基于层次分析法的安防监控系统可靠性分析

芦　杉，朱彦伟（中国核电工程有限公司郑州分公司）

基于层次分析法的安防监控系统可靠性分析

芦杉，朱彦伟
（中国核电工程有限公司郑州分公司）

论文结合层次分析法（AHP）基本理论，充分分析安防监控系统功能结构组成，建立了安防监控系统整体可靠性三层递阶层次结构模型。结合安防系统专家经验，通过下层因素重要性两两比较、判断矩阵构建、权值分析排序等步骤，得出安防监控系统9个基本组成因素对系统整体可靠性的重要性影响权值。通过结果分析提出了提高安防监控系统可靠性拟采取的6项措施建议。

层次分析；权值；安防监控

1　引言

近年来，随着国民经济的飞速发展，公共安全在各行各业中愈显重要。建立高可靠性的安防监控系统对于预防打击犯罪、维护社会治安、保证安全生产、保障财产及生命安全等具有重要意义。在当前主流安防监控系统的结构模式下，选用层次分析法（AHP）对影响安防监控系统整体可靠性的因素进行分析评估，提出提高系统可靠性的改进措施建议。

2　安防监控系统功能组成

安防监控技术由计算机技术、通信技术、网络技术、电子技术、智能控制技术等发展结合而成，应用于各行业重点区域的防范保护[1]。安防监控系统主要由系统前端的摄像机、入侵探测器，中间的信号传输设备，以及后端的管理控制设备等部分组成。基本结构如图1所示。

图1　机房节能诊断思路

监控摄像机包括设置在周界、场所及建筑物内重要位置处的固定式、球型、云台型等各类摄像机，用于防范区域的实时视频图像监视及报警复核，视频信号传输至控制中心实时显示及存储；入侵探测设备包括设置在周界及建筑物内重要位置处的电子围栏、振动电缆、微波、双鉴、门磁开关等入侵报警探测器，用于人员、动物等的非法入侵探测，报警信号传输至控制中心报警管理、控制设备；门禁识别设备包括设置在周界出入口通行门及建筑物重要位置出入口通行门处的读卡器、生物识别设备等，用于人员进出授权识别与核实，允许授权人员通行，拒绝未授权人员通行，门禁识别信号传输至门禁控制、管理设备；光信号传输设备包括用于视频、报警、通信等信号传输的各类光端发射机与接收机；电信号传输电缆泛指用于系统信号传输的各类型电缆；视频控制设备是指设在控制中心内的视频分配器、视频切换矩阵、控制键盘、数字化设备、录像存储设备以及监视大屏等显示设备，完成视频系统后端的切换控制、实时显示、录像回放等功能；门禁报警控制设备包括报警控制器、门禁控制器及相关接口模块等，完成报警接入控制、联动、门禁识别、执行机构控制等功能；管理服务设备是指设在控制中心内安防系统上端的各类型服务器、管理工作站及各类管理软件等，用于系统服务、数据服务及人机接口管理等；供配电设备包括用于整个系统供电的主供电回路设备、后备UPS电源及电池组，以及后备柴油发电机组等设备，为系统的稳定运行提供可靠的电源保障。

3　层次分析法（AHP）基本理论

3.1基本理论

由于社会系统的复杂性，系统工程中能应用自如地解决各类问题的方法很少，大部分复杂系统很难完全用定量的数学模型解决。追求建立一个完全精确的数学模型，其结果必然使解题十分繁复，耗资巨大。有鉴于此，美国运筹学家匹兹堡大学萨迪（T・L・Satty）教授提出了层次分析法（The Analytic Hierarchy Process，AHP）。

AHP是一种思维方式，把复杂问题分解成各个组成因素，又将这些因素按支配关系分组形成递阶层次结构，通过两两比较的方式确定层次中诸因素的相对重要性；然后综合决策者的判断，确定决策方案相对重要性总排序[2]。

3.2分析过程

AHP方法是一种定量与定性相结合将主观判断用数量形式表达和处理的方法。依据人们对实际问题的分析，利用层次单排序的方法得出各要素的权重值，通过层次总排序的方法得出底层因素对问题的相对重要性，确定最底层相对于最高层的相对重要权值，排列相对优劣次序[3]。AHP分析一般通过以下三步完成。

