基于策略的廠區安全與監控系統的設計與實現

(中車永濟電機有限公司，山西 永濟 044500)

0 引言

目前，企業的監控系統已覆蓋廠區內部重點生產區域和行政辦公區域，主要采用人員7×24小時的緊盯監控屏幕的傳統監控模式，存在如下方面的幾個問題[1-2]：

1)監控人員的注意力不能長時間集中，面對海量的監控視頻，監控人員難以萬無一失的審查每個視頻的每個細節，容易因個人疏忽而錯過將事故消除在萌芽階段的機會，甚至因此導致企業蒙受損失；

2)數據分析困難，傳統視頻監控系統缺乏智能因素，視頻數據無法被有效的分類存儲，最多只能打上時間標簽，導致數據分析工作費時費力，并難以迅速有效獲取用戶感興趣的相關信息[3];

3)被動監控，目前的視頻監控系統僅起到一個“錄像”的工作，多數情況都是在事故已經發生之后，通過視頻回放調閱的方式進行事后的查驗，但此時損失和影響已經造成，無法挽回[3-4];

本文提出一種基于策略的廠區安全與監控系統，通過硬件采集終端、軟件管理平臺和安全監測策略的組合方式[5-6]，實現對廠區內部關鍵區域的權限管控、危險識別、異常預警、報警轉發等功能，將傳統監控系統的“被動監控”模式提升為行為可智能識別和預警的“主動監控”模式[7-8]。

1 系統結構與原理

1.1 系統總體架構

系統采用B/S+硬件終端的系統架構，系統總體結構如圖1所示，

圖1 系統架構設計

在應用方面，系統提供基于PC客戶端操作方式和基于便攜式移動終端的兩種操作方式。

系統將安全策略以服務的形式進行封裝和調用，采用開放的平臺架構，實現提供符合標準接口的服務的擴展，針對目前的系統需求，系統在感知層只需網絡閘機和智能攝像頭實現權限管控和視頻信息采集。

1.2 系統工作原理

基于策略的廠區安全與監控管理系統阿是以硬件終端聯網為基礎，以智能視頻分析為核心，以多種類型的大數據倉庫為存儲，以遠程授權、告警聯動等多種業務功能的綜合監控平臺。

對于車間、辦公區域等需要管控的進出入口，提供網絡閘機的遠程授權和放行管控，管理員將權限規則(任務班組信息、角色、職責等)信息遠程下發到相應的閘機終端(包括區域權限、時間段權限)，授權人員可刷卡進入相應的區域。

對于廠區內部重點區域，提供基于視頻分析的異常行為監控，通過計算機視覺技術、人體識別技術和人工智能技術，實現特定區域、特定時間段自動監控，自動分析視頻圖像數據，識別出人體運動目標所做出的不同行為，并且分類出可疑人物、危險行為、突發事件異常發生，再及時準確的通知相關人員。

圖2 系統工作原理

系統工作原理如圖2所示，本系統在部署過程中包括車間、廠區關鍵區域、信息中心、管理人員辦公樓等環境。

1)企業車間入口分為人員進出通道(人門)和車輛物資進出通道(車門)，在人門入口部署門禁系統，以從MES系統中獲取的排產計劃為基礎，進行車間人門通行權限的下發；人門入口視頻監控配置安全帽檢查策略，對進入車間人員是否佩戴安全帽進行檢查和告警；

2)廠區關鍵區域進行智能視頻監控，對于倉庫等關鍵區域配置人員滯留、徘徊安全檢查策略，對于供配電等危險區域配置人員入侵(越界)檢測策略；

3)信息中心部署數據服務器和視頻處理服務器；

4)管理人員辦公室部署客戶端；

5)對移動人員和廠外人員部署終端軟件；

2 硬件選型

系統硬件選用市場成熟的標準件，無須定制加工，系統硬件選型要求如下，

2.1 網絡閘機選型

系統采用全自動剪式門翼閘，門禁閘機部署在車間大門(人門)，通過車間局域網與系統進行數據通訊，網絡閘機選型主要技術指標如表1所示。

表1 全自動剪式門翼閘技術參數

2.2 智能攝像頭選型

系統采用支持紅外補光的高分辨率網絡式相機，攝像頭部署在車間大門(人門)和廠區內部關鍵區域，網絡攝像頭通過車間局域網與系統進行數據通訊，智能攝像頭選型主要技術指標如表2所示。

3 軟件平臺設計

基于策略的廠區安全與監控管理系統軟件平臺組成如圖3所示。

系統整體上由PC客戶端平臺和移動終端平臺組成，其中PC客戶端主要負責權限規則制定、權限下發、視頻采集、存儲與分析和告警與轉發功能，對于移動終端平臺使用人員，提供用戶認證、權限視頻監控和告警查看功能。

