安防监控集成管理系统可用性仿真分析

芦杉

（中国核电工程有限公司郑州分公司）

安防监控集成管理系统可用性仿真分析

芦杉

（中国核电工程有限公司郑州分公司）

论文分析现代安防监控集成管理系统的基本功能与结构组成，应用可靠性框图分析结合蒙特卡洛模拟仿真的方法进行了安防监控集成管理系统的可用性实例仿真分析，提出了提高系统可用性的措施建议。该方法能够有效完成安防监控集成管理系统的可用性及运行维护费用的仿真分析研究，为系统的运行维护提供理论依据。

安防监控集成管理系统；可用性；可靠性框图；蒙特卡洛

1 引言

随着现代安防新技术的快速发展，安防监控系统已实现高度的智能化、集成化。安防监控集成管理系统将分散的安防子系统进行有机互联与综合，通过功能集成、数据库集成、网络集成以及软件平台集成等方式，提高系统整体集成化程度，增强综合管理能力[1]。建立高可用性的安防监控集成管理系统，对有效提升安防监控系统整体可靠度、可用度，进一步保障社会公共安全具有重要意义。

2 安防监控集成管理系统功能组成分析

典型安防监控集成管理系统由探测报警管理控制、门禁管理控制、视频管理控制等子系统组成，基本结构如图1所示。

1）报警管理控制由管理控制器、管理工作站及软件等部分组成，完成周界及场所内部探测报警信号的采集、分类分级分析、指示显示、联动控制、记录统计分析等功能；

图1 安防监控集成管理系统功能结构组成

2）门禁管理控制由管理控制器、管理工作站及软件等部分组成，用于实现人员、车辆进出识别器信息的采集、显示与分析处理及三叉门、电动门等通道执行机构的自动控制，以及控制规则设置、联动控制、访客管理、在线巡更等功能；

3）视频管理控制由矩阵管理系统、存储管理系统、显示系统、管理工作站及软件等部分组成，完成实时视频图像的切换控制与显示，录像存储管理及调用，以及大屏幕拼接控制、系统管理设置等功能；

4）通信管理控制由有线、无线通信系统控制主机及管理软件等组成，为安防监控系统提供有效的语音通信保障；

5）供电管理控制由主备用电源及电源监控系统等组成，为安防监控系统提供可靠的电力供应；

6）网络管理控制由各层网络交换机、网络安全设备及网络管理软件等组成，为整个系统提供畅通无阻的信息交互、传输通道及信息安全保障；

7）集成管理控制由管理服务器、管理工作站及集成平台软件等组成，用于解决各子系统之间的互联互通问题，实现各子系统信息、事件的数据集成显示与控制，形成具有信息交互、数据抽取、综合分析、智能管理等功能的综合应用系统，为保安管理人员提供完整、明晰、简洁的交互式操作平台，协助保安管理人员便捷地控制、管理和维护整个安防监控系统。

3 基于蒙特卡洛模拟的系统可用性仿真方法

3.1 基本原理

蒙特卡洛模拟法也称随机模拟法。它是用概率模型作为近似计算的一种数学模拟方法，以随机抽样法为手段，根据系统的可靠性功能框图进行可靠性预计[2]。蒙特卡洛计算机模拟仿真求解，即通过构造随机概率模型、各随机变量基于均匀分布产生满足相应随机模型的随机数、设计选取适用的抽样方法，对各随机变量进行抽样、结合系统模型进行仿真试验计算、统计分析模拟试验结果等步骤求解工程技术问题。

系统可靠性框图模型是系统故障特征规律的数学描述，由代表系统中设备或功能的方框、逻辑关系和连线、节点组成，是预计或估算系统可靠性、可用性的基本输入模型[3]。然而，当系统的结构组成复杂、设备种类多数量大且设备寿命为非指数分布或任意分布时，常规的解析计算法难以解决可用性分析问题。基于系统的可靠性框图分析模型，应用蒙特卡洛模拟仿真则能够很好地完成系统的可用性分析工作。基于安防监控集成管理系统具有结构复杂、设备种类多等特征，蒙特卡洛模拟仿真适用于该系统的可用性分析。在模拟仿真过程中，结合各种设备的故障模式特点，选择适用的模拟抽样方法，提高仿真速度及准确性等。

3.2 基本过程

1）系统功能组成分析、故障定义及可靠性框图建模

通过对系统的结构组成、基本原理、功能层次、接口关系、时间过程等方面的深入分析，制定系统的功能框图或功能流程图等，明确系统的任务定义，给出系统故障的判别标准，进而建立系统的可靠性框图分析模型，采用方框图的形式直观地表示出系统中所有单元之间的相互依赖关系。

2）输入参数确定

通过现场调研、资料查询等方式获得系统中各种设备的可靠性、维修性等相关输入参数。

3）蒙特卡洛模拟仿真分析计算

优选计算机数字仿真软件，结合系统可靠性框图模型及系统中各设备的故障模式特征，选用适用的模拟抽样方法，输入系统设备的可靠性、维修性参数及其他仿真参数，完成模拟仿真及结果统计分析。

4 某安防监控集成管理系统可用性仿真分析

4.1 系统组成

结合图1所示的安防监控集成管理系统功能结构组成模式，某安防监控集成管理系统组成如表1所示。该系统由报警及门禁管理控制、视频管理控制、集成及网络管理控制、供电及通信管理控制等4个子系统、32套设备组成。该系统在正常工作状态下，集成管理显示控制有效、数据有效实时传输交互、报警门禁系统信息显示正常控制有效、视频系统切换控制及存储正常、电源稳定不间断、通信畅通无阻；无法实现上述任一项功能则视为系统故障。

