Разработка программного обеспечения конфигурирования аппаратно-программного комплекса распределённой обработки видеообразов

Интеллектуальный поиск в архиве Active Search основан на «интеллектуальном» объектном детекторе SIMT (Simple Intelligent Motion TRASSIR) и интерактивном инструменте визуального поиска, открывает новое измерение для доступа анализа и распознавания видеоданных.

3.3.8 Поддержка IP-устройств программным обеспечением

Программное обеспечение поддержки TRASSIR является одним из самых мощных по функциональности и технологиям, отечественным софтверным продуктом для IP-видеонаблюдения. Программное обеспечение TRASSIR обеспечивает полноценную работу как с IP-видеоустройствами производства DSSL, так и других производителей. Структурная схема устройства для работы с программным обеспечением представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Структурная схема устройства получения и предобработки видеоинформации

Для применения IP-видеокамер и организации гибридных систем целесообразно выбрать видеорегистраторы NVR, имеющие рекордные мощности среди существующих в мире NVR. В линейке IP-видеорегистраторов TRASSIR, позволяющих записывать и отображать до 128 каналов мегапиксельного видео, имеется компактный бюджетный Mini NVR, на базе которого решена поддержка стандарта ONVIF и гибридный видеорегистратор, объединяющий аналоговые и IP-видеокамеры. Модели в линейке IP-видеосерверов TRASSIR Lanser представлены Lanscr-Mobilc II (усовершенствованная версия популярной модели) и Lanser-Mobile F - мобильный регистратор нового поколения. Все они поддерживают совершенно новые функции работы с IP-системами, включая стандарт ONVIF, уникальный автоматический поиск IP- видеокамер и NVR в пределах подсети распределенной структуры, видеоаналитику, без которой немыслимо ультрасовременное IP-видеонаблюдение (автоматический поиск событий в архиве видеоконтента ActiveSearch+ , а также оптического детектирования огня и дыма - TRASSIR Fire&Smoke Detector), детектор саботажа.

3.3.9 Функции роботизированного управления

Роботизированное управление видеокамерами Active Dome* обеспечивает автоматическое управление телеметрией с помощью интеллектуального детектора объектного трассирования SIMT. TRASSIR осуществляет управление телеметрией (PTZ) поворотных камер, которые поддерживают распространенные протоколы Pelco-P или Pelco-D, а так же видеокамерами таких производителей как Lilin, Samsung, Pelco, CNB и Hitron, Infinity и Tedd, а также модели камер других производителей, если они поддерживают перечисленные протоколы.

Для удобства предусмотрено управление с цифровой панели компьютерной клавиатуры. TRASSIR обладает и уникальной запатентованной системой управления скоростными поворотными камерами - ActiveDome. Функция интерактивного управления поворотными видеокамерами Active Dome, позволяет оператору одним кликом мыши увеличить нужный объект в 15-20 раз, не прерывая общего наблюдения.

На основе анализа рассмотренных характеристик элементной базы делаем вывод о том, что аппаратно-программная платформа DSSL TRASSIR наилучшим образом соответствует задаче комплексирования на ее основе проектируемого комплекса опознавания объектов наблюдения, траекторий и характера их перемещений. Представляя собой программно-аппаратную гетерогенную структуру, с выполнением операции предобработки и конечной обработки видеоконтента от уровня аналоговых приемников видеопотока до цифровых интеллектуальных преобразователей сформированных видеообразов.

Адаптивность распределенной сети обработки видеоконтента с децентрализованным выполнением процедур (алгоритмов) в видеосерверах реализуется на уровнях:

1) варьируемой возможности предобработки визуальных образов на уровне интеллектуальных видеокамер (видеокамер с процессорами интеллектуального анализа и обработки изображений);

2) варьируемой совокупности сенсорных средств (аналоговые и IP видео камеры, тепловизорные и радиочастотные средства и пр.);

3) изменяемого набора процедур обработки на уровне предобработчика и видеосервера;

4) изменяемого направления и топологии информационных потоков к видеосерверам обработки, рисунки 3.2, 3.3.



Рисунок 3.2 - Топология видеопотоков

3.3.10 Структура, топология и алгоритм работы комплекса

Выбранным вариантом создания распределенной системы на базе DSSL TRASSIR является базовая IP- платформа.

На внешнем уровне комплекса целесообразно применить гибридные конфигурации DSSL TRASSIR с установкой необходимого количества аналоговых видеокамер и IP-Hub (1Р-видеосерверов) для оцифровки и анализа поступающего от них видеосигнала. Поскольку потенциально избыточная аналоговая видео-информация дает возможность локального (автономного) решения задач анализа и опознавания непосредственно в устройствах ее получения в состав комплекса включаются интеллектуальные видеокамеры, имеющие дополнительную буферную память для записи и работающие как «автономное» устройство записи. Если они находятся в «спящем» режиме, изображения непрерывно записываются в буферную память, а при возникновении нештатной ситуации в них активизируется начало регистрации и анализа изображений, включая сохраненные IP-камерой в буфере предшествовавшие сигналу тревога, что, в итоге, значительно снижает нагрузку на каналы связи системы и позволяет более экономично использовать ее ресурсы.



Рисунок 3.3 - Структура гетерогенной системы

Цифровой видеопоток по оптоволоконным каналам поступает в устройства обработки и хранения данных (видеосервера с установленным программным обеспечением), а затем распределяется на удаленные средства комплекса для продолжения дальнейших аналитических действий, таких как:

1) анализ внесённых и убранных предметов, анализ появления и элементов поведения людей в охраняемой зоне, запись видеоинформации при обнаружении контролируемого события и идентификация нарушений;

2) идентификация человека по лицу, радужной оболочке глаза, но определённым элементам поведения, метрическим характеристикам;

3) слежение за персоналом в рабочих помещениях, выявление отсутствующих сотрудников, распознание сотрудников отлучившихся от работы в рабочее время, выявление внештатных ситуаций.

IP-мониторинг комплекса позволяет контролировать с одного компьютера несколько зон наблюдения. Одновременно без необходимости вести просмотр и запись многочасовых архивов при наличии большого числа камер в одной системе видеомониторинга, позволяя изменять чувствительность видеокамер и датчиков в зонах контроля, что способствует уменьшению ложных срабатываний из-за технологических или технических факторов (вентиляция, вибрация).

