邊緣計(jì)算在安防領(lǐng)域的實(shí)踐應(yīng)用研究

摘要：在當(dāng)前的社會(huì)中，很多行業(yè)都需要應(yīng)用安防系統(tǒng)。在安防系統(tǒng)中，可以運(yùn)用邊緣計(jì)算作為技術(shù)支持，基于該技術(shù)的高可用性、實(shí)時(shí)處理性以及高智能性特征來進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，滿足各行業(yè)在系統(tǒng)智能應(yīng)用和在隱私與安全保護(hù)方面的需求。在過去，安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要依賴于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，該系統(tǒng)雖然可以滿足基本需求，但出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)延時(shí)度高、寬帶消耗量大、中心數(shù)據(jù)能耗高以及數(shù)據(jù)隱私性差等問題。為了解決這些問題，就要利用邊緣計(jì)算來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將物聯(lián)網(wǎng)在協(xié)同感知方面的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來。基于此，本文運(yùn)用文獻(xiàn)分析法、歸納總結(jié)法，從邊緣計(jì)算的概述出發(fā)，探究了該技術(shù)在安防領(lǐng)域的實(shí)踐應(yīng)用，希望為該領(lǐng)域的工作人員提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：邊緣計(jì)算；安防領(lǐng)域；實(shí)踐應(yīng)用

在智慧城市建設(shè)發(fā)展的過程中，需要構(gòu)建起完善的安防系統(tǒng)，并運(yùn)用現(xiàn)代化技術(shù)手段來提高系統(tǒng)的智能化水平，為市民的生活提供便利，同時(shí)也為城市的和諧發(fā)展提供保障。傳統(tǒng)視頻安防系統(tǒng)主要是通過有線的方式來實(shí)現(xiàn)監(jiān)控部署的，整體部署成本處于比較高的狀態(tài)，部署效率則比較低，在組網(wǎng)方式方面較為困難，難以滿足系統(tǒng)時(shí)延指標(biāo)要求[1]。在5G時(shí)代帶來之后，邊緣計(jì)算在安防領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了“5G+移動(dòng)邊緣計(jì)算”的新型安防方案，在其中參照了傳統(tǒng)視頻安防的通用型解決方案，并添加了邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，在監(jiān)控應(yīng)用以及視頻業(yè)務(wù)流等方面實(shí)現(xiàn)了智能化發(fā)展，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了視頻終端采集裝置的交互與應(yīng)用，展現(xiàn)出了較好的性能。

一、邊緣計(jì)算的概述

（一）邊緣計(jì)算的概念

邊緣計(jì)算這一概念首次出現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，屬于近年來興起的新興技術(shù)。邊緣計(jì)算具有分布式和開放式的特點(diǎn)，是一種特殊的IT架構(gòu)，支持分散處理，同時(shí)可以與移動(dòng)計(jì)算技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行融合。在邊緣計(jì)算中，數(shù)據(jù)會(huì)在網(wǎng)絡(luò)邊緣由采集設(shè)備本身或者本地的計(jì)算機(jī)設(shè)備進(jìn)行處理，而不是經(jīng)過漫長(zhǎng)的路由之后傳送至數(shù)據(jù)中心或者云中心處理[2]。從物聯(lián)網(wǎng)的角度來說，邊緣指的是靠近數(shù)據(jù)源的基礎(chǔ)設(shè)備，主要包含計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)備和存儲(chǔ)技術(shù)設(shè)備這兩種類型。

雖然邊緣計(jì)算近幾年才開始受到人們的關(guān)注，但它并不是一個(gè)新的概念，而是一個(gè)在技術(shù)發(fā)展過程中經(jīng)過歸納與總結(jié)之后得到的概念。邊緣計(jì)算的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)計(jì)算會(huì)通過計(jì)算中心或者通過云端遷移至網(wǎng)絡(luò)邊緣。在發(fā)揮作用的過程中，邊緣計(jì)算通常會(huì)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、移動(dòng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)、深度學(xué)習(xí)技術(shù)以及人工智能技術(shù)等多樣化的技術(shù)相互融合。當(dāng)前，邊緣計(jì)算已經(jīng)成為一種重要的技術(shù)范式，也被稱為網(wǎng)格計(jì)算、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)計(jì)算以及自主計(jì)算。

