智慧安防信息化系统构建研究

张 辉，高照阳

（南京工业职业技术大学 机械工程学院，江苏 南京 210023）

0 引 言

政府机关、军事基地、科研院所等机构是涉及国家政治、军事和科技等敏感信息的重要区域，其驻地的设施、装备、信息安全往往关系着国家安全，需要高级别的安防体系予以保障。目前，国内大部分机构的安防系统建设缺乏数据统筹规划理念，建成的系统往往游离于主要业务系统之外，致使采集的信息无法纳入数据综合管控平台实现信息联动，安防等级和信息管理水平整体较为低下，大量工作仍需人工处理和维护[1-2]，安防隐患和漏洞较大。因此，构建一种新型智慧化安防系统，改变当前落后的安防技术水平现状，提升机构整体安防能力迫在眉睫。

新型智慧安防系统是综合运用物联网、大数据、云计算、深度学习等信息技术，按照“感、传、智、用”数据流程，将前端摄像头、传感器、感应器等环境感知设备采集的现场信息，通过有线、无线等传输网络汇总至大数据管理平台进行数据分析处理，为业务部门提供智慧决策和应用服务[3-6]。基于此，本研究将以“高起点、高效率”为原则，以纵深安全防范和均衡防护为前提，按照防护区域的风险等级和防护级别制定对应的防护措施，形成“防护区、监控区、限制区”等级递进的多层防护网，并通过技术手段强化人力防范和实体防范配合能力，构建具备“事前防范、事中处理、事后分析”能力，集预判、防范、管控于一体的智慧化综合安防系统，做到对突发事件的预知、预防、预警和高效处置，切实保障目标防护机构的安保能力和应急处置能力，其示意简图如图1所示。

图1 基于智慧安防系统的区域安防示意图

1 智慧安防系统架构

本研究提出的智慧安防系统，将构建以智慧安防综合管理平台为数据中枢的多级纵深防护网，集成视频监控、门禁控制、门卫对讲、一键报警、智能分析、车辆监测、车牌抓拍等多个安防应用子系统，通过感知前端和泛在网络融合的科学布局，依靠大数据分析结果对防范区域内人员、车辆、物资进行实时监控和智能预警，形成非密区防护、低密区监控、核心区限制的阶梯式防护体系，并依靠网络互联、数据共享手段实现各应用子系统的集中管理、资源共享、统筹调度，从根本上提升安防管理智能化水平和整体联动响应能力，保障对目标区域的全方位、立体化、无死角的安防管控。

在系统架构方面，本智慧安防系统按照信息感知、数据传输、数据处理、智慧应用的数据流程模式划分为4层：感知层、传输层、支撑层、应用层。各层间按照“高内聚+低耦合”的系统构建理念，使层级各子模块间既要彼此独立又能协作配合。感知前端从安防目标现场采集以及从现有信息库中提取目标数据后，依靠多类型信息传输网络将汇总数据传输至大数据处理中心实施数据治理（理、采、存、管、用），然后提出智慧化决策并在终端展现以解决针对目标区域安防过程中面临的各类问题，保障机构安全，其智慧系统逻辑架构如图2所示。

图2 智慧安防系统逻辑架构

感知层是指利用物联网底层信息感知技术，如摄像头、传感器、RFID、GIS、遥感遥测等信息传感设备或手段，针对性提取目标区域中人、车、环境等综合信息并按照大数据处理中心的要求分类整理，为区域综合管控呈现直观数据和辅助决策依据。本研究提出的智慧安防感知层以基础信息的感知和监测为核心，通过集成温湿度传感器、光敏传感器、分贝仪、摄像头、门禁闸机、显示大屏、外设音响等设备，全面获取声、光、电、热、湿度、噪音、粉尘、人流、车流等各类信息。

传输层是指利用网络传输技术把感知层采集的各类数据安全、可靠、无障碍地传送至数据处理中心，它解决的是数据多元传输问题。本研究提出的智慧安防传输层主要为感知层设备采集的信息数据提供传输路径，细分为底部物联网层和上部基础网络层。底部物联网层主要利用WiFi、LoRaWAN、NB-IoT等通信传输手段开展数据短距离传输；上部基础网络层主要利用互联网、局域网等传输网络将底部物联网层汇集信息安全高效的传送到大数据处理中心。需要说明的是，实施过程中系统将根据安防信息等级要求并考虑信息的重要程度，通过内部局域网和虚拟专网等方式进行数据交换，温湿度、光、电、粉尘等非重要信息通过信息防护等级一般的局域网传输，人员、车辆、声音等关键信息通过内部虚拟专网传输。

