茜坑水庫視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘 瑩

(深圳市北部水源工程管理處，廣東 深圳 518000)

1 5G通信技術(shù)概述

相比于2G的語音技術(shù)、3G的數(shù)據(jù)以及4G的移動(dòng)寬帶，5G技術(shù)有著較為明顯的優(yōu)勢(shì)，比如mMTC、uRLLC、eMBB，其中mMTC指的是規(guī)模較大的通信技術(shù)，uRLLC指的是低時(shí)延可靠性高的通信技術(shù)，eMBB指的是移動(dòng)寬帶強(qiáng)化版。因此并不能單純認(rèn)為5G技術(shù)只是傳輸速度的提升，其在邊緣計(jì)算、高速率寬帶、智能監(jiān)控等方面有著重要的作用。如在Massive MIMO方面，5G技術(shù)可通過較多的天線矩陣來使得天線數(shù)量增加，進(jìn)而提升系統(tǒng)容量，空間維度亦會(huì)得到充分利用，在空間分辨率得到充分挖掘后，波束賦形技術(shù)可能夠?qū)崿F(xiàn)與小區(qū)分簇、小區(qū)分裂的結(jié)合，將信號(hào)強(qiáng)度集中應(yīng)用于特定用戶群、特定區(qū)域，進(jìn)而提升空口處數(shù)據(jù)傳輸效率[1]。

2 茜坑水庫視頻監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

茜坑水庫視頻監(jiān)控系統(tǒng)包含32個(gè)視頻監(jiān)控點(diǎn)，主要是針對(duì)辦公樓區(qū)域、水庫大門、部分綠道的視頻圖像信息采取。茜坑水庫周邊環(huán)境較為復(fù)雜，且很多區(qū)域被廣袤的綠植覆蓋，單靠32個(gè)視頻監(jiān)控難以對(duì)茜坑水庫進(jìn)行全覆蓋，從而使得水庫難以姓周完整的視頻監(jiān)控周界，且對(duì)水庫周邊人群流動(dòng)不能進(jìn)行全線圖像信息的在線監(jiān)視采集，這就導(dǎo)致當(dāng)某些民眾在監(jiān)控盲區(qū)經(jīng)隔離網(wǎng)到達(dá)水庫的危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)難以第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)其行動(dòng)軌跡、進(jìn)入時(shí)間、進(jìn)入地點(diǎn)。

此外茜坑水庫很多區(qū)域的視頻監(jiān)控建造多年，設(shè)備已經(jīng)落后、老化，監(jiān)控界面不清晰，值班人員即使發(fā)現(xiàn)人員流動(dòng)，也難以判斷其是水庫內(nèi)部工作人員還是外部私自進(jìn)入人員，從而不能第一時(shí)間采取相關(guān)措施；夜晚情況下，很多監(jiān)控設(shè)備已經(jīng)無法看清監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的相關(guān)場景；在事故發(fā)生需要調(diào)取相關(guān)區(qū)域的視頻資料時(shí)，由于設(shè)備功能缺失，會(huì)延長錄像調(diào)取時(shí)間，從而導(dǎo)致意外狀況的發(fā)生。

3 基于5G通信技術(shù)的茜坑水庫視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

視頻監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成主要包含系統(tǒng)對(duì)接傳輸系統(tǒng)、視頻采集系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)等。視頻采集系統(tǒng)可通過5G空口技術(shù)傳輸高速回轉(zhuǎn)以及數(shù)據(jù)反饋處理相關(guān)指令；圖像處理系統(tǒng)以MEC 服務(wù)器為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)對(duì)象以及回傳視頻的跟蹤、識(shí)別，數(shù)據(jù)分析結(jié)果一分為二，其中一部分以指令的形式傳輸?shù)奖O(jiān)控終端，另一部分傳輸?shù)奖O(jiān)控手機(jī)；SMTP與FTP這兩項(xiàng)服務(wù)器主要用于對(duì)接5G系統(tǒng)以及儲(chǔ)存對(duì)應(yīng)的流媒體數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而系統(tǒng)化管理監(jiān)控系統(tǒng)；監(jiān)控手機(jī)以及監(jiān)控PC端組成監(jiān)控系統(tǒng)，不但可隨時(shí)回看、查看相關(guān)視頻信息，還可標(biāo)注重點(diǎn)目標(biāo)對(duì)象，進(jìn)行監(jiān)控策略的制定，對(duì)攝像頭終端進(jìn)行動(dòng)態(tài)化、智能化控制。

