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龚晟源
（上海巨一科技发展有限公司 上海200031）
摘 要计算机网络及信息技术已经广泛应用于安防系统(SPS)中.如今,各种安防子系统,都在进行数字化升级.如何设计满足新型数字式安防系统的计算机网络架构,并实现全局化管理,是目前工程设计中需要考虑的重要问题.本文根据现代安防监控系统的发展方向,结合人机工程学相关理论,对影响系统的可靠性因素进行了分析,进而设计出一套高可靠性的计算机网络架构.以实验数据为例、验证了安防监控系统的可靠性和适用性.
关键词 可靠性,信息技术,安防监控,I程设计
doi:1 0.3969/j.issn.1674-7933.2016.04.001
作者简介：龚晟源,男,1980年生,高级项目管理师,主要从事及
研究领域：人工智能、信息系统集成,Email：gong.sy@163 com.
0引言
计算机安全防范系统sPs( Security&, ProtectionSystem)是如今保护人民群众生命财产安全和侦破各类刑事案件的首要技术保障.安防系统主要由视频监控系统、防盗报警系统、周界电子围栏系统、电子门禁系统、电子巡更系统、访客对讲等各子系统组成.数字式安防系统基于计算机以太网络架构,在信号传输、系统控制、结果显示和数据存储等各个环节,均采用数字信号进行传输.由于数字式安防系统有精度高、衰减小、传输距离长、容易管理等特点,目前正逐渐取代传统模拟技术,成为新的安防标准体系.先进的安防系统,在基于计算机及网络技术的基础上,结合电子技术、通信技术、自动化控制技术以及信息处理技术等,确保了安防工作的高效性和可靠性.但是,各个安防子系统数量众多,分工不一,同时各系统架构和技术原理都不相同,如何整合并优化各个安防子系统的资源,实现统一高效的全局化、综合化管理,是目前工程设计中需要考虑的重要问题.
随着数字式安防相关技术的发展,系统的开发、部署、运行、交付、维护和演化模式都发生了重要的变化,在这种情况下系统的可靠性难以得到充分保障.为了明晰系统的运行情况,保障系统的正常运行,合理对系统进行维护保养并提高其性能,这就要求对实际应用中的安防监控系统可靠性进行分析.由此可见,系统的可靠性分析具有重大意义.本文提出的安防系统,结合了经典以太网组网结构以及信息处理技术,旨在为系统日益复杂的大型综合安防系统提供一种先进的设计架构模型,采用全新的综合管理平台软件对整个安防系统进行统一管理.
1系统可靠性简介
1.1可靠性影响因素
从人机工程学的相关理论和原理出发可归纳出安防检测系统可靠性影响因素为人为因素、设备因素和环境因素.整个安防监控系统的设计、安装、使用、维护、保养以及管理等环节都需要人的作用,同时,设备、环境也会反作用于人,对人为失误产生影响.在使用维护过程中,人的管理缺陷如系统维护不当、输人数据、信号有误以及意外事件等都会导致系统失效,直接影响系统的可靠性.设备因素主要包括硬件设备、软件系统以及传输线路三方面的作用.硬件设备中,探测器的质量对系统可靠性的影响最为显著,是导致系统故障的主要原因.环境因素主要包括电磁波干扰、光干扰等干扰因素,这些直接作用到探测传感器上,从而造成系统的误报和漏报.
1.2可靠性分析方法
可靠性作为一项重要的质量指标,只简单定性进行描述显然是不够的,量化可靠性指标已成为发展的必然趋势.目前学术界对安防监控系统系统可靠性的分析基本都基于两大类模型,一类是宏观分析方法,即概率论模型,一类是微观分析方法,即物理论模型.概率论模型即应用数理统计的方法对现场收集到的数据进行回归分析,得到故障与时间的关系及其分布规律的回归方程.物理论模型即从失效机理出发进行分析,难度较大.因此,对安防监控系统系统可靠性进行量化分析时,大多选择采用第一类分析方法——概率论模型.
