蘆　杉，朱彥偉（中國核電工程有限公司鄭州分公司）

基于層次分析法的安防監(jiān)控系統(tǒng)可靠性分析

蘆杉，朱彥偉
（中國核電工程有限公司鄭州分公司）

論文結(jié)合層次分析法（AHP）基本理論，充分分析安防監(jiān)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)組成，建立了安防監(jiān)控系統(tǒng)整體可靠性三層遞階層次結(jié)構(gòu)模型。結(jié)合安防系統(tǒng)專家經(jīng)驗，通過下層因素重要性兩兩比較、判斷矩陣構(gòu)建、權(quán)值分析排序等步驟，得出安防監(jiān)控系統(tǒng)9個基本組成因素對系統(tǒng)整體可靠性的重要性影響權(quán)值。通過結(jié)果分析提出了提高安防監(jiān)控系統(tǒng)可靠性擬采取的6項措施建議。

層次分析；權(quán)值；安防監(jiān)控

1　引言

近年來，隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，公共安全在各行各業(yè)中愈顯重要。建立高可靠性的安防監(jiān)控系統(tǒng)對于預防打擊犯罪、維護社會治安、保證安全生產(chǎn)、保障財產(chǎn)及生命安全等具有重要意義。在當前主流安防監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式下，選用層次分析法（AHP）對影響安防監(jiān)控系統(tǒng)整體可靠性的因素進行分析評估，提出提高系統(tǒng)可靠性的改進措施建議。

2　安防監(jiān)控系統(tǒng)功能組成

安防監(jiān)控技術(shù)由計算機技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電子技術(shù)、智能控制技術(shù)等發(fā)展結(jié)合而成，應(yīng)用于各行業(yè)重點區(qū)域的防范保護[1]。安防監(jiān)控系統(tǒng)主要由系統(tǒng)前端的攝像機、入侵探測器，中間的信號傳輸設(shè)備，以及后端的管理控制設(shè)備等部分組成?；窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　機房節(jié)能診斷思路

監(jiān)控攝像機包括設(shè)置在周界、場所及建筑物內(nèi)重要位置處的固定式、球型、云臺型等各類攝像機，用于防范區(qū)域的實時視頻圖像監(jiān)視及報警復核，視頻信號傳輸至控制中心實時顯示及存儲；入侵探測設(shè)備包括設(shè)置在周界及建筑物內(nèi)重要位置處的電子圍欄、振動電纜、微波、雙鑒、門磁開關(guān)等入侵報警探測器，用于人員、動物等的非法入侵探測，報警信號傳輸至控制中心報警管理、控制設(shè)備；門禁識別設(shè)備包括設(shè)置在周界出入口通行門及建筑物重要位置出入口通行門處的讀卡器、生物識別設(shè)備等，用于人員進出授權(quán)識別與核實，允許授權(quán)人員通行，拒絕未授權(quán)人員通行，門禁識別信號傳輸至門禁控制、管理設(shè)備；光信號傳輸設(shè)備包括用于視頻、報警、通信等信號傳輸?shù)母黝惞舛税l(fā)射機與接收機；電信號傳輸電纜泛指用于系統(tǒng)信號傳輸?shù)母黝愋碗娎|；視頻控制設(shè)備是指設(shè)在控制中心內(nèi)的視頻分配器、視頻切換矩陣、控制鍵盤、數(shù)字化設(shè)備、錄像存儲設(shè)備以及監(jiān)視大屏等顯示設(shè)備，完成視頻系統(tǒng)后端的切換控制、實時顯示、錄像回放等功能；門禁報警控制設(shè)備包括報警控制器、門禁控制器及相關(guān)接口模塊等，完成報警接入控制、聯(lián)動、門禁識別、執(zhí)行機構(gòu)控制等功能；管理服務(wù)設(shè)備是指設(shè)在控制中心內(nèi)安防系統(tǒng)上端的各類型服務(wù)器、管理工作站及各類管理軟件等，用于系統(tǒng)服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)及人機接口管理等；供配電設(shè)備包括用于整個系統(tǒng)供電的主供電回路設(shè)備、后備UPS電源及電池組，以及后備柴油發(fā)電機組等設(shè)備，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供可靠的電源保障。

