校园视频监控布局分析优化方案浅析

张翔　徐超越　郑蓓蕾　俞祚明

摘 要：本文基于对校园安全的考虑，对校园视频监控器网络的布局提出一套行之有效的分析和优化方法，为进一步仿真计算和试验提供一些理论基础。

关键词：视频监控；最优化；数学建模

一、研究背景

近年来，传感器最优布局是传感器研究领域内的热点问题。传统的传感器以收集温度、声音等数据为主。但是由于社会各方面的安全问题日益突出，以捕捉图像信息为主的视频传感器获得空前的应用和发展。因此，对视频传感器的布局研究与优化具有潜在的社会价值和经济价值。随着科技的发展，视频监控设备的微型化、智能化等性能已经获得不同程度的提高。加之工艺流程、材料制造等领域的技术革新，监控设备的价格也不断下降。视频监控设备越来越广泛地进入社会生活的方方面面，如高速公路的测速监控、大街小巷的治安监控等。

由于受多种复杂因素的影响，校园内的不安全事件频发，于是宁静的校园中也出现越来越多的监控摄像头。然而，随之而来的问题是：这些摄像头的布局监控性能如何？能否优化？为了提高校园内摄像头的监控能力，减少监控设备的采购经费，我们对校园道路和监控设备展开了调查分析，希望通过收集的数据分析出当前校园监控设备的布局是否合理，并提出优化方案。

二、视频监控网络布局分析的方法

视频监控网络布局分析的主要步骤为：收集校园道路与摄像数据、问题分析与建模、计算机模拟计算、结果分析。

收集校园道路信息是为了方便对问题建模，应该确保信息的详细与准确。道路的描绘与摄像设备的位置应当准确无误，尤其是小路、偏僻的道路等，这样才能保证问题分析的全面性。

道路与摄像设备信息收集完成之后，开始进行问题分析与建模过程。此过程需要将具体的校园道路模型转化成抽象的数学模型，然后用图论知识进行全面分析与计算，找出该用什么方法处理此模型才可以获得比较可靠的数据，分析它用以描述摄像设备的分布是否合理。也就是说，需要找一个可以量化的指标来描述摄像装备布局的合理程度，这个量化的指标可以是从一个入口到一个出口每一个摄像设备的拍摄概率。利用图论知识，整个校园可以抽象为一张关系复杂的网，交叉的路口变成结点。首先要解决的问题便是选择走一条路的概率问题。我们假设路的选择是等概率的随机事件，即当遇到岔口的时候，我们是等概率地选择一条路的，而且不可以走回头路，除非走到了死路需要换一条路线。这样可以简化概率的计算，同时可以排除掉兜圈子的情况，大大降低了问题的复杂度。通过图论的分析可以得到，道路的布局是决定着摄像设备的访问概率的，也就是说，通过分析道路路口的访问概率即可以得出摄像设备的合理程度。同时，一个设备安放在路口是比放在路中的利用率要大得多，所以假设设备都是在路口有一定的合理性。

通过图论的分析与数学建模，我们获得了一个简化的问题模型。这个问题是计算机中图论问题经典算法中的一种，被称之为单源点图遍历问题。在这个问题中，我们需要遍历图来找到所有可行的路线，以此统计结点的访问概率。死路被抛弃的原因是到了死路需要回头再寻找一个路线，若设备分布合理，依然会被监控到。所以选择统计所有可行路线结点的访问概率。次概率的统计方法是选择事先标识好每一个结点，当遍历到一个可行路线的时候，为此路线每一个结点增加一个访问次数，当访问完所有可行路线的时候，记录可行路线总数，每个结点访问次数除以路线总数就可以获得每个结点访问的概率。

三、方案可行性分析

通过多次的结果分析与讨论，此方法得到的概率虽说有一定的局限性，但也是具有参考价值的数据。局限性在于，路线的选择并非是完全随机的事件，这受人的主观意愿的影响，摄像设备的位置也并非总是在结点位置才是最好的，同时，死路的丢弃有可能导致某些地区缺乏监控。参考价值在于，这是一种理想状态的数据，当陌生人进入校园的时候，等概率事件是可靠的，同时结点处的设备可以最大限度地发挥效率，节省校园开支，也就是说当满足此概率模型时，就会基本满足安全要求。在此基础上，可以再添加更加丰富的设备来加强校园安全。

参考文献：

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）.

基金项目：本文研究成果受江苏科技大学张家港校区本科生创新计划资助，项目编号：126031084。