支撑层是智慧安防系统的“大脑中枢”，通过对传输层上传数据的融合处理，为环境监测、视频监控、门禁管理、访客管理、身份识别、报警服务等上层应用服务提供智慧化的决策依据。作为安防平台的核心服务，支撑层按功能可以划分为两部分：设施支撑和服务支撑，设施支撑通过各类服务器的搭建，为平台提供安全可靠的硬件运行基础；服务支撑利用大数据处理技术实现信息的聚合与交互，并为上层提供应用服务。

应用层是智慧安防系统的“智慧”承载终端，通过将支撑层融合处理后的各类感知设备采集的数据根据安防管理需求进行应用前的最终梳理整合，主要负责对设备的控制、对各子系统的应用融合、对平台系统的联动协同，包括人员管理、车辆管理、周界防范、岗哨管理、低空防御、库房管理以及其他智能应用等。此外，为了满足安防人员对安防态势的实施感知还构建了终端展现层，主要利用监控中心大屏显示系统以及各值班室用户终端，将感知端采集的现场数据以及业务应用层提供的分析数据和决策直观展现在终端显示装备上，满足实时展示安防区域整体运行情况和全方位掌握安防情形态势的功能需求。

2 智慧安防系统设计

在技术架构方面，本研究提出的智慧安防系统打破了传统安防模式[7-9]，以数据为纽带，利用智能分析服务器、平台管理服务器、视频综合服务器等各类型服务器深度融合安防应用系统、业务管理系统和运维保障系统，保障系统间信息数据互联互通，实现系统间融合联动、按需交互以及统筹管理和运维，消除“数据孤岛”。在此基础上，智慧安防综合管控平台对接收的数据进行融合处理和智能分析，使数据满足安防指挥中心可视化应急联动管理需求。基于以上技术架构设计，本研究构建的智慧安防系统将面向业务管理人员和执行人员，提供视频监控、周界警备、人员管控、车辆管控、空中巡检五大安防应用子系统，安防综合管控平台将各系统提供的智能设备感知数据和业务管理态势分析数据进行融合分析后以可视化的方式展示于安防指挥中心大屏幕上，实现安防综合态势一张图呈现。智慧安防系统技术架构如图3所示。

图3 智慧安防系统技术架构

（1）视频监控子系统

视频监控子系统是智慧安防系统的核心组成部分，主要用于对人员、车辆、物资、环境等实施监控及管理，为保障机构安全和掌握人员动态、车辆往来提供技术支持。此外，视频监控子系统还将收集的数据系统传送至智慧安防综合管控平台实现数据统一调配，以实现与报警、门禁、对讲等其余安防子系统的协同运作。

紧随视频监控“高清化、网络化、智能化”的发展趋势，本研究提出的视频监控子系统采用“全结构化高清采集+集中存储+智能分析”模式，在提升监控画面质量的同时，推送智能分析预判结果，由“看得清”跨越到“看得懂”，更好辅助值班管理人员巡检安防，强化区域安防管控力度。具体设计时，其拓扑结构采用二级架构设计，感知前端各类高清网络摄像头通过有线/无线网络接入所在建筑物设备间，并在安防值班室监视器和巡防人员移动客户端实时显示，构建安防巡查的第一级防护。随后，感知前端摄像头采集的数据会通过传输网络传送至安防指挥中心机房存储设备保存并进行数据融合分析，之后在安防指挥中心的显示大屏和安防管理层客户端显示原始监控视频和分析决策建议，视频监控系统拓扑结构如图4所示。

图4 视频监控系统拓扑结构示意图

（2）周界警备子系统

周界警备子系统是指利用热成像双光谱摄像技术，通过红外和可见光双重监控方式对围墙周界及重要防护目标外围设置非物理隔栏，对入侵目标区域行为进行自动警报。该系统数据接入智慧安防综合管控平台，能够对拍摄影像数据进行智能检测、分析、预警，一方面在安防智慧中心大屏上实现视频弹窗、防区定位、声光报警等联动信息；另一方面，将警报信号（时间、地点、警情等级、警情类型等）第一时间推送给安防人员进行警情响应和处置。