3　層次分析法（AHP）基本理論

3.1基本理論

由于社會系統(tǒng)的復雜性，系統(tǒng)工程中能應(yīng)用自如地解決各類問題的方法很少，大部分復雜系統(tǒng)很難完全用定量的數(shù)學模型解決。追求建立一個完全精確的數(shù)學模型，其結(jié)果必然使解題十分繁復，耗資巨大。有鑒于此，美國運籌學家匹茲堡大學薩迪（T?L?Satty）教授提出了層次分析法（The Analytic Hierarchy Process，AHP）。

AHP是一種思維方式，把復雜問題分解成各個組成因素，又將這些因素按支配關(guān)系分組形成遞階層次結(jié)構(gòu)，通過兩兩比較的方式確定層次中諸因素的相對重要性；然后綜合決策者的判斷，確定決策方案相對重要性總排序[2]。

3.2分析過程

AHP方法是一種定量與定性相結(jié)合將主觀判斷用數(shù)量形式表達和處理的方法。依據(jù)人們對實際問題的分析，利用層次單排序的方法得出各要素的權(quán)重值，通過層次總排序的方法得出底層因素對問題的相對重要性，確定最底層相對于最高層的相對重要權(quán)值，排列相對優(yōu)劣次序[3]。AHP分析一般通過以下三步完成。

1）確定系統(tǒng)分析總目標，分層分析達到這一目標的影響因素，建立系統(tǒng)遞階層次結(jié)構(gòu)。一般將問題中所含因素劃分為三層：最高層為目標層，只有一個元素，是分析的最終目標；中間層為準則層，是影響最終目標的中間環(huán)節(jié)，含多個元素；最底層為基本層，是在上兩層約束下的具體指標項。

2）對同一層次各因素關(guān)于上一層次某因素的重要性進行兩兩比較，構(gòu)建判斷矩陣并計算各因素相對權(quán)重。通過判斷矩陣中各元素的值，反映對各因素相對重要程度的認識；通過分析判斷矩陣的特征值問題，歸一化同一層次各因素對上一層次某因素的相對重要性排序權(quán)值。

3）計算確定各層因素對系統(tǒng)目標的合成權(quán)重并進行排序，即利用同一層次中所有層次單排序的結(jié)果，計算該層所有元素對于最高層(總目標)相對重要性的排序權(quán)值，得出分析結(jié)果。

4　安防監(jiān)控系統(tǒng)可靠性分析

4.1確立分層結(jié)構(gòu)

針對安防監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性分析過程，系統(tǒng)整體可靠性即為分析評判總目標；進一步分析得，影響系統(tǒng)可靠性的因素主要包括系統(tǒng)的故障頻率、故障時間及修復時間三類，確定為中間準則層元素；安防監(jiān)控系統(tǒng)組成的9個部分即為基本層指標項。安防監(jiān)控系統(tǒng)遞階層次結(jié)構(gòu)及各層元素代號如圖2所示。

圖2　安防監(jiān)控系統(tǒng)遞階層次結(jié)構(gòu)

4.2構(gòu)建判斷矩陣與權(quán)值分析

遞階層次結(jié)構(gòu)確定了系統(tǒng)上下層次之間元素的隸屬關(guān)系。下一步采用兩兩比較的方法構(gòu)造判斷矩陣，確定在上一層各元素的約束下同層元素之間的相對重要性。依據(jù)心理學的“人區(qū)分信息等級的極限能力為7±2”的理論，按照1～9的比例標度對各元素的相對重要性進行賦值（賦值標度具體含義如表1所示）。

表1　判斷矩陣賦值標度含義表

4.2.1準則層判斷矩陣構(gòu)建與權(quán)值分析

分析準則層故障頻率、故障時間、修復時間相對于目標層系統(tǒng)整體可靠性的相對重要度，結(jié)合安防系統(tǒng)專家經(jīng)驗建立判斷矩陣，如表2所示。

