邊緣計算在安防領域的實踐應用研究

摘要：在當前的社會中，很多行業都需要應用安防系統。在安防系統中，可以運用邊緣計算作為技術支持，基于該技術的高可用性、實時處理性以及高智能性特征來進行針對性設計，滿足各行業在系統智能應用和在隱私與安全保護方面的需求。在過去，安防系統的設計需要依賴于物聯網技術，該系統雖然可以滿足基本需求，但出現了網絡延時度高、寬帶消耗量大、中心數據能耗高以及數據隱私性差等問題。為了解決這些問題，就要利用邊緣計算來對系統進行優化設計，將物聯網在協同感知方面的優勢充分發揮出來。基于此，本文運用文獻分析法、歸納總結法，從邊緣計算的概述出發，探究了該技術在安防領域的實踐應用，希望為該領域的工作人員提供參考與借鑒。

關鍵詞：邊緣計算；安防領域；實踐應用

在智慧城市建設發展的過程中，需要構建起完善的安防系統，并運用現代化技術手段來提高系統的智能化水平，為市民的生活提供便利，同時也為城市的和諧發展提供保障。傳統視頻安防系統主要是通過有線的方式來實現監控部署的，整體部署成本處于比較高的狀態，部署效率則比較低，在組網方式方面較為困難，難以滿足系統時延指標要求[1]。在5G時代帶來之后，邊緣計算在安防領域廣泛應用，出現了“5G+移動邊緣計算”的新型安防方案，在其中參照了傳統視頻安防的通用型解決方案，并添加了邊緣計算節點，在監控應用以及視頻業務流等方面實現了智能化發展，同時實現了視頻終端采集裝置的交互與應用，展現出了較好的性能。

一、邊緣計算的概述

（一）邊緣計算的概念

邊緣計算這一概念首次出現在物聯網領域，屬于近年來興起的新興技術。邊緣計算具有分布式和開放式的特點，是一種特殊的IT架構，支持分散處理，同時可以與移動計算技術和物聯網技術進行融合。在邊緣計算中，數據會在網絡邊緣由采集設備本身或者本地的計算機設備進行處理，而不是經過漫長的路由之后傳送至數據中心或者云中心處理[2]。從物聯網的角度來說，邊緣指的是靠近數據源的基礎設備，主要包含計算基礎設備和存儲技術設備這兩種類型。

雖然邊緣計算近幾年才開始受到人們的關注，但它并不是一個新的概念，而是一個在技術發展過程中經過歸納與總結之后得到的概念。邊緣計算的特點是數據計算會通過計算中心或者通過云端遷移至網絡邊緣。在發揮作用的過程中，邊緣計算通常會與無線傳感器網絡通信技術、移動數據采集技術、深度學習技術以及人工智能技術等多樣化的技術相互融合。當前，邊緣計算已經成為一種重要的技術范式，也被稱為網格計算、點對點計算以及自主計算。

在安防領域，信息的搜集主要依賴于視頻監控系統，該系統使用的是制式模擬視頻圖像信號，這些信號會經過模擬線纜傳輸到后端，然后實現圖像的數字化壓縮。但在邊緣計算應用的情況下，可以直接將視頻圖像壓縮至攝像機端進行計算。其中的邊緣設備包括了具有智能計算功能的網絡攝像機、網絡視頻錄像機以及本地智能一體化設備。比如浙江宇視科技有限公司研發的一款名為“函谷”的智能攝像機就基于邊緣計算實現了深度智能計算，能夠實現40×40 像素的人臉檢測，同時具有人臉優選功能[3]。

（二）邊緣計算的優勢

與物聯網領域的其他技術相比，邊緣計算可以實現對數據流的快速處理，達到無延遲的效果。在當前的社會領域中，很多系統都會響應速度有嚴格的要求，可以利用邊緣計算的及時性和即時性來滿足需要。比如在自動駕駛系統、視頻監控系統以及公安實戰系統中，邊緣計算都發揮了不可替代的作用，它可以在數據的產生源端或者在這附近對其進行計算和處理，然后將處理之后的結果傳送到數據中心，這實現了數據通信寬帶的節省。同時，邊緣計算還可以使網絡傳輸數據量得到減少，進而促進傳輸成本的消減，實現了云計算中心和數據中心計算效率的提高。基于這種方式，還可以避免將這些敏感的源數據傳輸到網絡、云端或者數據中心，降低了病毒入侵和信息泄露等問題發生的概率，使系統時刻處于安全的運行狀態。當前，視頻監控領域已經廣泛應用了邊緣計算，實現了由傳統監控系統到視頻圖像信息應用系統的轉變。