根据安防监控系统系统的性能、应用条件以及使用环境等不同,可靠性的定量表示也很难统一成某一个特征量来表示.可靠度R(t)、不可靠度F(t)、故障概率密度f(t)、故障率A(t)以及平均故障间隔时间MTBF等都可以作为分析系统可靠性的指标.
一般来讲,系统可靠性是指系统在规定的条件和规定的时间内完成规定的功能的能力.系统可靠性可以用R(t)来表示,指从它可是运行(f=0)到某时刻t段时间内能正常运行的概率.
各个单元的组合方式主要涉及三种,即串联系统、并联系统和混合系统.假设一个系统由n个子系统组成,设串联系统的可靠度为Rs(t),第i爪单元的可靠度为Ri(t),则：
2系统架构设计
系统的可靠性是建立在组成元件可靠性的基础之上的,并与系统的组成结构有关.在设计安防监控系统架构时,采用现场星型分布式控制系统,使控制风险分散到各个控制单元,在单元出现故障时,不会影响整个系统的正常运行,从而使系统更加可靠.
2.1网络架构设计
本综合安防网络系统,采用经典以太网架构实现,为提高计算机的可靠性在架构的设计中同时考虑如下两项措施：
1)提高元器件质量,改进加工工艺与工艺结构,完善电路设计.
2)发展容错技术,使得在计算机硬件有故障的情况下,计算机仍能继续运行,得出正确的结果.
如图1所示,整个以太网络采用三层架构,即核心层、汇聚层和接入层.
核心层采用一台高性能的三层交换机.核心层为整个安防网络的中心设备,应满足高性能与高可靠性要求.核心交换机在高性能方面,交换容量高达2.34Tbps,此外配置4个万兆LC光纤端口,48个千兆RJ45电口、24个千兆LC光纤端口等；高可靠性方面,配置了双引擎和三电源模块,确保实现电信级的99.999%保障.
汇聚层由4台汇聚交换机组成,作为核心交换机的下连设备,负责汇聚某片区域的接人层设备,应满足高端口密度和高可靠性要求.汇聚交换机每台配置1个万兆LC光纤端口,24个千兆LC光纤端口,配置了单引擎和双电源模块,为全千兆交换机,交换容量≥192Gbps,包转发率≥36Mpps.
接人层由70台二层交换机组成,作为汇聚交换机的下连设备,负责各安防子系统的前端设备的接入.接入层交换机具备24个百兆RJ45电口和2个千兆光口,确保实现全线速交换的性能,交换容量≥19.2Gbps,包转发率≥6.5Mpps.
在安防控制中心机房内,设有平台服务器、流媒体服务器2台（包含CMS/MTS,MDS管理平台）、一卡通服务器以及20台16路网络硬盘录像机( Network VideoRecorder,简称NVR)、安防工作站等设备.由于数据流量巨大,直接接入核心交换机全千兆电口.
整个安防网络通过向中国电信租用光纤线路,使用VPN的方式,实现总部监控的远程监控需求.
2.2数据带宽需求的计算
数据带宽需求的计算对于安防网络的设计是关键环节.视频监控系统的视频码流要求的数据带宽大,实时性高,因此比其他安防系统对网络质量的要求更高.
系统可靠性设计与分析:24-1：陆洪毅副教授，“嵌入式系统可靠性、低功耗设计”
全码流的1080P和720P摄像机数据带宽分别为8Mbps和4Mbps.目前采用的动态编码技术,摄像机码流的峰值带宽还会高于以上数据,同时考虑带宽损耗,在计算基于码流的数据带宽需求时,应设计一定的冗余性.目前上海市的数字安防规范中,要求所有传输节点的实用带宽应≤传输带宽的45%.
