基于資源受限廣域網(wǎng)絡(luò)的安防信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葛洪武，妥艷君

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

電子安全防衛(wèi)系統(tǒng)是構(gòu)建智慧園區(qū)、智慧城市的重要組成部分[1]，主要應(yīng)用于軍隊(duì)、政府、企業(yè)的安全防范、警衛(wèi)執(zhí)勤、偵查和特種服務(wù)，是近年來(lái)飛速發(fā)展的一個(gè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，2015年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額達(dá)到4 900億元左右，比2010年增長(zhǎng)90%[2]，預(yù)計(jì)到2020年達(dá)到8 000億元。近年來(lái)電子安防信息系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)研究成為熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[3-6]分別從城市、園區(qū)和樓宇等角度開(kāi)展了電子安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，電子安防系統(tǒng)中的基礎(chǔ)傳輸技術(shù)[7]、網(wǎng)絡(luò)承載技術(shù)[8]、視頻監(jiān)控組網(wǎng)技術(shù)[9-10]和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[11]均是研究重點(diǎn)。然而這些研究多聚焦局部功能實(shí)現(xiàn)，缺乏綜合能力集成。因此需要開(kāi)展涵蓋安全態(tài)勢(shì)感知、執(zhí)勤值班管控和信息處理分析等綜合能力的安防信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)，滿足軍隊(duì)、公安和大型企業(yè)等綜合性安防管理指揮的需求，重點(diǎn)著眼跨地域、分級(jí)系統(tǒng)構(gòu)建面臨的問(wèn)題，進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，保證業(yè)務(wù)的質(zhì)量。

1 背景問(wèn)題分析

部門(mén)、企業(yè)構(gòu)建綜合性安防信息系統(tǒng)，特別是大規(guī)模單位跨地域、分級(jí)構(gòu)建的時(shí)候，會(huì)受到實(shí)際情況的制約，面臨許多問(wèn)題。

① 原始信息量巨大，在受限廣域網(wǎng)絡(luò)中遇到傳輸瓶頸。視頻監(jiān)控是電子安防的重要功能，能夠產(chǎn)生巨大的原始視頻數(shù)據(jù)，并被存儲(chǔ)備查。如單路1 080 p高清視頻碼流的速率約為4 Mbps，一天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量就大于40 G。然而承載電子安防信息系統(tǒng)的跨地區(qū)廣域網(wǎng)絡(luò)，無(wú)論是軍、警等特殊部門(mén)的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，還是企業(yè)租賃運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)資源構(gòu)建的虛擬網(wǎng)絡(luò)，帶寬都相當(dāng)有限，難以承受所有信息的實(shí)時(shí)共享。

② 信息采集設(shè)備體制眾多，在系統(tǒng)發(fā)展中面臨集成問(wèn)題。電子安防的前端設(shè)備更新?lián)Q代非常快，體制不一，如視頻采集設(shè)備就包括DVR、NVR和IP攝像機(jī)等。在構(gòu)建電子安防信息系統(tǒng)時(shí)，出于經(jīng)濟(jì)考慮，有新舊設(shè)備兼容共用的需求。同時(shí)，也有與既有的辦公信息系統(tǒng)集成互操作的需求。

③ 移動(dòng)智能終端日益普及，固定移動(dòng)融合勢(shì)在必行。移動(dòng)終端和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使得移動(dòng)互聯(lián)應(yīng)用越來(lái)越普遍。電子安防信息系統(tǒng)同樣有面向移動(dòng)互聯(lián)的需求，用以彌補(bǔ)有線網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足、擴(kuò)展移動(dòng)警衛(wèi)執(zhí)勤等特殊應(yīng)用。因此，固定、移動(dòng)融合通信是支撐電子安防信息系統(tǒng)的必然趨勢(shì)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

