本文分析了城市安防業(yè)務(wù)和技術(shù)的發(fā)展歷程和趨勢,從中提煉和挖掘出需要解決的重大技術(shù)問題,通過相關(guān)核心技術(shù)的突破和創(chuàng)新,最終能夠推進(jìn)城市安防的不斷發(fā)展,并對未來的城市安防業(yè)務(wù)和技術(shù)的發(fā)展方向做出展望。
城市安防現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)
隨著世界多極化、經(jīng)濟(jì)全球化和社會信息化等趨勢的深入發(fā)展,國際防恐形勢面臨新的挑戰(zhàn),國內(nèi)人口大規(guī)模流動,社會保障體系尚未完全建立,嚴(yán)重影響了社會穩(wěn)定與和諧。據(jù)2010年2月中國社科院發(fā)布的《法治藍(lán)皮書》統(tǒng)計,2009年我國刑事案件數(shù)達(dá)到530萬件,增幅在10%以上,治安案件數(shù)達(dá)到990萬件,增幅達(dá)15%左右。國務(wù)委員馬凱指出:中國正處于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化快速發(fā)展時期,各種利益關(guān)系錯綜復(fù)雜,各種傳統(tǒng)的和非傳統(tǒng)的、自然的和社會的風(fēng)險、矛盾交織并存,維護(hù)社會穩(wěn)定的任務(wù)艱巨,國家安全形勢更加復(fù)雜嚴(yán)峻。
目前,隨著“平安城市”的大力開展,安防產(chǎn)品、技術(shù)、業(yè)務(wù)的要求不斷提高,以及日新月異的安防市場環(huán)境和需求,使得我國安防行業(yè)在發(fā)展中面臨如下的四個問題和挑戰(zhàn):
(一)城市安防建設(shè)仍處于規(guī)?;瘮U(kuò)張階段
隨著“平安城市”建設(shè)的推廣,安防視頻監(jiān)控規(guī)模雖然不斷擴(kuò)大,但是,安防系統(tǒng)的建設(shè)仍處于規(guī)?;瘮U(kuò)張的低級階段,系統(tǒng)的工作模式較原始,主要是用于緊急報警和事后取證,無法為第一線的干警提供高效、可靠、安全的音視頻信息情報共享服務(wù),對一線干警主要業(yè)務(wù)的支撐明顯不足,同時,對以警務(wù)信息化為基礎(chǔ),以機(jī)動、協(xié)同、分析與預(yù)警、精確打擊為標(biāo)志的現(xiàn)代警務(wù)革命的需求響應(yīng)不夠,綜合防控效果非常有限。
(二)城市安防設(shè)備和系統(tǒng)受環(huán)境因素制約
由于現(xiàn)有的安防設(shè)備和系統(tǒng)受環(huán)境因素制約太多,環(huán)境適應(yīng)能力差,使得在實際視頻監(jiān)控環(huán)境中整個安防系統(tǒng)的使用效果非常限。
(三)城市安防視頻監(jiān)控報警數(shù)據(jù)的綜合分析效率低、深度應(yīng)用能力不足
由于視頻監(jiān)控報警數(shù)據(jù)因海量數(shù)據(jù)存儲成本和數(shù)據(jù)全生命周期管理技術(shù)缺乏被丟棄,安防數(shù)字信息資源沒有有效利用,所以無法開展歷史和異地串并案分析,難以發(fā)掘嫌疑目標(biāo)追蹤所需的深層線索,使得安防系統(tǒng)對視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)的綜合分析效率低下,深度應(yīng)用能力不足。
(四)城市安防統(tǒng)效能評估理論和方法欠缺
國內(nèi)在安全防范系統(tǒng)的效能評估領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)目前比較欠缺,安防設(shè)施效能評估停留在主觀經(jīng)驗階段,缺乏對安全防范系統(tǒng)的效能進(jìn)行科學(xué)、客觀地定量評估理論和模型,致使其防范作用難以有效發(fā)揮。
