基于大數據與物聯網技術的智慧民防系統架構設計與實踐

摘要：“智慧民防”系統建設利用大數據、物聯網、5G等核心綜合技術手段，對地下民防空間基礎設施、空間資源進行優化配置，并調度整合，以此實現集聚效應。同時將民防智慧化體系建設主動融入“智慧城市”，結合城市網格化建設，利用視頻通信技術、安全預警防控手段等物聯網技術手段，實行24小時城市在網監控分析，感知城市民防工程運行的各項指標評定，對民生問題給予保障、以及城市公共安全做出預警及治理。

關鍵詞：智慧民防;大數據;物聯網;公共安全

0 引言

通過“智慧民防”建設，保障城市地下空間健康有序運轉，同時拓展政府應急管理、防災減災等工作中的應用，為促進經濟建設、增強城市功能、實現民防指揮要素管理方面實現智能化服務，對民生保障工程等做出更大貢獻。在發展方向和實現途徑上，利用物聯網、大數據、 5G+等核心技術，在更高應用層次上，加快建設智慧民防工程。

通過可視化大數據平臺和應急指揮調度系統，利用圖像傳輸、視頻監測、綜合語音通訊、大數據數據分析研判，在自然與事故災害問題上，面對社會安全突發事件的發生上，統一部署各類社會救援資源、極大程度發揮民防建設作用。在平時還是戰時，均可以通過智慧民防的應用平臺全面進行管理和指揮，提高民防工程的保障能力和水平，節約社會資源，降低災情事故發生時的救援成本。

1 關鍵技術研究

1.1.民防工程智能化、精細化管理思想研究

民防工程智能化是基于防護能級的提升手段上，把信息化技術應用作為應急行動能力信息手段[1]，利用信息監控、GIS指揮調度等手段融合信息化應用系統，利用物聯傳感設施，實行24小時在網大數據分析預警，視頻監控等手段建立起智慧民防系統的指揮控制一體化。加快完善地下空間基礎設施管理智能化。

1.2 系統建設研究思路

1.開放式的系統架構

系統架構具有較強的可擴展性，可以根據業務要求靈活定制，完成大數據采集、數據分析、數據展示等核心大數據要求，完善網絡安全架構體系，支撐物聯網設備感知在網需要。

2.優秀的數據支持

支持各種GIS格式的數據的接入、海量視頻圖像數據、多格式的數據集成顯示與分析，系統建設直觀、可視化效果良好，便于提供決策輔助。

3.豐富的專題表達

以范圍分段專題圖、民防數據熱力圖、柱形圖、地圖等大數據表達圖形表現各種地理和民防專題數據。

4.強大的查詢統計功能

支持各類數據業務查詢、空間幾何查詢、符合民防工程規范的各類數據統計分析，對查詢結果進行地圖定位。

2 系統建設方案

2.1 系統總體設計思路

2.1.1 系統設計總則

“智慧民防系統”的整體設計架構，以現有的業務規則、技術標準體系、安全運營及績效考核體系為系統設計的把控原則。

（一）構建智慧民防系統基礎業務層，進一步夯實應用平臺研發支撐

進一步完善和加強五大基礎業務：應急廣播系統，民防視頻監控系統、民防日管理運維平臺、民防全空間物聯感知網、GIS數據共享系統的建設，以滿足應用平臺基礎設施要求。在整體架構中，各系統獨立發揮底層業務作用外 ，在運營層面也要進一步加強聯動。滿足各類計算資源和存儲資源的統一調度管理，進一步夯實應用平臺研發支撐。

（二）構建智慧民防網絡安全互聯保障體系，提升跨局點聯合能力

建設智慧民防網絡安全互聯，是整體系統設計的重要硬件保障。網絡工程設計，滿足物聯等設備的接入，及時使用相關工具進行數據采集。形成數據資源，同時需要解決共享網絡要求，提升跨區域聯合入網的能力。

