(中車永濟電機有限公司，山西 永濟 044500)

0 引言

目前，企業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)已覆蓋廠區(qū)內(nèi)部重點生產(chǎn)區(qū)域和行政辦公區(qū)域，主要采用人員7×24小時的緊盯監(jiān)控屏幕的傳統(tǒng)監(jiān)控模式，存在如下方面的幾個問題[1-2]：

1)監(jiān)控人員的注意力不能長時間集中，面對海量的監(jiān)控視頻，監(jiān)控人員難以萬無一失的審查每個視頻的每個細節(jié)，容易因個人疏忽而錯過將事故消除在萌芽階段的機會，甚至因此導致企業(yè)蒙受損失；

2)數(shù)據(jù)分析困難，傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)缺乏智能因素，視頻數(shù)據(jù)無法被有效的分類存儲，最多只能打上時間標簽，導致數(shù)據(jù)分析工作費時費力，并難以迅速有效獲取用戶感興趣的相關(guān)信息[3];

3)被動監(jiān)控，目前的視頻監(jiān)控系統(tǒng)僅起到一個“錄像”的工作，多數(shù)情況都是在事故已經(jīng)發(fā)生之后，通過視頻回放調(diào)閱的方式進行事后的查驗，但此時損失和影響已經(jīng)造成，無法挽回[3-4];

本文提出一種基于策略的廠區(qū)安全與監(jiān)控系統(tǒng)，通過硬件采集終端、軟件管理平臺和安全監(jiān)測策略的組合方式[5-6]，實現(xiàn)對廠區(qū)內(nèi)部關(guān)鍵區(qū)域的權(quán)限管控、危險識別、異常預警、報警轉(zhuǎn)發(fā)等功能，將傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的“被動監(jiān)控”模式提升為行為可智能識別和預警的“主動監(jiān)控”模式[7-8]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)采用B/S+硬件終端的系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

在應用方面，系統(tǒng)提供基于PC客戶端操作方式和基于便攜式移動終端的兩種操作方式。

系統(tǒng)將安全策略以服務(wù)的形式進行封裝和調(diào)用，采用開放的平臺架構(gòu)，實現(xiàn)提供符合標準接口的服務(wù)的擴展，針對目前的系統(tǒng)需求，系統(tǒng)在感知層只需網(wǎng)絡(luò)閘機和智能攝像頭實現(xiàn)權(quán)限管控和視頻信息采集。

1.2 系統(tǒng)工作原理

基于策略的廠區(qū)安全與監(jiān)控管理系統(tǒng)阿是以硬件終端聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，以智能視頻分析為核心，以多種類型的大數(shù)據(jù)倉庫為存儲，以遠程授權(quán)、告警聯(lián)動等多種業(yè)務(wù)功能的綜合監(jiān)控平臺。

對于車間、辦公區(qū)域等需要管控的進出入口，提供網(wǎng)絡(luò)閘機的遠程授權(quán)和放行管控，管理員將權(quán)限規(guī)則(任務(wù)班組信息、角色、職責等)信息遠程下發(fā)到相應的閘機終端(包括區(qū)域權(quán)限、時間段權(quán)限)，授權(quán)人員可刷卡進入相應的區(qū)域。

對于廠區(qū)內(nèi)部重點區(qū)域，提供基于視頻分析的異常行為監(jiān)控，通過計算機視覺技術(shù)、人體識別技術(shù)和人工智能技術(shù)，實現(xiàn)特定區(qū)域、特定時間段自動監(jiān)控，自動分析視頻圖像數(shù)據(jù)，識別出人體運動目標所做出的不同行為，并且分類出可疑人物、危險行為、突發(fā)事件異常發(fā)生，再及時準確的通知相關(guān)人員。

圖2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作原理如圖2所示，本系統(tǒng)在部署過程中包括車間、廠區(qū)關(guān)鍵區(qū)域、信息中心、管理人員辦公樓等環(huán)境。

1)企業(yè)車間入口分為人員進出通道(人門)和車輛物資進出通道(車門)，在人門入口部署門禁系統(tǒng)，以從MES系統(tǒng)中獲取的排產(chǎn)計劃為基礎(chǔ)，進行車間人門通行權(quán)限的下發(fā)；人門入口視頻監(jiān)控配置安全帽檢查策略，對進入車間人員是否佩戴安全帽進行檢查和告警；

2)廠區(qū)關(guān)鍵區(qū)域進行智能視頻監(jiān)控，對于倉庫等關(guān)鍵區(qū)域配置人員滯留、徘徊安全檢查策略，對于供配電等危險區(qū)域配置人員入侵(越界)檢測策略；

