張翔　徐超越　鄭蓓蕾　俞祚明

摘 要：本文基于對(duì)校園安全的考慮，對(duì)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(jìn)一步仿真計(jì)算和試驗(yàn)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(lái)，傳感器最優(yōu)布局是傳感器研究領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)問(wèn)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(huì)各方面的安全問(wèn)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(duì)視頻傳感器的布局研究與優(yōu)化具有潛在的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)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(jià)格也不斷下降。視頻監(jiān)控設(shè)備越來(lái)越廣泛地進(jìn)入社會(huì)生活的方方面面，如高速公路的測(cè)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?kù)o的校園中也出現(xiàn)越來(lái)越多的監(jiān)控?cái)z像頭。然而，隨之而來(lái)的問(wèn)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(gòu)經(jīng)費(fèi)，我們對(duì)校園道路和監(jiān)控設(shè)備展開(kāi)了調(diào)查分析，希望通過(guò)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(wèn)題分析與建模、計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算、結(jié)果分析。

收集校園道路信息是為了方便對(duì)問(wèn)題建模，應(yīng)該確保信息的詳細(xì)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(wú)誤，尤其是小路、偏僻的道路等，這樣才能保證問(wèn)題分析的全面性。

道路與攝像設(shè)備信息收集完成之后，開(kāi)始進(jìn)行問(wèn)題分析與建模過(guò)程。此過(guò)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(shí)進(jìn)行全面分析與計(jì)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(shuō)，需要找一個(gè)可以量化的指標(biāo)來(lái)描述攝像裝備布局的合理程度，這個(gè)量化的指標(biāo)可以是從一個(gè)入口到一個(gè)出口每一個(gè)攝像設(shè)備的拍攝概率。利用圖論知識(shí)，整個(gè)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(diǎn)。首先要解決的問(wèn)題便是選擇走一條路的概率問(wèn)題。我們假設(shè)路的選擇是等概率的隨機(jī)事件，即當(dāng)遇到岔口的時(shí)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(jiǎn)化概率的計(jì)算，同時(shí)可以排除掉兜圈子的情況，大大降低了問(wèn)題的復(fù)雜度。通過(guò)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(wèn)概率的，也就是說(shuō)，通過(guò)分析道路路口的訪問(wèn)概率即可以得出攝像設(shè)備的合理程度。同時(shí)，一個(gè)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(guò)圖論的分析與數(shù)學(xué)建模，我們獲得了一個(gè)簡(jiǎn)化的問(wèn)題模型。這個(gè)問(wèn)題是計(jì)算機(jī)中圖論問(wèn)題經(jīng)典算法中的一種，被稱之為單源點(diǎn)圖遍歷問(wèn)題。在這個(gè)問(wèn)題中，我們需要遍歷圖來(lái)找到所有可行的路線，以此統(tǒng)計(jì)結(jié)點(diǎn)的訪問(wèn)概率。死路被拋棄的原因是到了死路需要回頭再尋找一個(gè)路線，若設(shè)備分布合理，依然會(huì)被監(jiān)控到。所以選擇統(tǒng)計(jì)所有可行路線結(jié)點(diǎn)的訪問(wèn)概率。次概率的統(tǒng)計(jì)方法是選擇事先標(biāo)識(shí)好每一個(gè)結(jié)點(diǎn)，當(dāng)遍歷到一個(gè)可行路線的時(shí)候，為此路線每一個(gè)結(jié)點(diǎn)增加一個(gè)訪問(wèn)次數(shù)，當(dāng)訪問(wèn)完所有可行路線的時(shí)候，記錄可行路線總數(shù)，每個(gè)結(jié)點(diǎn)訪問(wèn)次數(shù)除以路線總數(shù)就可以獲得每個(gè)結(jié)點(diǎn)訪問(wèn)的概率。

三、方案可行性分析

通過(guò)多次的結(jié)果分析與討論，此方法得到的概率雖說(shuō)有一定的局限性，但也是具有參考價(jià)值的數(shù)據(jù)。局限性在于，路線的選擇并非是完全隨機(jī)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(diǎn)位置才是最好的，同時(shí)，死路的丟棄有可能導(dǎo)致某些地區(qū)缺乏監(jiān)控。參考價(jià)值在于，這是一種理想狀態(tài)的數(shù)據(jù)，當(dāng)陌生人進(jìn)入校園的時(shí)候，等概率事件是可靠的，同時(shí)結(jié)點(diǎn)處的設(shè)備可以最大限度地發(fā)揮效率，節(jié)省校園開(kāi)支，也就是說(shuō)當(dāng)滿足此概率模型時(shí)，就會(huì)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(lái)加強(qiáng)校園安全。

參考文獻(xiàn)：

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(xiàng)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(jì)劃資助，項(xiàng)目編號(hào)：126031084。