基于大数据与物联网技术的智慧民防系统架构设计与实践

摘要：“智慧民防”系统建设利用大数据、物联网、5G等核心综合技术手段，对地下民防空间基础设施、空间资源进行优化配置，并调度整合，以此实现集聚效应。同时将民防智慧化体系建设主动融入“智慧城市”，结合城市网格化建设，利用视频通信技术、安全预警防控手段等物联网技术手段，实行24小时城市在网监控分析，感知城市民防工程运行的各项指标评定，对民生问题给予保障、以及城市公共安全做出预警及治理。

关键词：智慧民防;大数据;物联网;公共安全

0 引言

通过“智慧民防”建设，保障城市地下空间健康有序运转，同时拓展政府应急管理、防灾减灾等工作中的应用，为促进经济建设、增强城市功能、实现民防指挥要素管理方面实现智能化服务，对民生保障工程等做出更大贡献。在发展方向和实现途径上，利用物联网、大数据、 5G+等核心技术，在更高应用层次上，加快建设智慧民防工程。

通过可视化大数据平台和应急指挥调度系统，利用图像传输、视频监测、综合语音通讯、大数据数据分析研判，在自然与事故灾害问题上，面对社会安全突发事件的发生上，统一部署各类社会救援资源、极大程度发挥民防建设作用。在平时还是战时，均可以通过智慧民防的应用平台全面进行管理和指挥，提高民防工程的保障能力和水平，节约社会资源，降低灾情事故发生时的救援成本。

1 关键技术研究

1.1.民防工程智能化、精细化管理思想研究

民防工程智能化是基于防护能级的提升手段上，把信息化技术应用作为应急行动能力信息手段[1]，利用信息监控、GIS指挥调度等手段融合信息化应用系统，利用物联传感设施，实行24小时在网大数据分析预警，视频监控等手段建立起智慧民防系统的指挥控制一体化。加快完善地下空间基础设施管理智能化。

1.2 系统建设研究思路

1.开放式的系统架构

系统架构具有较强的可扩展性，可以根据业务要求灵活定制，完成大数据采集、数据分析、数据展示等核心大数据要求，完善网络安全架构体系，支撑物联网设备感知在网需要。

2.优秀的数据支持

支持各种GIS格式的数据的接入、海量视频图像数据、多格式的数据集成显示与分析，系统建设直观、可视化效果良好，便于提供决策辅助。

3.丰富的专题表达

以范围分段专题图、民防数据热力图、柱形图、地图等大数据表达图形表现各种地理和民防专题数据。

4.强大的查询统计功能

支持各类数据业务查询、空间几何查询、符合民防工程规范的各类数据统计分析，对查询结果进行地图定位。

2 系统建设方案

2.1 系统总体设计思路

2.1.1 系统设计总则

“智慧民防系统”的整体设计架构，以现有的业务规则、技术标准体系、安全运营及绩效考核体系为系统设计的把控原则。

（一）构建智慧民防系统基础业务层，进一步夯实应用平台研发支撑

进一步完善和加强五大基础业务：应急广播系统，民防视频监控系统、民防日管理运维平台、民防全空间物联感知网、GIS数据共享系统的建设，以满足应用平台基础设施要求。在整体架构中，各系统独立发挥底层业务作用外 ，在运营层面也要进一步加强联动。满足各类计算资源和存储资源的统一调度管理，进一步夯实应用平台研发支撑。

（二）构建智慧民防网络安全互联保障体系，提升跨局点联合能力

建设智慧民防网络安全互联，是整体系统设计的重要硬件保障。网络工程设计，满足物联等设备的接入，及时使用相关工具进行数据采集。形成数据资源，同时需要解决共享网络要求，提升跨区域联合入网的能力。

（三）构建大数据引擎分析处理中心，强化数据云处理和分析能力

基于统一的API接口服务，把视频、图像调阅与解析、多源多维感知数据访等进行采集与ETL处理，并注册到数据处理中心的服务中去，通过流处理相关技术，使用内存数据库，用以实时数据处理[2]。方便多平台、多部门、多要求自助式地申请这些数据服务能力。强化智慧民防数据处理和分析能力。

（四）搭建“智慧民防应用平台”，创新开拓民防信息化新高度与新作为

基于云计算、BIM、智能分析等技术，最终形成以大數据、大平台、优服务的“智慧民防”体系，实现技术、业务、数据、服务的大融合。更好的提升城市民防设施管理水平，确保地下空间内各要素系统的安全良好运行，从而也缓解现阶段工程管理的压力，建立应急机制，对安全使用地下空间工程将发挥重要的保障作用。创新开拓民防信息化新高度，提升民防自身在城市发展的新作为。