針對上述提到的目前我國安防行業(yè)面臨的問題和挑戰(zhàn),迫切的需要深入分析城市安防業(yè)務(wù)和技術(shù)的發(fā)展趨勢,從中提煉和挖掘出需要解決的重大技術(shù)問題,通過相關(guān)核心技術(shù)的突破和創(chuàng)新,最終能夠推進(jìn)城市安防行業(yè)的不斷發(fā)展。
城市安防業(yè)務(wù)和技術(shù)發(fā)展趨勢
城市安防業(yè)務(wù)和技術(shù)包括:多媒體信息技術(shù)、安防數(shù)字內(nèi)容管理技術(shù)、安防系統(tǒng)效能評估技術(shù)。這四項安防業(yè)務(wù)和技術(shù)的發(fā)展趨勢如下所述[4][5]
(一)多媒體信息技術(shù)的發(fā)展歷程和趨勢
視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢如下圖1所示。目前,在實際環(huán)境中,有限資源加大了業(yè)務(wù)拓展對高效媒體壓縮技術(shù)的依賴。但是,主要通過增加運(yùn)算復(fù)雜度來提高壓縮效率的傳統(tǒng)技術(shù)近年來發(fā)展已經(jīng)陷入瓶頸,技術(shù)提升越來越困難。 ITU、MPEG和AVS已經(jīng)啟動下一代編碼標(biāo)準(zhǔn)的制定,支持寬帶移動業(yè)務(wù)是其重要目標(biāo)之一,但未來應(yīng)采取的技術(shù)方向和路線仍然眾說紛紜。圖2展現(xiàn)了多媒體核心技術(shù)的發(fā)展歷程和趨勢。
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視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢
多媒體核心技術(shù)的發(fā)展歷程和趨勢
(二)安防數(shù)字內(nèi)容管理技術(shù)發(fā)展歷程和趨勢
如下圖3所示,安防數(shù)字內(nèi)容管理技術(shù)的發(fā)展從1980年左右開始經(jīng)歷了三個階段:第一個階段是文檔的傳統(tǒng)管理階段,過去由于技術(shù)相對比較落后,數(shù)字內(nèi)容主要采取人工記錄和紙質(zhì)存檔。隨著計算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展,安防數(shù)字內(nèi)容管理經(jīng)歷了第二個階段,即技術(shù)管理階段。該階段數(shù)字內(nèi)容主要采取數(shù)據(jù)庫備份和電子存檔方式。到了21世紀(jì),安防數(shù)字內(nèi)容管理經(jīng)歷了第三個階段,即信息資源管理階段,該階段數(shù)字內(nèi)容主要是對非結(jié)構(gòu)的一些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲訪問,很多部門紛紛建起了自己的專業(yè)海量數(shù)據(jù)中心。數(shù)字內(nèi)容管理經(jīng)過上述三個階段的發(fā)展,未來會朝著海量化、異構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化、和網(wǎng)絡(luò)化的趨勢發(fā)展,從過去對數(shù)據(jù)的單點管理到對數(shù)據(jù)全生命周期的管理。即對數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、記錄、傳播、收集、處理、存儲、檢索、傳遞、分析、選擇、評價、利用、銷毀等過程進(jìn)行統(tǒng)一的管理。
安防數(shù)字內(nèi)容管理技術(shù)的發(fā)展過程和趨勢
(三)安防系統(tǒng)客觀評價技術(shù)發(fā)展歷程和趨勢
