張冰峰 張學文

[摘要]通過互聯(lián)網(wǎng)或內部網(wǎng)絡連接到云計算中心或數(shù)據(jù)中心的方式，建設涵蓋全國重點文物保護單位、世界文化遺產地和國家一級博物館的文物安全監(jiān)管視頻系統(tǒng)，對網(wǎng)絡的帶寬和服務器資源需求較高，費用過大。提出基于邊緣計算的文物安全遠程視頻監(jiān)管系統(tǒng)設計方案，將原有基于云計算和數(shù)據(jù)中心的部分或全部計算任務，下沉到靠近用戶端的各文博單位視頻監(jiān)控邊緣設備上。系統(tǒng)支持分布式計算，完成高危人員、監(jiān)控車輛的識別與跟蹤任務，降低云計算中心的處理負擔，極大緩解網(wǎng)絡帶寬與數(shù)據(jù)中心的壓力，增強服務的響應能力，保護隱私數(shù)據(jù)，提高監(jiān)控視頻分析速度，保證監(jiān)控視頻流的實時性。

[關鍵詞]智能視頻監(jiān)控;文物安全監(jiān)管;邊緣計算

[中圖分類號]K 872[文獻標志碼]A[文章編號]1005-0310（2019）03-0083-06

Abstract： Through the internet or internal network， to connect to cloud computing center or data center， and build a security supervision system for covering major national cultural relics and historical relics， world cultural heritage sites and national first-level museums， the demand for network bandwidth and server resources of the video surveillance system is high， and so is the cost. The design scheme of the cultural relics security

remote video supervision system based on edge computing is proposed. Some or all of the original computing tasks based on the cloud computing and data center are transferred to the video surveillance edge devices of the user terminals， supporting distributed computing to complete the identification and tracking tasks of high-risk personnel and monitored vehicles， which reduces the processing burden of cloud computing center， greatly alleviates the pressure of network bandwidth and data center， enhances service responsiveness， protects private data， improves monitoring video analysis speed and ensures real-time monitoring of video streams.

Keywords： Intelligent video surveillance; Cultural relics security supervision; Edge computing

0引言

隨著數(shù)字視頻技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，全國重點文物保護單位、世界文化遺產地和國家一級博物館大多安裝了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對文物保護區(qū)域進行重點監(jiān)控，實現(xiàn)預警、告警、防盜管理，確保文物安全。按照《國務院辦公廳關于進一步加強文物安全工作的實施意見》（國辦發(fā)〔2017〕81號），需建設覆蓋全國重點文物保護單位和世界文化遺產地的監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)管、文物安全監(jiān)管人員智能巡檢，建設文物安全監(jiān)管平臺。

若將全國重點文物保護單位、世界文化遺產地和國家一級博物館的文物安全視頻系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)或內部網(wǎng)絡進行集成，連接到云計算數(shù)據(jù)中心，需要更高的帶寬和更多的服務器資源[1]。根據(jù)平臺建設方案估算，實現(xiàn)國家重點文物保護單位專線連接，每年的寬帶租賃費用不菲，占到平臺建設運營費用的30%左右。為提高視頻圖像數(shù)據(jù)的價值，降低時延、帶寬，提高處理效率等，必然要把邊緣計算和云計算結合在一起工作[2-5]，通過增加數(shù)據(jù)采集模塊、改造升級智能攝像頭、增加邊緣服務器設備并升級視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能，利用分布式計算技術建設基于邊緣計算的文物安全遠程視頻監(jiān)管系統(tǒng)。該系統(tǒng)將視頻流傳輸、存儲、計算任務下沉到各文博單位的監(jiān)控邊緣設備上，進行全天候、無間斷、高清晰動態(tài)監(jiān)視及預警聯(lián)動，確保全國重點文物保護單位、世界文化遺產地和國家一級博物館的安全，同時實現(xiàn)國家、省、地市、文博單位聯(lián)動的遠程監(jiān)管體系。

1文物視頻監(jiān)管系統(tǒng)與邊緣計算

1.1文物安全遠程視頻監(jiān)管系統(tǒng)

文博單位現(xiàn)有的安防系統(tǒng)大部分都是根據(jù)自身的需求建設的，信息數(shù)據(jù)分散，沒有統(tǒng)一的標準，信息數(shù)據(jù)的交換、共享、集成等工作比較困難。文物安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)所轄區(qū)域的文物保護安全監(jiān)控，具備越界偵測、區(qū)域入侵、物品看守功能，能夠實現(xiàn)周界、禁區(qū)和重要文物的看守。