（三）構建大數據引擎分析處理中心，強化數據云處理和分析能力

基于統一的API接口服務，把視頻、圖像調閱與解析、多源多維感知數據訪等進行采集與ETL處理，并注冊到數據處理中心的服務中去，通過流處理相關技術，使用內存數據庫，用以實時數據處理[2]。方便多平臺、多部門、多要求自助式地申請這些數據服務能力。強化智慧民防數據處理和分析能力。

（四）搭建“智慧民防應用平臺”，創新開拓民防信息化新高度與新作為

基于云計算、BIM、智能分析等技術，最終形成以大數據、大平臺、優服務的“智慧民防”體系，實現技術、業務、數據、服務的大融合。更好的提升城市民防設施管理水平，確保地下空間內各要素系統的安全良好運行，從而也緩解現階段工程管理的壓力，建立應急機制，對安全使用地下空間工程將發揮重要的保障作用。創新開拓民防信息化新高度，提升民防自身在城市發展的新作為。

2.1.2 系統設計總體架構

架構特點：智慧民防系統采用分布式架構，全局物理上通過底層多業務系統協同運作機制，在感知/采集的基礎上，構建智慧民防大腦-數據引擎AES，通過數據實時計算和分析，最終搭建“一中心、一平臺、多應用”的頂層架構平臺。物理上支持分級分塊部署，通過三統一（統一管理、統一運維、統一應用）機制，將上下級形成一個有機整體，做到做到“物理分散、邏輯統一”，呈現“強中心、敏邊緣”的框架特性。

該平臺具有縱向數據挖掘，橫向業務輕部署的特點，既滿足民防自身應用多應用場景，也保留后續與其他平臺接入的能力。實現軟件與硬件解耦、業務與數據解耦，業務靈活升級，資源按需分配。優化平臺化管理，自動擴容，即插即用，全過程自動化完成，業務快速上線。資源按照服務進行管理，資源動態彈性擴展，大幅提升業務效率。構筑可持續演進的開放智慧民防能力平臺。

系統物理上分四層，最底層為感知/采集層，該層級為本系統最小數據單元采集點，下放至民防所涉及的所有業務及現實場景。包括傳感物聯設備（溫度傳感器、濕度傳感器、電力傳感設備、風控傳感設備、物聯攝像頭等）一系列采集工具，還包括來自第三方平臺涉及的平臺接口、應用SDK包、數據媒體流、廣播傳播流等其他采集，大多數與硬件基礎和網絡設施有關。

業務模塊層：包含各個業務子系統，應急廣播系統，民防視頻云系統、民防日管理運維平臺、民防全空間物聯感知網、GIS數據共享系統。各個子系統功能層級相互獨立，業務核心模塊由中心接入層用戶有權統一管理。感知/采集層到該業務模塊均設有彈性網絡安全防護網，防止非法數據侵入和異常網絡攻擊，保證各業務系統安全運行。

數據中心層，核心建設大數據引擎AES，所有業務數據均接入該引擎進行數據清洗、數據轉化，提供數據分析和挖掘，提供給上層應用系統SDK接口。再滿足上層平臺數據調用的基礎上，還要對外實現數據接口的開放共享能力，對下也要對各子業務的延展性建設提供數據的支撐，協同平臺與業務雙向的的數據資源。全方面提升智慧民防大腦的運算能力。

大數據引擎的數據接入要符合應用接口標準，最上層為應用展示層，所有數據來源于大數據引擎，最后都會通過安全防火墻，在業務定制流程和平臺核心功能設計上，提供用戶科學有效的平臺建設。應用層系統為客戶提供包括民防大數據觀測站、智能巡檢分析平臺、視頻綜合分析平臺、戰時動態指揮平臺等各項智慧民防新功能。進一步加強智慧民防系統服務能力，提升運營管控能力。