如下圖4所示,從二十世紀(jì)七十年代開始,安防系統(tǒng)客觀評價技術(shù)的發(fā)展共經(jīng)歷了五個階段,安防系統(tǒng)的效能評估仍然以管理科學(xué)的定性與半定量模型為主。1973年,美國能源部下屬的桑迪亞國家實驗室提出了最早的安防系統(tǒng)效能評估定性模型-敵手序列圖模型,該模型是通過對假設(shè)的敵手為了達(dá)到目的所需要經(jīng)過的各個障礙進(jìn)行分析,找出安全防范系統(tǒng)的不足;1984年,Doyon提出了綜合路徑分析模型,該模型能夠?qū)呈止舻亩鄺l路徑進(jìn)行分析和選擇,同時開發(fā)了SAVI的評估軟件,該軟件是專門用來評價對于外部敵手實物保護(hù)系統(tǒng)有效性的軟件。2006年,美國橡樹嶺國家實驗室建立了組合立體幾何模型,該模型是一種強(qiáng)大的設(shè)施描述模型,通過一套專用軟件的計算,可以對系統(tǒng)做最細(xì)致的分析和評估。
安防系統(tǒng)客觀評價技術(shù)發(fā)展歷程和趨勢
綜上所述,在城市安防業(yè)務(wù)和技術(shù)發(fā)展的過程中,需要解決的五個重大技術(shù)問題如5
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需要解決的重大技術(shù)問題
如上圖5所示,需要解決的五個重大技術(shù)問題分別為:1)系統(tǒng)架構(gòu)耦合性高,缺乏靈活性;2)缺乏對一線民警業(yè)務(wù)的服務(wù)支撐技術(shù)和平臺;3)無法突破音視頻質(zhì)量效率低下的瓶頸;4)安防數(shù)字資源管理面臨三大鴻溝和一個技術(shù)瓶頸,即底層的認(rèn)知鴻溝,即數(shù)據(jù)缺乏對其代表的客觀對象的認(rèn)知表達(dá),表現(xiàn)為數(shù)據(jù)本體與對象描述之間存在巨大差距;中層的數(shù)據(jù)鴻溝,即同一對象存在多種格式表達(dá),不同數(shù)據(jù)中心非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù) (包括所有格式的辦公文檔、各類報表、文本、XML、HTML、圖形圖像和音視頻信息等等)數(shù)據(jù)異構(gòu)現(xiàn)象十分突出;高層的服務(wù)鴻溝,即行業(yè)業(yè)務(wù)模式和系統(tǒng)支撐模式的服務(wù)鴻溝,表現(xiàn)為用戶多元化需求與簡單服務(wù)模式間的巨大差距。一個技術(shù)瓶頸是海量數(shù)據(jù)分發(fā)的瓶頸;5)缺乏安防系統(tǒng)客觀評價體系,使得效能無法科學(xué)、客觀的度量。
針對上述四項核心業(yè)務(wù)和技術(shù)發(fā)展所需要解決的重大技術(shù)問題,未來城市安防業(yè)務(wù)和技術(shù)的發(fā)展方向如下圖6所示:
城市安防業(yè)務(wù)和技術(shù)未來的發(fā)展方向
如上圖6所示,未來城市安防業(yè)務(wù)和技術(shù)會朝著以下四個方向發(fā)展:
1.安防業(yè)務(wù)能適應(yīng)新一代警務(wù)革命的需要
為了能夠使目前的安防業(yè)務(wù)能夠適應(yīng)新一代警務(wù)革命的需要,構(gòu)建的城市安防業(yè)務(wù)體系需要響應(yīng)如下的五大轉(zhuǎn)變:從數(shù)據(jù)到情報的轉(zhuǎn)變;從單點智能分析到城市級大尺度綜合研判的轉(zhuǎn)變;從向上匯聚管理到向下服務(wù)支撐的轉(zhuǎn)變;從簡單業(yè)務(wù)模式到柔性可從組業(yè)務(wù)模式支撐的轉(zhuǎn)變;從事后的現(xiàn)場取證向事前的預(yù)測預(yù)警、事發(fā)的快速反應(yīng)的轉(zhuǎn)變;通過上述五大轉(zhuǎn)變,全面支撐機(jī)動、協(xié)同、分析與預(yù)警、精確打擊的新一代警務(wù)模式。
2.安防核心技術(shù)瓶頸被突破和創(chuàng)新
隨著對安防核心技術(shù)的不斷研究和創(chuàng)新,未來的安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)條件的不同、器件檔次的高低、環(huán)境的復(fù)雜多變、業(yè)務(wù)的靈活多樣的需求,使整個安防系統(tǒng)的使用效果大大提升。