二、邊緣計算在安防領域的發展與應用

（一）早期視頻編碼及視頻加密技術的應用

在安防領域的視頻監控由模擬時代到數字化時代發展的過程中，面臨的最大問題就是要對龐大的視頻數據量進行處理。尤其是對于那些分辨率比較高的視頻來說，在不對其進行壓縮的情況下需要較大的數據寬帶，當時的技術手段難以達到這一要求，即使能夠實現視頻的傳輸，效率也是比較低的。為了解決這一問題，就要在視頻數據的源頭進行處理，通過壓縮使其更好地被傳輸。而這種視頻壓縮技術在本質上就是邊緣計算技術。

在社會不斷發展的背景下，安防領域人們對監控視頻清晰度的要求越來越高，這推動了視頻壓縮技術這種簡單邊緣計算技術的發展和進步。在這個過程中，系統算法也由MJPEG轉變為了SVAC，大大提高了視頻的壓縮率。部分行業要求在對視頻進行壓縮的時候要對其進行加密，避免在傳輸的過程中出現信息泄露。因此，很多數字監控設備衍生出了視頻加密的功能，這也是邊緣計算的重要體現。從整體上來看，早期安防領域的邊緣計算的兩個主要特點是緩解流量壓力，同時表現出了更高的安全性能。

（二）中期各行業專用分析算法

在安防領域不斷發展的過程中，很多用戶的需求也在不斷發生改變，他們對系統的需求不再只是簡單的視頻預覽、視頻存儲以及視頻回放，相關安防產品也不再是簡單的通用監控產品，而是成了適用于不同領域的專業化設備[4]。其中最為常見的就是在交通行業中廣泛應用的電警設備和卡口設備，這些設備可以直接對車牌號進行識別，同時還可以對道路交通中的闖紅燈、不系安全帶等行為進行監測。這些設備在對視頻數據進行處理的時候對實時性的要求是比較高的。同時，數據中心也只是對那些違法的行為或者違規的車牌號進行記錄，因此在設備完成信息采集之后需要在第一時間對其進行處理，做到實時抓拍的效果，在這之后將抓拍的照片和車輛信息上傳到云端平臺，這是安防領域一種比較典型的邊緣計算應用。

（三）當前基于深度學習的人臉識別等人工智能算法

從20世紀50年代開始，我國開始進入人工智能時代，在這之后出現了人工神經網絡，這使人工智能進入了新的發展階段。近年來，在深度學習技術的支持下出現了人臉識別系統，這使人工神經網絡得到了優化，同時也使機器輔助成為可能，使人工智能領域的應用范圍得到了進一步的拓寬。但相關算法在系統性能消耗方面是比較高的，如果只是通過CPU進行計算的話，難以將其推廣到邊緣端。因此，在當時，人工智能算法主要被應用于云端。隨著技術的發展和進步，各個芯片廠商開始加大對芯片的研制，并推出了專門適用于人工智能算法的芯片，這使人工智能技術在邊緣端得到了有效的應用。

三、邊緣計算在小區安防的實踐應用

（一）系統架構

1.系統架構的構建

在云計算平臺的支持下，小區安防系統展現出了強大的信息存儲功能和靈活的數據處理功能。但系統運行的時候，監控前端的設備要先將所有的數據進行匯總然后傳輸到云服務器中，經過服務器的反饋處理之后才能開展后續的工作。圖1展示了云計算平臺支持下典型的小區安防系統架構圖。在這樣的情況下，數據處理的任務集中在云平臺，導致中心服務器的處理負擔比較重，這些數據在回饋到應用終端的時候會存在延遲。同時在對信息進行存儲和管理的時候經常會出現大量的冗余數據，這會增加存儲節點的能耗。同時，隨著監控前端階段的增加，系統需要處理的數據量也大幅度增長，這對云服務器來說是一個較大的挑戰。為了應對這一問題，就要在小區安防系統云平臺架構的基礎上應用邊緣計算。在這個過程中，要先構建邊緣計算平臺，形成完善的系統架構。

