基于物联网技术和负载均衡机制的现代化监狱系统分析与设计

徐　黎

(1.海军工程大学 武汉 430032; 2. 武汉女子监狱 武汉 430030)



基于物联网技术和负载均衡机制的现代化监狱系统分析与设计

徐黎1,2

(1.海军工程大学 武汉 430032; 2. 武汉女子监狱 武汉 430030)

摘要：随着国际国内形势复杂的变化和发展，监狱安全稳定压力日益加大。本文基于物联网技术和负载均衡机制，设计了一种现代化监狱综合应用平台。该应用平台能全面整合监狱安防系统、业务信息系统和指挥应用系统，能有效满足监狱日常监管、应急指挥、综合信息研判和辅助决策等实际应用需求。

关键词：物联网；负载均衡；射频识别；现代化监狱

1引言

随着国际国内形势复杂的变化和发展，监狱安全稳定压力日益加大，教育改造质量要求提高到一个新的高度，在更高层面上要求监狱工作科学合理发展。当今物联网技术和计算机信息网络技术高速发展和应用的普及，将有力提高监狱的现代化信息管理水平。以信息化、智能化体系为支撑，以高素质高起点人才为保障，创建信息化特征的现代化文明监狱管理体系，是引领我国监狱管理工作迈向科学发展和现代化建设，同时对于促进公正执法，确保监管安全等功能具有十分重要的现实意义和理论研究价值[1]。

物联网(Internet of Things)指的是将无处不在(Ubiquitous)的末端设备(Devices)和设施(Facilities)，包括具备“内在智能”的传感器、移动终端、工业系统、数控系统、家庭智能设施、视频监控系统等，和“外在使能”(Enabled)的，如贴上RFID的各种资产(Assets)、携带无线终端的个人与车辆等等“智能化物件或动物”或“智能尘埃”(Mote)，实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化。

监狱等监管场所是对监控系统防护等级要求级别最高，并且目前的监狱管理系统只具有监视、控制等基本功能，视频、门禁、报警等各个子系统往往是独立运作，形成信息孤岛，无法共享和及时联动，这样直接导致无法快速发挥预警和防范的作用[2]。利用现代物联网技术和服务器负载均衡机制，有效实现各子系统间的资源共享与信息互通，实现监狱管理系统的各类资源有机协调和应急指挥，是现代化监狱管理迫在眉睫亟需解决的关键问题。

2物联网与负载均衡

“物联网技术”的核心和基础仍然是“互联网技术”，是在互联网技术基础上的延伸和扩展的网络技术；其用户端延伸和扩展到了任何物品和物品之间，进行信息交换和通讯。因此，物联网技术的定义是：通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术叫做物联网技术。

物联网是物与物、人与物之间的信息传递与控制。在物联网应用中有三项关键技术。(1)传感器技术：这也是计算机应用中的关键技术。到目前为止绝大部分计算机处理的都是数字信号。自从有计算机以来就需要传感器把模拟信号转换成数字信号计算机才能处理。(2)RFID技术：RFID技术是融合了无线射频技术和嵌入式技术为一体的综合技术，RFID在自动识别、物品物流管理方面有着广阔的应用前景。(3)嵌入式系统技术：该技术综合了计算机软硬件、传感器技术、集成电路技术、电子应用技术为一体的复杂技术。如果把物联网用人体做一个简单比喻，传感器相当于人的眼睛、鼻子、皮肤等感官，网络就是神经系统用来传递信息，嵌入式系统则是人的大脑，在接收到信息后要进行分类处理。

现代化监狱管理体系的核心是充分运用物联网等信息技术，以更深入的数字智能化感知更全面的互联互通、更有效的协同管理与共享为原则，获取更为全面的各项关键信息，进行信息的有效集成、智能处理和充分交换与共享[3]。物联网是指通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念[4-5]。

负载均衡技术是将系统的负载根据服务器节点的计算能力，将工作任务均衡分配到不同的服务器节点，维持系统的高可用性，保证系统服务器节点既不处于满负荷状态又不处于满空闲状态，避免出现运算服务瓶颈，从而大幅提升平台的承载和处理能力[6-7]。通过负载均衡技术部署时候，监狱管理平台的集群系统内某台服务器出现故障，该技术可以自动将出现故障的服务器负载工作任务动态地分配到其他服务器中，这样有效保障系统的持续、高可靠运行。

3现代化监狱体系设计

现代化监狱综合应用平台支持RFID等物联网技术的应用，可对监狱在押人员和干警准确定位，实现对在押人员的实时、动态管理，同时对警力部署情况实时掌握，使监狱的安全监管能在任意时间、任意地点对人的安全行为、物的安全状态及环境、管理状况进行有效监控，从而大幅度提升监狱的安全性和管理效率。综合应用平台从横向上以监控图像资源和报警信息为核心，实现周界报警、高压电网、紧急报警、巡更、门禁等各类安防信息综合治理的全面集成和联动，实现各子系统间的资源共享和信息互通；在纵向上以“指挥室——分控中心——指挥中心”三级管理、应用平台，可做到各类资源协同共享、应急指挥、综合信息研判和辅助决策，其结构图如图1所示：

