基于大数据技术的数字化城市智能安防系统设计

雷群泌

（湖南环境生物职业技术学院，湖南 衡阳 421005）

0 引言

城市安防系统是城市安全的保护屏障，能够有效减少社会安全隐患[1]。随着“平安城市”、“智慧城市”等城市智能安防建设项目的提出和实施，城市安防系统也在持续完善和升级，同时，大数据技术的飞速发展为城市安防系统提供了更整体化、智能化的有力支持[2]。如何将先进的大数据技术与城市安防系统结合，成为研究建设城市安防系统的热门话题[3]。该文设计的基于大数据技术的数字化城市智能安防系统总体框架分为监控报警层、数据传输层和接警处理层。通过监控摄像头实时采集、编码视频信号，并在边缘端完成视频智能分析，对识别到的指令目标进行自动报警处理，数据传输系统将数据上传至公安专网主系统，再由接警处理中心进行调阅查看，建立基于大数据技术的高效、智能的数字化城市安防系统，保障城市安防工作顺利进行。

1 建立城市智能安防系统总框架

基于大数据技术的数字化城市智能安防系统主要分为3个部分：监控报警层、数据传输层以及接警处理应用层。监控报警层由覆盖整个城市的各个监控子系统共同组成，通过为每个监控子系统设备植入大数据处理技术模块，增加系统智能性，减少无效数据的内存占据；数据传输层由光纤作为传输介质，将视频数据上传至云存储服务器，以满足大数据的存储管理需求；接警处理层以安防系统运行服务平台为主体，通过串连汇接整个城市的公共监控子系统，并在大数据技术的支持下，搭建集成的智能化安防管理主系统，帮助公安机关实现远程的取证和调度。

2 城市智能安防系统硬件设计

目前，城市中常见的视频监控摄像头以模拟监控摄像头和数字监控摄像头为主，由于城市现有安防系统的前端设备类型较多，情况较为复杂，因此，模拟视频监控系统更适合对旧系统的改造升级[4]。该文提出的城市智能安防系统监控层硬件设计使用模拟高清摄像头（AHD摄像头），配有AHD复合信号光纤发射/接收模块，采用Xilinx公司Kintex-7系列的FPGA芯片作为主控，同时携带嵌入式Linux操作系统，用于在系统中植入边缘计算模型，为前端设备赋予大量数据计算处理能力和数据存储功能。数据传输层使用SFP+收发一体光模块，配合FPGA芯片组成稳定高效的光纤传输系统，实现数据的远程高速传输。

3 城市智能安防系统软件设计

3.1 监控报警层设计

3.1.1 实时采集、编码监控视频数据

当城市智能安防系统前端的AHD监控摄像头采集到实时的视频信号后，模拟视频信号会传输至FPGA芯片系统的A/D转换器中，转换为数字信号，并由DSP处理器根据数据传输及通信协议进行视频编码、成帧。其中，芯片处理系统采用H.265编码方式，通过GPU进行视频压缩，能够快速完成实时的视频编码处理并减少CPU的占用。同时，在嵌入式Linux中运用拉格朗日函数设置自适应调整算法，约束并控制H.265编码模式，对其进行率失真优化，提高系统鲁棒性，并尽可能保证输出比特流的比特率和失真度之间的平衡。视频编码模式如公式（1）和公式（2）所示。

式中：I为编码模式；J（S，）代表损失函数；S为视频数据样本；λ为拉格朗日乘子；D（S，I）代表输出比特流的失真度；R（S，I）代表输出比特率（编码码率），最小时为最优编码模式。由于视频数据样本Sk在完成编码后，其输出比特流的失真度及编码码率仅和编码模式Ik有关，即，因此，损失函数J最小化计算如公式（3）所示。

通过以上公式，计算每个样本Sk相对应的最优编码模式，控制视频在相应的编码模式下的输出效率，不仅保证监控视频的压缩数据量，而且实现大量视频数据的高速存储。

3.1.2 基于边缘计算的结构化视频处理

由于安防系统前端的监控摄像头内置计算能力较低，因此，在嵌入式Linux操作系统中植入边缘计算模型，将具有计算能力的硬件单元集成到边缘端系统的软硬件平台上，能够实现数据源侧的就近数据预处理，有效缓解城市安防系统大数据传输和云端处理的压力，降低不必要的系统运行成本。模拟视频信号在完成数字化转换后，视频数据将在边缘计算系统中获得进一步智能分析，结合边缘计算技术进行视频结构化处理，去除视频图像冗余信息[5]。基于边缘计算的结构化视频处理系统逻辑如图1所示。

图1 城市智能安防系统前端视频处理系统框图

原始视频在经过数字化编码处理后，将在嵌入式Linux系统的智能处理模块中，通过边缘计算获得视频帧图像内容的结构化分析，在边缘端完成监控视频内容数据的预处理。系统会智能识别视频帧图像内容，提取图像中人、车的各种特征属性信息并整合归档，同时判断监控视频中人、车违规违法行为，并向上端发送事件报告。在目标查找等系统应用服务场景下，由人工输入目标特征属性信息，边缘端监控设备在对视频进行结构化预处理时，会根据特征信息锁定并追踪目标，及时提交目标检测结果和相关视频数据，为城市安防工作的深入开展提供有力支持[6]。同时，边缘计算系统具有弹性储存功能，能够通过算法感知监控场景内存在的行为特征，智能调整视频存储数据，保留证据性数据的同时减少无效视频的存储，提高芯片的数据缓存空间有效使用率，从而实现监控视频数据的高效存储。