根据以上要求,接入层和汇聚层交换机的上行带宽限制分别为450Mbps和4 500Mbps,均满足要求.而核心交换机应根据所有节点的带宽需求,进行综合计算.本例中,带宽需求及计算,如图2所示：
1#汇聚交换机上行带宽=11*8Mbps+35*4Mbps=228Mbps,
2#汇聚交换机上行带宽=35*8Mbps+38*4Mbps=432Mbps,
3#汇聚交换机上行带宽=20*8Mbps+42*4Mbps=328Mbps,
4#汇聚交换机上行带宽=51*8Mbps+86*4Mbps=752Mbps,
安防工作站下行带宽=并发回放路数+视频码流=20*8Mbps=160Mbps,
高清*下行带宽=SUM（解码上墙视频路数+视频码流）
=8*8Mbps+32*4Mbps
=192Mbps
NVR组下行带宽（实时录像视频流）=432Mbps+228 Mbps+328Mbps+752Mbps
=1740Mbps；
流媒体服务器根据要求,需设置2台,其视频码流的取源设备为IPC,因此要求每台IPC支持至少2路以上全码流的并发视频流.由此可以得出IPC的最大上行带宽计算公式：
最大上行带宽=min（上行带宽*2,解码上墙+并发回放）
由此可得出：
1#汇聚交换机最大上行带宽=456Mbps,
2#汇聚交换机最大上行带宽=784Mbps,
3#汇聚交换机最大上行带宽=656Mbps；
4#汇聚交换机最大上行带宽=1104Mbps,
1#流媒体服务器（负责解码上墙）上行带宽=192Mbps；
1#流媒体服务器（负责解码上墙）下行带宽=192Mbps；
2#流媒体服务器（负责并发回放）上行带宽=160Mbps,
2#流媒体服务器（负责并发回放）下行带宽=160Mbps；
由此,可以得出核心交换机的交换容量需求：
交换容量=456M bps+784Mbps+656Mbps+1104Mbps+1740Mbps+160Mbps*3+192Mbps*3
=5796Mbps
实用带宽=交换容量/45%=5796/45%=12880Mbps=12.88Gbps<,2.34Tbps
核心交换机的实用带宽远低于其自身交换容量,同时,其他安防系统由于传输的是纯数据信号,相比视频信号对数据带宽的要求要低得多,因此方案可行.但是考虑到不同安防子系统之间数据信号的独立性和抗干扰性,因此采用成熟的三层交换加二层VLAN划分的技术,确保每个安防子系统的信号传输通道的冲突域最小化,保证个子系统的独立运行.
在传输线路上,应选择综合布线系统.为保证主干万兆的带宽以及长距离信号传输,应选用单模光纤；在千兆链路上,可选用Cat6铜缆或光纤；百兆链路选用Cat5E铜缆.
2.3视频存储容量的计算
720P IPC每小时占用存储容量（以4Mbps码流计算）:1024*1024*4Mbps/8bi*3600s=1887436800Byte≈1.89GB（硬盘容量）；
1080P IPC每小时占用存储容量（以8Mbps码流计算）:
1024*1024*8Mbps/8 bit*3600s=3774873600Byte≈3.78GB（硬盘容量）.
技防规范要求至少连续保存30天视频录像时间,因此本例视频存储计算如下：
720P视频共201路,所需硬盘容量为：
201*24*30*1.89GB=273520.8GB≈273.52TB
1080P视频共117路,所需硬盘容量为：
117*24*30*3.78GB= 318427.2GB≈318.43TB
总计硬盘容量需要：273.52TB+318.43TB=591.95TB
本例中,共20台NVR,每台NVR最大可配置8块硬盘,选用每块硬盘为4TB,因此实际硬盘容量：20*8*4TB=640TB>,591.95TB,故满足要求.
此外,应选用监控级硬盘,其在平均无故障时间（MTBF小时）以及连续工作时间等方面均大幅度优于普通桌面级硬盘.
2.4系统可靠性的计算
为了便于计算系统的可靠性,根据综合安防网络系统架构图,可将各子系统及设备抽象为图3所示的可靠性框图.