在安防領(lǐng)域，信息的搜集主要依賴于視頻監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用的是制式模擬視頻圖像信號(hào)，這些信號(hào)會(huì)經(jīng)過模擬線纜傳輸?shù)胶蠖耍缓髮?shí)現(xiàn)圖像的數(shù)字化壓縮。但在邊緣計(jì)算應(yīng)用的情況下，可以直接將視頻圖像壓縮至攝像機(jī)端進(jìn)行計(jì)算。其中的邊緣設(shè)備包括了具有智能計(jì)算功能的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)以及本地智能一體化設(shè)備。比如浙江宇視科技有限公司研發(fā)的一款名為“函谷”的智能攝像機(jī)就基于邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)了深度智能計(jì)算，能夠?qū)崿F(xiàn)40×40 像素的人臉檢測(cè)，同時(shí)具有人臉優(yōu)選功能[3]。

（二）邊緣計(jì)算的優(yōu)勢(shì)

與物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的其他技術(shù)相比，邊緣計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)流的快速處理，達(dá)到無延遲的效果。在當(dāng)前的社會(huì)領(lǐng)域中，很多系統(tǒng)都會(huì)響應(yīng)速度有嚴(yán)格的要求，可以利用邊緣計(jì)算的及時(shí)性和即時(shí)性來滿足需要。比如在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及公安實(shí)戰(zhàn)系統(tǒng)中，邊緣計(jì)算都發(fā)揮了不可替代的作用，它可以在數(shù)據(jù)的產(chǎn)生源端或者在這附近對(duì)其進(jìn)行計(jì)算和處理，然后將處理之后的結(jié)果傳送到數(shù)據(jù)中心，這實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信寬帶的節(jié)省。同時(shí)，邊緣計(jì)算還可以使網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量得到減少，進(jìn)而促進(jìn)傳輸成本的消減，實(shí)現(xiàn)了云計(jì)算中心和數(shù)據(jù)中心計(jì)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(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)、云端或者數(shù)據(jù)中心，降低了病毒入侵和信息泄露等問題發(fā)生的概率，使系統(tǒng)時(shí)刻處于安全的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)前，視頻監(jiān)控領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用了邊緣計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了由傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)到視頻圖像信息應(yīng)用系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。

二、邊緣計(jì)算在安防領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用

（一）早期視頻編碼及視頻加密技術(shù)的應(yīng)用

在安防領(lǐng)域的視頻監(jiān)控由模擬時(shí)代到數(shù)字化時(shí)代發(fā)展的過程中，面臨的最大問題就是要對(duì)龐大的視頻數(shù)據(jù)量進(jìn)行處理。尤其是對(duì)于那些分辨率比較高的視頻來說，在不對(duì)其進(jìn)行壓縮的情況下需要較大的數(shù)據(jù)寬帶，當(dāng)時(shí)的技術(shù)手段難以達(dá)到這一要求，即使能夠?qū)崿F(xiàn)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(shù)據(jù)的源頭進(jìn)行處理，通過壓縮使其更好地被傳輸。而這種視頻壓縮技術(shù)在本質(zhì)上就是邊緣計(jì)算技術(shù)。

在社會(huì)不斷發(fā)展的背景下，安防領(lǐng)域人們對(duì)監(jiān)控視頻清晰度的要求越來越高，這推動(dòng)了視頻壓縮技術(shù)這種簡(jiǎn)單邊緣計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。在這個(gè)過程中，系統(tǒng)算法也由MJPEG轉(zhuǎn)變?yōu)榱薙VAC，大大提高了視頻的壓縮率。部分行業(yè)要求在對(duì)視頻進(jìn)行壓縮的時(shí)候要對(duì)其進(jìn)行加密，避免在傳輸?shù)倪^程中出現(xiàn)信息泄露。因此，很多數(shù)字監(jiān)控設(shè)備衍生出了視頻加密的功能，這也是邊緣計(jì)算的重要體現(xiàn)。從整體上來看，早期安防領(lǐng)域的邊緣計(jì)算的兩個(gè)主要特點(diǎn)是緩解流量壓力，同時(shí)表現(xiàn)出了更高的安全性能。