应用平台的人员定位功能主要通过监狱GIS地图，提供人员实时定位、活动轨迹回放、非法越界报警、出入关口报警、非法聚集报警、信号丢失报警等多种功能，从而实时掌握监狱内各监区、劳动场所等区域在押人员的具体活动情况，有效防止在押人员的出逃，减少罪犯结党闹事的概率，做到对重点及高危人员的有效监控，对暴力事件及时准确的跟踪，有效地保障了干警和在押人员的人身安全和执行效率。

图1　现代化监狱综合应用平台

现代化监狱综合应用平台可以实现基于智能视频分析引擎，提供穿越警戒线报警、监舍内在押人员异常行为、目标快速移动、目标突然聚集报警等功能，并与图像显示系统联动。该功能模块还可以利用先进的计算机图像处理技术和数据库技术，对视频监控中的图像信号缺失、模糊、偏色、雪花、噪声等常见故障作出准确判断，并自动记录侦测结果，从而迅速锁定目标。同时，该模块能将视频流集中进行存储、智能搜索和分类标注。图2显示的是现代化监狱综系统的逻辑结构图。

图2　现代化监狱综系统的逻辑结构

现代化监狱综合应用平台可以提供应急预案分类、分级维护、预案模板维护、预案制定、预案审批、预案修订、预案评估、预案比对、预案查询，多媒体预案编辑等功能。在监狱发生报警后，可根据监狱应急预案、安全管理的需要，在地图上快速定位，报警点的图标自动闪烁，并通过声、光提示值班人员快速进行处理；应用平台能自动启动预先设置的联动方案，将部署在该报警点附近的摄像机图像切换至指挥中心电视墙，获取现场有效画面，供调度指挥使用。同时对应急资源进行调度，并提供强大的信息支撑和必要的辅助决策手段，从而能动态、实时、高效地对处理方案和应急任务进行相应调整。

4性能测试与分析

在本文设计的现代化监狱综合应用平台上，为了测试负载均衡机制的性能，特进行了以下实验。

图3　服务器的任务执行时间比较

图4　不同服务器的系统吞吐量比较

图3 显示的是服务器的任务执行时间比较，图4显示的是不同服务器的系统吞吐量比较。从图3的实验结果不难看出：随着并发请求的任务数量在不断增加，系统的任务执行时间也在迅速递增。在系统部署了负载均衡机制后，五个服务器的任务执行时间比较接近，表明系统接近负载均

衡。从图4的实验结果不难分析出：当系统部署了负载均衡机制后，十个服务器的系统吞吐量比较接近；但是当系统未采用负载均衡机制时，十个服务器的系统吞吐量相差非常大，最高的达到33，而最小的只有5，表明系统出现严重的负载不均衡现象，这样直接导致系统的执行效率较低。

5结论

本文设计的基于物联网技术和负载均衡机制的现代化监狱综合应用平台，以智能感知、互联互通、协同共享的建设理念，全面整合监狱安防系统、业务信息系统和指挥应用系统，能有效满足监狱日常监管、应急指挥、综合信息研判和辅助决策等综合管理和实际应用需求。性能测试结果有效显示了该应用平台能全面提升监狱日常精细化管理和突发事件应急处置的水平和能力。

参考文献:

[1] 杨书. 监狱生产的演变及其对新型监狱管理体制的影响和启示[J]. 西南农业大学学报(社会科学版),2011,9(1):61-66.

[2]杨书.我国新型监狱体制改革的思考和探索[J].西南政法大学学报,2007,10(4):77-82．

[3]王保云.物联网技术研究综述[J].电子测量与仪器学报,2009,23(12):1-7.

[4]刘强,崔莉,陈海明.物联网关键技术与应用[J].计算机科学,2010,37(6):1-10.

[5]朱洪波,杨龙祥,于全.物联网的技术思想与应用策略研究[J].通信学报,2010,31(11):2-9.

[6]K.S. Chatrapati, J.U. Rekha, A.V. Babu. Competitive equilibrium approach for load balancing a computational grid with communication delays[J]. Journal of Theoretical and Applied Information Technology, 2010,19(2):126-133.

[7]P.K. Suri, Singh Manpreet. An efficient decentralized load balancing algorithm for grid[C]. Proceeding of the 2nd International Advance Computing Conference.2010:10-13.

Analysis and Design of Modern Prison System Based on the Internet of Things Technology and Load Balancing Mechanism

XU Li1,2

(1. Naval University of Engineering, Wuhan 430032, China; 2. Wuhan Women’s Prison, Wuhan 430030, China)

Abstract:With the changes of the complex international and domestic situation, the security and stability of the prisons are under increasing pressure. This paper designs a comprehensive modern prison application platform based on the Internet of Things technology and load balancing mechanism. The proposed application platform is able to fully integrate the prison security systems, business information systems and command applications and effectively meets the practical needs of daily supervision of prisons, emergency command, the study on comprehensive information and decision supporting.

Key words:The Internet of Things; load balancing; radio frequency identification; modern prison

收稿日期：2015-12-12

作者简介：徐黎(1981-)，男，湖北武汉人，硕士研究生，研究方向为物联网。

中图分类号：TP393

文献标识码：A

文章编号：1674-344X(2016)02-0048-03