表2　準則層判斷矩陣

分析計算故障頻率（B1）、故障時間（B2）、修復時間（B3）對于安防監(jiān)控系統(tǒng)整體可靠性（A）的重要性權(quán)值，即為計算判斷矩陣的最大實特征根λmax與對應(yīng)的歸一化特征向量W。應(yīng)用Matlab工具計算得λmax=3.0092，W=[0.5396，0.2970，0.1634]。

為確保計算的準確性，需進行一致性檢驗。表3為T．L．Satty給出的1～10階矩陣的隨機一致性指標值RI。判斷矩陣的一致性指標值CI=（λmax-N）/(N-1)，N為矩陣階數(shù)。當CI/RI（CR）＜0.1時，判斷矩陣具有滿意的一致性，否則需要調(diào)整判斷矩陣元素取值。

由CI=0.0046，CI/RI=0.0079＜0.1，確定B1、B2、B3相對于A的權(quán)值分別為W1=0.5396，W2=0.2970，W3=0.1634。

表3　1～10階矩陣隨機一致性指標值RI

4.2.2基本層判斷矩陣構(gòu)建與權(quán)值分析

按照準則層判斷矩陣構(gòu)建及權(quán)值分析步驟，分別構(gòu)建9個基本層（C1～C9）相對于3個準則層（B1～B3）的判斷矩陣，并分析計算各基本層元素的相對權(quán)值W，結(jié)果如表4～表6所示。

表4　基本層（C1～C9）相對于B1的判斷矩陣及權(quán)值

表5　基本層（C1～C9）相對于B2的判斷矩陣及權(quán)值

表6　基本層（C1～C9）相對于B3的判斷矩陣及權(quán)值

4.2.3確定基本層元素對系統(tǒng)分析總目標的相對權(quán)值

在計算出各層元素對上層元素相對權(quán)值的基礎(chǔ)上，采取自上而下的方法，用上層元素本身的權(quán)值加權(quán)，綜合計算出基本層元素相對于頂層總目標的總權(quán)值，結(jié)果如表7所示。

表7　基本層（C1～C9）相對于頂層總目標的總權(quán)值

進行總權(quán)值一致性校驗得：CR=0.0168＜0.1，具有滿意的一致性效果。

因此，對于安防監(jiān)控系統(tǒng)整體可靠性總目標而言，9個基本層元素的重要性權(quán)值依次為：0.2079，0.1595，0.1153，0.0659，0.1163，0.0960，0.0944，0.0838，0.0608，分析柱狀圖如圖3所示。

圖3　安防監(jiān)控系統(tǒng)基本層元素可靠性權(quán)值

將安防監(jiān)控系統(tǒng)9個基本組成部分，按照對系統(tǒng)整體可靠性影響程度由高到低排序，依次為監(jiān)控攝像機、入侵探測設(shè)備、電信號傳輸電纜、門禁識別設(shè)備、視頻控制設(shè)備、門禁報警控制設(shè)備、管理服務(wù)設(shè)備、光信號傳輸設(shè)備和供配電設(shè)備。

4.3結(jié)果分析

4.3.1系統(tǒng)故障頻率、故障時間及修復時間影響因素分析

攝像機、探測器、門禁識別裝置等由于前端設(shè)備數(shù)量很大，且大多數(shù)均全天候工作在室外環(huán)境中，因此該3個基本部分是對系統(tǒng)整體故障頻率影響較為嚴重的因素，造成的系統(tǒng)故障占所有系統(tǒng)故障總數(shù)的一半以上；同時，攝像機、探測器以及信號傳輸電纜對系統(tǒng)整體故障時間的影響較嚴重，造成的系統(tǒng)故障時間約占總時間的60%；由于管理服務(wù)器、供配電設(shè)備一般均采取了必要的冗余備份措施，穩(wěn)定性較高，光纖通信設(shè)備及光纜的環(huán)境適應(yīng)性較強、可靠性較高，故三者對系統(tǒng)故障頻率及故障時間的影響程度較低；攝像機、探測器等設(shè)備均設(shè)有一定的備品備件，故障后維修時間較短，而管理服務(wù)器、供電系統(tǒng)等出現(xiàn)故障后所需的維修時間較長，影響系統(tǒng)的使用。