2.2 系統設計邏輯架構

智慧民防系統“基于物聯網、大數據、人工智能”等核心技術，采用軟硬件解耦、應用與數據融合、讓系統專注于業務本身。同事遵循民防建設需要，以物聯在網數據的采集加工、開放的網絡能力，整合5大功能平臺，來支撐系統的建設與服務。系統總體邏輯設計思路架構如下圖：

2.2.1 感知采集層邏輯思路

按照“主要設備區域無死角，主要關鍵節點無盲區，人員密集區域無遺漏主要出入口全覆蓋”的原則[3]。持續提升運行質量。按需部署監控攝像機、智能門禁、溫濕度、空氣質量、智能照明、水電風控等多維感知設備，構建立體前端采集體系。

2.2.2 基礎設施層邏輯思路

基于智慧民防總體架構“一中心一平臺多應用”的規劃，視頻云組件和應用都統一基于基礎設施層部署。通過上層業務各系統對應的業務開展所需的軟硬件需求，確保對底層計算機基礎資源進行統一調度管理，構建統一的計算資源池、存儲資源池、網絡資源池，提供視頻云軟件運行的基礎資源，可實現各業務功能模塊獨立運行，也能協同發展。

2.2.3 數據中心-大數據引擎設計邏輯思路

智慧民防系統最強大腦—大數據引擎中心，提供基礎數據存儲和計算能力，實現各類視頻圖像價值數據匯聚。建立信息資源庫，包括視頻圖像庫、資源目錄、特征數據和感知類數據[4]，專題庫包括民防信息專題庫、GIS專題庫、重點區域視頻專題分析庫等。元數據庫主要對數據庫所有數據表項名稱、類型、長度等應遵循的規范。對上統一各平臺數據接口調用，對外提供視頻圖像等共享服務和數據統一對外接口能力。

2.2.4 智慧民防應用層邏輯思路

智慧民防系統核心能力層，基于服務應用的搭建，提供視頻圖像分析、、大數據觀測綜合治理服務、綜合指揮服務、智能巡檢、數據共享服務全覆蓋服務其中，視圖基礎服務集成框架提供服務的運行管理支撐，包含任務協同、策略編排、算法倉庫、多算法融合、集群管理等功能。視頻圖像聯網/共享管理服務為用戶提供全面且典型的視頻監控業務，包括實時監控、轉發、錄像等。為用戶提供高效的視頻分析、大數據檢索服務等。

建設“大數據引擎AES + 應用系統”，提供民防技戰法、圖偵研判、布控預警等大數據基礎功能，解決目前工程信息化建設缺少應用服務支持的問題。并依托智慧民防應用平臺實現全系統聯動、全網共享、全網應用。

3 系統功能說明

3.1 民防大數據觀測站

民防大數據觀測站可視化展示平時主要用于對各個區域的民防地理系信息位置監控、地下空間存量使用情況實時分析、災害或戰時發生對對公共民防地下空間管理、人流量、安全監測進行可視化統計和展示，并對各區域的人、視頻、物聯產生的報警進行統計以及趨勢預判。同時，平臺提供基于地圖使用過程中的基本操作，包括：地圖資源選擇（矩形、圓形、多邊形）、圖層選擇、地圖工具（測距、測面積、截圖）、清屏、添加社會面監控點位等。

3.1.1 基本信息展示

中心地圖展示該區域所有民防分布地點和情況，是系統展示的窗口。界面左側逐一列出相關數據統計分析，用戶點擊相關節點，或者拖動地圖即可進行空間定位，并能查看該節點所有大數據相關展示信息。主要設計界面可參考：

展示說明：民防綜合數據以電子地圖做技術支撐，既要展示地理信息數據，又要反應器各種業務屬性，需要做數據分析高效的顯示，采用多比例，多維度展示。在功能上滿足地圖基本操作、地圖綜合查詢、模糊條件查詢、區域范圍展示查詢。