Оборудование видеоконтроля комплекса имеет сопряжение с иными системами контроля и безопасности и, в зависимости от характера ситуации, может подключать системы пожарной сигнализации и пожаротушения, оповещения, СКУД, а также технические устройства дымоудаления, пример функционирования представлен на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 - IP-мониторинг

4. ПРИМЕНЕНИЕ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

4.1 Выбор средств автоматизации

Конкретные типы средств автоматизации выбирают с учетом особенностей технологического процесса и его параметров. В первую очередь принимают во внимание такие факторы, как пожаро- и взрывоопасность, агрессивность и токсичность среды, число параметров, участвующих в управлении, и их физико-химические свойства, дальность передачи сигналов информации и управления, требуемые точность и быстродействие. Эти факторы определяют выбор методов измерения технологических параметров, требуемые функциональные возможности регуляторов и приборов (законы регулирования, показание, запись и т.д.), диапазоны измерения, классы точности, вид дистанционной передачи и т.д. Выбирая тот или иной прибор по функциональному признаку, необходимо простоту и дешевизну аппаратуры сочетать с требованиями контроля и регулирования данного параметра. Проектирование осуществлялось при помощи следующих средств: операционные средства, которые поддерживают проектирование операций обработки информации. В данной работе в качестве таких средств используется среда программирования, осуществляющая обработку и захват видео по технологии DirectShow; средства, поддерживающие разработку проекта на стадиях и этапах процесса проектирования, к ним относятся CASE - средства. В данной работе функционально-структурного моделирования системы использовалось CASE - средство BPWin.

4.2 Построение диаграмм

Наиболее трудоемкими этапами разработки ИС являются этапы анализа и проектирования, в процессе которых CASE - средства обеспечивают качество принимаемых технических решений и подготовку проектной документации.

Для проектирования комплекса с коллективным распознаванием объектов заданного класса применялось CASE - средство BPWin. BPWin - средство функционального моделирования, реализующее методологию IDEF. Методология IDEF0 может использоваться для моделирования широкого круга предметных областей. Процесс моделирования какой-либо системы в IDEF0 начинается с построения контекстной диаграммы, т.е. наиболее абстрактного уровня описания системы в целом. Контекстная диаграмма является вершиной древовидной структуры диаграмм и представляет собой самое общее описание системы и ее взаимодействие с внешней средой.

Диаграммы - главные компоненты модели, все функции системы и интерфейсы на них представлены как блоки и дуги. Место соединения дуги с блоком определяет тип интерфейса. Управляющая информация входит в блок сверху, в то время как информация, которая подвергается обработке, показана с левой стороны блока, а результаты выхода показаны с правой стороны. Механизм (человек или автоматизированная система), который осуществляет операцию, представляется дугой, входящей в блок снизу. Одной из наиболее важных особенностей методологии IDEF0 является постепенное введение все больших уровней детализации по мере создания диаграмм, отображающих модель. Контекстная диаграмма аппаратно-программного комплекса автоматического визуального определения объектов изображена на рисунке 4.1.



Рисунок 4.1 - Контекстная диаграмма аппаратно-программного комплекса

Входная информация представлена информацией с видеокамер и интеллектуальных камер, которая поступает для обработки на видеосервер. На выходе получаем информацию о принадлежности объекта к заранее заданному в программе классу объектов. Управляющей информацией является информация об объекте, который появился в зоне видеонаблюдения. Механизмом, который реализует работу программного средства, является интеллектуальные видеокамеры и видеосервера.

Процесс проектирования комплекса состоит из этапов рисунке 4.2: выделение объекта; выявление геометрических признаков объекта, анализ геометрических признаков объекта.

Этап «Выделение объекта» разбивается на функциональные блоки рисунке 4.3: перехват опорного кадра, перехват кадра по таймеру, преобразование изображения в полутоновое; сравнение кадров.



Рисунок 4.2 - Диаграмма декомпозиции первого уровня

Рисунок 4.3 - Диаграмма декомпозиции второго уровня

Основные элементы модели представлены в таблицах 4.1-4.4.

Таблица 4.1 - Словарь

Термины	Определение
Аппаратно - программный комплекс	Совокупность технического и программного обеспечения, баз данных, используемых для управления
Имеющиеся ресурсы	Аппаратно - программный комплекс в распоряжении предприятия
Обработанные данные	Данные, получаемые на выходе аппаратно- программного комплекса
Входящие документы	Данные, предоставляемые от внешнего источника, например, информация с видеокамер

На диаграмме, представленной на рисунке 4.4, изображен процесс выявления геометрических признаков объектов: выделение контура объектов, выделение элементов объектов.

По контуру объектов рассчитываются его характеристики: высота объекта, ширина объекта, периметр контура объектов, занимаемая объектом площадь.

При анализе геометрических признаков рассматриваются рассчитанные по абсолютным показателям их инвариантные значения (такие, как отношение ширины к высоте, отношение удвоенного квадрата периметра контура объекта к его площади). Это необходимо для того, чтобы процедура распознавания была инвариантна относительно изменения поворота и масштаба объекта.

Далее все рассчитанные характеристики сравниваются с эталонными значениями, и принимается решение об отнесении объекта к соответствующему классу или решение о невозможности распознавания объекта. Основные элементы модели представлены в таблицах 4.4 - 4.6.