3.1.3 自动发送报警信息

当出现以下2种情况时，前端监控系统将自动向接警处理中心发送报警信息：1）系统在任务指令为识别监控中异常行为时，将根据视频分析结果和相应的事件等级，向上发送分级报警信息。2）系统在任务指令为追踪某目标时，将通过目标特征属性和视频结构化分析中提取的信息，快速识别锁定侦查目标，并发送报警信息至接警处理中心。

3.2 数据传输层设计

考虑到城市安防监控视频的采集和存储相对分散，难以实现整个城市安防系统上下端的统一互联，因此采用光纤作为数据传输介质，由FPGA和SFP+光模块、光纤电缆组成光纤传输系统，用于构建整体的数据传输网络，实现数字视频信号的远程高速传输。光纤传输系统数据传输流程如图2所示。

图2 光纤传输系统数据传输流程简图

摄像头采集到的视频为发送端数据，首先会送入FPGA的A/D转换器中，由模拟视频信号转化为数字视频信号，在视频获得编码和结构化分析后，视频数据继续经过发送端FPGA的GTX收发器完成串并转换，数据流以并行形式进入SFP+光模块，通过电光转换器将电信号转化为光信号，并经由光纤将数据传输到上位机的云存储服务器中。当n路数据进入云存储服务器时，将在服务器中完成大数据的智能整合和备份存储，再通过光纤继续发送至主系统接收端设备。接收端的SFP+光模块会再次将光信号转化为电信号，并进一步通过接收端FPGA的GTX收发器完成高速串行数据的串并转换，在视频数据完成解帧、解码后，由接收端D/A转换器将数字信号重新恢复为模拟视频信号，并在接警处理层的设备上显示出来。

3.3 接警处理层设计

通常情况下，城市安防系统的前端监控系统主要负责排查城市安全隐患，观测城市中的违规、违法行为，接警处理中心不需要占用过多的公安人力资源，便能通过系统完成大部分城市安防工作，如在城市的交通管理中，通过道路摄像头智能识别、标记违章车辆，自动记录车辆信息，并以短信的方式通知车主进行违章处理[7]。而在有出警需求的信息条件下，如打击违法犯罪行为、追踪犯罪分子等需要公安机关出警的情况，接警处理中心主系统则会根据报警信息迅速作出反应，具体工作流程如图3所示。

图3 有出警需求下的接警处理系统工作流程图

当服务中心接到前端监控系统上传的犯罪分子信息后，接警处理主系统将进一步向110指挥中心发出报警信息，同时使用系统的警情路径预测模块和警情处理模块对报警信息和视频数据进行大数据智能分析整合，自动生成电子地图和出警调度方案，并与原始数据一同打包发送至指挥中心，通过大数据智能安防系统，帮助公安机关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 测试试验

4.1 试验准备

采用C/S模式作为系统架构，使用Canal数据库，硬件设备选择HIKVISION公司的DS-2CE16G0T-IT5型号高清监控摄像头，以Xilinx公司Kintex-7 FPGA的XC7K480T作为主控芯片，采用GIGALIGHT公司的12G-SDI型号SFP+收发一体光模块，并利用多模光纤组成数据传输通道，组建基本的小型安防系统。同时，为减少单个设备造成的试验误差，设置三组相同的监控子系统，连接同一安防管理主系统，以此开展基于大数据技术的数字化城市智能安防系统的测试试验。

4.2 试验结果

为验证基于大数据技术的数字化城市智能安防系统的可行性，随即选取7个时间节点，分别对三组系统进行测试试验，记录系统的实时监控视频信号采集耗时、视频结构化智能分析耗时、结构化处理的准确率以及视频数据传输速率的相关综合数据，并计算出平均值作为结果数据，以减少误差。具体测试结果见表1。

表1 综合测试试验结果

为了进一步验证城市智能安防系统的高效性，同时对3组系统的采集、编码、传输各工作阶段的时间延迟数据进行测算，并统计各节点时延平均值。时间延迟测试数据结果见表2。

从表1、表2的数据可以看出，系统监控视频的采集时间小于350 ms，视频结构化分析处理的时间在2 s以内，视频分析准确率大于98%，数据传输速率保持在9 GB/s以上，说明智能安防系统的运行效率、大数据分析的准确程度均可以满足城市安防工作的需求，系统具备一定的可行优势。并且监控视频的编码、分析时间延迟在20ms以内，数据传输时延全部小于1.5 ms，存储时延在20 ms以内，系统总时延不超过35 ms，说明系统整体延迟较低，能够使数字化城市智能安防系统高效地运行。

表2 时间延迟测试平均数据结果

5 结语

综上所述，随着大数据技术的飞速发展，在城市安防系统中使用大数据技术，建立数字化智能安防系统，能够有效提高城市安防工作效率，保障城市安全。基于大数据技术的数字化城市智能安防系统总框架主要包括监控报警层、数据传输层和接警处理层。通过监控报警层系统进行实时监控视频的采集和编码，在边缘端完成视频结构化分析处理后，系统根据指令情况发出报警信息，相关视频数据会快速上传至接警处理中心，为公安机关提供高清视频证据支持，以此建立具有人车异常行为管理及犯罪分子追踪等功能的城市智能安防系统。并且，通过测试试验，验证了该系统的可行性。