（二）中期各行業(yè)專用分析算法

在安防領(lǐng)域不斷發(fā)展的過程中，很多用戶的需求也在不斷發(fā)生改變，他們對(duì)系統(tǒng)的需求不再只是簡(jiǎn)單的視頻預(yù)覽、視頻存儲(chǔ)以及視頻回放，相關(guān)安防產(chǎn)品也不再是簡(jiǎn)單的通用監(jiān)控產(chǎn)品，而是成了適用于不同領(lǐng)域的專業(yè)化設(shè)備[4]。其中最為常見的就是在交通行業(yè)中廣泛應(yīng)用的電警設(shè)備和卡口設(shè)備，這些設(shè)備可以直接對(duì)車牌號(hào)進(jìn)行識(shí)別，同時(shí)還可以對(duì)道路交通中的闖紅燈、不系安全帶等行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這些設(shè)備在對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的時(shí)候?qū)?shí)時(shí)性的要求是比較高的。同時(shí)，數(shù)據(jù)中心也只是對(duì)那些違法的行為或者違規(guī)的車牌號(hào)進(jìn)行記錄，因此在設(shè)備完成信息采集之后需要在第一時(shí)間對(duì)其進(jìn)行處理，做到實(shí)時(shí)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(tái)，這是安防領(lǐng)域一種比較典型的邊緣計(jì)算應(yīng)用。

（三）當(dāng)前基于深度學(xué)習(xí)的人臉識(shí)別等人工智能算法

從20世紀(jì)50年代開始，我國(guó)開始進(jìn)入人工智能時(shí)代，在這之后出現(xiàn)了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這使人工智能進(jìn)入了新的發(fā)展階段。近年來，在深度學(xué)習(xí)技術(shù)的支持下出現(xiàn)了人臉識(shí)別系統(tǒng)，這使人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到了優(yōu)化，同時(shí)也使機(jī)器輔助成為可能，使人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用范圍得到了進(jìn)一步的拓寬。但相關(guān)算法在系統(tǒng)性能消耗方面是比較高的，如果只是通過CPU進(jìn)行計(jì)算的話，難以將其推廣到邊緣端。因此，在當(dāng)時(shí)，人工智能算法主要被應(yīng)用于云端。隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，各個(gè)芯片廠商開始加大對(duì)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(shù)在邊緣端得到了有效的應(yīng)用。

三、邊緣計(jì)算在小區(qū)安防的實(shí)踐應(yīng)用

（一）系統(tǒng)架構(gòu)

1.系統(tǒng)架構(gòu)的構(gòu)建

在云計(jì)算平臺(tái)的支持下，小區(qū)安防系統(tǒng)展現(xiàn)出了強(qiáng)大的信息存儲(chǔ)功能和靈活的數(shù)據(jù)處理功能。但系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候，監(jiān)控前端的設(shè)備要先將所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總?cè)缓髠鬏數(shù)皆品?wù)器中，經(jīng)過服務(wù)器的反饋處理之后才能開展后續(xù)的工作。圖1展示了云計(jì)算平臺(tái)支持下典型的小區(qū)安防系統(tǒng)架構(gòu)圖。在這樣的情況下，數(shù)據(jù)處理的任務(wù)集中在云平臺(tái)，導(dǎo)致中心服務(wù)器的處理負(fù)擔(dān)比較重，這些數(shù)據(jù)在回饋到應(yīng)用終端的時(shí)候會(huì)存在延遲。同時(shí)在對(duì)信息進(jìn)行存儲(chǔ)和管理的時(shí)候經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)大量的冗余數(shù)據(jù)，這會(huì)增加存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的能耗。同時(shí)，隨著監(jiān)控前端階段的增加，系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)量也大幅度增長(zhǎng)，這對(duì)云服務(wù)器來說是一個(gè)較大的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)這一問題，就要在小區(qū)安防系統(tǒng)云平臺(tái)架構(gòu)的基礎(chǔ)上應(yīng)用邊緣計(jì)算。在這個(gè)過程中，要先構(gòu)建邊緣計(jì)算平臺(tái)，形成完善的系統(tǒng)架構(gòu)。

小區(qū)安防系統(tǒng)以云計(jì)算平臺(tái)作為中心，融合了云數(shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用終端。在應(yīng)用的過程中會(huì)形成多個(gè)邊緣區(qū)域，而每個(gè)區(qū)域則包含了邊緣服務(wù)器、邊緣設(shè)備以及邊緣網(wǎng)關(guān)設(shè)備這三部分。在運(yùn)行的時(shí)候，邊緣服務(wù)器可以對(duì)附近的設(shè)備和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而不是將其全部上報(bào)至云平臺(tái)進(jìn)行集中處理。

2.系統(tǒng)構(gòu)成及其功能

邊緣設(shè)備包括小區(qū)內(nèi)部各單元樓、各路口等位置的監(jiān)控?cái)z像頭，同時(shí)包括智能門禁終端和傳感器等。這些設(shè)備會(huì)通過各種協(xié)議接入平臺(tái)，同時(shí)基于無線的形式將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁鬟吘壒?jié)點(diǎn)。