Таблица 4.2 - Основные элементы модели

Название проекта: Организация аппаратно-программного комплекса автоматического визуального определения характерных признаков наблюдаемых объектов
Цель проекта: Реализация структурно-функциональной модели аппаратно программного комплекса автоматического визуального определения характерных признаков наблюдаемых объектов
Технология моделирования: метод функционального моделирования IDEF0
Инструментарий: программный продукт BP Win 4.0
Список данных	Перечень функций
Информация с видеокамер Информация с интеллектуальных камер Объект в зоне видеонаблюдения Видеосервер Информация о принадлежности объекта какому-либо классу	А0. Аппаратно - программного комплекса автоматического визуального определения характерных признаков наблюдаемых объектов
Информация с видеокамер Информация с интеллектуальных камер Объект в зоне видеонаблюдения Видеосервер Информация о принадлежности объектов какому-либо классу Выделенный объект Геометрические признаки	А1. Выделение объекта А2. Выявление геометрических признаков объектов АЗ. Анализ геометрических признаков объектов
Информация с видеокамер Информация с интеллектуальных камер Объект в зоне видеонаблюдения Видеосервер Опорный кадр Кадр с объектом Полутоновое изображение Выделенный объект	A11. Перехват опорного кадра А12. Перехват кадра по таймеру А13. Преобразование изображения в полутоновое А14. Сравнение кадров

Таблица 4.3 - Описание функциональных блоков

Наименование блока	Описание решаемых задач
1	2
А1. Выделение объектов	На этом этапе происходит перехват опорного кадра, который остается неизменным, и перехват кадра в реальном времени через каждую секунду. Кадры сравниваются между собой. Если кадры отличаются, то выделяется появившийся в кадре объект для дальнейшего распознавания.
А2. Выявление геометрических признаков объектов	На данном этапе происходит выделение контура объектов, основных элементов объектов. Геометрические признаки выявляются путем анализа контура объектов и расстояний между элементами объектов.
АЗ. Анализ геометрических признаков объектов	Здесь происходит сравнение полученных значений геометрических признаков с эталонными значениями и отнесение объектов к соответствующему классу.
А11. Перехват опорного кадра	На данном этапе происходит перехват опорного кадра, который остается неизменным.
А12. Перехват кадра по таймеру	Здесь происходит перехват кадра из видеопотока по таймеру каждую секунду.
А13. Преобразование изображения в полутоновое	На этом этапе происходит преобразование опорного кадра и перехваченного по таймеру кадра в полутоновое изображение.
А14. Сравнение кадров	На данном этапе сравнивается перехваченный по таймеру кадр с опорным кадром. Если они различаются то происходит выделение объектов.

Построение диаграммы IDEF3. IDEF3 является технологией, ориентированной на описание процедур сбора данных при структурном анализе.

Рисунок 4.4 - Диаграмма IDEF3 функции выявления геометрических признаков объектов

Таблица 4.4 - Основные элементы модели

Название проекта: Организация аппаратно-программного комплекса автоматического визуального определения характерных признаков наблюдаемых объектов
Цель проекта: Реализация структурно-функциональной модели аппаратно программного комплекса автоматического визуального определения характерных признаков наблюдаемых объектов
Технология моделирования: метод функционального моделирования IDEF3
Инструментарий: программный продукт BP Win 4.0
Идентификационный №	Наименование действий
1	Выявление геометрических признаков объектов
2	Выделение контура объектов
3	Выделение элементов объектов
4	Наименование действия
5	Определение ширины
6	Определение площади
7	Определение периметра
8	Определение расстояний между элементами объектов
9	Анализ признаков

Таблица 4.5 - Словарь

Термины	Определение
Сворачивающееся соединение	Объединяет потоки, завершение одного или нескольких действий, вызывает начало выполнения другого действия.
Разворачивающееся соединение	Используется для разбиения потока и завершение одного действия вызывает начало выполнения нескольких других.
Временное предшествование	Исходное действие должно завершиться прежде, чем конечное действие сможет начаться.
Объектный поток	Выход исходного действия является входом конечного.

Таблица 4.6 - Описание действий

Наименование действия	Описание действия
Выявление геометрических признаков объектов	Вызов процедур выделения контура объектов и выделения элементов объектов.
Выделение контура объектов	Определяются координаты точек контура объектов.
Выделение элементов объектов	Определяются координаты точек элементов объектов как средних линий частей объектов.
Определение высоты	Определяются минимальная и максимальная координата по Y, находится их разность.
Определение ширины	Определяются минимальная и максимальная координата по X, находится их разность.
Определение площади	Определяется количество пикселей, занимаемых объектом на изображении.
Определение периметра	Определяется количество пикселей в контуре объекта
Определение расстояний между элементами объектов	Определяется количество пикселей между элементами объектов.
Анализ признаков	Рассчитываются отношения абсолютных геометрических признаков объекта, которые анализируются для принятия решения об отнесении объектов к классу.

Построение диаграммы потоков данных DFD. Диаграммы потоков данных DFD в основном необходимы для разработки программного обеспечения, моделируя систему, как набор действий, соединенных друг с другом. В диаграмме имеются хранилища данных (эталонные признаки объектов). Такая диаграмма представлена на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5 - DFD диаграмма декомпозиции функции распознавания выделенного объекта

Основные элементы модели представлены в таблицах 4.7, 4.8, 4.9.

Таблица 4.7 - Словарь

Термины	Определение
Хранилище данных	Объекты собирающие и хранящие информацию.
Внешние сущности	Объекты моделирующие взаимодействие с теми частями системы, которые выходят за границы моделирования.
Процесс	Преобразование входной информации в выходную.
Потоки данных	Механизмы, которые показывают передачу информации от одного процесса к другому.
DFD-диаграмма	DFD-диаграммы моделируют систему как набор действий, соединенных друг с другом стрелками

Таблица 4.8 - Основные элементы модели

Название проекта: Разработка аппаратно - программного среды визуального определения характерных признаков видео объектов
Цель проекта: Реализация структурно - функциональной модели комплекса визуального определения характерных признаков объектов
Технология моделирования: метод функционального моделирования DFD
Инструментарий: программный продукт BP Win 4.0
Тип элемента	Наименование элемента модели
Хранилище данных	Эталонные признаки объектов
Внешние сущности	Выделенный объект
Тип элемента	Наименование элемента модели
Функциональные блоки	Выделение контура объектов Выделение элементов объектов Выявление геометрических признаков объектов Анализ геометрических признаков объектов Отнесение объектов к соответствующему классу