2.1.2 系统设计总体架构

架构特点：智慧民防系统采用分布式架构，全局物理上通过底层多业务系统协同运作机制，在感知/采集的基础上，构建智慧民防大脑-数据引擎AES，通过数据实时计算和分析，最终搭建“一中心、一平台、多应用”的顶层架构平台。物理上支持分级分块部署，通过三统一（统一管理、统一运维、统一应用）机制，将上下级形成一个有机整体，做到做到“物理分散、逻辑统一”，呈现“强中心、敏边缘”的框架特性。

该平台具有纵向数据挖掘，横向业务轻部署的特点，既满足民防自身应用多应用场景，也保留后续与其他平台接入的能力。实现软件与硬件解耦、业务与数据解耦，业务灵活升级，资源按需分配。优化平台化管理，自动扩容，即插即用，全过程自动化完成，业务快速上线。资源按照服务进行管理，资源动态弹性扩展，大幅提升业务效率。构筑可持续演进的开放智慧民防能力平台。

系统物理上分四层，最底层为感知/采集层，该层级为本系统最小数据单元采集点，下放至民防所涉及的所有业务及现实场景。包括传感物联设备（温度传感器、湿度传感器、电力传感设备、风控传感设备、物联摄像头等）一系列采集工具，还包括来自第三方平台涉及的平台接口、应用SDK包、数据媒体流、广播传播流等其他采集，大多数与硬件基础和网络设施有关。

业务模块层：包含各个业务子系统，应急广播系统，民防视频云系统、民防日管理运维平台、民防全空间物联感知网、GIS数据共享系统。各个子系统功能层级相互独立，业务核心模块由中心接入层用户有权统一管理。感知/采集层到该业务模块均设有弹性网络安全防护网，防止非法数据侵入和异常网络攻击，保证各业务系统安全运行。

数据中心层，核心建设大数据引擎AES，所有业务数据均接入该引擎进行数据清洗、数据转化，提供数据分析和挖掘，提供给上层应用系统SDK接口。再满足上层平台数据调用的基础上，还要对外实现数据接口的开放共享能力，对下也要对各子业务的延展性建设提供数据的支撑，协同平台与业务双向的的数据资源。全方面提升智慧民防大脑的运算能力。

大数据引擎的数据接入要符合应用接口标准，最上层为应用展示层，所有数据来源于大数据引擎，最后都会通过安全防火墙，在业务定制流程和平台核心功能设计上，提供用户科学有效的平台建设。应用层系统为客户提供包括民防大数据观测站、智能巡检分析平台、视频综合分析平台、战时动态指挥平台等各项智慧民防新功能。进一步加强智慧民防系统服务能力，提升运营管控能力。

2.2 系统设计逻辑架构

智慧民防系统“基于物联网、大数据、人工智能”等核心技术，采用软硬件解耦、应用与数据融合、让系统专注于业务本身。同事遵循民防建设需要，以物联在网数据的采集加工、开放的网络能力，整合5大功能平台，来支撑系统的建设与服务。系统总体逻辑设计思路架构如下图：

2.2.1 感知采集层逻辑思路

按照“主要设备区域无死角，主要关键节点无盲区，人员密集区域无遗漏主要出入口全覆盖”的原则[3]。持续提升运行质量。按需部署监控摄像机、智能门禁、温湿度、空气质量、智能照明、水电风控等多维感知设备，构建立体前端采集体系。

2.2.2 基础设施层逻辑思路

基于智慧民防总体架构“一中心一平台多应用”的规划，视频云组件和应用都统一基于基础设施层部署。通过上层业务各系统对应的业务开展所需的软硬件需求，确保对底层计算机基础资源进行统一调度管理，构建统一的计算资源池、存储资源池、网络资源池，提供视频云软件运行的基础资源，可实现各业务功能模块独立运行，也能协同发展。

2.2.3 数据中心-大数据引擎设计逻辑思路

智慧民防系统最强大脑—大数据引擎中心，提供基础数据存储和计算能力，实现各类视频图像价值数据汇聚。建立信息资源库，包括视频图像库、资源目录、特征数据和感知类数据[4]，专题库包括民防信息专题库、GIS专题库、重点区域视频专题分析库等。元数据库主要对数据库所有数据表项名称、类型、长度等应遵循的规范。对上统一各平台数据接口调用，对外提供视频图像等共享服务和数据统一对外接口能力。

