智慧警营管理系统的设计与实现

胡贤 黄威巍 陆娟 叶森 杨乐 江苏省南京市公安局

引言

近年来，互联网的普及应用、物联网的蓬勃发展为智慧警营建设提供了技术基础，通过智慧警营管理系统对警营人员、车辆和动力环境实施精准、高效的实时监控，能够最大限度提高警营数字化管理水平。智慧警营管理系统借助物联网、人工智能、大数据等先进技术，运用先进的智能设备、系统创建统一的智能化管理平台，建设满足广大民警用户需求的智慧应用软件，实现公安警营智慧升级，推动警营管理更加规范、安全、高效，切实为广大民警、警辅提供高质量智慧服务。

一、智慧警营建设痛点分析

传统警营的信息化偏重垂直、孤立的烟囱式子系统建设，初期想到什么建设什么，数据不互通，业务难融合，长期面临服务体验差、资源浪费、综合安防弱、运营效率低、管理成本高，数据的格式繁多，对标成本极高，难以为大数据分析提供支撑。在公安警营进行信息化建设的初始阶段，一些信息化的想法和需求往往只是想要解决他们目前在运营上所遇到的一些难题，试图通过信息化的手段对警营进行优化升级。在科技飞速发展的信息化时代，很难预测两年后普及应用哪些智能系统或设备，因此在规划的初始阶段就必须具有较强的前瞻性和包容性，否则开发出的智慧警营管理系统毫无生命力可言。

二、系统框架设计思路

（一）系统技术架构设计

基于开放的理念创建智慧警营管理系统，通过先进的物联网信息技术，充分考虑当前需求和未来发展，创建信息共享的数字化平台。系统总体架构以建设标准体系、安全保障体系为支撑，按照承载的功能划分为五个层次：接入层、应用层、感知层、数据中台、平台层，如图1所示。

1. 平台层

主要承载数据的存储、运算资源等基础云服务，能够实时收集感知层产生的全量数据，为智慧警营业务提供关键的业务能力支撑。同时，在边缘节点，通过轻量化处理平台和物联网设备为前端联动控制和即时响应提供支撑。

2. 数据中台

依托平台层提供的云数据库服务及云计算、大数据处理能力，在底层云平台提供的弹性计算和存储能力的支撑下，通过大数据分析处理技术和人工智能算法提供各类智能数据处理服务，依托大数据平台，对数据进行接入、治理，并呈营区管理数据中台。

3. 感知层

感知层主要承载多源数据的采集功能，通过各种不同智能终端设备采集各类音视频、状态参数等数据，由模拟信号转换为数字信号，并通过安全的网络通道汇聚到平台层。感知层目前已具备视觉智能（面部识别、车牌识别），智能问答、智能分派工单、智能监测等服务提供文本智能（OCR工具）的能力，随着科技发展，智慧警营管理系统支持兼容更多新型的智能系统和设备。

4. 应用层

从警营安防、人车管理、动环监控的实际需求出发，在数据中心、智能中心基础上搭建业务应用，满足警营内部各类业务智慧化应用需求。应用层主要承载基于云平台的业务应用功能，在平台层的业务能力支撑下，应用层提供警营安防管理、人员管理、车辆管理、动环监控、智慧服务和态势综合展现等业务功能，在整个系统的建设过程中，建设标准体系将对系统的质量及服务保障提供强有力的支撑，安全保障体系为系统的安全运行提供可靠的防护屏障。

5. 接入层

包含公安门户、警营门户、职能门户等各类集成门户，为各个警营、警种、职能部门提供统一的入口。通过手机端、PC电脑端、平板端、大屏等多端以WEB、APP、公众号、大屏等多形式进行对外呈现，为智慧警营业务提供敏捷灵活的应用前台展现和人机交互能力。

（二）数据流程设计

根据系统总体架构设计，数据流程设计如图2所示。

感知层包含警营安防、人员管理、车辆管理、动环管理等分系统，通过单向光隔离设备从物联网传输到公安内网。

平台层对非结构化信息通过相关智能识别算法识别出结构化信息，会同物联网采集的各类结构化信息进行大数据分析统计并存储到分析型数据库，供应用层综合应用平台进行信息展示。同时，非结构化信息可直接提供给应用层综合应用平台进行实时显示，存储于对象存储区域，为综合应用平台提供历史视频图像查询。公安内网进行数据处理后，将控制指令信息和访客身份比对结果等通过二维码隔离设备回传至物联网，进而对相关摄像头、闸机和智慧服务相关业务进行联动控制，实现信息安全有效交换。

（三）网络安全

智慧警营网络涵盖公安内网、物联网和互联网，物联网为单独构建，物联网与互联网、公安内网间有物理隔离，网络拓扑结构如图3所示。

互联网用于发布警营非涉密公共服务信息，同时将移动终端APP的访客身份信息等导入至物联网，互联网与物联网间的数据交互通过二维码隔离系统保证安全。物联网将采集到的实时信息数据，通过单向光隔离设备导入至内网中，再按照信息类型进行分发，实现信息的高效安全交换。公安内网进行数据处理、存储并进行显示。对来自物联网的视频、照片和动环等实时数据进行处理和比对，将控制指令信息和访客身份比对结果等回传至物联网，这些控制策略通过二维码隔离设备传输至物联网，实现信息安全交换。对于网络中的安全设备和涉密信息的安全防护需求，需部署安全管理和审计、接入认证以及网络监测分析等系统，采取身份认证安全审计手段，对设备进行统一配置和集中管理，汇集上报日志，采用探针技术对安全事件进行报警、预警和分析，实现多个网络间的数据交互和边界防御的统一安全管理。