3.2 茜坑水庫視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 視頻采集設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，主要按照茜坑水庫光纖鋪設(shè)方式進(jìn)行采集鏈路的構(gòu)建，首先對(duì)水庫結(jié)構(gòu)以及視頻監(jiān)控需求進(jìn)行綜合分析，進(jìn)而確定監(jiān)控分布位置，其主要作為前端匯聚點(diǎn)位使用，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行前端匯聚交換機(jī)的布置，使之形成匯聚環(huán)，以所有的前端匯聚交換機(jī)為基礎(chǔ)與起點(diǎn)進(jìn)行接入環(huán)的構(gòu)建，每個(gè)視頻監(jiān)控處由處于立桿上的回傳一體機(jī)進(jìn)行接入。此外，可在茜坑水庫選取適宜的位置建設(shè)水雨情-視頻一體化監(jiān)測(cè)點(diǎn)，水庫視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水庫視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在采集點(diǎn)布置方面，在茜坑水庫視頻采集設(shè)計(jì)中，其設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是布置各視頻控點(diǎn)，視頻采集點(diǎn)的布設(shè)位置應(yīng)以最大程度的覆蓋茜坑水庫整體范圍為原則進(jìn)行布置，如此能夠有效避免意外情況的發(fā)生，促進(jìn)茜坑水庫的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2.2 視頻分析設(shè)計(jì)

結(jié)合茜坑水庫的實(shí)際監(jiān)控需求，視頻分析設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)結(jié)果回轉(zhuǎn)、告警、圖像識(shí)別、視頻識(shí)別、在線實(shí)時(shí)監(jiān)控等業(yè)務(wù)功能。其設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括視頻類分項(xiàng)設(shè)計(jì)和圖像類分項(xiàng)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。

1)視頻類分項(xiàng)設(shè)計(jì)：

在業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)方面，基于茜坑水庫對(duì)AI平臺(tái)業(yè)務(wù)的需求，主要設(shè)計(jì)算法模型訓(xùn)練和智能分析&結(jié)果通知兩個(gè)業(yè)務(wù)流程。其中算法模型訓(xùn)練主要是通過導(dǎo)出待訓(xùn)練視頻素材→視頻脫敏處理→上傳訓(xùn)練素材→開發(fā)并訓(xùn)練算法模型→算法模型部署等流程完成。智能分析&結(jié)果通知?jiǎng)t是通過AI平臺(tái)提供的API創(chuàng)建分析任務(wù)，然后將AI平臺(tái)智能分析結(jié)果通知業(yè)務(wù)應(yīng)用。

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，通過AI平臺(tái)向水庫管理人員提供AI訓(xùn)練、智能分析和任務(wù)管理等一站式服務(wù)，彌補(bǔ)人工在處理涉水業(yè)務(wù)處理上的不足，來實(shí)現(xiàn)通用視頻+智能分析來提升傳感的傳感器技術(shù)上的創(chuàng)新。其總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 AI平臺(tái)整體架構(gòu)

在關(guān)鍵功能設(shè)計(jì)方面，在視頻類分項(xiàng)的關(guān)鍵功能設(shè)計(jì)中主要包括云端、邊緣側(cè)以及AI視頻分析能力等3個(gè)方面。其中，云端主要是通過AI訓(xùn)練，運(yùn)用水尺識(shí)別、周界入侵檢測(cè)(水庫、水源地的水體入侵)、排口流量有無檢測(cè)等智能分析算法對(duì)水務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理；邊緣側(cè)是由云端對(duì)邊緣側(cè)進(jìn)行管理的代理，針對(duì)河道、水庫等視頻可以直接通過水庫的管控分中心視頻平臺(tái)接入邊緣側(cè)進(jìn)行智能分析，并將分析結(jié)果直接反饋給業(yè)務(wù)應(yīng)用；AI視頻分析能力是通過數(shù)據(jù)交換提供 AI 分析結(jié)果，由業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)使用，以滿足對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)場景需要，可分為業(yè)務(wù)系統(tǒng)直接使用和疊加決策系統(tǒng)使用兩種方式。

在數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)方面，AI算法需要的訓(xùn)練視頻數(shù)據(jù)均采用離線脫敏安全處理后傳遞到訓(xùn)練平臺(tái)。AI分析結(jié)果數(shù)據(jù)由業(yè)務(wù)應(yīng)用中綜合監(jiān)測(cè)微服務(wù)在水務(wù)大數(shù)據(jù)統(tǒng)一建庫存儲(chǔ)。

在集成設(shè)計(jì)方面，將AI平臺(tái)的集成架構(gòu)分成與應(yīng)用集成、結(jié)果通知、與視頻平臺(tái)集成3個(gè)部分，最終實(shí)現(xiàn)云端、邊緣側(cè)的智能分析結(jié)果都能夠通過視頻平臺(tái)接入視頻流。

2)圖像類分項(xiàng)設(shè)計(jì)：

在監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中圖像類服務(wù)主要包括陌生人員告警、人臉閘機(jī)和車庫閘機(jī)等應(yīng)用，需從視頻流中自動(dòng)提取出人臉圖像，后續(xù)實(shí)現(xiàn)圖像比對(duì)、搜索等功能，進(jìn)而在水庫管理處以及流域的泵站閘站，對(duì)人員進(jìn)行智能管理。