1）确定系统分析总目标，分层分析达到这一目标的影响因素，建立系统递阶层次结构。一般将问题中所含因素划分为三层：最高层为目标层，只有一个元素，是分析的最终目标；中间层为准则层，是影响最终目标的中间环节，含多个元素；最底层为基本层，是在上两层约束下的具体指标项。

2）对同一层次各因素关于上一层次某因素的重要性进行两两比较，构建判断矩阵并计算各因素相对权重。通过判断矩阵中各元素的值，反映对各因素相对重要程度的认识；通过分析判断矩阵的特征值问题，归一化同一层次各因素对上一层次某因素的相对重要性排序权值。

3）计算确定各层因素对系统目标的合成权重并进行排序，即利用同一层次中所有层次单排序的结果，计算该层所有元素对于最高层(总目标)相对重要性的排序权值，得出分析结果。

4　安防监控系统可靠性分析

4.1确立分层结构

针对安防监控系统的可靠性分析过程，系统整体可靠性即为分析评判总目标；进一步分析得，影响系统可靠性的因素主要包括系统的故障频率、故障时间及修复时间三类，确定为中间准则层元素；安防监控系统组成的9个部分即为基本层指标项。安防监控系统递阶层次结构及各层元素代号如图2所示。

图2　安防监控系统递阶层次结构

4.2构建判断矩阵与权值分析

递阶层次结构确定了系统上下层次之间元素的隶属关系。下一步采用两两比较的方法构造判断矩阵，确定在上一层各元素的约束下同层元素之间的相对重要性。依据心理学的“人区分信息等级的极限能力为7±2”的理论，按照1～9的比例标度对各元素的相对重要性进行赋值（赋值标度具体含义如表1所示）。

表1　判断矩阵赋值标度含义表

4.2.1准则层判断矩阵构建与权值分析

分析准则层故障频率、故障时间、修复时间相对于目标层系统整体可靠性的相对重要度，结合安防系统专家经验建立判断矩阵，如表2所示。

表2　准则层判断矩阵

分析计算故障频率（B1）、故障时间（B2）、修复时间（B3）对于安防监控系统整体可靠性（A）的重要性权值，即为计算判断矩阵的最大实特征根λmax与对应的归一化特征向量W。应用Matlab工具计算得λmax=3.0092，W=[0.5396，0.2970，0.1634]。

为确保计算的准确性，需进行一致性检验。表3为T．L．Satty给出的1～10阶矩阵的随机一致性指标值RI。判断矩阵的一致性指标值CI=（λmax-N）/(N-1)，N为矩阵阶数。当CI/RI（CR）＜0.1时，判断矩阵具有满意的一致性，否则需要调整判断矩阵元素取值。

由CI=0.0046，CI/RI=0.0079＜0.1，确定B1、B2、B3相对于A的权值分别为W1=0.5396，W2=0.2970，W3=0.1634。

表3　1～10阶矩阵随机一致性指标值RI

4.2.2基本层判断矩阵构建与权值分析

按照准则层判断矩阵构建及权值分析步骤，分别构建9个基本层（C1～C9）相对于3个准则层（B1～B3）的判断矩阵，并分析计算各基本层元素的相对权值W，结果如表4～表6所示。

表4　基本层（C1～C9）相对于B1的判断矩阵及权值

表5　基本层（C1～C9）相对于B2的判断矩阵及权值

表6　基本层（C1～C9）相对于B3的判断矩阵及权值

4.2.3确定基本层元素对系统分析总目标的相对权值

在计算出各层元素对上层元素相对权值的基础上，采取自上而下的方法，用上层元素本身的权值加权，综合计算出基本层元素相对于顶层总目标的总权值，结果如表7所示。

表7　基本层（C1～C9）相对于顶层总目标的总权值

进行总权值一致性校验得：CR=0.0168＜0.1，具有满意的一致性效果。

因此，对于安防监控系统整体可靠性总目标而言，9个基本层元素的重要性权值依次为：0.2079，0.1595，0.1153，0.0659，0.1163，0.0960，0.0944，0.0838，0.0608，分析柱状图如图3所示。