文物安全遠程視頻監(jiān)管系統(tǒng)是要建設涵蓋全國重點文物保護單位、世界文化遺產地和國家一級博物館的監(jiān)管體系，實現(xiàn)多級聯(lián)動的遠程監(jiān)管體系。通過網(wǎng)絡統(tǒng)一連接各文博單位的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，能夠隨機調取具體的攝像頭，查看監(jiān)控內容。視頻監(jiān)控系統(tǒng)融合安防系統(tǒng)其他子系統(tǒng)，實現(xiàn)立體安全防范體系，提升文博單位整體安全防范水平。安全監(jiān)控管理利用網(wǎng)絡技術、通信技術、地理信息系統(tǒng)技術，使管理人員能夠直觀判斷安防系統(tǒng)運行工作情況，了解文博單位的監(jiān)控范圍。系統(tǒng)報警時可接入報警點視頻信息，遠程了解現(xiàn)場情況，為監(jiān)管工作提供數(shù)據(jù)資料。

1.2視頻監(jiān)控邊緣計算

邊緣計算是指在網(wǎng)絡邊緣執(zhí)行計算的一種新型計算模式，這里的邊緣指在數(shù)據(jù)源和云計算中心間的任意計算和網(wǎng)絡資源[6-9]。邊緣計算的基本理念是將計算任務在接近本地數(shù)據(jù)源的計算資源上運行，降低云計算中心的處理負擔，減緩網(wǎng)絡帶寬的壓力，降低時延[10]。在物聯(lián)網(wǎng)的范疇里，邊緣是指靠近數(shù)據(jù)源的基礎設施，包括計算基礎設施和存儲設施。

視頻監(jiān)控邊緣計算通過將本地云平臺或數(shù)據(jù)中心以及國家文物局數(shù)據(jù)中心的云服務功能下沉到視頻監(jiān)控邊緣設備（攝像頭、網(wǎng)關、邊緣服務器等），為應用或告警提供低時延業(yè)務。邊緣計算可以實現(xiàn)對文物安全視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)的本地化處理，由采集設備本身或者本地計算設備處理。在保證數(shù)據(jù)可靠性的前提下，對視頻采集終端短時間內產生的大量實時邊緣數(shù)據(jù)進行預處理，提高視頻分析速度，或將部分分析處理任務遷移到邊緣設備上，降低處理和傳輸時延，保證監(jiān)控視頻流的實時性。IPC（網(wǎng)絡視頻攝像頭）都是把視頻圖像的壓縮計算前移到攝像機端，通過邊緣計算模型實時分析視頻內容特征，動態(tài)調整視頻流參數(shù)（幀率、分辨率等），減少冗余視頻幀，提高傳輸質量和效率，降低存儲節(jié)點的能耗。

2基于邊緣計算的遠程視頻監(jiān)管系統(tǒng)架構設計

2.1文物安全遠程視頻監(jiān)管系統(tǒng)總體架構

2.2文物安全遠程視頻監(jiān)管系統(tǒng)實施策略

文博單位包括全國重點文物保護單位、世界文化遺產地和國家一級博物館，屬于基于邊緣計算的遠程視頻監(jiān)管系統(tǒng)的邊緣域。對文博單位現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行升級和改造，使其具備與國家級云服務數(shù)據(jù)中心連接的邊緣域功能，根據(jù)文博單位實際場景，包括攝像頭數(shù)量、設備的智能化程度、業(yè)務系統(tǒng)的復雜情況，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊、智能網(wǎng)關、邊緣服務器的選擇和加裝。

視頻監(jiān)控平臺屬于文博單位已有或已建平臺，智能視頻分析系統(tǒng)為基于邊緣計算的遠程監(jiān)管系統(tǒng)新建應用模塊或應用。根據(jù)文博單位實際場景，直接部署具有邊緣計算功能的智能攝像頭和網(wǎng)關，通過網(wǎng)關直連市級或省級數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。省級和市級的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)屬于可選系統(tǒng)，無論是否建設數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，都可通過國家文物局云平臺的文物安全監(jiān)管平臺實現(xiàn)本省、市的文物安全監(jiān)管功能。按照分級接入、分類共享、按需聯(lián)網(wǎng)的策略，完成文博單位的視頻資源的整合，對接入的視頻監(jiān)控資源，在確保安全的條件下接入和共享。視頻接入遵循《公共安全視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息傳輸、交換、控制技術要求：GB/T 28181—2016》，通過部署視頻接入網(wǎng)關、聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關等多種兼容接入產品，解決技術兼容性問題，建立多維異構監(jiān)控技術體系。建設省、市兩級文博單位視頻接入機制，國家級文物安全遠程監(jiān)管平臺級聯(lián)各省級視頻接入系統(tǒng)，獲取視頻圖像。文博單位公共視頻資源可以公開傳輸和共享給其他部門和機構，內部視頻監(jiān)控資源在文物局內部通過權限進行查看，其傳輸和播放需加密和鑒權。