3.構(gòu)建城市安防數(shù)字資源中心
數(shù)據(jù)資源中心應(yīng)用到城市安防領(lǐng)域在我國目前還是一片空白,未來,通過構(gòu)建城市安防數(shù)字資源中心,將實現(xiàn)情報資源全生命周期的管理,大大改善辦案人員的工作效率。
4.發(fā)展安防效能客觀評測技術(shù)
通過發(fā)展安防效能客觀評測技術(shù),改變了傳統(tǒng)的人工定性評估的模式,使得對安防系統(tǒng)的效能評估更加客觀和科學(xué),便于及時發(fā)現(xiàn)風(fēng)險隱患,實現(xiàn)資源的動態(tài)調(diào)度。
城市安防業(yè)務(wù)的體系架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)
針對在上文中所提到的城市安防業(yè)務(wù)和技術(shù)發(fā)展的過程中需要解決的重大技術(shù)問題,需要對城市安防業(yè)務(wù)的體系架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入分析,迫切的需要對多媒體安防信息技術(shù)、安防數(shù)字內(nèi)容管理技術(shù)、安防系統(tǒng)客觀評測技術(shù)、警務(wù)革命新技術(shù)、進(jìn)行研究。下面分別來闡述目前對上述技術(shù)研究的一些最新成果。[nextpage]
(一)城市安防業(yè)務(wù)的體系架構(gòu)
城市安防業(yè)務(wù)的開發(fā)體系架構(gòu)如下圖7所示:
如圖7所示,城市安防業(yè)務(wù)的體系是一個五層的開放結(jié)構(gòu),從上到下依次為:業(yè)務(wù)應(yīng)用層,業(yè)務(wù)引擎層,技術(shù)支撐層,異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)層,設(shè)備接入層。安防系統(tǒng)效能評估和安防設(shè)備監(jiān)管兩項業(yè)務(wù)貫穿整個體系架構(gòu)之中。該體系架構(gòu)能夠很好的響應(yīng)新一代警務(wù)革命的應(yīng)用需求,解決了城市安防行業(yè)所面臨的問題,體現(xiàn)了對安防業(yè)務(wù)和技術(shù)趨勢的把握,最終面向安防系統(tǒng)的特色業(yè)務(wù)與建設(shè)。
(二)多媒體安防信息技術(shù)
1.視頻關(guān)注度分析
視覺關(guān)注度模型是依據(jù)人類視覺系統(tǒng)理論模擬人眼觀察圖像的過程、得到圖像中最容易引起人們注意部分的方法。建立關(guān)注度模型可用于提取監(jiān)控視頻中的感興趣區(qū)域以進(jìn)行增強(qiáng)編碼或者超分辨率處理,這對于重點目標(biāo)、區(qū)域的增強(qiáng)、辨識具有重要意義。針對現(xiàn)有關(guān)注度模型不能在任意運(yùn)動速度下,準(zhǔn)確的標(biāo)識運(yùn)動目標(biāo)的問題,通過對視頻幀的運(yùn)動強(qiáng)度分析,提出了適應(yīng)的運(yùn)動關(guān)注度模型,在快速運(yùn)動或慢速運(yùn)動下均能準(zhǔn)確標(biāo)識運(yùn)動物體,提升時域關(guān)注度的精確性。
2.可伸縮視頻編碼
可伸縮視頻編碼將碼流分為核心層和多個增強(qiáng)層,核心層提供最低重建質(zhì)量,增強(qiáng)層則漸次改善重建質(zhì)量,具有“編碼一次,任意解碼”的特點。這對于適應(yīng)無線信道下帶寬波動,有效保障移動緊急指揮通信的視頻質(zhì)量具有重要意義。我們在可伸縮編碼中引入視頻關(guān)注度模型,提出結(jié)合關(guān)注度和紋理掩蔽效應(yīng)的感興趣區(qū)域可伸縮編碼算法,根據(jù)編碼區(qū)域關(guān)注度的高低和紋理掩蔽效應(yīng)的強(qiáng)弱采用不同的交織量化步長,實現(xiàn)視頻內(nèi)容差異化編碼,保障移動通信指揮的視頻質(zhì)量。