Таблица 4.9 - Описание элементов модели DFD

Наименование элемента	Описание
Выделенный объект	Распознается системой
Эталонные признаки объектов	С эталонными признаками сравниваются в геометрические признаки объектов
Выделение контура объектов	Определяются координаты контура объектов для расчета геометрических признаков объектов
Выделение элементов объектов	Определяются координаты элементов объектов для расчета геометрических признаков объектов
Выявление геометрических признаков объектов	Расчет отношений абсолютных значений геометрических признаков, полученных при анализе контура и элементов объектов
Анализ геометрических признаков объектов	Сравнение полученных отношений с эталонными признаками объектов
Отнесение объектов к соответствующему классу	На основе анализа делается вывод о принадлежности объектов к какому-либо классу

5. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КОМПЛЕКСА АНАЛИЗА ВИДЕООБЪЕКТОВ

5.1 Разработка алгоритма организации вычислительных средств комплекса, в структуру поэтапного решения задачи анализа видеообъекта

Рассматриваемый подход к выполнению задачи анализа видео объекта можно считать методом коллективного, поэтапного распознавания, подразумевающего, что объект будет анализироваться не но какому-либо параметру, а по набору различных характеристик (например, геометрических характеристик контурных линий объекта, иных характерных элементов объектов). Последовательность распознавания представлена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 - Блок-схема последовательности этапов распознавания

В этой связи необходимо осуществить выбор наборов (подпространств) признаков объектов и вариативный набор решающих правил при реализации коллективного подхода к задаче их распознавания. В качестве признаков могут быть построенные не только на анализе видеоизображений видимого диапазона, но и не менее точные образы, например, термографические. Использование же интеллектуальных камер с непосредственной предобработкой дает уникальную строго индивидуальную картину образов объектов, например, человека. Сочетание методов формирования образов для распознавания, например, по видеоизображению и термографическому изображению, имеет серьезные перспективы в решении проблем идентификации. Так, рассматриваемый адаптирующийся распределенный комплекс способен выполнять анализ различных подпространств признаков поэтапным коллективным способом, включающим в себя последовательно-параллельное интеллектуальное распознавание в диапазоне различных данных. Итоговый результат такой работы должен складываться из результатов распознавания на всех его этапах, что дает более достоверный результат.

Как отмечалось, анализ изображения, в интеллектуальных камерах и видеосерверах, представляют собой сложную комплексную процедуру. Не менее сложную задачу представляет из себя алгоритм маршрутизации по передаче данных. Выполнение такого алгоритма представлено на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2 - Выполнение алгоритма Беллмана-Форда

На рисунке в вершинах графа показаны значения атрибутов d на каждом этапе работы алгоритма, а выделенные ребра указывают на значения предшественников: если ребро (u, v) выделено, то prev[v] = u. В рассматриваемом примере при каждом проходе ребра ослабляются в следующем порядке: (t, х), (t, у), (t, z), (x,t), (у,х), (у, z), (z,x), (z,s), (s,t), (s,y). В части а рисунка показана ситуация, сложившаяся непосредственно перед первым проходом по ребрам. В частях б-д проиллюстрирована ситуация после каждого очередного прохода по ребрам. Значения атрибутов d и prev, приведенные в части д, являются окончательными.

5.2 Методы, алгоритмы и программа анализа изображений средствами комплекса

Искусственные системы восприятия и анализа технологической и общей обстановки являются объектами одного из наиболее быстро и эффективно развивающихся направлений. Однако вместе с развитием и усложнением структур подобных систем увеличивается и сложность их схемотехнических решений, - распределенных и децентрализованных комплексов преобразователей и анализаторов видеоконтента объектов, их сцен и ситуаций. Структура и топология их информационных потоков может быть представлена такой моделью, как двоичная логическая матрица. Оптимизация процессов преобразования видеоконтента во многом зависит от оптимизации направления их информационных потоков на свободные вычислительные ресурсы системы. Результат работы децентрализованной распределенной сетевой во многом зависит от оперативной адаптации, оптимизации ее информационно-топологических параметров, представленных на рисунке 5.3.



Рисунок 5.3 - Пример распределенного комплекса

Поэтому важной задачей представляется оптимизация, т.е. сокращение текущих «размеров» свободной для обработки информации вычислительной структуры, например, путем нахождения кратчайшего и наименее загруженного пути для передачи информации. Реализация алгоритма нахождения кратчайшего пути достаточно ресурсоемка при относительно больших размерах сети. Определение кратчайшего пути необходимо выполнять автоматически и оперативно для определения достаточного набора средств решения задач, где эффективность и качество методов и алгоритма оказывает существенное влияние на конечный результат.

5.2.1 Математическая модель задачи

Алгоритм маршрутизации является тем фундаментом, на котором строится вся работа базовой сети с архитектурой TCP/IP. Обеспечение надёжных сетевых услуг требует определённой динамики маршрутизации. Неожиданные изменения в связности базовой сети должны рассматриваться как обычные явления и соответствующим образом обрабатываться, так же как и перегрузки отдельных направлений и каналов.

Просмотр таблицы маршрутизации происходит в три этапа:

- ищется соответствие адреса, записанного в IP-пакете, адресу места назначения в маршрутной таблице. В случае успеха пакет посылается соответствующему IP-маршрутизатору или непосредственно хост-ЭВМ. Связи “точка-точка” выявляются именно на этом этапе;

- ищется соответствие адреса, записанного в IP-пакете, адресу некоторой региональной сети места назначения (одна запись в таблице маршрутизации соответствует всем хостам, входящим в данную региональную сеть). В случае успеха система действует так же, как и в предыдущем пункте;

- ищется маршрут «по умолчанию», если таковой предусмотрен; дейтаграмма посылается в соответствующий маршрутизатор.

Существуют статические и динамические алгоритмы обновления таблицы.

Статический алгоритм есть способ маршрутизации, не изменяющийся при изменении топологии и состояния сети. Примерами являются алгоритмы случайной и лавинной маршрутизации.

Случайная маршрутизация - передача данных из узла в любом, случайным образом выбранном направлении, кроме направления, по которому данные поступили в узел. Данные, совершая «блуждания» по сети с конечной вероятностью когда-либо достигают адресата.

Лавинная маршрутизация - передача данных из узла во всех направлениях, кроме того, по которому поступили данные. Очевидно, что хотя бы одно направление обеспечит доставку пакета за минимальное время, т.е. лавинная маршрутизация гарантирует малое время доставки.