图3　安防监控系统基本层元素可靠性权值

将安防监控系统9个基本组成部分，按照对系统整体可靠性影响程度由高到低排序，依次为监控摄像机、入侵探测设备、电信号传输电缆、门禁识别设备、视频控制设备、门禁报警控制设备、管理服务设备、光信号传输设备和供配电设备。

4.3结果分析

4.3.1系统故障频率、故障时间及修复时间影响因素分析

摄像机、探测器、门禁识别装置等由于前端设备数量很大，且大多数均全天候工作在室外环境中，因此该3个基本部分是对系统整体故障频率影响较为严重的因素，造成的系统故障占所有系统故障总数的一半以上；同时，摄像机、探测器以及信号传输电缆对系统整体故障时间的影响较严重，造成的系统故障时间约占总时间的60%；由于管理服务器、供配电设备一般均采取了必要的冗余备份措施，稳定性较高，光纤通信设备及光缆的环境适应性较强、可靠性较高，故三者对系统故障频率及故障时间的影响程度较低；摄像机、探测器等设备均设有一定的备品备件，故障后维修时间较短，而管理服务器、供电系统等出现故障后所需的维修时间较长，影响系统的使用。

4.3.2系统整体可靠性影响因素分析

综合分析安防监控系统9个基本组成部分对系统整体可靠性的影响，监控摄像机、入侵探测设备的可靠性、稳定性对系统整体可靠性影响最大，任一摄像机故障所造成的图像丢失、画面严重失真，以及任一入侵探测器失效所造成的无效设防等问题，均会导致整个系统的功能故障；大量的系统信号传输电缆以及门禁识别设备对系统可靠性的影响次之，传输电缆蓄意或无意的外力破坏、门禁识别设备的高负荷运行亦会导致系统故障；设置在机房内的子系统及系统的管理控制设备在系统正常化运行后，一般能保证长期可靠运行，对系统整体可靠性影响较小；具有较高电源负荷等级的供配电设备以及高稳定性能的光信号传输设备对系统整体可靠性的影响最低。

5　提高安防监控系统可靠性拟采取的措施建议

1）提高前端监控摄像机、入侵探测设备以及门禁识别设备的单体可靠性，优选平均故障间隔时间、平均修复时间等参数性能优越的单体设备；结合系统规模需求，设置一定比例数量的备品备件。

2）电信号、光信号传输线缆严格按照标准规范施工安装，加强运行期间的线路巡检保护，有效降低线路中断等风险。

3）系统控制、服务设备应具备较高的稳定性，优选具有主机热备、通信冗余、自带备用电池等功能的系统设备。

4）系统电源建议在一级负荷，配备UPS以进一步保证电能质量及后备时间，条件允许时应设置柴油发电机组。

5）优选成熟的管理控制软件，有效、适用的管理软件是保证安防系统可靠运行的重要条件。

6）业主应组建专业化的安防系统运行、维护队伍，提高运维人员的技术水平，提升安防系统可用性。

6　结束语

本文应用AHP分析法，通过建立三层结构模型及分层评估分析，对影响安防监控系统可靠性的9个基本组成因素进行了分析，得出各基本因素对系统整体可靠性的影响权值并分析结果，给出了提高安防监控系统可靠性的有效改进措施建议，为进一步提高安防监控系统的可靠性设计、施工等水平，提供了一定的理论基础与指导。

【1】温素婷.未来安防监控市场[J].信息与电脑，2013（5）：77-78.

【2】王建芬,许树柏.层次分析法引论[M].北京：中国人民大学出版社，1990.

【3】张志源.基于层次分析法（AHP）的学校消防安全评估[J].中国公共安全.学术版，2011， 4(25)：71-75.

Reliability Analysis of Security Monitoring System Based on Analytic Hierarchy Process

LU Shan，ZHU Yan-wei
（Zhengzhou Branch of China Nuclear Power Engineering Co., Ltd.）

This paper analyzed the function structure of security monitoring system based on the principal theory of analytic hierarchy process (AHP); and built 3 layers hierarchical structure for overall reliability of security monitoring system. The paper worked out the influence weight of 9 basic factors to the overall reliability of the system by pairwise comparison of substratum factors importance, judging matrix structure, weight analysis and sorting, etc.

analytic hierarchy process; weight; security monitoring