3.1 PC客戶端平臺設計

PC客戶端平臺面向廠區內部人員使用，以企業廠區和車間局域網為通信基礎，面向不同權限的人員提供不同的功能服務。

表2 高清網絡智能攝像機參數

圖3 系統軟件平臺功能組成

3.1.1 任務管理

廠區安全與監控管理系統以生產任務為主線，通過生產任務與班組信息的關聯，實現人員門禁權限的批量動態分配，任務信息支持從現有系統中同步、支持外部數據導入、支持在系統中創建。

3.1.2 設備管理

在廠區環境中，針對重點監控區域，采用網絡相機進行安全狀態的監控，并結合相關視頻處理算法，對非法入侵、滯留、不規范操作等進行智能識別與實時上報。

1)門禁管理，實現對廠區內部門禁設備的增加、編輯、刪除和授權操作，系統面向管理員角色，主要提供包括，門禁授權(人員、時間段)、實時監控、出入記錄查詢統計、異常報警和遠程放行的功能。

圖4 門禁管理工作流程

2)視頻監控管理，視頻監控管理功能模塊實現對廠區內部重點區域進行全面監控與實時分析，包括視頻信號采集、存儲與展示、實時視頻流數據分析、視頻數據標簽化存檔和回放、視頻數據查詢與統計等功能。

3)安全策略管理，系統以算法組件的方式提供安全策略，包括入侵、徘徊、滯留、倒地等安全策略，后期可擴展標準接口的安全策略。

安全策略主要采用圖像識別和人員行為分析技術，系統通過對智能攝像頭采集的視頻流幀數據的數字化處理、特征值提取，通過特征值與行為模型匹配，進行行為認定。

圖5 圖像識別和行為分析

1)人員入侵檢測策略，入侵檢測包括進入禁區檢測和越線檢測，進入區域檢測針對預定區域進行檢測，可設定警戒區域(區域大小、出入方向均可設)，若目標出入該區域，服務器可立即檢測識別并實時報警，檢測時間也可以由用戶設定；越線檢測策略在服務器上設置一條或多條虛擬折線，設定越線方向后，任何符合該規則的越線目標可被檢測到并觸發實時報警；

2)人員徘徊、滯留檢測策略，徘徊、滯留檢測策略即探測在禁停區域逗留的目標是否超過用戶設定時間并觸發報警，當人員在警戒區內滯留超過用戶自定義的時間時產生報警，滯留的判別不受人員在警戒區內的行為影響。

3)人員佩戴安全帽檢測策略，系統自動識別人員是否佩戴安全帽。

4)人員倒地檢測策略，對在布防時間段內，規則區域內的倒地行為進行目標產生報警。

3.1.3 報警管理

報警管理，實現對報警的查看、轉發、歷史報警信息日志管理， 報警數據包括：報警類型、報警拍照和報警短視頻。

1)報警查看，用戶可查看當前的報警信息，報警信息包括報警類型(入侵、滯留、徘徊等)、截圖和報警時間段視頻，可直接查看報警監控區域視頻信息；

2)報警轉發，報警轉發和聯動規則的定義，在中心監控管理軟件設置下，統一快速接收現場監控發送的報警信息并轉發給指定的客戶端，為所有系統管理的監控設備提供報警接收轉發服務和遠程報警服務；

3)報警信息管理，對歷史報警信息的記錄、分類、查詢、查看和數據導出標準格式的功能。

3.1.4 系統管理

系統管理，實現對人員、部門、權限、角色、系統日志的管理。

實現人員信息、部門信息、角色信息的同步、導入、新增、編輯、刪除的功能。

實現為角色分配權限的功能，根據不同角色分配不同權限，人員同角色對應。

實現系統日志的自動記錄、查詢、導出、清空、刪除等操作。

3.2 移動終端平臺設計

授權用戶可通過移動視頻監控系統隨時隨地調取車間視頻監控信息，對車間生產過程和車間關鍵區域進行視頻監控。

1)用戶登錄，用戶憑借用戶名和密碼進行登錄操作；

2)視頻遠程監控，用戶登錄系統后，可進行視頻遠程監控，終端系統根據登錄用戶的權限，查看相關區域視頻信息；

3)圖形抓拍，用戶監控過程中，可通過移動終端進行視頻圖形的抓拍操作；

4)報警查看，區域監控預警信息可發送到移動終端，預警信息包括，報警類型、截圖、預警時間段視頻。

4 人體異常行為識別算法設計與實現

行為識別是憑借攝像頭采集的數據、根據觀測的場景條件，將某一動作變化識別成具體行為的過程，行為識別就是將圖像序列標注為某類行為模式的過程[5]。

本系統行為異常安全策略采用通過綜合分析運動軌跡和區域光流特征兩種特征變量，在多種環境下對異常行為進行識別。異常行為識別方法流程如圖6所示。

圖6 人體異常行為識別流程

4.1運動軌跡分析

基于運動軌跡的識別過程，通過判斷目標中心點軌跡曲線是否為閉合或者螺旋狀。如果運動軌跡不閉合且不呈螺旋狀，則說明目標在正常行進。反之，則目標處于徘徊狀態，需要通過對區域光流特征進行分析，進一步判斷是否發生昇常行為[7]。