Шлюзы, входящие в состав одной автономной системы, могут выполнять алгоритм динамической маршрутизации - протоколы на основе алгоритма Беллмана-Форда.

Каждой дуге графа ставится в соответствие действительное число, называемое длиной дуги; тогда длина пути определяется суммой длин составляющих его дуг.

Обычно это число переприёмов или средняя задержка пакетов, но возможны и другие метрики, например, пропускная способность канала связи, надёжность.

5.2.2 Алгоритм Беллмана-Форда

Алгоритм Беллмана-Форда позволяет решить задачу о кратчайшем пути из одной вершины в общем случае, когда вес каждого из ребер может быть отрицательным. Для заданного взвешенного ориентированного графа G = (V, Е) с истоком s и весовой функцией w: Е -» R алгоритм Беллмана-Форда возвращает логическое значение, указывающее на то, содержится ли в графе цикл с отрицательным весом, достижимый из истока. Если такой цикл существует, в алгоритме указывается, что решения не существует. Если же таких циклов нет, алгоритм выдает кратчайшие пути и их вес.

В этом алгоритме используется ослабление, в результате которого величина d[v], представляющая собой оценку веса кратчайшего пути из истока s к каждой из вершин v є V, уменьшается до тех пор, пока она не станет равна фактическому весу кратчайшего пути из s в v. Значение TRUE возвращается алгоритмом тогда и только тогда, когда граф не содержит циклов с отрицательным весом, достижимых из истока.

Формальное описание:

Bellman_Ford(G, w, s)

1 Initialize_Single_Source(G, s)

2 for i «- l to |V[G]|-1

3 do for (для) каждого ребра (u, v) є E[G]

4 do RELAX(u,v,w)

5 for (для) каждого ребра (u, v) є E[G]

6 do if d[v] > d[u] + w(u, v)

7 then return FALSE

8 return TRUE

После инициализации в строке 1 всех значений d и prev, алгоритм осуществляет |V| - 1 проходов по ребрам графа. Каждый проход соответствует одной итерации цикла for в строках 2-4 и состоит из однократного ослабления каждого ребра графа. После |V| - 1 проходов в строках 5-8 проверяется наличие цикла с отрицательным весом и возвращается соответствующее булево значение.

Алгоритм Беллмана-Форда завершает свою работу в течение времени O(V*E), поскольку инициализация в строке 1 занимает время O(V), на каждый из |V| - 1 проходов по ребрам в строках 2-4 требуется время в O(E), а на выполнение цикла for в строках 5-7 - время O(Е). .

Шлюзы, работающие по алгоритму Беллмана-Форда, хранят вектор длин кратчайших маршрутов до всех сетей, входящих в состав объединённой сети.

Периодически каждый шлюз передаёт свой вектор соседним шлюзам автономной системы, а элементы вектора, принятого от соседнего шлюза, складываются с длинами исходящих линий связи.

На основе полученной таблицы строится новый вектор длин кратчайших маршрутов - алгоритм Беллмана-Форда (DV - алгоритм Distance Vector).

Протоколы на основе DV-алгоритма достаточно просто реализуются, требуют мало памяти и процессорного времени, однако они обладают рядом общих недостатков. При увеличении количества сетей, входящих в состав автономной системы, резко возрастает количество передаваемой информации, т.к. DV-алгоритм требует, чтобы все шлюзы периодически передавали свои векторы длин маршрутов.

5.3 Программная реализация

Алгоритм, нахождения кратчайшего пути графа позволяет программно реализовать процедуры определения оптимальной (в указанном смысле) топологии информационной взаимосвязи видеосерверов - обработчиков видеоконтента. И тем самым, оптимизировать использование вычислительных ресурсов общей распределенной сети видеоанализа объектов, их сцен и ситуаций посредством поиска покрытий получаемой сети. В качестве средства программирования выбрана интегрированная среда разработки Borland Delphi 7. в операционной системе Windows 7 Pro SP1. Скомпилированная и отлаженная программа (road.exe) с аппаратно системными требованиями Pentium-4 ~2.3 Gh.

5.3.1 Интерфейс программы

При запуске программы отображается окно дополнительной информации и появляется основная форма, представленная на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4 - Меню программы и задание параметров построения графа

Далее требуется построить вершины и связать их в любом порядке, а также выбрать начальную вершину и конечную.

5.3.2 Результаты работы программы

Если построен граф А, представленный на рисунке 5.5, и выбрана начальная вершина R1 и конечная R8:

Рисунок 5.5 - Граф А

Тогда кратчайший путь будет выведен в результате, представленный на рисунке 5.6:

Рисунок 5.6 - Кратчайший путь от вершины R1 до R8 в графе А

Разработанная на языке программирования Delphi в среде программирования Borland Delphi 7 и апробированная на ряде контрольных примеров программа позволяет находить кратчайшие покрытия графов, в том числе с большим количеством вершин методом Беллмана-Форда.

На основании приведенных результатов, можем считать, что рассмотренная программа достаточно эффективно реализует алгоритмы нахождения кратчайшего пути матрицы А.

Любая вершина графа представляет собой маршрутизатор (роутер/компьютер/сервер), через который проходит информация. И чем меньше таких вершин на пути, то тем быстрее будет доходить информация. А дуги и их длины - это кабели и степень их загруженности (пропускная способность сети).

6. ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

6.1 Технико-экономическое обоснование создания проектируемой системы

В ходе производства при помощи информационных систем осуществляется текущий контроль и управление технологическими операциями.

На этапе исследования определяется ожидаемый экономический эффект. Он служит критерием выбора наиболее целесообразного варианта создания и внедрения новой системы, принятия решения о включении научных исследований и разработок в планы работы.

Для проведения технико-экономического обоснования проектируемой системы необходимо:

рассчитать затраты на эксплуатацию вычислительной техники (Сэ) которые включают:

основную и дополнительную заработную плату персонала;

единый социальный налог;

амортизационные отчисления;

затраты на электроэнергию;

затраты на текущий и профилактический ремонт;

стоимость расходных материалов;

прочие расходы;

рассчитать себестоимость автоматизированного проектирования проектируемой системы;

рассчитать себестоимость проектируемой системы вручную;

определить экономическую эффективность создания проектируемой системы, которая характеризуется следующими показателями:

снижение трудоемкости;

экономия текущих затрат;

определить срок окупаемости капитальных вложений;

сделать вывод по полученным результатам.