2.2.4 智慧民防应用层逻辑思路

智慧民防系统核心能力层，基于服务应用的搭建，提供视频图像分析、、大数据观测综合治理服务、综合指挥服务、智能巡检、数据共享服务全覆盖服务其中，视图基础服务集成框架提供服务的运行管理支撑，包含任务协同、策略编排、算法仓库、多算法融合、集群管理等功能。视频图像联网/共享管理服务为用户提供全面且典型的视频监控业务，包括实时监控、转发、录像等。为用戶提供高效的视频分析、大数据检索服务等。

建设“大数据引擎AES + 应用系统”，提供民防技战法、图侦研判、布控预警等大数据基础功能，解决目前工程信息化建设缺少应用服务支持的问题。并依托智慧民防应用平台实现全系统联动、全网共享、全网应用。

3 系统功能说明

3.1 民防大数据观测站

民防大数据观测站可视化展示平时主要用于对各个区域的民防地理系信息位置监控、地下空间存量使用情况实时分析、灾害或战时发生对对公共民防地下空间管理、人流量、安全监测进行可视化统计和展示，并对各区域的人、视频、物联产生的报警进行统计以及趋势预判。同时，平台提供基于地图使用过程中的基本操作，包括：地图资源选择（矩形、圆形、多边形）、图层选择、地图工具（测距、测面积、截图）、清屏、添加社会面监控点位等。

3.1.1 基本信息展示

中心地图展示该区域所有民防分布地点和情况，是系统展示的窗口。界面左侧逐一列出相关数据统计分析，用户点击相关节点，或者拖动地图即可进行空间定位，并能查看该节点所有大数据相关展示信息。主要设计界面可参考：

展示说明：民防综合数据以电子地图做技术支撑，既要展示地理信息数据，又要反应器各种业务属性，需要做数据分析高效的显示，采用多比例，多维度展示。在功能上满足地图基本操作、地图综合查询、模糊条件查询、区域范围展示查询。

3.1.2 GIS综合应用

电子地图可以对管辖区域的民防地下空间摄像机进行实时调度，当发生告警情况时，可以快速定位，选取合适的监控点，及时掌握现场情况。

在地图上查询监控点告警源的分布情况，使用拉鼠标滚轮放大缩小与方向的平移。并且支持切换视图、比例尺级别等控制。在地图中单击监控点，随着地图的缩放或者移动，播放窗口始终跟随着该监控点的位置。

标签：在监控范围内，有一些区域需要重点关注，用户可以在地图上对这些位置设置标签，下次进入系统时，在标签列表中选择标签可马上移到该位置。用户可以对标签命进行命名、删除标签或修改标签对应的坐标范围。

图层管理：当地图显示很大范围时，摄像头和告警源的点可能出现较密集的情况，需一个开关面板来控制告警源和摄像头两个图层是否显示。

告警事件定位：当发生告警事件时，用户希望查看这些事件所处的位置。选择告警事件，单击“定位至地图”按钮，地图将缩放至告警事件发生的位置，并闪烁显示。

热区地图切换：用户可以有很多地图图片，如一个民防地下空间全区图、民防设施周遭的平面图等。

3.1.3 民防工程业务统计分析

主要功能如下：

1.重点数据动态统计

重点数据统计可根据时间段选择，例如按照日期、月份、或者年度统计几个大类的民防重点监测板块数据。

2.终端设备数据统计

终端运行设备可视化分析统计，包括温湿度传感设备、智能门禁设备、风控设备、电力设备等各类终端的数量、数据、运行情况等的数据分析。

3.地下空间存量使用统计

4.疏散区域分析统计

汇总统计目标区域最近的疏散分析地点、总面积、总数量、接受人口、设备运行情况。

3.1.4 民防空间3D仿真模型分析

构建涵盖民防大数据观测站重点工程数据、设备互联互通及应急调度、灾情预案等相关功能的三维仿真可视化，通过可视化数据管理，实现设备远程自动控制，推动智慧民防日常管理维护新的高度。

通过先进的技术、管理手段，把民防地下空间构筑物用3D模型真实的、准确的反映在系统。就可以在整个观测站中快速找到设备所处位置，便于领导及时作出决策和部署。通过虚拟按钮与实际硬件设备控制地下物联设备运作。例如灯光、大门、报警传感设备等。

3.2 可视化应急指挥调度平台

可视化应急指挥调度平台是本平台重点功能，通过大数据观测集成民防相关数据信息，利用动态监控，GIS地理信息系统、广播音响终端设备等互联实现可视化的应急调度指挥辅助作用。

当事件发生时，系统接收到上级指挥，锁定该区域事件发生地理信息，通过视频传输和数据研判选择最佳民防避难所，系统联动指挥民防智能IOT终端，为人群避难提供最快速和准确的服务。具体流程描述如下图：