4.2 可靠性框图建模

根据系统组成及功能、故障分析，应用数学仿真平台软件建立安防监控集成管理系统及各子系统的可靠性框图分析模型。

1）建立总系统可靠性框图

安防监控集成管理总系统由4个子系统串联组成，可靠性框图如图2所示。

图2 安防监控集成管理系统可靠性框图模型

2）建立各子系统可靠性框图

进一步构建各子系统可靠性框图模型，具体如图3、图4、图5、图6所示。

图3 报警及门禁管理控制子系统可靠性框图模型

图4 视频管理控制子系统可靠性框图模型

表1 某安防监控集成管理系统组成

图5 集成及网络管理控制子系统可靠性框图模型

4.3 输入参数确定

结合该系统的具体设备选型，通过调研设备生产厂家以及用户现场的应用维护情况数据，获取系统20种设备的可用性数据参数（含可靠性数据参数及维修性数据参数）。可靠性数据参数主要包括设备的可靠度、失效分布函数、平均故障间隔时间（MTBF）；维修性数据参数主要包括修复性维修时间、修复性维修人员及设备需求、计划定期检修时间、计划定期检修人员及设备需求、维修人员及设备费用需求，以及各级备品备件的数量、费用、延迟时间等参数。

部分设备的可用性数据参数如表2所示。

4.4 模拟仿真及结果分析

1）模拟仿真

按照用户对该系统的运行要求，设置系统仿真运行寿命为15年（131 400h），系统仿真次数为500次，对系统寿命周期内的可用性及运行维护费用进行仿真分析，结果如表3、表4所示。

2）结果分析

（1）可用性仿真结果分析

在系统运行的15年间，安防监控集成管理系统总停工43.95次、总停工时间794.6h，平均故障间隔时间为2990h（约125天、4.2个月）。视频管理控制子系统的故障率最高，平均故障间隔时间为6361h，主要是由于该子系统组成设备种类较多且大屏幕显示系统的故障率较高等原因导致。在集成及网络管理控制、供电及通信管理控制子系统中，集成服务器、集成工作站、核心交换机、供电电源、卫星通信终端等重要设备均采取了冗余备份方式。卫星通信终端选用了三取二并联模式，供电电源更是选择了三取一并联模式，且网络交换机、有线对讲主终端等设备的可靠性较高，故该两个子系统的故障率较低。

总系统故障的平均修复时间为18.08h（约0.8天）。其中，由于集成及网络管理控制子系统故障所引起的修复时间最长，46.35h（约1.9天），主要是集成软件、网络交换机等设备的修复时间较长。由于报警控制器、门禁控制器及管理工作站等均设有备品备件，因此由于报警及门禁管理控制子系统故障所引起的修复时间最短，7.31h（约0.3天）。

图6 供电及通信管理控制子系统可靠性框图模型

（2）运行维护费用仿真结果分析

在系统运行的15年间，安防监控集成管理总系统的运行维护总费用为59.64万元，其中，人员维护检修费用9.76万元，占总费用的16.4%；工具设备使用费用3.07万元，占总费用的5.1%；备品备件的采购、储存及维修费用46.81万元，占总费用的78.5%。因此，在系统运行期间，系统设备备品备件的采购、储存、更换等的费用是系统运行维护费用的最重要组成部分。

5 提高安防监控集成管理系统可用性的措施建议

1）优选可靠性高、寿命时间长的硬件设备，如大屏幕显示器、存储阵列等；对重要设备采取必要的冗余热备份措施，实现故障时自动切换功能。

2）配置必要的、数量足够的备品设备、备品零部件等，有效缩减系统或设备故障时的维修时间，降低故障期带来的安全影响。

3）提高维护维修人员的技术水平，提升维护维修工作效率，从而降低系统或设备故障时的维修时间以及由此所带来的人工及设备费用。

6 结束语

本文通过深入分析安防监控集成管理系统的功能结构组成，应用可靠性框图分析结合蒙特卡洛模拟仿真的方法，进行安防监控集成管理系统的可用性仿真分析，并完成了典型系统的仿真分析，提出了改进措施建议。应用该方法，能够对系统后期运行期间的故障率、平均故障间隔时间、可用度等参数，以及系统运行维护中的人工费、设备使用费、备品备件费等参数进行仿真分析，从而为系统的运行维护提供理论依据，进一步提升安防监控系统的整体可用度。

表4 某安防监控集成管理系统运行维护费用仿真结果

【1】纪勇.综合安防集成管理平台研究[J].铁道通信信号，2012，48（3）：52-54.

【2】程五一，王贵，吕建国.系统可靠性理论[M].北京：中国建筑工业出版社，2010（3）.

【3】曾声奎，赵廷弟，张建国，康锐，石君友.系统可靠性设计分析教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001（1）.

Analysis of the Usability Simulation for the Security Monitoring and Controlling System

LU Shan
（Zhengzhou Branch of China Nuclear Power Engineering Co., Ltd.）

The analysis the basic function and structure of the integrated management system of modern security monitoring, application reliability block diagram analysis combined with the Monte Carlo simulation method of integrated management system for security monitoring availability simulation analysis, put forward to improve system availability measures suggested. This method can effectively complete the security monitoring and management system of the availability and operation and maintenance costs of the simulation analysis of the research, provide a theoretical basis for the operation and maintenance of the system.

security monitoring and control integrated management system; availability; reliability block diagram; Monte Carlo

10.13655/j.cnki.ibci.2015.07.020