2.3基于邊緣計算的遠程視頻監(jiān)管系統(tǒng)設計

基于邊緣計算的遠程視頻監(jiān)管設計，將各文博單位的視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為邊緣域。根據(jù)文博單位的重要性、數(shù)據(jù)量的大小及安全監(jiān)控業(yè)務的復雜程度，增加數(shù)據(jù)采集模塊、邊緣網(wǎng)關設備、邊緣服務器設備，實現(xiàn)邊緣域功能。基于邊緣計算的文物安全遠程視頻監(jiān)管系統(tǒng)網(wǎng)絡連接如圖2所示。

為實施遠程安全視頻監(jiān)管系統(tǒng)的網(wǎng)絡互聯(lián)，需要對現(xiàn)場監(jiān)控裝置的通信方式進行升級改造，附加數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)與外部信息交互，增加網(wǎng)絡接口實現(xiàn)互聯(lián)。邊緣域部署新的監(jiān)測設備、執(zhí)行器等實現(xiàn)視頻監(jiān)控信息采集或反饋控制的執(zhí)行。部署邊緣服務器，匯聚監(jiān)控現(xiàn)場及安防系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)的邊緣處理。部署智能網(wǎng)關設備，實現(xiàn)與云平臺的連接，將邊緣處理的數(shù)據(jù)傳送到云端。云平臺實現(xiàn)文物安全監(jiān)管內外部數(shù)據(jù)的充分匯聚，支撐數(shù)據(jù)的存儲、挖掘和分析，有效支撐文物安全視頻監(jiān)管系統(tǒng)的運行和各種創(chuàng)新應用。

1） 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊如無線I/O模塊（采用LoRa、Wi-Fi等協(xié)議）、有線遠程以太網(wǎng)I/O模塊（采用OPC UA、Modbus等協(xié)議），有線遠程采集模塊需具備以太網(wǎng)絡接口，便于與原有網(wǎng)絡架構整合，方便通過網(wǎng)絡交換器采集現(xiàn)場設備信息。數(shù)據(jù)采集模塊主要完成智能攝像頭、安防設備、傳感器等設備的數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)設備之間以及與上位管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。整合和監(jiān)控關鍵設備的當前運作狀態(tài)，掌握設備利用率和故障率等信息。一方面保證文博單位實時監(jiān)控安防設備的狀態(tài)，保證設備的正常運行;另一方面能夠實現(xiàn)文物安全監(jiān)管部門通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)了解區(qū)域的安防監(jiān)控情況。

2） 邊緣網(wǎng)關設備

智能網(wǎng)關實現(xiàn)各類設備的接入和設備間的互聯(lián)互通的通信功能，能夠動態(tài)添加設備，配置報警策略，根據(jù)連接的數(shù)據(jù)采集模塊實時分析數(shù)據(jù);按照預置的業(yè)務邏輯，可將達到故障條件的設備進行預警和報警、智能故障診斷及服務執(zhí)行、遠程診斷與預防性維護，進行設備事件日志的登記;并通過網(wǎng)絡傳送到本地數(shù)據(jù)中心和國家級云數(shù)據(jù)中心監(jiān)管平臺。

3） 邊緣服務器

邊緣服務器能夠直連數(shù)據(jù)采集模塊或邊緣網(wǎng)關設備，實現(xiàn)輕量計算任務，配備小型的數(shù)據(jù)庫以及支持數(shù)據(jù)斷點續(xù)傳功能的工控計算機或專用邊緣服務器設備。邊緣服務器可將終端設備包括監(jiān)控攝像頭、攝像存儲設備、安防監(jiān)控設備進行注冊登記直連管理，也可通過網(wǎng)關的注冊登記進行管理。

邊緣服務器具備應用層業(yè)務的簡單處理能力，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)的匯總、處理和分析，能夠實現(xiàn)部分安全管理、交互式多媒體內容編輯、人機界面交互管理功能。邊緣服務器采用MQTT協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)傳送到云端，實現(xiàn)與云服務連接。