3.音頻監(jiān)測分析
音頻檢測技術(shù)主要依賴于場景的特征,在無意識的狀態(tài)下對場景中顯著的或突出的部分進(jìn)行關(guān)注,如對高能量聲音的關(guān)注,或者依賴于特定目標(biāo)的方式切換場景中的感興趣部分,如對槍聲的關(guān)注,因此,能夠在監(jiān)控環(huán)境中偵測到具有較高關(guān)注度的音頻信息以進(jìn)行精準(zhǔn)化地增強(qiáng)處理。根據(jù)雙耳間聲壓差(ILD)可以表征音頻對象空間方位的原理,提出基于空間線索的關(guān)注度模型,利用ILD的短時變化程度(均方差)來度量多個音頻對象音源快速移動的程度。本技術(shù)可以在復(fù)雜多變的監(jiān)控環(huán)境中更準(zhǔn)確地得到方位快速變化的音頻信號的關(guān)注度,從而更精確地偵測到急速行駛的車輛等方位變化快、關(guān)注度高的音頻信息,并在此基礎(chǔ)上對其進(jìn)行特殊處理,這對于提高安防監(jiān)控音頻的精準(zhǔn)化處理水平具有重要意義。[nextpage]
(三)安防數(shù)字內(nèi)容管理技術(shù)
1.影像文本提取與識別技術(shù)
由于數(shù)據(jù)中心從獲取的圖像信息中識別、提取其中的文本、活動等信息。但傳統(tǒng)文字提取、識別算法,采用單一的文本檢測策略,對種類繁多的圖像背景不具備普適性,文字提取、識別率低。提出了基于背景復(fù)雜度分析的文本識別算法,將圖像復(fù)雜度作為依據(jù),在多種文本檢測算法中進(jìn)行優(yōu)化選擇,增強(qiáng)檢測算法的魯棒性,提升影像文本的識別率,這對于數(shù)據(jù)中心的智能數(shù)據(jù)導(dǎo)入具有重要的意義。該技術(shù)能夠填補(bǔ)底層的認(rèn)知鴻溝。
2.基于語義模型的人臉超分辨率
針對傳統(tǒng)方法僅依賴像素值計算的問題,提出在超分辨率方法中增加語義相似性函數(shù)。該相似性函數(shù)的計算結(jié)合了人對圖像理解的語義信息,減少了對像素值的依賴程度,提高了對噪聲的魯棒性,從而提高了實際監(jiān)控人臉圖像的語義相似度。本方法可在低光照、強(qiáng)噪聲等實際監(jiān)控視頻環(huán)境下,盡量保持監(jiān)控圖像中的人臉語義特征信息,提高超分辨率圖像與低分辨率圖像的語義相似程度。
3.數(shù)字內(nèi)容轉(zhuǎn)換與共享
在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中,視頻數(shù)據(jù)的格式錯綜復(fù)雜,系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的交互常常由于視頻格式的不統(tǒng)一而無法進(jìn)行。建立了基于條件熵的多媒體轉(zhuǎn)碼理論模型,將條件熵作為轉(zhuǎn)換過程中選擇重用特征量的代價函數(shù),結(jié)合應(yīng)用環(huán)境感知,實現(xiàn)高效智能格式轉(zhuǎn)換。最終提高了數(shù)字內(nèi)容轉(zhuǎn)換的效率。該技術(shù)能夠填補(bǔ)中層的數(shù)據(jù)鴻溝。
4.個性化多模式知識服務(wù)技術(shù)
在知識資源組織架構(gòu)中引入知識元及其關(guān)聯(lián)層次,根據(jù)主題圖中各個層次的內(nèi)在關(guān)聯(lián)對分布的知識資源實體進(jìn)行組織,形成個性化多模式知識服務(wù)技術(shù),提出了基于擴(kuò)展主題的知識資源組織模型。該技術(shù)能夠填補(bǔ)高層的服務(wù)鴻溝,實現(xiàn)多層次、多粒度的知識資源組織,從而推動了海量數(shù)據(jù)中心的知識服務(wù)發(fā)展。
5.安防數(shù)字內(nèi)容管理的數(shù)據(jù)模型