3)信息中心部署數(shù)據(jù)服務(wù)器和視頻處理服務(wù)器；

4)管理人員辦公室部署客戶端；

5)對移動人員和廠外人員部署終端軟件；

2 硬件選型

系統(tǒng)硬件選用市場成熟的標準件，無須定制加工，系統(tǒng)硬件選型要求如下，

2.1 網(wǎng)絡(luò)閘機選型

系統(tǒng)采用全自動剪式門翼閘，門禁閘機部署在車間大門(人門)，通過車間局域網(wǎng)與系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通訊，網(wǎng)絡(luò)閘機選型主要技術(shù)指標如表1所示。

表1 全自動剪式門翼閘技術(shù)參數(shù)

2.2 智能攝像頭選型

系統(tǒng)采用支持紅外補光的高分辨率網(wǎng)絡(luò)式相機，攝像頭部署在車間大門(人門)和廠區(qū)內(nèi)部關(guān)鍵區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)攝像頭通過車間局域網(wǎng)與系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通訊，智能攝像頭選型主要技術(shù)指標如表2所示。

3 軟件平臺設(shè)計

基于策略的廠區(qū)安全與監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件平臺組成如圖3所示。

系統(tǒng)整體上由PC客戶端平臺和移動終端平臺組成，其中PC客戶端主要負責權(quán)限規(guī)則制定、權(quán)限下發(fā)、視頻采集、存儲與分析和告警與轉(zhuǎn)發(fā)功能，對于移動終端平臺使用人員，提供用戶認證、權(quán)限視頻監(jiān)控和告警查看功能。

3.1 PC客戶端平臺設(shè)計

PC客戶端平臺面向廠區(qū)內(nèi)部人員使用，以企業(yè)廠區(qū)和車間局域網(wǎng)為通信基礎(chǔ)，面向不同權(quán)限的人員提供不同的功能服務(wù)。

表2 高清網(wǎng)絡(luò)智能攝像機參數(shù)

圖3 系統(tǒng)軟件平臺功能組成

3.1.1 任務(wù)管理

廠區(qū)安全與監(jiān)控管理系統(tǒng)以生產(chǎn)任務(wù)為主線，通過生產(chǎn)任務(wù)與班組信息的關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)人員門禁權(quán)限的批量動態(tài)分配，任務(wù)信息支持從現(xiàn)有系統(tǒng)中同步、支持外部數(shù)據(jù)導入、支持在系統(tǒng)中創(chuàng)建。

3.1.2 設(shè)備管理

在廠區(qū)環(huán)境中，針對重點監(jiān)控區(qū)域，采用網(wǎng)絡(luò)相機進行安全狀態(tài)的監(jiān)控，并結(jié)合相關(guān)視頻處理算法，對非法入侵、滯留、不規(guī)范操作等進行智能識別與實時上報。

1)門禁管理，實現(xiàn)對廠區(qū)內(nèi)部門禁設(shè)備的增加、編輯、刪除和授權(quán)操作，系統(tǒng)面向管理員角色，主要提供包括，門禁授權(quán)(人員、時間段)、實時監(jiān)控、出入記錄查詢統(tǒng)計、異常報警和遠程放行的功能。

圖4 門禁管理工作流程

2)視頻監(jiān)控管理，視頻監(jiān)控管理功能模塊實現(xiàn)對廠區(qū)內(nèi)部重點區(qū)域進行全面監(jiān)控與實時分析，包括視頻信號采集、存儲與展示、實時視頻流數(shù)據(jù)分析、視頻數(shù)據(jù)標簽化存檔和回放、視頻數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計等功能。

3)安全策略管理，系統(tǒng)以算法組件的方式提供安全策略，包括入侵、徘徊、滯留、倒地等安全策略，后期可擴展標準接口的安全策略。

安全策略主要采用圖像識別和人員行為分析技術(shù)，系統(tǒng)通過對智能攝像頭采集的視頻流幀數(shù)據(jù)的數(shù)字化處理、特征值提取，通過特征值與行為模型匹配，進行行為認定。

圖5 圖像識別和行為分析

1)人員入侵檢測策略，入侵檢測包括進入禁區(qū)檢測和越線檢測，進入?yún)^(qū)域檢測針對預定區(qū)域進行檢測，可設(shè)定警戒區(qū)域(區(qū)域大小、出入方向均可設(shè))，若目標出入該區(qū)域，服務(wù)器可立即檢測識別并實時報警，檢測時間也可以由用戶設(shè)定；越線檢測策略在服務(wù)器上設(shè)置一條或多條虛擬折線，設(shè)定越線方向后，任何符合該規(guī)則的越線目標可被檢測到并觸發(fā)實時報警；