在流程設(shè)計(jì)方面，主要包括了陌生人員告警和人臉閘機(jī)兩個(gè)方面的流程設(shè)計(jì)。

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，云端將充分利用云的超級(jí)計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)算法模型的開發(fā)和訓(xùn)練；而邊緣側(cè)充分利用邊緣部署原則，節(jié)省視頻圖片上云的帶寬，降低投資成本。通過云+ 邊的模式，取得 AI 能力與效益的平衡，整體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 圖像類分項(xiàng)系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

在關(guān)鍵功能設(shè)計(jì)方面，主要包括圖片分析、算力資源、圖像AI分析能力以及邊緣人臉服務(wù)等方面的設(shè)計(jì)，通過管控分中心或用戶機(jī)房直接接入邊緣側(cè)，依據(jù)提供邊緣側(cè)智能分析的硬件算力資源，進(jìn)行圖片提取和智能分析，通過圖像AI分析能力，完成人臉檢測(cè)、人臉比對(duì)、人臉?biāo)阉鞯认嚓P(guān)功能。

在數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)方面，數(shù)據(jù)在邊緣側(cè)直接閉環(huán)，不對(duì)外部傳輸。

在集成設(shè)計(jì)方面，將圖像AI 分析服務(wù)的集成分為與應(yīng)用集成、與視頻平臺(tái)集成兩個(gè)部分，通過調(diào)用圖像 AI 服務(wù)的開放的圖片類識(shí)別接口，以及視頻人臉識(shí)別的結(jié)果，最終在視頻平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別相關(guān)功能。

3.2.3 智慧庫區(qū)設(shè)計(jì)

隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等5G技術(shù)、AI技術(shù)快速發(fā)展，茜坑水庫應(yīng)積極應(yīng)用各種技術(shù)打破數(shù)據(jù)孤島，連接庫區(qū)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，使其處于一個(gè)綜合的運(yùn)營管理平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)庫區(qū)可控、可管、可視化管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)整體融合、系統(tǒng)完全連接以及業(yè)務(wù)的最大數(shù)字化。主要從人員通行和車輛通行兩個(gè)方面對(duì)智慧庫區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)：

1)人員通行系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)：在進(jìn)行系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)時(shí)，閘機(jī)選擇可移動(dòng)形式，并配置設(shè)備安裝以及人行底座，無需打孔、不銹鋼材質(zhì)、拆裝便捷、穩(wěn)定可靠；通道配備禁止駛?cè)霗z查以及允許通行功能，由于茜坑水庫屬于飲用水資源，因此一般情況下未經(jīng)相關(guān)管理人員同意不得進(jìn)入；設(shè)備本身結(jié)構(gòu)牢固，攔擋部分靈活無障礙且不易傷人、不易破碎，設(shè)備外殼中用于與外界碰撞的機(jī)械部分應(yīng)達(dá)到IK04標(biāo)準(zhǔn)要求，表面其與部分達(dá)到IK07要求；通道具備放沖功能，能夠有效應(yīng)對(duì)沖撞、翻越等行為；擁有記憶模式功能，能夠快速進(jìn)行人員認(rèn)證，故障或者斷電情況下亦不會(huì)影響通行；拓展功能，能夠支持顯示屏、指紋、人臉識(shí)別組件、二維碼、身份證閱讀器、讀卡器等設(shè)備。

2)車輛通行系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)：應(yīng)采用較高的車牌高清識(shí)別技術(shù)，并保證固定車輛可快速通行與準(zhǔn)確識(shí)別，以此來提升用戶體驗(yàn)；高清圖像，通過高分辨率相機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場的監(jiān)控以及抓拍，解決監(jiān)控視角小以及清晰度不高的問題；一卡一車，發(fā)行固定卡綁定車牌號(hào)碼，憑此進(jìn)入庫區(qū)，若停車憑證遺失，輸入車輛車牌號(hào)可進(jìn)出庫區(qū)；排隊(duì)模式，車輛通行系統(tǒng)可采納排隊(duì)模式，解決車輛之間跟隨過近的問題，以及抓拍不開閘等方面的問題；防止換車，系統(tǒng)能夠智能化比對(duì)車輛與憑證是否一致，若存在不一致的狀況則檔桿不動(dòng)作并發(fā)出警告，此時(shí)值班人員應(yīng)格外注意，并進(jìn)行檢查，如此能夠有效提升庫區(qū)的安全穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

綜述，茜坑水庫視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，需茜坑水庫相關(guān)管理人員與技術(shù)人員能夠根據(jù)庫區(qū)實(shí)際情況以及監(jiān)控需求，充分利用5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)智慧水庫的構(gòu)建，從而全方位實(shí)現(xiàn)對(duì)茜坑水庫的視頻監(jiān)控，滿足茜坑水庫的長遠(yuǎn)發(fā)展。