周界警备子系统主要由各类探测器和紧急报警装置组成的前端设备、传输设备、中控设备组成。前端设备采集到异常行为信号后，将视频信息通过网络传输至智慧安防综合管控平台进行逻辑分析，如果判断为异常警戒行为，则由报警主机产生报警信息，联动现场位置、视频、声光报警等。周界警备子系统拓扑结构如图5所示。

图5 周界警备子系统架构示意图

（3）人员管控子系统

人员管控子系统主要实现对机构内部工作人员与外来访问人员的行为管理，即采用先进的物联网感知技术、人脸识别技术，依靠高性能的前后端智能装置实现平台人员库管工作，实现内部人员与外来访客出入目标防护区域的身份验证、身份审核、授权管理、安全检查、轨迹回溯等功能，进而实现院校人员行为的智能管控。

在技术实现方面，利用前端感知设备对人员进行人脸抓拍、人脸识别，并将数据传送至智慧安防综合管控平台进行数据对比，来实现身份核实、行为权限分析等的精细化管控。如果是外来访问人员，还需要利用数据库信息进行人证比对核实，实现对来访人员的数字化登记、流程化管理。此外，供人员进出的门禁闸机具有金属探测装置，可以实现进出人员携带物品无感知安全检查，保证机构安全。人员管控子系统拓扑结构如图6所示。

图6 人员管控子系统架构示意图

（4）车辆管理子系统

车辆管理子系统主要利用摄像抓拍、雷达测速、车牌识别、X光扫描、防冲撞系统等技术，实现对进出机构和机构内行驶车辆行为进行监控，并将检测数据实时上传至智慧安防综合管控中心存储和分析，其数据将作为安防综合态势展示的重要组成部分。

在技术实现方面，利用出入口和各路口的前端感知设备对路过车辆牌号抓拍、识别，并将采集数据上传到安防综合管控平台进行对比分析，识别后是内部车辆即可自由进出，来访车辆在授权区域内可进出，一旦越界将会警报；利用X光扫描技术对出入口车辆进行全车成像扫描，检查车辆是否携带违禁物品，确保机构安全；利用雷达测速技术在内部各路口部署卡口测速系统对区域内行驶车辆进行车速管控，一旦有超速行为警报系统会联动门岗护卫协同处理。如果车辆不听从劝阻发生冲卡行为，各路口防冲撞柱将自动升起实现对外来车辆非法闯入行为的管理。车辆管理系统拓扑结构如图7所示。

图7 车辆管理系统架构示意图

（5）空中巡检子系统

空中巡检子系统即用多旋翼无人机实现机构周界大范围的快速空中立体巡查（录像、拍照等），实现安防区域三维无盲区监察和布防，弥补固定视频监控盲区安防漏洞。

在技术实现方面，即利用遥控无人机在巡检路径上稳定拍摄照片和录像，并将采集的前端图像数据利用数字微波图传和数字跳频传输技术传输到地面站，再利用无线/有线技术将数据传输到后端智慧安防综合管控平台进行总控和分析。该系统不仅可以对地面目标进行24小时全天候侦查监测，还可以对入侵低空区域的“低、小、慢”飞行目标进行严密布控，能在第一时间对进入安防上空防护区的飞行物做出快速反应。针对入侵物，该系统可以通过固定式干扰器和手持式射频干扰器进行信号干扰和中断，使入侵无人机坠落，从而保障低空防护区域的安全。空中巡检子系统方案架构如图8所示。

图8 空中巡检子系统架构示意图

（6）安防指挥中心

安防指挥中心主要将感知前端智能设备数据和来自智慧安防综合管控平台的业务管理态势分析数据进行融合分析后以可视化的方式展示于安防指挥中心大屏幕上，实现安防综合态势一张图呈现。安防工作人员可以依靠智慧中心大屏提供的人员门禁、电子围栏、视频监控、车辆管理等数据信息实现应急联动，具备应急事件统一部署、迅速处置和联合行动的能力。为了满足功能需求，其硬件部分主要为各类服务器设备、解码设备、大屏显示设备以及集中存储设备，对各子系统的视音频资源与非视频数据在此进行统一编码、控制和切换输出，承载整个系统的信息处理、数据存储、画面显示功能[7-10]。安防智慧中心硬件布置示意图如图9所示。