3.1.2 GIS綜合應用

電子地圖可以對管轄區域的民防地下空間攝像機進行實時調度，當發生告警情況時，可以快速定位，選取合適的監控點，及時掌握現場情況。

在地圖上查詢監控點告警源的分布情況，使用拉鼠標滾輪放大縮小與方向的平移。并且支持切換視圖、比例尺級別等控制。在地圖中單擊監控點，隨著地圖的縮放或者移動，播放窗口始終跟隨著該監控點的位置。

標簽：在監控范圍內，有一些區域需要重點關注，用戶可以在地圖上對這些位置設置標簽，下次進入系統時，在標簽列表中選擇標簽可馬上移到該位置。用戶可以對標簽命進行命名、刪除標簽或修改標簽對應的坐標范圍。

圖層管理：當地圖顯示很大范圍時，攝像頭和告警源的點可能出現較密集的情況，需一個開關面板來控制告警源和攝像頭兩個圖層是否顯示。

告警事件定位：當發生告警事件時，用戶希望查看這些事件所處的位置。選擇告警事件，單擊“定位至地圖”按鈕，地圖將縮放至告警事件發生的位置，并閃爍顯示。

熱區地圖切換：用戶可以有很多地圖圖片，如一個民防地下空間全區圖、民防設施周遭的平面圖等。

3.1.3 民防工程業務統計分析

主要功能如下：

1.重點數據動態統計

重點數據統計可根據時間段選擇，例如按照日期、月份、或者年度統計幾個大類的民防重點監測板塊數據。

2.終端設備數據統計

終端運行設備可視化分析統計，包括溫濕度傳感設備、智能門禁設備、風控設備、電力設備等各類終端的數量、數據、運行情況等的數據分析。

3.地下空間存量使用統計

4.疏散區域分析統計

匯總統計目標區域最近的疏散分析地點、總面積、總數量、接受人口、設備運行情況。

3.1.4 民防空間3D仿真模型分析

構建涵蓋民防大數據觀測站重點工程數據、設備互聯互通及應急調度、災情預案等相關功能的三維仿真可視化，通過可視化數據管理，實現設備遠程自動控制，推動智慧民防日常管理維護新的高度。

通過先進的技術、管理手段，把民防地下空間構筑物用3D模型真實的、準確的反映在系統。就可以在整個觀測站中快速找到設備所處位置，便于領導及時作出決策和部署。通過虛擬按鈕與實際硬件設備控制地下物聯設備運作。例如燈光、大門、報警傳感設備等。

3.2 可視化應急指揮調度平臺

可視化應急指揮調度平臺是本平臺重點功能，通過大數據觀測集成民防相關數據信息，利用動態監控，GIS地理信息系統、廣播音響終端設備等互聯實現可視化的應急調度指揮輔助作用。

當事件發生時，系統接收到上級指揮，鎖定該區域事件發生地理信息，通過視頻傳輸和數據研判選擇最佳民防避難所，系統聯動指揮民防智能IOT終端，為人群避難提供最快速和準確的服務。具體流程描述如下圖：

3.2.1 動態監控功能

動態監控系統主要觀察民防設施重點區域和周遭目標，為防空斗爭和平時救災提供可靠安全的視頻信息，方便中心領導實施有效的指揮。監控系統主要組成部分：控制、攝像、傳輸、顯示。

3.2.3 警報發放控制功能

中心根據大數據分析與決策，通過發放預警，進一步了解實際效果，等待領導層做出進一步的決定。功能如下：

·嚴格的用戶機制及良好的終端安全措施

·滿足多種警報分組分法和發放內容的要求

·系統中顯示警報布點情況，并顯示發放效果

·管理和記錄警報設備的變更、維護情況

3.2.4 智能巡檢管理平臺

3.2.4.1 終端設備基礎管理

對民防空間終端物聯設備進行基礎信息的管理，將設備目前運行情況、地下空間整體環境指標【溫度、濕度、通風情況等】、設備使用壽命等，確保終端設備巡檢智能化，保障設備良好運行。

