校園視頻監(jiān)控布局分析優(yōu)化方案淺析

張翔　徐超越　鄭蓓蕾　俞祚明

摘 要：本文基于對校園安全的考慮，對校園視頻監(jiān)控器網(wǎng)絡(luò)的布局提出一套行之有效的分析和優(yōu)化方法，為進一步仿真計算和試驗提供一些理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：視頻監(jiān)控；最優(yōu)化；數(shù)學(xué)建模

一、研究背景

近年來，傳感器最優(yōu)布局是傳感器研究領(lǐng)域內(nèi)的熱點問題。傳統(tǒng)的傳感器以收集溫度、聲音等數(shù)據(jù)為主。但是由于社會各方面的安全問題日益突出，以捕捉圖像信息為主的視頻傳感器獲得空前的應(yīng)用和發(fā)展。因此，對視頻傳感器的布局研究與優(yōu)化具有潛在的社會價值和經(jīng)濟價值。隨著科技的發(fā)展，視頻監(jiān)控設(shè)備的微型化、智能化等性能已經(jīng)獲得不同程度的提高。加之工藝流程、材料制造等領(lǐng)域的技術(shù)革新，監(jiān)控設(shè)備的價格也不斷下降。視頻監(jiān)控設(shè)備越來越廣泛地進入社會生活的方方面面，如高速公路的測速監(jiān)控、大街小巷的治安監(jiān)控等。

由于受多種復(fù)雜因素的影響，校園內(nèi)的不安全事件頻發(fā)，于是寧靜的校園中也出現(xiàn)越來越多的監(jiān)控攝像頭。然而，隨之而來的問題是：這些攝像頭的布局監(jiān)控性能如何？能否優(yōu)化？為了提高校園內(nèi)攝像頭的監(jiān)控能力，減少監(jiān)控設(shè)備的采購經(jīng)費，我們對校園道路和監(jiān)控設(shè)備展開了調(diào)查分析，希望通過收集的數(shù)據(jù)分析出當(dāng)前校園監(jiān)控設(shè)備的布局是否合理，并提出優(yōu)化方案。

二、視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)布局分析的方法

視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)布局分析的主要步驟為：收集校園道路與攝像數(shù)據(jù)、問題分析與建模、計算機模擬計算、結(jié)果分析。

收集校園道路信息是為了方便對問題建模，應(yīng)該確保信息的詳細與準(zhǔn)確。道路的描繪與攝像設(shè)備的位置應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確無誤，尤其是小路、偏僻的道路等，這樣才能保證問題分析的全面性。

道路與攝像設(shè)備信息收集完成之后，開始進行問題分析與建模過程。此過程需要將具體的校園道路模型轉(zhuǎn)化成抽象的數(shù)學(xué)模型，然后用圖論知識進行全面分析與計算，找出該用什么方法處理此模型才可以獲得比較可靠的數(shù)據(jù)，分析它用以描述攝像設(shè)備的分布是否合理。也就是說，需要找一個可以量化的指標(biāo)來描述攝像裝備布局的合理程度，這個量化的指標(biāo)可以是從一個入口到一個出口每一個攝像設(shè)備的拍攝概率。利用圖論知識，整個校園可以抽象為一張關(guān)系復(fù)雜的網(wǎng)，交叉的路口變成結(jié)點。首先要解決的問題便是選擇走一條路的概率問題。我們假設(shè)路的選擇是等概率的隨機事件，即當(dāng)遇到岔口的時候，我們是等概率地選擇一條路的，而且不可以走回頭路，除非走到了死路需要換一條路線。這樣可以簡化概率的計算，同時可以排除掉兜圈子的情況，大大降低了問題的復(fù)雜度。通過圖論的分析可以得到，道路的布局是決定著攝像設(shè)備的訪問概率的，也就是說，通過分析道路路口的訪問概率即可以得出攝像設(shè)備的合理程度。同時，一個設(shè)備安放在路口是比放在路中的利用率要大得多，所以假設(shè)設(shè)備都是在路口有一定的合理性。

通過圖論的分析與數(shù)學(xué)建模，我們獲得了一個簡化的問題模型。這個問題是計算機中圖論問題經(jīng)典算法中的一種，被稱之為單源點圖遍歷問題。在這個問題中，我們需要遍歷圖來找到所有可行的路線，以此統(tǒng)計結(jié)點的訪問概率。死路被拋棄的原因是到了死路需要回頭再尋找一個路線，若設(shè)備分布合理，依然會被監(jiān)控到。所以選擇統(tǒng)計所有可行路線結(jié)點的訪問概率。次概率的統(tǒng)計方法是選擇事先標(biāo)識好每一個結(jié)點，當(dāng)遍歷到一個可行路線的時候，為此路線每一個結(jié)點增加一個訪問次數(shù)，當(dāng)訪問完所有可行路線的時候，記錄可行路線總數(shù)，每個結(jié)點訪問次數(shù)除以路線總數(shù)就可以獲得每個結(jié)點訪問的概率。

三、方案可行性分析

通過多次的結(jié)果分析與討論，此方法得到的概率雖說有一定的局限性，但也是具有參考價值的數(shù)據(jù)。局限性在于，路線的選擇并非是完全隨機的事件，這受人的主觀意愿的影響，攝像設(shè)備的位置也并非總是在結(jié)點位置才是最好的，同時，死路的丟棄有可能導(dǎo)致某些地區(qū)缺乏監(jiān)控。參考價值在于，這是一種理想狀態(tài)的數(shù)據(jù)，當(dāng)陌生人進入校園的時候，等概率事件是可靠的，同時結(jié)點處的設(shè)備可以最大限度地發(fā)揮效率，節(jié)省校園開支，也就是說當(dāng)滿足此概率模型時，就會基本滿足安全要求。在此基礎(chǔ)上，可以再添加更加豐富的設(shè)備來加強校園安全。

參考文獻：

Xing，G.Wang，X.，Zhang，Y.，Lu，C.，Pless，R.，Gill，C.Integrated

Coverage and Connectivity Configuration in Wireless Sensor Networks[J].ACM Transactions on Sensor Networks，2005，1（1）.

基金項目：本文研究成果受江蘇科技大學(xué)張家港校區(qū)本科生創(chuàng)新計劃資助，項目編號：126031084。