針對(duì)上述需求和問(wèn)題，基于信息系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)理論[12]，采用固定和移動(dòng)融合組網(wǎng)的方式[13]，提出了分級(jí)部署、廣域互聯(lián)、綜合集成的安防信息系統(tǒng)體系架構(gòu)。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 安防信息系統(tǒng)組成

基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)是安防信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐，是電子安防業(yè)務(wù)的一體化網(wǎng)絡(luò)承載和通信服務(wù)平臺(tái)，支持應(yīng)用系統(tǒng)和前端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，提供網(wǎng)絡(luò)和通信服務(wù)保障；綜合信息處理系統(tǒng)是基于數(shù)據(jù)中心模式的共用信息匯集處理平臺(tái)，為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)融合、分析、處理、存儲(chǔ)和查詢(xún)等公共支撐服務(wù)；警衛(wèi)調(diào)度系統(tǒng)是面向執(zhí)勤警衛(wèi)任務(wù)，實(shí)施調(diào)度管控的工作平臺(tái)，包括指揮中心的調(diào)度臺(tái)、警衛(wèi)操作臺(tái)和應(yīng)用服務(wù)器等，提供多手段、一體化警衛(wèi)調(diào)度能力；信息采集系統(tǒng)集成了各類(lèi)前端安防采集設(shè)備，包括視頻監(jiān)控、車(chē)輛道閘、人員卡口、門(mén)禁、電子圍欄和各類(lèi)傳感器等，提供全面的安防態(tài)勢(shì)感知能力；運(yùn)行支撐系統(tǒng)是保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的必要支撐，提供系統(tǒng)安全防護(hù)和運(yùn)維管理等功能。

2.2 固定移動(dòng)融合組網(wǎng)設(shè)計(jì)

安防信息系統(tǒng)集成網(wǎng)絡(luò)主要基于有線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和3G/4G移動(dòng)通信系統(tǒng)，構(gòu)建無(wú)縫覆蓋多地指揮調(diào)度中心、固定/機(jī)動(dòng)警衛(wèi)、園區(qū)各類(lèi)傳感設(shè)施的通信網(wǎng)絡(luò)，采用IP/MPLS體制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、圖像、語(yǔ)音和視頻等多媒體業(yè)務(wù)統(tǒng)一承載和端到端傳輸，提供全域覆蓋、寬帶高效的信息傳輸能力，保障重要用戶(hù)和關(guān)鍵業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量。

基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)包括核心網(wǎng)、接入網(wǎng)和用戶(hù)網(wǎng)3級(jí)架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)

核心網(wǎng)是廣域互聯(lián)的固定、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，固定網(wǎng)絡(luò)主要依托現(xiàn)有的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)、商用網(wǎng)絡(luò)或企業(yè)vpn網(wǎng)絡(luò)等，移動(dòng)通信一般直接利用移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。核心網(wǎng)主要配置骨干和匯聚路由器。

接入網(wǎng)通過(guò)有線、無(wú)線等多種接入手段將調(diào)度中心、執(zhí)勤點(diǎn)位的用戶(hù)局域網(wǎng)絡(luò)接入安防信息系統(tǒng)核心網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)端到端互連互通。接入網(wǎng)主要配置接入路由器和無(wú)線接入設(shè)備。

用戶(hù)網(wǎng)是應(yīng)用系統(tǒng)、安防設(shè)備、調(diào)度執(zhí)勤終端設(shè)備互聯(lián)的局域網(wǎng)，一般通過(guò)高速的有線光、電線路互聯(lián)。用戶(hù)網(wǎng)主要配置高性能交換機(jī)。

2.3 系統(tǒng)分級(jí)部署設(shè)計(jì)

安防信息系統(tǒng)采用分級(jí)部署，便于多級(jí)指揮管理的部門(mén)或企業(yè)能夠全面掌握末端安全態(tài)勢(shì)，快速指揮應(yīng)急響應(yīng)。