6.1.1 Расчет затрат на содержание и эксплуатацию вычислительной техники (ВТ)

Основная заработная плата персонала в месяц:

Е=?Зпп ,(6.1)

где Зп.п. - заработная плата одного сотрудника АРМ в месяц;

Е - основная заработная плата персонала АРМ в месяц.

Заработная плата персонала АРМ взята по данным отдела кадров:

- начальник АРМа - 1405 руб.;

- инженер - программист - 1000 руб.;

- уборщица - 830 руб.

E=1405+1000+830=3235 руб.

Дополнительная заработная плата персонала в месяц принимается равной 10% от основной (по данным отдела кадров):

Зпд=Е?10%(6.2)

Зпд=3235?0,1=323,5 руб.

Основная и дополнительная заработная плата в год составит:

Зп=(Е+Зпд)?12,(6.3)

Зп= (3235+323,5)?12=42702 руб.

Единый социальный налог составляет 36,67% [7] от основной и дополнительной заработной платы:

Осоц= Зп?36,67%,(6.4)

Осоц=42702?0,3667=15658,82 руб.

Амортизационные отчисления (А) составляют 10% от стоимости вычислительной техники [9]. Балансовая стоимость оборудования Квт для выполнения работ взята по первоначальной стоимости, которая включает в себя стоимость одного компьютера - 15000 руб. и лазерного принтера - 7000 руб., Квт=22000 руб.

А=Квт?10%,(6.5)

А=22000?0,1=2200 руб.

Затраты на электроэнергию:

Зэл=Руст?Фд?Км?Мэ ,(6.6)

где Руст - установленная мощность вычислительной техники;

Фд - действительный годовой фонд времени работы оборудования;

Км - коэффициент использования мощности, Км =0,9;

Мэ - стоимость 1 кВт/час, Мэ=62 коп.

Установленная мощность вычислительной техники Руст определяется по формуле:

Руст=Рсу+Рпр+Рм , (6.7)

где Рсу - мощность системного устройства, Рсу = 180 Вт;

Рпр- мощность принтера, Рпр = 90 Вт;

Рм - мощность монитора, Рм = 100 Вт.

Pуст=180+90+100=370 Вт;

Pуст=0,37 кВт;

Действительный годовой фонд времени работы оборудования Фд рассчитывается по формуле:

Фд=(D-d)?h?s?Кз , (6.8)

где D - количество календарных дней в году, D = 365;

d - количество выходных и праздничных дней, d = 114;

h - время работы оборудования в смену, предусмотренное СНиП, h= 4,5;

s - количество рабочих смен, s = 2;

Кз- коэффициент загрузки оборудования, Кз = 0,9.

Фд=(365-114)?4,5?2?0,9=2033 ч.;

Затраты на электроэнергию по формуле (6.6) составят:

Зэл=0,37?2033?0,9?0,62=419,73 руб.

Затраты на профилактический и текущий ремонт составляют 5% от балансовой стоимости вычислительной техники:

Зрем=Квт ? 5% ,(6.9)

Зрем=22000?0,05=1100 руб.

Стоимость расходных материалов составляет 1% от балансовой стоимости вычислительной техники:

М= Квт ? 1%,(6.10)

М=22000?0,01=220 руб.

Прочие затраты составляют 0,5% от балансовой стоимости вычислительной техники:

Зпроч=Квт?0,5%,(6.11)

Зпроч=22000?0,005=110 руб.

Затраты на содержание и эксплуатацию вычислительной техники равны сумме всех вышеперечисленных затрат

Сэ=Зп+Осоц+А+Зэл+Зрем+М+Зпроч (6.12)

Сэ=42702+15658,82+2200+419,73+1100+220+110=62410,55 руб.

Себестоимость одного машино-часа работы АРМ в расчете на одно рабочее место:

, (6.13)

руб.

Общая стоимость затрат указана в таблице 6.1.

Таблица 6.1 - Затраты на содержание и эксплуатацию вычислительной техники

Затраты	Стоимость
Основная и дополнительная заработная плата в год Единый социальный налог Амортизационные отчисления Затраты на электроэнергию Затраты на профилактический и текущий ремонт Стоимость расходных материалов Прочие расходы Итого:	42702 15658,82 2200 419,73 1100 220 110 62410,55
Себестоимость одного машино-часа	30,7

6.1.2 Себестоимость автоматизированного проектирования проектируемой системы

Фонд времени, затрачиваемый на проектирование с применением системы автоматизированного проектирования.

Фв=D?h?Кз , (6.14)

где D - количество дней, затраченных на проектирование , D=2;

h - время работы в день, h=8 час.;

Кз - коэффициент загрузки оборудования, Кз=0,9.

Фв=2?8?0,9=14,4 час.

Основная заработная плата инженера-специалиста, выполняющего автоматизированное проектирование, составляет 910 руб. в месяц.

Основная заработная плата в час при 8ми часовом рабочем дне и 22х днях в месяц:

руб.

Дополнительная заработная плата принимается 10% от основной:

Зпд=74,45?0,1=7,44 руб.

Основная и дополнительная заработная плата за время, затраченное на проектирование, составит:

Зпд=74,45+7,44=81,89 руб.

Единый социальный налог принимается в размере 36,67% от суммы основной и дополнительной заработной платы:

Осоц=81,89?0,3637=30,03 руб.

Себестоимость автоматизированного проектирования проектируемой системы:

Сап=81,89+30,03+30,7?14,4=554 руб.

6.1.3 Себестоимость ручного проектирования проектируемой системы

Общая трудоемкость:

, (6.15)

где t - время, затраченное на проектирование;

tо - время оформления чертежей.

час.

Основная заработная плата персонала в месяц включает:

- специалист 950 руб.;

- чертежник 850 руб.

Основная заработная плата персонала в час:

- специалист:

руб.

- чертежник:

руб.

