)遵循醫(yī)院標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一身份認(rèn)證、單點(diǎn)登錄功能，結(jié)合并利用醫(yī)院BIM+GIS模型，實(shí)現(xiàn)多維的可視化綜合管控，當(dāng)異常行為或事情發(fā)生時(shí)經(jīng)視頻分析中樞進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)事前預(yù)警、事中響應(yīng)、事后追溯及智能聯(lián)動(dòng)等功能，有效提升醫(yī)院安防的整體管理效率，便于醫(yī)院管理者全面、靈活、實(shí)時(shí)掌握整個(gè)醫(yī)院的運(yùn)營(yíng)安全動(dòng)態(tài)與風(fēng)險(xiǎn)趨勢(shì)[15-17]。

4 結(jié) 語(yǔ)

智慧視頻監(jiān)控是在基于醫(yī)院統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的基礎(chǔ)上，利用全院BIM+GIS模型，將門(mén)禁、訪客、梯控、消防、停車和安全管理等子系統(tǒng)進(jìn)行深度融合、聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、功能復(fù)用和業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)，打破傳統(tǒng)視頻監(jiān)控“監(jiān)”“控”分離的被動(dòng)，將視頻監(jiān)控變成具備自主性、智慧性和多維度的數(shù)字孿生式綜合監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)管理、以可視化改變治理模式的新要求與新思路。