系統(tǒng)分級(jí)的數(shù)量依部門(mén)規(guī)模和安防要求進(jìn)行合理規(guī)劃。最底一級(jí)為執(zhí)行節(jié)點(diǎn)級(jí)，包括各類(lèi)安防設(shè)施和警衛(wèi)點(diǎn)，主要部署信息采集系統(tǒng)和警衛(wèi)調(diào)度系統(tǒng)的前端設(shè)備。執(zhí)行節(jié)點(diǎn)級(jí)以上是調(diào)度管理級(jí)，包括指揮調(diào)度中心、信息處理中心和運(yùn)行維護(hù)中心等機(jī)構(gòu)，主要部署警衛(wèi)調(diào)度系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)和運(yùn)行支撐系統(tǒng)。系統(tǒng)分級(jí)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)分級(jí)架構(gòu)

各級(jí)間主要信息交互關(guān)系包括：

① 警衛(wèi)點(diǎn)采集的日常監(jiān)控音視頻信息、出入管理信息、查哨和喚醒等值班狀態(tài)信息，在最近上級(jí)指揮調(diào)度和信息處理中心匯集，并可被上級(jí)調(diào)看；

② 報(bào)警信息逐級(jí)上報(bào)各級(jí)指揮調(diào)度中心，并基于策略產(chǎn)生向其他警衛(wèi)點(diǎn)聯(lián)動(dòng)報(bào)警信息，報(bào)警哨位的音視頻信息逐級(jí)上傳；

③ 公告、通告等公共信息逐級(jí)下發(fā)到調(diào)度中心和警衛(wèi)點(diǎn)；

④ 監(jiān)控對(duì)講和視頻會(huì)議等業(yè)務(wù)由上級(jí)指揮調(diào)度中心發(fā)起，可跨級(jí)建立會(huì)話連接。

2.4 系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

安防信息系統(tǒng)引接了大量視頻監(jiān)控、可視對(duì)講、特征識(shí)別、射頻識(shí)別和定位等前端信息采集設(shè)備，面臨著技術(shù)實(shí)現(xiàn)不一致、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的問(wèn)題，特別是編解碼設(shè)備控制的標(biāo)準(zhǔn)。這就給系統(tǒng)如何控制這些設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)的工作帶來(lái)非常大的困難，需要對(duì)前端信息采集設(shè)備進(jìn)行綜合集成，屏蔽底層具體實(shí)現(xiàn)，為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一接口，實(shí)現(xiàn)采集信息的融合。

2.4.1 集成方式

異構(gòu)體制設(shè)備的兼容集成主要有協(xié)議互通、SDK和數(shù)據(jù)共享3種方式，安防信息系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)根據(jù)各前端設(shè)備的技術(shù)現(xiàn)狀，選擇合適的方式進(jìn)行集成：

① 協(xié)議互通方式：適用于兼容數(shù)據(jù)通信遵循標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的設(shè)備，通信調(diào)度平臺(tái)可以通過(guò)協(xié)議層面和原有設(shè)備進(jìn)行兼容互通；

② SDK方式：主要兼容那些沒(méi)有遵循標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的設(shè)備，應(yīng)用系統(tǒng)需要獲取原有設(shè)備廠家第三方接口SDK包，并完成設(shè)備兼容；

③ 數(shù)據(jù)共享方式：主要適用于與原有其他安防系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享和業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)，安防信息系統(tǒng)需要獲取原有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、接入接口，并完成系統(tǒng)對(duì)接。

2.4.2 音視頻設(shè)備集成

在音視頻設(shè)備方面，主要采用協(xié)議互通的集成方式。通信調(diào)度平臺(tái)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)引接不同類(lèi)型的監(jiān)控?cái)z像機(jī)和音視頻對(duì)講終端等，實(shí)現(xiàn)不同控制、媒體協(xié)議向SIP/RTP協(xié)議的轉(zhuǎn)換，代理完成視頻設(shè)備注冊(cè)管理，以及音視頻獲取、設(shè)備控制、云臺(tái)控制和視頻對(duì)講等功能，并向應(yīng)用系統(tǒng)提供統(tǒng)一的通信服務(wù)接口，上層應(yīng)用系統(tǒng)可以不必關(guān)心協(xié)議交互細(xì)節(jié)，進(jìn)行統(tǒng)一功能調(diào)用。