4） 云平臺遠程監(jiān)控和管理

云平臺遠程監(jiān)控系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)或內部專網(wǎng)實現(xiàn)遠程監(jiān)控和管理，采用MQTT協(xié)議連接智能網(wǎng)關或邊緣服務器設備，接收經(jīng)過加工處理、分析后的數(shù)據(jù)。通過鏡像服務，能夠對遠程提供邊緣計算服務的軟件

（網(wǎng)關和服務器軟件）進行更新?；贐/S架構，完成國家級、省級、市級文物安全監(jiān)管功能。

2.4基于邊緣計算的遠程視頻監(jiān)管系統(tǒng)安全設計

本設計采用綜合的安全防護措施，保證邊緣設備、網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)和應用的安全。邊緣域部署防火墻、網(wǎng)絡入侵防護系統(tǒng)，相關設備實行接入認證和訪問授權，實現(xiàn)視頻監(jiān)管系統(tǒng)安全綜合防御。

網(wǎng)關的安全，只允許指定的用戶對網(wǎng)關進行參數(shù)配置，通過網(wǎng)關注冊和授權數(shù)據(jù)采集模塊或連接設備，防止非法訪問。對邊緣應用服務先注冊后訪問，實現(xiàn)邊緣設備對特定服務的注冊及部署。

邊緣服務器的安全，主要是防止邊緣計算服務器在提供服務時遭受攻擊而采取的安全策略。為減少被入侵，需對網(wǎng)絡安全做嚴格控制，僅允許特定的局域網(wǎng)地址和端口訪問本地特定端口。采用本地數(shù)據(jù)中心的入侵檢測、漏洞分析、防火墻等安全保護，將關鍵隱私數(shù)據(jù)的操作限制在防火墻內，提升數(shù)據(jù)的安全性。

文物安全監(jiān)管平臺的安全管控，通過分層協(xié)同安全控制，實現(xiàn)邊緣設備層安全狀態(tài)、安全事件的采集，進行協(xié)同防御和管控，完成安全事件、設備故障、安全漏洞、合規(guī)統(tǒng)計的關聯(lián)分析。通過入侵檢測、非法接入監(jiān)控、安全漏洞補丁分發(fā)、流量分析等手段完成安全檢測，進行漏洞分析、告警關聯(lián)。

3基于邊緣計算的遠程視頻監(jiān)管系統(tǒng)功能設計

文博單位現(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)、安防系統(tǒng)屬于數(shù)據(jù)采集的來源，網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)量大，需要大量的帶寬、存儲和計算資源。設計基于邊緣計算的文物安全監(jiān)管視頻監(jiān)控系統(tǒng)，將文博單位已建的視頻監(jiān)控系統(tǒng)、安防系統(tǒng)作為邊緣域，通過升級改造，實現(xiàn)邊緣計算應用架構。

3.1邊緣域視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能

邊緣計算節(jié)點（智能攝像設備、智能網(wǎng)關、邊緣服務器）可以提供網(wǎng)絡、計算、存儲等資源，主要實現(xiàn)協(xié)議適配、實時連接、實時流式數(shù)據(jù)分析。在保證視頻傳輸實時性與識別準確率的前提下，通過邊緣計算模型對采集到的監(jiān)控視頻流進行預處理，包括過濾冗余視頻幀、動態(tài)壓縮視頻流等。將視頻流初始分析工作遷移到邊緣節(jié)點上，從而降低對云計算中心存儲、計算和網(wǎng)絡帶寬的需求，提高監(jiān)控視頻分析速度，保證監(jiān)控視頻流的實時性。在網(wǎng)絡邊緣部署邊緣服務器，通過無線或有線連接邊緣節(jié)點，在靠近客戶側提供IT和云計算的能力。根據(jù)應用場景進行策略設置，在邊緣節(jié)點和云平臺或數(shù)據(jù)中心進行協(xié)同應用。

實現(xiàn)網(wǎng)絡邊緣節(jié)點內容緩存，與視頻監(jiān)控邊緣節(jié)點進行對接，獲取傳輸?shù)囊曨l流或畫面，進行深度的業(yè)務數(shù)據(jù)分組解析，并進行本地緩存。本地數(shù)據(jù)經(jīng)過邊緣服務器進行分流，不經(jīng)過核心網(wǎng)絡，減少網(wǎng)絡帶寬使用。田野文物重點區(qū)域等視頻采集可以基于核心網(wǎng)絡進行高速回傳，反饋數(shù)據(jù)處理后的指令。將海量視頻數(shù)據(jù)的收集、存儲、傳輸、分析等功能，根據(jù)實際場景，部分下沉到網(wǎng)絡邊緣，靠近數(shù)據(jù)源，按需實現(xiàn)特定的數(shù)據(jù)處理能力。