小區安防系統以云計算平臺作為中心，融合了云數據庫和應用終端。在應用的過程中會形成多個邊緣區域，而每個區域則包含了邊緣服務器、邊緣設備以及邊緣網關設備這三部分。在運行的時候，邊緣服務器可以對附近的設備和數據進行處理，而不是將其全部上報至云平臺進行集中處理。

2.系統構成及其功能

邊緣設備包括小區內部各單元樓、各路口等位置的監控攝像頭，同時包括智能門禁終端和傳感器等。這些設備會通過各種協議接入平臺，同時基于無線的形式將采集到的數據傳輸到各邊緣節點。

邊緣服務器的功能是對邊緣設備進行控制，同時對簡單的數據進行處理。而對于那些復雜數據來說，需要基于通信接口被上傳到云計算中心來進行處理。通過這種方式，終端可以以與傳統架構相同類型的形式與云平臺進行通信，同時實現與云平臺的計算互補。

邊緣網關設備的主要功能是實現邊緣設備的接入，同時為設備之間的互聯互通創造了條件。基于這些網關設備，可以在系統中動態化地添加邊緣設備。比如小區的業主可以在系統中連接家庭監控設備。網管設備可以對這些新設備的信息進行添加和記錄，同時可以為其配置報警策略，并對設備運行狀況進行監控等。為了實現這一功能，需要提前設置業務邏輯，這樣才能對那些達到故障狀態的設備進行預警和報警，在這個基礎上還可以進行智能化故障診斷和智能化服務執行，并為其提供預防性維護方案。

云計算中心的功能則主要是對邊緣服務器所上傳的危險行為進行識別和分析，同時還會對其進行上報。相關工作人員可以在系統中對這些上報的信息來進行針對性處理。如果在審核中發現其中存在類似入侵或者火災等行為的話，需要在云計算中心對相關模型進行分析，并通過定期訓練和定期更新的方式將新模型反推至邊緣服務器。在這之后，遇到相似情況后該服務器就不必再將數據上傳至云計算中心而是可以直接與相關部門聯系，在第一時間將險情進行處理，展現出了智能化的特點。

（二）云端監控管理平臺設計

基于邊緣計算，小區安防系統需要構建起云端監控管理平臺，將該平臺作為用戶管理系統的“駕駛艙”，其中應該包含算法服務、消息管理、車輛管理、訪客管理、組織管理、環境區域管理以及設備管理等模塊。在平臺可以從多個角度為用戶提供預警大數據，同時可以對數據進行分析，更好地落實安防措施。在對該管理平臺進行設計的時候，需要將MySQL作為后臺數據庫，在前臺則使用WEB設計網頁。用戶在執行各項操作的時候只需要在網站接口基于WEB來完成。JavaBean組件可以完成數據和邏輯的處理，而MySQL則可以用于數據的存儲。

四、結束語

綜上所述，安防領域最大的特點是要進行視頻監控，同時要對海量的視頻數據進行處理。在這個過程中，選擇合適的數據傳輸方式和存儲方式是十分重要的。將邊緣計算應用到小區安防系統，可以將邊緣計算作為云端數據的采集單元并基于此對數據進行預處理，同時進行云端應用的大數據分析。對于云計算來說，可以將大數據所分析和優化之后的信息反饋到終端，然后通過邊緣計算進行優化處理，這有效解決了小區安防領域存在的數據集中存儲、資源大量占用以及傳輸延遲等問題。

作者單位：黃志昌 南寧學院

參" 考" 文" 獻

[1]武唯康，梁棟，常迎輝，等.適用于低照度環境下的智能安防邊緣計算平臺設計[J].中國集成電路，2022，31（07）：22-26，64.

[2]曹行健，張志濤，孫彥贊，等.面向智慧交通的圖像處理與邊緣計算[J].中國圖象圖形學報，2022，27（06）：1743-1767.

[3]岑伯維，胡春潮，蔡澤祥，等.配電物聯網臺區邊緣計算終端微服務的文件鎖數據同步機制[J].電力系統自動化， 2022，46（13）：195-203.

[4]杜建華，王立俊，謝寒生，等.基于移動邊緣計算環境下的服務緩存和任務調度聯合優化算法[J].計算機測量與控制，2022，30（05）：238-242，250.