三、系统应用

（一）图像识别KSVD算法的应用

智慧警营管理系统包含的电子围墙、人脸闸机、停车管理，大量使用到图像识别KSVD算法。KSVD算法在字典更新阶段的核心思想是使字典中的每一列字典原子都发挥自身的价值以最小化重构误差，学习到的字典仅用来求解稀疏表示系数，但在分类过程中缺乏判别能力。为了得到一个具有判别性的训练字典，标签一致KSVD（LC-KSVD）算法，引入了样本类别标签，加强了字典原子与标签之间的对应关系。另外，在目标函数中加入了稀疏编码误差约束项和分类误差约束项，最终使学习到的字典同时具有表示和判别能力。

1. 在出入警营人员布控与防疫管理中的应用

通过图像识别KSVD算法辨识出人员面部特征，与人脸库的数据自动匹配，匹配到人员信息后，通过细致的人员信息、组织架构管理，再加上对外部访客提供便捷的预约入口，构建了内部民警和外部访客的人员出入管理服务体系，实现对进入警营人员来源的精确认证、出入场所授权、门禁联动控制等。同时，将人脸识别与黑白名单结合，对特殊的人员和车辆进行布控或者提供VIP服务，确保人员进入警营和重要场所可控可追踪。此外，根据疫情防控需要，智慧警营管理系统联动通道闸机，整合分散的防疫数据，添加了通过人脸查询检测苏康码、行程码、核酸检测、体温等防疫信息的亮点功能，实现刷脸验身份、“验码”同步进行，做到精准防疫、实时拦截，切实阻断疫情传播链条，确保高效通行。

2. 在警营内部车辆管理中的应用

聚焦公安警营内部安全管理的实际需求，在系统内将执法执勤用车与人员建立关联关系，通过图像识别KSVD算法辨识出车牌号码，车辆进入时快速识别车牌，并根据车辆准入规则配置，放行进入预定的区域。面向预约访客的车辆，则根据设置的规则，在指定时间段放行进入预定区域。在此基础上，以物联网联接和数字化运营为抓手，通过无人化、集中管理等手段实现车场不堵、快速停车，保障警营内部车辆高效通行。

3. 在警营内部安全防控管理中的应用

通过视频图像识别，实现电子围墙、视频监控、电子巡更功能。高效率的视频人脸及车牌识别为监控中心对警营内全时域地域的感知夯实了基础。将所有安防信息进行集中管理和整合应用，通过物联网，实现信息数据交互、报警联动响应，提高警营安防集成系统的整体预警联防能力。

（二）K-means动态聚类算法的应用

警营内部不乏单场景的智能应用和硬件，例如人脸闸机、电子围墙、停车场智能感知设备、精密空调、消防监控、电量仪等设备，以前投入使用的系统都是垂直、孤立、相对封闭的子系统，数据无法融合、业务无法协同。智慧警营管理系统在利旧的前提下向这些系统共享基础数据，如人员、车辆、防疫、区域、楼宇等信息，避免同样的数据重复占用硬件空间资源，同时收集这些系统的日志数据，为数据可视化和大数据分析提供支撑。

图6为基于云平台的数据挖掘体系架构。在该体系结构中，系统利用算法服务管理模块和数据并行处理模块中内嵌入聚类算法，以降低计算的维度，加快数据融合的速度。智慧警营管理系统采用K-means动态聚类算法对信息进行挖掘分类。粒度分解算法的维度由聚类算法的分类群来确定。由K-means算法的特性可知：数据的分类按照特征相似的数据无限趋近同一个类。在智慧警营管理系统中，采集到的子数据群就天然带有一定的分类效果，这种效果是不精准的。因此，需要利用K-means动态聚类算法进行纠正。以K-means算法为云计算的粒度分解算法提供降维处理，提高处理的效率，为警营各类数据的分类和融合提供良好的基础。

K-means动态聚类算法在智慧警营管理系统中具体应用于动力环节监控。主要功能为集中监控警营特定区域的动力系统、环境系统、消防系统、安保系统、网络系统等，该功能模块通过大量的传感器和智能硬件监视各系统设备的运行状态及工作参数，即时上传分析，不同监控设备上传数据特征差异小，采取K-means动态聚类算法，可将数据分类，整合成有效的历史数据集，并为系统故障判断提供准确的数据基础。同时，为响应国家“碳中和”号召，助力节能减排，动环监控还通过系统获取各区域的历史能耗情况，进行大数据归类分析，对异常能源消耗报警，全面提高警营管理的效益。

四、结语

智慧警营管理系统依托强大的集成管理云平台，通过分布式的数据采集中心，连接前端各专业智能化系统以及物联网感知设备，实时准确获取设备运行数据、能源使用数据、环境状态数据等，打通相关业务系统软硬件，应用大数据决策分析引擎，进行海量数据的分析、统计、诊断，筛选价值数据进行丰富多元的智能化控制，为警营提供标准规范的管理服务，提高警营用能管理效率，降低运维成本，满足“安全、高效、绿色、智慧”的现代警营建设规划要求。