Дополнительная заработная плата персонала принимается 10% от основной:

специалист:

Зпд=0,1?216=21,6 руб.;

чертежник:

Зпд=0,1?540,96=54,1 руб.

Основная и дополнительная заработная плата за время, затраченное, на проектирование и создание проектируемой системы:

Зп=216+540,96+21,6+54,1=832,66 руб.

Единый социальный налог принимается в размере 36,67% от суммы основной и дополнительной заработной платы:

Осоц=832,66?0,3667=305,34 руб.

Себестоимость работ без учета затрат на расходные материалы

Ср=832,66+305,34=1138 руб.

6.1.4 Определение экономической эффективности создания проектируемой системы

При определении экономической эффективности за основу для сравнения принимается действующий метод (ручной) решения задачи проектирования. Экономическая эффективность внедрения вычислительной техники характеризуется следующими показателями:

1. снижение трудоемкости, определяемое по формуле:

, (6.16)

где Тр - трудоемкость ручной работы;

Тн - трудоемкость автоматизированной работы.

ч.

Снижение трудоемкости при автоматизированном проектировании по сравнению с ручным определяется по формуле:

2. экономия текущих затрат:

, (6.17)

руб.

Экономия текущих затрат при автоматизированном проектировании по сравнению с ручным:

.

6.1.5 Определение срока окупаемости капитальных вложений

Срок окупаемости капитальных вложений определяется по формуле:

, (6.18)

где Крз - капитальные вложения, которые определяются по формуле:

, (6.19)

где Т - трудоемкость решения задачи на ЭВМ, час;

Фд - действительный годовой фонд времени, в час.

руб.

года

месяца.

Все рассчитанные показатели сводим в таблице 6.2.

Таблица 6.2 - Затраты на ручное и автоматизированное проектирование проектируемой системы

Показатель	Автоматизированное проектирование	Ручное проектирование
1	2	3
Фонд времени, затрачиваемый на проектирование, час	14,4	152
Основная заработная плата, руб.	74,45	756,96
Дополнительная заработная плата, руб.	7,44	75,7
Основная и дополнительная заработная плата, руб.	81,89	832,66
Единый социальный налог, руб.	30,03	305,34
Затраты на эксплуатацию вычислительной техники, руб.	442,08	-
Себестоимость проектирования проектируемой системы, руб.	554	1138
Снижение трудоемкости: час. %	137,6 90,52	-
Экономия текущих затрат: руб. %	584 51,3	-
Срок окупаемости капитальных вложений, мес.	4	-

Разработанная методика по созданию проектируемой системы автоматизированного проектирования позволяет снизить трудоемкость работы на 90,52%, при этом экономия текущих затрат составляет 51,3% по сравнению с традиционным (ручным) способом черчения. Срок окупаемости капитальных вложений составляет 4 месяца.

7. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Система охранная телевизионная (СОТ) - система видеонаблюдения замкнутого типа, предназначенная для получения телевизионного изображения с охраняемого объекта в целях обеспечения противокриминальной защиты. Системы видеонаблюдения представляют собой отдельный вид систем безопасности для охраны объекта, которые способны обеспечить постоянный визуальный контроль над определенной территорией в целях моментального реагирования на непредвиденные ситуации. На сегодняшний день системы видеонаблюдения позволяют следить как за целыми зданиями, так и за отдельными помещениями. А удешевление этих систем дает возможность устанавливать их даже в небольших офисах, на мелких предприятиях и в частных домах, квартирах.

Охрана с использованием видеонаблюдения решает ряд задач по наблюдению за объектами охраны без участия человека, что позволяет значительно экономить на персонале при организации грамотной работы системы.

СОТ позволяет значительно повысить эффективность охраны на объекте и сократить время принятия решения при возникновении внештатной ситуации.

По желанию заказчика система видеонаблюдения для охраны может комплектоваться и другими дополнительными элементами (распознавание лиц, регистрация государственных номерных знаков на автомобилях, подключение к POS терминалам и т.л.). На сегодняшний день можно создать системы любого уровня сложности, благодаря чему обеспечивается безопасность на самом высоком уровне.

Но прежде чем приступить к разработке системы необходимо ознакомиться с техническими требованиями, которые предъявляются к проектированию мер безопасности при эксплуатации систем видеонаблюдения. Рассчитаем дальше меры безопасности и узнаем о работе системы в условиях ЧС

7.1 Проектирование мер безопасности при эксплуатации систем видеонаблюдения

Меры предосторожности:

-во избежание поражения электрическим током не вскрывайте работающих блоков и не допускайте попадания в них воды;

-не рекомендуется использование сетевых адаптеров питания сторонних производителей;

-не устанавливайте в отсеки питания совместно аккумуляторы и батарейки, так же соблюдайте полярность установки источников питания;

-не используйте разряженные батарейки и новые совместно;

- не пытайтесь заряжать обычные элементы питания алкалиновые или солевые;

-не создавайте короткого замыкания у сетевых адаптеров, это приведет к выходу их из строя;

-не допускайте попадания блоков камер посторонним в руки;

-во избежание ударов током не включайте блоки питания в комнатах с повышенной влажностью;

-избегайте сильного нагрева блоков, не размещайте их рядом с повы- шенными источниками тепла, не закрывайте вентиляционные отверстия в них;

-перед использованием убедитесь что кабели от блоков питания не мешают проходу и защищены от механических повреждений;

-не допускайте падение блоков, помните, что в случае их выхода из строя в следствие падения является не гарантийным случаем;

-при использовании аналоговой модели важно понимать, что сигнал никак не защищен от перехвата подобным устройством. При сильных помехах имеет смысл переключиться на другой канал;

-при установке камеры старайтесь избегать размещения ее вблизи металлических конструкций большой площади, поскольку расстояние работы может быть сильно сокращено.

Работы, при выполнении которых электромонтажник находится выше 1,5м от поверхности рабочего настила, перекрытия или фунта, называются работами на высоте. К работе на высоте допускаются лица не моложе 18 лет, прошедшие медицинский осмотр, обучение требованиям безопасности труда, получившие специальное удостоверение.

Лица, допущенные к работе на высоте, проходят медицинский осмотр ежегодно.