圖7 螺旋軌跡曲線及識別原理圖

求出目標運動軌跡的中心點(xz,yz),以(x0，y0)坐標原點，將運動區域平均分為8個子區域，依次判斷(x0，y0)，(x1，y1)，…，(xn-1，yn-1)，(xn，yn)出現的區域。當目標軌跡中的各個位置點出現在各區域內的概率相似時，則可以判定目標是在圍繞一個特定點運動，即目標處于近似徘徊狀態，需要進一步判別是否為異常行為，運動軌跡分析法識別人體異常行為流程如下，

1)計算目標的中心點(xz，yz)；

2)設坐標原點(x0，y0)，通過坐標軸和兩條穿過原點的直線將目標運動區域平均分成8個區域，每個區域的度區間相同；

3)計算點(x0，y0)，(x1，y1)，…，(xn-1，yn-1)，(xn，yn)出現在哪個子區域中，

4)通過步驟3)的統計結果，判斷目標軌跡是否呈螺旋曲線狀態，如果判定目標軌跡的各個位置點在各個區域內分布概率相同，則目標處于徘徊狀態，需要利用區域流光特性做進一步的識別。

4.2 區域光流分析

目標在視頻中進行的運動，可以看作是視頻序列中各個像素點運動的集合，所謂的光流就是對像素運動過程的一種描述。當目標進行移動時，圖像中的像素會產生位移，從而形成速度矢量，這種速度矢量就是目標像素的光流，而這些矢量的集合就是光流場。

假設相鄰的兩幀視頻圖像，基于光流場的亮度不變，即假定像素點在時刻t+δt運動到(x+δx,y+δy)位置，亮度保持不變，設I(x,y,t)代表圖像I中某一像素，則可以得到表達式:

I(x,y,t)=I(x+δt,y+δt,t+δt)

由于一般情況下亮度沿空間坐標和時間軸的變化是線性連續的，所有可以通過泰勒級數展開法進行變形，可以得到：

忽略高階項，兩邊同時對δt求導，得出光流的約束方程。

Ixu+Iyv= -It

為了檢測出人體的異常行為，如搏斗、破壞等。這些行為發生時，人的動作速度快，而且方向雜亂，區域光流持征幅值強度大，且和運動方向不一致。因此，選擇基于幅值加權的方向直方圖，對區域內的光流特征描述。以此來判別目標是處于正常的徘徊狀態，還是發生了搏斗、破壞等異常行為。

5 試驗結果及分析

以企業廠區車間人員進出通道(人門)和倉庫存儲貴重金屬的區域為試點，在人門配置網絡閘機和智能攝像頭，管理人員將車間生產任務排產信息(班組信息)從MES系統中導出，通過系統遠程下發到網絡閘機，進行人員生產時間段的出入管控，對智能攝像頭配置人員安全帽佩戴檢查策略，進行安全監控，對于倉庫貴重件數區域，對智能攝像頭配置人員入侵、人員徘徊、滯留安全策略，進行重點區域的監控、自動告警轉發。

通過測試，車間人門處的網絡閘機可對當前時間段有生產任務的生產員工憑借工作IC卡刷卡方式進行正常放行(閘機識別率可達100%)，對其他未授權人員進行阻止。

通過人門攝像頭配置的安全帽檢查策略，可對生產人員安全帽是否佩戴行為進行監控和告警(對于單獨個人安全帽檢查識別率可達100%，對于群體檢查識別率可達95%)。

圖8 安全帽檢測試驗結果展示

通過測試，對于倉庫存放貴重金屬的終點區域，通過配置的人員入侵、徘徊、滯留安全策略，可對特定時間段，進入區域的人員動作進行實時監控和危險動作預警(區域人員入侵識別率可達100%)。

6 結束語

以企業現有的硬件為基礎，通過對廠區不同區域配置不同的安全策略算法，基于策略的廠區安全與監控系統實現了廠區重點區域的權限管控和智能監控，將現有的“被動監控”模式提升為“主動監控”模式，將事后查詢提升為事前預警，系統以服務插件方式進行安全策略的管理，后續可快速進行安全策略的擴展。

圖9 區域入侵檢測試驗結果展示