3.2.1 动态监控功能

动态监控系统主要观察民防设施重点区域和周遭目标，为防空斗争和平时救灾提供可靠安全的视频信息，方便中心领导实施有效的指挥。监控系统主要组成部分：控制、摄像、传输、显示。

3.2.3 警报发放控制功能

中心根据大数据分析与决策，通过发放预警，进一步了解实际效果，等待领导层做出进一步的决定。功能如下：

·严格的用户机制及良好的终端安全措施

·满足多种警报分组分法和发放内容的要求

·系统中显示警报布点情况，并显示发放效果

·管理和记录警报设备的变更、维护情况

3.2.4 智能巡检管理平台

3.2.4.1 终端设备基础管理

对民防空间终端物联设备进行基础信息的管理，将设备目前运行情况、地下空间整体环境指标【温度、湿度、通风情况等】、设备使用寿命等，确保终端设备巡检智能化，保障设备良好运行。

终端设别的基础管理在平台上的作用除了协助我们提供运维人员更好的了解其安全运行指标外，更重要的还是在给我们运营指挥人员发挥辅助信息决策的作用，通过立体、可视化的信息描述，在灾情预警、事故演练中都发挥着不可替代的作用。

3.2.4.2 巡检记录日志管理

智能巡检的一个特征就是系统日志记录，对于设备每天运行情况进行日志管理，可以在一定程度上，通过大数据引擎的计算，帮助运维人员研判分析设备良好运作的态势。将民防空下地下设备每天工作日志进行统一管理、统一分析。从局部放大到全部，进一步通过数据轨迹了解巡检的成效和指标。

3.2.4.3 业务数据综合管理

智能巡检除了管理终端设备之外，还需要对民防业务数据进行综合性管理。所有民防业务数据都集中存储在数据引擎中心库中，系统运维人员可以通过业务数据系统维护该区域的业务中心数据。对应急指挥调度发挥准确的辅助决策和发布有着重大影响。

基础地理信息库，这部分数据的综合管理包括：民防空间公共地理信息，包含建筑物、道路、管道等，这些信息在应用系统中，主要发挥着地图的作用和定位参考，是地理饮用的基础，为全系统共享[5]。

民防业务信息库，包含民防工程数据库、专业指标数据库、终端感知数据库、人口疏散区域数据口、危险源数据库等，根据不同属性，存入对应数据表。将几何要素、图形属性等数据内容进行存储，优化数据存储结构，提高查询效率。

3.2.5 智慧民防宣传信息平台

智慧民防宣传信息平台一方面是满足系统运营人员提高民防管理的综合素养，另一方面是提升公众民防安全意识。民防宣传平台可以有效及时对接政府平台、公众微信、微博等接口，将现在民防建设的相关工程动态、民防安全信息、政府法律法规等重大要素进行集中优化展示，可以以图文、数据图表、短视频的方式推流到用户终端，让民防建设这一惠及百姓切身安全利益的工程，在该平台发挥宣传引导的作用。

4 结语

本文通过研究在大数据技术与物联网技术深度融合的技术架构体系下建设智慧民防系统，讨论了如何使用相关技术实践整体项目架构设计、讨论相关业务模块的设计如何辅助民防系统智能化，提高运营水平与能级，完善地下空间安全管控机制。进一步拓展大数据在相关民生工程的应用领域，为城市稳定持续良好的运行提供技术支持。

参考文献

[1]《城市地下空间开发利用与管理模式研究》 对比库： 中国学位论文全文数据库 作者 武朋 学校 合肥工业大学 分类 工程管理 学位 硕士 日期 2015-01-01

[2]叶佳帆，智慧园区异构数据集成技术的研究与实现，工业物联网，日期 2021，（02）

[3]"雪亮工程"视频直播监控系统在广电网络中的应用》 对比库： 中国学术期刊数据库 期刊名称 广播电视信息 作者 张国红 作者单位 新疆哈密市文化体育广播影视局 日期 2018-09-01

[4]王中杰，谢璐璐. 信息物理融合系统研究综述[J]. 自动化学报，2011，37（10）：1157-1166.

[5]《基于流媒体服务器的安全视频监控系统设计》 对比库： 中国学术期刊数据库 期刊名称 电气自动化 作者 张季平 作者单位 上海電子信息职业技术学院计算机应用系，上海，201411 日期 2017-03-01

基金项目：上海市软件技术创新服务平台 ，项目号：20DZ2291700

作者简介：

姓名：吕将男，男，1994-01-24，汉，籍贯（具体到省市）：浙江省东阳市，单位：（上海计算机软件技术开发中心，上海闵行区 201100），学历/职位：工学学士，上海计算机软件开技术开发中心 大数据研究所 系统研发工程师，研究方向：大数据、区块链等。