4.3.2系統(tǒng)整體可靠性影響因素分析

綜合分析安防監(jiān)控系統(tǒng)9個基本組成部分對系統(tǒng)整體可靠性的影響，監(jiān)控攝像機、入侵探測設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性對系統(tǒng)整體可靠性影響最大，任一攝像機故障所造成的圖像丟失、畫面嚴重失真，以及任一入侵探測器失效所造成的無效設(shè)防等問題，均會導致整個系統(tǒng)的功能故障；大量的系統(tǒng)信號傳輸電纜以及門禁識別設(shè)備對系統(tǒng)可靠性的影響次之，傳輸電纜蓄意或無意的外力破壞、門禁識別設(shè)備的高負荷運行亦會導致系統(tǒng)故障；設(shè)置在機房內(nèi)的子系統(tǒng)及系統(tǒng)的管理控制設(shè)備在系統(tǒng)正?；\行后，一般能保證長期可靠運行，對系統(tǒng)整體可靠性影響較小；具有較高電源負荷等級的供配電設(shè)備以及高穩(wěn)定性能的光信號傳輸設(shè)備對系統(tǒng)整體可靠性的影響最低。

5　提高安防監(jiān)控系統(tǒng)可靠性擬采取的措施建議

1）提高前端監(jiān)控攝像機、入侵探測設(shè)備以及門禁識別設(shè)備的單體可靠性，優(yōu)選平均故障間隔時間、平均修復時間等參數(shù)性能優(yōu)越的單體設(shè)備；結(jié)合系統(tǒng)規(guī)模需求，設(shè)置一定比例數(shù)量的備品備件。

2）電信號、光信號傳輸線纜嚴格按照標準規(guī)范施工安裝，加強運行期間的線路巡檢保護，有效降低線路中斷等風險。

3）系統(tǒng)控制、服務(wù)設(shè)備應(yīng)具備較高的穩(wěn)定性，優(yōu)選具有主機熱備、通信冗余、自帶備用電池等功能的系統(tǒng)設(shè)備。

4）系統(tǒng)電源建議在一級負荷，配備UPS以進一步保證電能質(zhì)量及后備時間，條件允許時應(yīng)設(shè)置柴油發(fā)電機組。

5）優(yōu)選成熟的管理控制軟件，有效、適用的管理軟件是保證安防系統(tǒng)可靠運行的重要條件。

6）業(yè)主應(yīng)組建專業(yè)化的安防系統(tǒng)運行、維護隊伍，提高運維人員的技術(shù)水平，提升安防系統(tǒng)可用性。

6　結(jié)束語

本文應(yīng)用AHP分析法，通過建立三層結(jié)構(gòu)模型及分層評估分析，對影響安防監(jiān)控系統(tǒng)可靠性的9個基本組成因素進行了分析，得出各基本因素對系統(tǒng)整體可靠性的影響權(quán)值并分析結(jié)果，給出了提高安防監(jiān)控系統(tǒng)可靠性的有效改進措施建議，為進一步提高安防監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性設(shè)計、施工等水平，提供了一定的理論基礎(chǔ)與指導。

【1】溫素婷.未來安防監(jiān)控市場[J].信息與電腦，2013（5）：77-78.

【2】王建芬,許樹柏.層次分析法引論[M].北京：中國人民大學出版社，1990.

【3】張志源.基于層次分析法（AHP）的學校消防安全評估[J].中國公共安全.學術(shù)版，2011， 4(25)：71-75.

Reliability Analysis of Security Monitoring System Based on Analytic Hierarchy Process

LU Shan，ZHU Yan-wei
（Zhengzhou Branch of China Nuclear Power Engineering Co., Ltd.）

This paper analyzed the function structure of security monitoring system based on the principal theory of analytic hierarchy process (AHP); and built 3 layers hierarchical structure for overall reliability of security monitoring system. The paper worked out the influence weight of 9 basic factors to the overall reliability of the system by pairwise comparison of substratum factors importance, judging matrix structure, weight analysis and sorting, etc.

analytic hierarchy process; weight; security monitoring