Электромонтажные работы на высоте можно производить с лесов или подмостей с настилами шириной не менее 1 м, имеющих надежное ограждение в виде перил высотой не менее 1 м, а также с исправных стремянок и приставных лестниц. Раздвижные лестницы-стремянки должны иметь устройства, которые исключают возможность их самопроизвольного раздвигания. Приставные лестницы, устанавливаемые в местах движения транспорта или людей, ограждают или охраняют.

В необходимых случаях работать на высоте можно с неогражденных поверхностей или с постоянно укрепленных лестниц, но с обязательным применением проверенных и испытанных предохранительных поясов.

Предохранительные пояса должны быть снабжены паспортами и бирками. Пользоваться поясами, на которые нет паспортов, запрещается. Карабин предохранительного пояса должен иметь или сломанной запирающей пружиной не допускается. Предохранительные пояса через каждые 6 месяцев испытывают на статическую нагрузку 30 Н в течение 5 минут. При работе с приставных лестниц и стремянок прикрепляться к ним предохранительными поясами запрещается.

Запрещается работать с лестниц и стремянок около работающих машин, оборудования и над ними, а также вблизи токоведущих частей, находящихся под напряжением и не защищенных от случайного прикосновения к ним. При необходимости работы в таких местах машины и оборудование должны быть отключены, а токоведущие части отключены и заземлены.

При выполнении монтажных работ разрешается применять только исправный ручной инструмент. Ручной инструмент не должен иметь повреждений (трещин, сколов, выбоин) рабочих кромок, заусенцев и зазубрин в месте захвата инструмента рукой работающего, трещин и заусенцев на затылочной части рукояток.

Деревянные рукоятки ручных инструментов должны быть изготовлены из древесины твердых и вязких пород, гладко обработаны и надежно закреплены. На поверхности рукояток не допускаются выбоины и сколы.

Рукоятки молотков и кувалд должны быть заклинены металлическими клиньями. Насадка кувалды производится через нижний конец ручки.

При работе зубилом или другим ручным инструментом для рубки металла следует пользоваться защитными очками с небьющимися стеклами и рукавицами.

Сверлить отверстия и пробивать борозды в стенах, панелях, перекрытиях, в которых может быть расположена скрытая электропроводка, а также выполнять другие работы, при которых может быть повреждена изоляция проводов (кабелей) и установок, следует только после их отключения от источников питания. Монтаж, регулировка, замена или ремонт оборудования систем безопасности и их составных частей, соединительных линий производятся только при снятом напряжении.

Металлические корпуса приборов, аппаратуры, оборудования и других систем безопасности, за исключением аппаратуры, питающейся от автономных источников питания постоянного тока ниже 110 В и переменного тока ниже 42В, должны быть надежно заземлены.

При монтаже, техническом обслуживании и ремонте дверных извещателей, доводчиков, электрозамков необходимо закреплять дверь для предотвращения травм при ее случайном закрытии или открытии.

Если пробиваются или сверлятся сквозные отверстия в стенах и перекрытиях, а по другую сторону пробиваемого отверстия могут находиться или проходить люди, то специально выделенный работник должен предупреждать их об опасности.

7.3 Расчет мер безопасности (защитное заземление)

Заземление следует выполнять:

а) при напряжениях переменного тока 380 В и выше и постоянного тока 440 В и выше во всех электроустановках;

б) при напряжениях переменного тока выше 42 В и постоянного тока выше 110 В только в электроустановках, размещенных в помещениях с повышенной опасностью и в особо опасных, а также в наружных установках;

в) при любом напряжении переменного тока и постоянного тока во взрывоопасных установках;

Заземлители могут быть использованы как естественные, так и искусственные. Причём, если естественные заземлители имеют сопротивление растеканию, удовлетворяющие требованиям ПУЭ, то устройство искусственным заземлителями не требуется.

В качестве естественных заземлителей могут быть использованы:

а) проложенные в земле водопроводные и другие металлические трубопроводы, за исключением трубопроводов горючих и легковоспламеняющихся жидкостей, горючих или взрывчатых газов и смесей;

б) обсадные трубы, металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящиеся в непосредственном соприкосновении с землёй;

в) свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле и т.д.

В качестве искусственных заземлителей чаще всего применяют угловую сталь 60x60 мм, стальные трубы диаметром 35-60 мм и стальные шины сечением не менее 100 мм2.

Стержни длиной 2,5...3м погружаются (забиваются) в грунт вертикально в специально подготовленной траншее.

Вертикальные заземлители соединяются стальной полосой, которая приваривается к каждому заземлителю.

По расположению заземлителей относительно заземляемого оборудования системы заземления делят на выносное и контурное.

Выносное заземление оборудования показано на рисунке 7.1. При выносной системе заземления заземлители располагаются на некотором удалении от заземляемого оборудования. Поэтому заземленное оборудование находится вне поля растекания тока и человек, касаясь его, окажется под полным напряжением относительно земли

Uпр=Uз

Выносное заземление защищает только за счёт малого сопротивления грунта.

Рисунок 7.1 - Схема выносного заземления: 1 - заземляемое оборудование; 2 - заземлители

Контурное заземление показано на рисунке 7.2. Заземлители располагаются по контуру заземляемого оборудования на небольшом (несколько метров) расстоянии друг от друга. В данном случае поля растекания заземлителей накладываются, и любая точка поверхности земли внутри контура имеет значительный потенциал. Напряжение прикосновения будет меньше, чем при выносном заземлении.

Uпр=Uз - ?осн ,

где ?осн - потенциал земли

Рисунок 7.2 - Схема контурного заземления

Защитное заземление предназначено для обеспечения безопасности человека при прикосновении к нетоковедущим частям оборудования, случайно оказавшимся под напряжением, и при воздействии напряжения шага. Эти величины не должны превосходить длительно допустимых.

Uпр ? U пр.д.д.

Uш ? U ш.д.д.

В ПУЭ нормируются сопротивления заземления в зависимости от напряжения электроустановок.

В электроустановках напряжением до 1000 В сопротивление заземляющего устройства должно быть не выше 4 Ом; если же суммарная мощность источников не превышает 100 кВА, сопротивление заземления должно быть не более 10 Ом.