2.4.3 安防設(shè)備集成

在安防設(shè)備方面，安防信息系統(tǒng)可以擴(kuò)展兼容多種安防報(bào)警系統(tǒng)，如電子圍欄和紅外對(duì)射等防闖入系統(tǒng)、門(mén)禁系統(tǒng)和視頻智能識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)等，對(duì)其集成主要采用SDK或數(shù)據(jù)共享的方式。安防報(bào)警系統(tǒng)主要包括前端感應(yīng)設(shè)備和報(bào)警主機(jī)。報(bào)警主機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接執(zhí)勤值班平臺(tái)，執(zhí)勤值班平臺(tái)通過(guò)SDK調(diào)用完成報(bào)警數(shù)據(jù)的獲取，并將報(bào)警數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成安防信息系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)格式的報(bào)警信息，發(fā)送給上層調(diào)度中心進(jìn)行處理。

3 網(wǎng)絡(luò)仿真試驗(yàn)

為了驗(yàn)證安防信息系統(tǒng)能力，采用可擴(kuò)展分層仿真技術(shù)[14]，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)的構(gòu)建和仿真試驗(yàn)。仿真試驗(yàn)包括典型網(wǎng)絡(luò)仿真試驗(yàn)和帶寬受限網(wǎng)絡(luò)仿真試驗(yàn)2類(lèi)。典型網(wǎng)絡(luò)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證在典型網(wǎng)絡(luò)配置下，網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)業(yè)務(wù)的支撐能力；帶寬受限網(wǎng)絡(luò)仿真試驗(yàn)是考慮鏈路帶寬資源受限情況下，驗(yàn)證帶寬受限時(shí)對(duì)系統(tǒng)業(yè)務(wù)的影響。

3.1 仿真系統(tǒng)構(gòu)建

3.1.1 仿真拓?fù)?/p>

仿真系統(tǒng)基于OPNET軟件開(kāi)發(fā)，采用網(wǎng)絡(luò)、節(jié)點(diǎn)和協(xié)議3層仿真建模機(jī)制，按照典型規(guī)模構(gòu)建，由骨干網(wǎng)、接入網(wǎng)和用戶(hù)網(wǎng)組成。

骨干網(wǎng)由1個(gè)骨干路由器和4個(gè)匯聚路由器組成；接入網(wǎng)由高速接入路由器組網(wǎng)，1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)連接15個(gè)接入路由器；用戶(hù)網(wǎng)內(nèi)布設(shè)固定哨位和移動(dòng)哨位共10個(gè)，4個(gè)移動(dòng)、固定哨位通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)接入，帶寬為1 Mbps。仿真拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4 仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.1.2 仿真模型

(1) 網(wǎng)絡(luò)模型

典型網(wǎng)絡(luò)仿真：骨干網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)鏈路帶寬為2.5 G，接入網(wǎng)上聯(lián)鏈路帶寬為155 M，用戶(hù)網(wǎng)上聯(lián)鏈路帶寬為10 M，用戶(hù)網(wǎng)內(nèi)部有線鏈路帶寬為1 000 M，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)預(yù)估帶寬20%。路由協(xié)議采用OSPF協(xié)議。

帶寬受限網(wǎng)絡(luò)仿真：骨干網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)鏈路帶寬為2.5 G，接入網(wǎng)上聯(lián)鏈路帶寬為20 M，用戶(hù)網(wǎng)上聯(lián)鏈路帶寬為2 M，用戶(hù)網(wǎng)內(nèi)部有線鏈路帶寬為1000 M，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)預(yù)估帶寬20%。路由協(xié)議采用OSPF協(xié)議。