按照數(shù)字內(nèi)容的數(shù)據(jù)創(chuàng)建、保護(hù)、訪問、遷移、歸檔、銷毀等生命周期的階段,提出了7層的數(shù)字內(nèi)容管理數(shù)據(jù)參考模型。將整個復(fù)雜的問題劃分為若干個容易處理的子問題,該模型具有很好的擴(kuò)展性。具體的數(shù)字內(nèi)容管理的數(shù)據(jù)模型如圖8所示:
如上圖8所示,安防數(shù)字內(nèi)容管理數(shù)據(jù)模型從上到下分為:數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)更新層、數(shù)據(jù)表征層、操作記錄層、安全層、管理層、分發(fā)層。其中,數(shù)據(jù)層主要是記錄原始數(shù)據(jù),它是安防數(shù)字內(nèi)容管理系統(tǒng)的核心;數(shù)據(jù)更新層是記錄原始數(shù)據(jù)更新過程中涉及的各階段歷史數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)表征層是用于解釋數(shù)據(jù)層和數(shù)據(jù)更新層中內(nèi)容的數(shù)據(jù);操作記錄層用于記錄數(shù)據(jù)的操作過程;安全層是記錄數(shù)據(jù)的安全和訪問控制信息。保證以上各層數(shù)據(jù)的真實性、完整性和訪問的合法性;管理層說明當(dāng)前本數(shù)據(jù)實際使用哪些層次。管理層將規(guī)定需要哪些層次,不需要哪些層次,記錄每個層的定義信息;分發(fā)層說明在提供服務(wù)時所需的服務(wù)質(zhì)量要求。數(shù)據(jù)最終需要分發(fā)給終端用戶,在分發(fā)時數(shù)據(jù)對服務(wù)質(zhì)量有不同的要求,該層用于記錄這些要求。
(四)安防系統(tǒng)客觀評測技術(shù)
傳統(tǒng)安防系統(tǒng)的評估技術(shù)利用管理科學(xué)的基本思想結(jié)合敵手序列圖模型對安全防范系統(tǒng)進(jìn)行定性的分析和評估,缺乏對安全防范系統(tǒng)的效能進(jìn)行科學(xué)、客觀地定量評估理論和模型,致使其防范作用難以有效發(fā)揮,嚴(yán)重制約了安全防范系統(tǒng)建設(shè)投入上的費用-效能比。我們從信息科學(xué)領(lǐng)域出發(fā),結(jié)合管理科學(xué)中的一些基本概念,通過借鑒香農(nóng)信息論中度量信息量的方法,提出風(fēng)險熵的概念并用其表示和計算安防節(jié)點的防護(hù)效能。風(fēng)險熵越大,表明安防系統(tǒng)的防護(hù)效能越大,風(fēng)險熵越小,反之亦然。該技術(shù)可以對安全防范系統(tǒng)的建設(shè)投入提供科學(xué)客觀依據(jù)。及時發(fā)現(xiàn)和解決安全防范系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用過程中可能出現(xiàn)的問題,使安全防范系統(tǒng)的防護(hù)效能得以充分發(fā)揮。
總結(jié)與展望
綜上所述,在未來5到10年,多媒體安防核心技術(shù)的環(huán)境適應(yīng)能力將大為提升,移動、夜間、特定對象、特定事件的監(jiān)控質(zhì)量改善明顯,3D音視頻技術(shù)也將發(fā)揮重要作用;同時,城市安防數(shù)字資源中心將逐步成為安防基礎(chǔ)設(shè)施投入使用,依托資源中心完成數(shù)字內(nèi)容全生命周期管理并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建安防情報聯(lián)網(wǎng)體系;隨著“平安城市:的不斷興起,安防系統(tǒng)客觀效能評估將用于系統(tǒng)規(guī)劃和驗收階段,城市安防風(fēng)險客觀評測技術(shù)開始在部分城市使用并據(jù)此實現(xiàn)城市警力的智能調(diào)度;最終,安防系統(tǒng)將真正開始支持機(jī)動、協(xié)同、分析與預(yù)警、精確打擊的新一代警務(wù)模式。