終端設別的基礎管理在平臺上的作用除了協助我們提供運維人員更好的了解其安全運行指標外，更重要的還是在給我們運營指揮人員發揮輔助信息決策的作用，通過立體、可視化的信息描述，在災情預警、事故演練中都發揮著不可替代的作用。

3.2.4.2 巡檢記錄日志管理

智能巡檢的一個特征就是系統日志記錄，對于設備每天運行情況進行日志管理，可以在一定程度上，通過大數據引擎的計算，幫助運維人員研判分析設備良好運作的態勢。將民防空下地下設備每天工作日志進行統一管理、統一分析。從局部放大到全部，進一步通過數據軌跡了解巡檢的成效和指標。

3.2.4.3 業務數據綜合管理

智能巡檢除了管理終端設備之外，還需要對民防業務數據進行綜合性管理。所有民防業務數據都集中存儲在數據引擎中心庫中，系統運維人員可以通過業務數據系統維護該區域的業務中心數據。對應急指揮調度發揮準確的輔助決策和發布有著重大影響。

基礎地理信息庫，這部分數據的綜合管理包括：民防空間公共地理信息，包含建筑物、道路、管道等，這些信息在應用系統中，主要發揮著地圖的作用和定位參考，是地理飲用的基礎，為全系統共享[5]。

民防業務信息庫，包含民防工程數據庫、專業指標數據庫、終端感知數據庫、人口疏散區域數據口、危險源數據庫等，根據不同屬性，存入對應數據表。將幾何要素、圖形屬性等數據內容進行存儲，優化數據存儲結構，提高查詢效率。

3.2.5 智慧民防宣傳信息平臺

智慧民防宣傳信息平臺一方面是滿足系統運營人員提高民防管理的綜合素養，另一方面是提升公眾民防安全意識。民防宣傳平臺可以有效及時對接政府平臺、公眾微信、微博等接口，將現在民防建設的相關工程動態、民防安全信息、政府法律法規等重大要素進行集中優化展示，可以以圖文、數據圖表、短視頻的方式推流到用戶終端，讓民防建設這一惠及百姓切身安全利益的工程，在該平臺發揮宣傳引導的作用。

4 結語

本文通過研究在大數據技術與物聯網技術深度融合的技術架構體系下建設智慧民防系統，討論了如何使用相關技術實踐整體項目架構設計、討論相關業務模塊的設計如何輔助民防系統智能化，提高運營水平與能級，完善地下空間安全管控機制。進一步拓展大數據在相關民生工程的應用領域，為城市穩定持續良好的運行提供技術支持。

參考文獻

[1]《城市地下空間開發利用與管理模式研究》 對比庫： 中國學位論文全文數據庫?作者?武朋?學校?合肥工業大學?分類?工程管理?學位?碩士?日期?2015-01-01

[2]葉佳帆，智慧園區異構數據集成技術的研究與實現，工業物聯網，日期 2021，（02）

[3]"雪亮工程"視頻直播監控系統在廣電網絡中的應用》 對比庫： 中國學術期刊數據庫?期刊名稱?廣播電視信息?作者?張國紅?作者單位?新疆哈密市文化體育廣播影視局?日期?2018-09-01

[4]王中杰，謝璐璐. 信息物理融合系統研究綜述[J]. 自動化學報，2011，37（10）：1157-1166.

[5]《基于流媒體服務器的安全視頻監控系統設計》 對比庫： 中國學術期刊數據庫?期刊名稱?電氣自動化?作者?張季平?作者單位?上海電子信息職業技術學院計算機應用系，上海，201411?日期?2017-03-01

基金項目：上海市軟件技術創新服務平臺 ，項目號：20DZ2291700

作者簡介：

姓名：呂將男，男，1994-01-24，漢，籍貫（具體到省市）：浙江省東陽市，單位：（上海計算機軟件技術開發中心，上海閔行區?201100），學歷/職位：工學學士，上海計算機軟件開技術開發中心 大數據研究所 系統研發工程師，研究方向：大數據、區塊鏈等。