(2) 業(yè)務(wù)模型

業(yè)務(wù)模型主要針對(duì)占用帶寬較大的視頻業(yè)務(wù)進(jìn)行設(shè)定，分為監(jiān)控對(duì)講和高清監(jiān)控視頻2種業(yè)務(wù)。

監(jiān)控對(duì)講業(yè)務(wù)單路帶寬最小值512 kbps、最大值2 Mbps，業(yè)務(wù)方向包括橫向(同級(jí))和縱向(上下級(jí))，話務(wù)模型為0.03 Erl，呼叫時(shí)長(zhǎng)120 s；高清監(jiān)控視頻業(yè)務(wù)帶寬最小值2 Mbps、最大值4 Mbps，業(yè)務(wù)方向以縱向?yàn)橹鳎煌ㄟ^(guò)移動(dòng)通信系統(tǒng)接入的終端視頻業(yè)務(wù)帶寬為1 Mbps；業(yè)務(wù)產(chǎn)生服從泊松分布，仿真時(shí)間設(shè)定為1 h。

3.2 仿真試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 典型網(wǎng)絡(luò)仿真試驗(yàn)

在典型業(yè)務(wù)量下業(yè)務(wù)成功率為100%，網(wǎng)絡(luò)能滿足業(yè)務(wù)并發(fā)要求，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 典型網(wǎng)絡(luò)典型業(yè)務(wù)量傳輸成功率

在此拓?fù)淝闆r下，增大系統(tǒng)業(yè)務(wù)量，測(cè)試網(wǎng)絡(luò)極限支撐能力，當(dāng)最底一級(jí)調(diào)度管理節(jié)點(diǎn)視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)并發(fā)通信連接數(shù)增長(zhǎng)至36路時(shí)，業(yè)務(wù)傳輸成功率開(kāi)始下降，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 視頻業(yè)務(wù)與成功率對(duì)應(yīng)圖

3.2.2 帶寬受限網(wǎng)絡(luò)仿真試驗(yàn)

在網(wǎng)絡(luò)帶寬受限情況下，加載典型業(yè)務(wù)量的業(yè)務(wù)成功率為無(wú)法達(dá)到100%，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 帶寬受限網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)傳輸成功率

在此情況下，通過(guò)調(diào)整視頻業(yè)務(wù)帶寬，將視頻業(yè)務(wù)帶寬下降20%，可使業(yè)務(wù)成功率達(dá)到100%。

從以上測(cè)試結(jié)果可以看出，在帶寬受限情況下可以通過(guò)2種方式來(lái)保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)質(zhì)量：一是采用自適應(yīng)視頻壓縮技術(shù)減少視頻業(yè)務(wù)占用的帶寬；二是減少縱向視頻業(yè)務(wù)并發(fā)連接，輔助使用基于優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)控制功能，保證高優(yōu)先級(jí)用戶(hù)和關(guān)鍵業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代科技水平的飛速發(fā)展，電子安防技術(shù)正向著監(jiān)控體制數(shù)字化、信息傳遞網(wǎng)絡(luò)化、分析管理智能化、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成化和設(shè)備協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展[15]。巨大的業(yè)務(wù)量和有限的網(wǎng)絡(luò)資源始終是一對(duì)需要調(diào)和的矛盾。基于廣域受限網(wǎng)絡(luò)的多級(jí)安防信息系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)資源有限的情況下，通過(guò)優(yōu)化組網(wǎng)設(shè)計(jì)、業(yè)務(wù)高效傳輸、規(guī)劃調(diào)整信息存儲(chǔ)和交互策略等手段，滿足各類(lèi)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量保障要求，適用于軍隊(duì)、公安和一些大型企業(yè)的體系化安全防衛(wèi)任務(wù)，并可為不斷擴(kuò)展的安防信息系統(tǒng)建設(shè)提供解決思路。

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