从图中可分析出改系统为并串联复杂系统.假设各单元的失效是相互独立的,依照从左到右从上到下的顺序将模块的可靠度设为,不可靠度为,Rsp表示整个系统的可靠度,QsP表示整个系统的不可靠度.Rsi(i=1,2,3,4,5)表示S1,到S5子系统的可靠度,Qsi=(l,2,3,4,5)表示S1到S5子系统的不可靠度.
在1.3章节提到,对于并串联系统系统实际上就是对串联系统与并联系统的综合应用.计算可靠性时通常采用等效系统进行.可靠度的计算要“逐级”进行,并串联系统的可靠度.由(4)以及可靠度和不可靠度的关系可得：
假设各单元的可靠度Ri均为0.99,代人(6)得Rsp≈0.9999.由于在架构的设计中加入了提高元器件质量及容错技术的思想,使得在计算机硬件有故障的情况下,计算机仍能继续运行.本系统架构采用稳定成熟的经典以太网组网架构,在确保整个综合安防系统底层架构的稳定性与可靠性之外,更提高了各安防子系统的信号传输系统的资源整合率和利用率,在节约了初期硬件投资的同时,具有比市面上成熟架构来讲更高的可靠性.
3应用实例简介
本文提出的安防系统,结合了经典以太网组网结构以及信息处理技术,旨在为系统日益复杂的大型综合安防系统提供一种先进的设计架构模型,采用全新的综合管理平台软件对整个安防系统进行统一管理.
经过可行性论证、需求设计与评审、系统设计、开发、测试等阶段,团队人员历时多月的努力最终完成整个服务系统,现已在上海某单位顺利上线,进入推广使用阶段.
系统在正常运行30天后,在监控工作站上利用PING命令随机测试了几个前端IPC的响应时间(Byte=32,论文范文L=128),结果如下：
1#汇聚节点下192.168.2.16#IPC数据,如图4所示：
通过以上测试,可以看出,由于采用了VLAN划分以及万兆主干带宽的设计,整个网络时延较短,即使在负荷较重的4#汇聚节点,网络时延仍在可控制的范围内,说明整个安防网络架构合理,系统运行正常,满足设计要求.
最终发布的安防系统子系统包括：视频监控系统、防盗报警系统、周界电子围栏系统、电子门禁系统以及电子巡更系统.系统方案的设计符合技术先进、架构合理、产品主流、低成本、低维护量的总要求.整个系统选型、软硬件设备的配置符合高新技术的潮流,关键的视频数字化、压缩、解压、传输,均采用在国内外T程建设中被广泛采用的产品,并具备相关部门的资格认证主流设备.系统设备的选型具有最优性能论文范文比.系统的架构保证了系统能安全平稳运行,有效地消除各系统可能产生的瓶颈并通过合适的设备保证各子系统具备良好的扩展性.期间发现个别细节问题,但并无重大乃至影响整个系统正常运行的问题存在.
截止到本文撰写时间,系统已无故障运行近1年,满足了客户实际的使用需求,提升了体彩在服务方面品质,同时也增强了企业在同行业中的竞争力,达到了预期目标.
4结论
本文在综合安防系统设计需求的基础上,采用了经典三层以太网络架构模型,并结合了综合安防管理平台软件的设计,对其中的技术关键点予以详细描述.设计中引入了可靠性测评模型,本文从人为因素、设备因素和环境因素三方面对火灾自动报警系统可靠性的影响因素进行了概括性的阐述,对系统可靠性的分析方法进行总结性的分析.该体系架构针对如今数字式安防系统的综合设计及实施提供了一种可行方案.以X所的实施项目的监测数据的评估结果表明,整套综合安防系统架构合理、运行稳定、响应及时并且管理高效,验证了整套设计思路的正确性和适用性.本系统的设计与应用有助于加速国产安防监控系统基础实施、应用的技术研发和产业化推广,既是我国信息产业转型升级、由弱变强的重要支撑,也是保障国家信息安全的必由之路.
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系统可靠性设计与分析引用文献:
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[3] 优秀机械可靠性设计论文题目 机械可靠性设计专业论文题目怎样拟