2)人員徘徊、滯留檢測策略，徘徊、滯留檢測策略即探測在禁停區(qū)域逗留的目標是否超過用戶設(shè)定時間并觸發(fā)報警，當人員在警戒區(qū)內(nèi)滯留超過用戶自定義的時間時產(chǎn)生報警，滯留的判別不受人員在警戒區(qū)內(nèi)的行為影響。

3)人員佩戴安全帽檢測策略，系統(tǒng)自動識別人員是否佩戴安全帽。

4)人員倒地檢測策略，對在布防時間段內(nèi)，規(guī)則區(qū)域內(nèi)的倒地行為進行目標產(chǎn)生報警。

3.1.3 報警管理

報警管理，實現(xiàn)對報警的查看、轉(zhuǎn)發(fā)、歷史報警信息日志管理， 報警數(shù)據(jù)包括：報警類型、報警拍照和報警短視頻。

1)報警查看，用戶可查看當前的報警信息，報警信息包括報警類型(入侵、滯留、徘徊等)、截圖和報警時間段視頻，可直接查看報警監(jiān)控區(qū)域視頻信息；

2)報警轉(zhuǎn)發(fā)，報警轉(zhuǎn)發(fā)和聯(lián)動規(guī)則的定義，在中心監(jiān)控管理軟件設(shè)置下，統(tǒng)一快速接收現(xiàn)場監(jiān)控發(fā)送的報警信息并轉(zhuǎn)發(fā)給指定的客戶端，為所有系統(tǒng)管理的監(jiān)控設(shè)備提供報警接收轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)和遠程報警服務(wù)；

3)報警信息管理，對歷史報警信息的記錄、分類、查詢、查看和數(shù)據(jù)導出標準格式的功能。

3.1.4 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理，實現(xiàn)對人員、部門、權(quán)限、角色、系統(tǒng)日志的管理。

實現(xiàn)人員信息、部門信息、角色信息的同步、導入、新增、編輯、刪除的功能。

實現(xiàn)為角色分配權(quán)限的功能，根據(jù)不同角色分配不同權(quán)限，人員同角色對應。

實現(xiàn)系統(tǒng)日志的自動記錄、查詢、導出、清空、刪除等操作。

3.2 移動終端平臺設(shè)計

授權(quán)用戶可通過移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)隨時隨地調(diào)取車間視頻監(jiān)控信息，對車間生產(chǎn)過程和車間關(guān)鍵區(qū)域進行視頻監(jiān)控。

1)用戶登錄，用戶憑借用戶名和密碼進行登錄操作；

2)視頻遠程監(jiān)控，用戶登錄系統(tǒng)后，可進行視頻遠程監(jiān)控，終端系統(tǒng)根據(jù)登錄用戶的權(quán)限，查看相關(guān)區(qū)域視頻信息；

3)圖形抓拍，用戶監(jiān)控過程中，可通過移動終端進行視頻圖形的抓拍操作；

4)報警查看，區(qū)域監(jiān)控預警信息可發(fā)送到移動終端，預警信息包括，報警類型、截圖、預警時間段視頻。

4 人體異常行為識別算法設(shè)計與實現(xiàn)

行為識別是憑借攝像頭采集的數(shù)據(jù)、根據(jù)觀測的場景條件，將某一動作變化識別成具體行為的過程，行為識別就是將圖像序列標注為某類行為模式的過程[5]。

本系統(tǒng)行為異常安全策略采用通過綜合分析運動軌跡和區(qū)域光流特征兩種特征變量，在多種環(huán)境下對異常行為進行識別。異常行為識別方法流程如圖6所示。

圖6 人體異常行為識別流程

4.1運動軌跡分析

基于運動軌跡的識別過程，通過判斷目標中心點軌跡曲線是否為閉合或者螺旋狀。如果運動軌跡不閉合且不呈螺旋狀，則說明目標在正常行進。反之，則目標處于徘徊狀態(tài)，需要通過對區(qū)域光流特征進行分析，進一步判斷是否發(fā)生昇常行為[7]。

圖7 螺旋軌跡曲線及識別原理圖

求出目標運動軌跡的中心點(xz,yz),以(x0，y0)坐標原點，將運動區(qū)域平均分為8個子區(qū)域，依次判斷(x0，y0)，(x1，y1)，…，(xn-1，yn-1)，(xn，yn)出現(xiàn)的區(qū)域。當目標軌跡中的各個位置點出現(xiàn)在各區(qū)域內(nèi)的概率相似時，則可以判定目標是在圍繞一個特定點運動，即目標處于近似徘徊狀態(tài)，需要進一步判別是否為異常行為，運動軌跡分析法識別人體異常行為流程如下，