图9 安防指挥中心硬件布置示意图

（7）智慧安防综合管控平台

为了避免“数据孤岛”现象，提升信息化系统集中管理、互联互通、信息共享、业务融合的能力，信息化系统规划时往往会将各业务系统整合为一个综合管理系统，打造以数据为核心的智慧化大数据中心平台。大数据中心平台是各类数据融合处理、资源按需分配和服务集成运行的基础软硬件平台，可以实现各业务子系统间的资源共享与数据互联互通，实现管理的便捷性、数据的直观性和系统的智能性等。

本研究构建的智慧安防综合管控平台属于机构大数据中心平台的子功能系统，由机构大数据中心对其进行数据融合和分析处理。机构大数据中心平台系统架构由基础设施层、IaaS层、IaaS+层、PaaS层、云服务层以及应用层构成，如图10所示。

图10 大数据中心平台架构

大数据中心平台采用分布式云数据中心模式，实现机构计算、存储、网络资源建设、管理和运营的统一。基于机构主区数据中心、扩展中心、备用中心以及分区数据中心部署的计算、存储、网络资源，通过虚拟化技术实现资源池化。依托大二层网络架构及分布式云管理技术，实现多个数据中心业务和存储的备份，并结合云平台SDN逻辑网实现各个业务的逻辑隔离和安全访问。其系统架构关系如下所示：

（1）基础设施层处于体系架构的最底层，包含各数据中心的计算、存储和网络资源。

（2）IaaS层通过云管理和虚拟化技术实现物理资源池化，为上层系统提供资源服务，主要包括计算资源池、网络资源池等。

（3）IaaS+层通过应用调度和资源框架，为上层PaaS层提供容器平台和服务。

（4）PaaS层通过分布式服务架构、分布式缓存、数据库服务等为大数据应用提供平台服务。

（5）云服务层依托底层功能提供云主机、云存储、云安全等服务。

（6）业务应用层通过大数据中心提供的云服务，实现智慧安管、智慧办公、智慧党建等业务的信息化，本研究提出的智慧安防综合管控平台就是该业务应用层的子功能模块之一。

（7）云运维通过一系列技术管理开展云数据中心资源运行与维护，保证云数据中心资源可以稳定发挥作用，在整个架构中起到承上启下的作用。

（8）云信息安全通过一系列云安全保障措施规定确保大数据中心的运行安全和用户的数据安全。

3 智慧安防信息化系统数据交互关系

3.1 内部交互关系

智慧安防系统采用数据分类采集、统筹使用的模式，通过各功能模块末端数据无感知采集、集中存贮、融合分析，将机构安全感知综合态势智慧化呈现于安防指挥中心大屏，满足突发情况应急联动需求，数据接口关系如图11所示。

图11 智慧安防内部交互关系图

智慧安防各系统内部接口关系见表1所列。

表1 智慧安防内部交互关系

3.2 外部交互关系

智慧安防系统作为机构信息化系统建设的一部分，不仅需要将本系统采集和分析的数据呈送至机构大数据中心做统一处理，还需要强化与其他业务子系统之间的资源共享与数据互联互通，以避免形成“数据孤岛”，进一步提升信息化系统的数据互联互通、信息共享、业务融合能力，促进机构信息化系统管理的便捷性、数据的直观性和系统的智能性。智慧安防系统与外部子系统的数据交互关系如图12所示。

图12 智慧安防外部交互关系

智慧安防应用外部接口关系见表2所列。

表2 智慧安防外部交互关系

4 结 语

本研究构建的智慧安防系统利用物联感知、泛在网络、数据分析、智慧应用等技术手段，通过前端感知设备采集人员管控信息、车辆使用情况、重点区域安全态势等数据，并结合空间建模技术构建了以智慧安防系统管理平台为数据中枢的多级纵深防护网，形成了非密区防护、低密区监控、核心区限制的阶梯式防护体系，立体多视角呈现了机构安全态势，实现了对目标区域的全方位、立体化、无死角安防管控，能够向事务执行层、业务管理层、核心决策层提供全面、实时、精准的安防数据，多视角立体化呈现综合安全态势，全方位保障机构安全。此外，智慧安防系统各功能模块间数据的协同配合，使系统具备了面向目标机构范围的应急事件定义、应急预案管理、事件触发业务规则、应急异常报警、应急处置任务跟踪、应急联动指挥等应急联动服务能力，可以显著保障对应急事件联动处置的及时性和可靠性。