邊緣服務器的圖像視頻分析功能完成對回傳視頻、畫面中的目標對象進行檢測識別、跟蹤，數(shù)據(jù)分析的結果一部分可以形成指令直接反饋給監(jiān)控手機，另一部分可直接報送給監(jiān)控終端（監(jiān)管中心）;通過本地存儲和計算單元接受檢測跟蹤任務，及時對發(fā)現(xiàn)的緊急情況傳送給監(jiān)控或監(jiān)管中心，可降低網(wǎng)絡時延，增強服務的響應能力，保護隱私數(shù)據(jù)。

3.2云數(shù)據(jù)中心遠程視頻監(jiān)管系統(tǒng)功能

文物安全遠程監(jiān)管平臺部署在國家級云數(shù)據(jù)中心，協(xié)同邊緣域各文博單位視頻監(jiān)控系統(tǒng)，完成邊緣設備的標識、注冊、授權。省、市級單位根據(jù)需求和場景使用基于B/S架構的文物安全遠程監(jiān)管系統(tǒng)功能。遠程監(jiān)管平臺主要功能是在遠程對文博單位的視頻監(jiān)控碼流進行輪詢查看、點播查看以及監(jiān)控室檢測等，通過邊緣計算完成對文博單位的人臉卡口、車輛卡口、監(jiān)控室視頻進行智能分析;支持采集下級系統(tǒng)和智能視頻分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并按用戶要求進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計;具有對接入的用戶進行認證和授權的功能，在系統(tǒng)級聯(lián)的情況下，支持下級平臺繼承上級平臺的用戶和權限。

利用物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計算技術，完成視頻前端邊緣設備的建檔、狀態(tài)信息的實時采集，實現(xiàn)各邊緣設備的策略配置。遠程文物安全監(jiān)管功能集成在統(tǒng)一的電子地圖之上，預警指揮中心大屏幕上展現(xiàn)預警、報警等綜合統(tǒng)計分析信息。設置輪詢策略和算法，實現(xiàn)集成監(jiān)控視頻邊緣設備的統(tǒng)一輪詢，并通過預警指揮中心大屏展示實現(xiàn)監(jiān)察情況。邊緣設備具有緩存功能，支持本地播放和遠程點播，完成對歷史視頻的檢索、回放和下載。遠程邊緣設備的圖像識別和分析功能，可以實現(xiàn)對文博單位監(jiān)控室監(jiān)察，能夠進行人員識別和統(tǒng)計，并通過設置策略和算法，實現(xiàn)值班人員離崗超時預警，統(tǒng)計分析值班人員的工作效率。

搭建大數(shù)據(jù)分布式計算框架，通過國家、省、市、文博單位四級聯(lián)動，進行人臉、車輛布控并進行智能分析。通過策略設置算法，進行統(tǒng)一任務下發(fā)，分布式計算和匯總結果，進行人臉布控、車輛圖片或車牌布控、身份認證、頻次、軌跡分析，通過以圖搜圖算法、分析比對完成視頻分析，進行預警和告警，能夠實現(xiàn)遠程人臉、車輛檢索。

4結束語

結合全國文物安全監(jiān)管平臺建設的應用研究，基于視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、安防數(shù)據(jù)的集中存儲、遠程調用方式，占用大量存儲資源，網(wǎng)絡帶寬要求高，費用昂貴，本文對已有視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行升級改造，搭建大數(shù)據(jù)分布式計算框架，實現(xiàn)基于邊緣計算的文物安全遠程視頻監(jiān)管系統(tǒng)。各文博單位作為國家文物安全遠程視頻監(jiān)管系統(tǒng)架構中的邊緣域，根據(jù)應用場景的需要，升級或集成重點監(jiān)控區(qū)域的智能攝像頭，加裝具有本地視頻圖像分析算法的邊緣服務器。通過邊緣計算模型對采集到的監(jiān)控視頻流進行預處理，將視頻流初始分析工作遷移到邊緣節(jié)點上，從而降低對云計算中心存儲和網(wǎng)絡帶寬的需求，提高監(jiān)控視頻分析速度，保證監(jiān)控視頻流的實時性。在邊緣節(jié)點或邊緣服務器中融入人臉識別、車輛識別算法或視頻人物檢測和跟蹤算法，實現(xiàn)一幅地圖上完成文物安全遠程視頻監(jiān)管，完成預警、告警聯(lián)動，通過分布式計算完成人臉、車輛智能分析和統(tǒng)一聯(lián)動。

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（責任編輯白麗媛）