邊緣服務(wù)器的功能是對(duì)邊緣設(shè)備進(jìn)行控制，同時(shí)對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。而對(duì)于那些復(fù)雜數(shù)據(jù)來說，需要基于通信接口被上傳到云計(jì)算中心來進(jìn)行處理。通過這種方式，終端可以以與傳統(tǒng)架構(gòu)相同類型的形式與云平臺(tái)進(jìn)行通信，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與云平臺(tái)的計(jì)算互補(bǔ)。

邊緣網(wǎng)關(guān)設(shè)備的主要功能是實(shí)現(xiàn)邊緣設(shè)備的接入，同時(shí)為設(shè)備之間的互聯(lián)互通創(chuàng)造了條件。基于這些網(wǎng)關(guān)設(shè)備，可以在系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)化地添加邊緣設(shè)備。比如小區(qū)的業(yè)主可以在系統(tǒng)中連接家庭監(jiān)控設(shè)備。網(wǎng)管設(shè)備可以對(duì)這些新設(shè)備的信息進(jìn)行添加和記錄，同時(shí)可以為其配置報(bào)警策略，并對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控等。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，需要提前設(shè)置業(yè)務(wù)邏輯，這樣才能對(duì)那些達(dá)到故障狀態(tài)的設(shè)備進(jìn)行預(yù)警和報(bào)警，在這個(gè)基礎(chǔ)上還可以進(jìn)行智能化故障診斷和智能化服務(wù)執(zhí)行，并為其提供預(yù)防性維護(hù)方案。

云計(jì)算中心的功能則主要是對(duì)邊緣服務(wù)器所上傳的危險(xiǎn)行為進(jìn)行識(shí)別和分析，同時(shí)還會(huì)對(duì)其進(jìn)行上報(bào)。相關(guān)工作人員可以在系統(tǒng)中對(duì)這些上報(bào)的信息來進(jìn)行針對(duì)性處理。如果在審核中發(fā)現(xiàn)其中存在類似入侵或者火災(zāi)等行為的話，需要在云計(jì)算中心對(duì)相關(guān)模型進(jìn)行分析，并通過定期訓(xùn)練和定期更新的方式將新模型反推至邊緣服務(wù)器。在這之后，遇到相似情況后該服務(wù)器就不必再將數(shù)據(jù)上傳至云計(jì)算中心而是可以直接與相關(guān)部門聯(lián)系，在第一時(shí)間將險(xiǎn)情進(jìn)行處理，展現(xiàn)出了智能化的特點(diǎn)。

（二）云端監(jiān)控管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

基于邊緣計(jì)算，小區(qū)安防系統(tǒng)需要構(gòu)建起云端監(jiān)控管理平臺(tái)，將該平臺(tái)作為用戶管理系統(tǒng)的“駕駛艙”，其中應(yīng)該包含算法服務(wù)、消息管理、車輛管理、訪客管理、組織管理、環(huán)境區(qū)域管理以及設(shè)備管理等模塊。在平臺(tái)可以從多個(gè)角度為用戶提供預(yù)警大數(shù)據(jù)，同時(shí)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，更好地落實(shí)安防措施。在對(duì)該管理平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要將MySQL作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，在前臺(tái)則使用WEB設(shè)計(jì)網(wǎng)頁(yè)。用戶在執(zhí)行各項(xiàng)操作的時(shí)候只需要在網(wǎng)站接口基于WEB來完成。JavaBean組件可以完成數(shù)據(jù)和邏輯的處理，而MySQL則可以用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，安防領(lǐng)域最大的特點(diǎn)是要進(jìn)行視頻監(jiān)控，同時(shí)要對(duì)海量的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在這個(gè)過程中，選擇合適的數(shù)據(jù)傳輸方式和存儲(chǔ)方式是十分重要的。將邊緣計(jì)算應(yīng)用到小區(qū)安防系統(tǒng)，可以將邊緣計(jì)算作為云端數(shù)據(jù)的采集單元并基于此對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，同時(shí)進(jìn)行云端應(yīng)用的大數(shù)據(jù)分析。對(duì)于云計(jì)算來說，可以將大數(shù)據(jù)所分析和優(yōu)化之后的信息反饋到終端，然后通過邊緣計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化處理，這有效解決了小區(qū)安防領(lǐng)域存在的數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)、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(xué)院

參" 考" 文" 獻(xiàn)

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