1)計算目標的中心點(xz，yz)；

2)設(shè)坐標原點(x0，y0)，通過坐標軸和兩條穿過原點的直線將目標運動區(qū)域平均分成8個區(qū)域，每個區(qū)域的度區(qū)間相同；

3)計算點(x0，y0)，(x1，y1)，…，(xn-1，yn-1)，(xn，yn)出現(xiàn)在哪個子區(qū)域中，

4)通過步驟3)的統(tǒng)計結(jié)果，判斷目標軌跡是否呈螺旋曲線狀態(tài)，如果判定目標軌跡的各個位置點在各個區(qū)域內(nèi)分布概率相同，則目標處于徘徊狀態(tài)，需要利用區(qū)域流光特性做進一步的識別。

4.2 區(qū)域光流分析

目標在視頻中進行的運動，可以看作是視頻序列中各個像素點運動的集合，所謂的光流就是對像素運動過程的一種描述。當目標進行移動時，圖像中的像素會產(chǎn)生位移，從而形成速度矢量，這種速度矢量就是目標像素的光流，而這些矢量的集合就是光流場。

假設(shè)相鄰的兩幀視頻圖像，基于光流場的亮度不變，即假定像素點在時刻t+δt運動到(x+δx,y+δy)位置，亮度保持不變，設(shè)I(x,y,t)代表圖像I中某一像素，則可以得到表達式:

I(x,y,t)=I(x+δt,y+δt,t+δt)

由于一般情況下亮度沿空間坐標和時間軸的變化是線性連續(xù)的，所有可以通過泰勒級數(shù)展開法進行變形，可以得到：

忽略高階項，兩邊同時對δt求導，得出光流的約束方程。

Ixu+Iyv= -It

為了檢測出人體的異常行為，如搏斗、破壞等。這些行為發(fā)生時，人的動作速度快，而且方向雜亂，區(qū)域光流持征幅值強度大，且和運動方向不一致。因此，選擇基于幅值加權(quán)的方向直方圖，對區(qū)域內(nèi)的光流特征描述。以此來判別目標是處于正常的徘徊狀態(tài)，還是發(fā)生了搏斗、破壞等異常行為。

5 試驗結(jié)果及分析

以企業(yè)廠區(qū)車間人員進出通道(人門)和倉庫存儲貴重金屬的區(qū)域為試點，在人門配置網(wǎng)絡(luò)閘機和智能攝像頭，管理人員將車間生產(chǎn)任務(wù)排產(chǎn)信息(班組信息)從MES系統(tǒng)中導出，通過系統(tǒng)遠程下發(fā)到網(wǎng)絡(luò)閘機，進行人員生產(chǎn)時間段的出入管控，對智能攝像頭配置人員安全帽佩戴檢查策略，進行安全監(jiān)控，對于倉庫貴重件數(shù)區(qū)域，對智能攝像頭配置人員入侵、人員徘徊、滯留安全策略，進行重點區(qū)域的監(jiān)控、自動告警轉(zhuǎn)發(fā)。

通過測試，車間人門處的網(wǎng)絡(luò)閘機可對當前時間段有生產(chǎn)任務(wù)的生產(chǎn)員工憑借工作IC卡刷卡方式進行正常放行(閘機識別率可達100%)，對其他未授權(quán)人員進行阻止。

通過人門攝像頭配置的安全帽檢查策略，可對生產(chǎn)人員安全帽是否佩戴行為進行監(jiān)控和告警(對于單獨個人安全帽檢查識別率可達100%，對于群體檢查識別率可達95%)。

圖8 安全帽檢測試驗結(jié)果展示

通過測試，對于倉庫存放貴重金屬的終點區(qū)域，通過配置的人員入侵、徘徊、滯留安全策略，可對特定時間段，進入?yún)^(qū)域的人員動作進行實時監(jiān)控和危險動作預警(區(qū)域人員入侵識別率可達100%)。

6 結(jié)束語

以企業(yè)現(xiàn)有的硬件為基礎(chǔ)，通過對廠區(qū)不同區(qū)域配置不同的安全策略算法，基于策略的廠區(qū)安全與監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了廠區(qū)重點區(qū)域的權(quán)限管控和智能監(jiān)控，將現(xiàn)有的“被動監(jiān)控”模式提升為“主動監(jiān)控”模式，將事后查詢提升為事前預警，系統(tǒng)以服務(wù)插件方式進行安全策略的管理，后續(xù)可快速進行安全策略的擴展。

圖9 區(qū)域入侵檢測試驗結(jié)果展示