基于決策樹算法的留學(xué)生安全預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張予露 王吉富 李志坤 邊緣 賴申婷 李瑞改

摘 要：近年來，來華留學(xué)生人數(shù)呈逐年遞增的趨勢，這大大增加了管理者對留學(xué)生學(xué)業(yè)情況、人身安全以及國家安全管理的難度。如何對潛在的安全問題進(jìn)行預(yù)警，在安全事故發(fā)生前及時采取有效的預(yù)防措施成為各高校國際交流學(xué)院的重要問題。本系統(tǒng)采用決策樹算法中的ID3算法建立留學(xué)生安全預(yù)警模型，將學(xué)生信息作為數(shù)據(jù)，找到可能發(fā)生安全事件的學(xué)生，并對這類學(xué)生進(jìn)行預(yù)警。本系統(tǒng)的設(shè)計可以促進(jìn)各學(xué)校留學(xué)生安全管理工作的順利開展，同時也能夠防患于未然，加強(qiáng)對留學(xué)生人身安全以及國家安全的保障。

關(guān)鍵詞：來華留學(xué)生;安全預(yù)警;預(yù)警系統(tǒng);預(yù)控文章編號：2095-2163（2019）04-0248-04 中圖分類號：TP391.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，使世界各地的學(xué)生希望來華進(jìn)修。根據(jù)教育部2017年發(fā)布的數(shù)據(jù)，2017年來華留學(xué)生有48.92萬人，這些人來自204個國家和地區(qū)，就讀于全國935所高等院校，中國已成為世界第三、亞洲最大留學(xué)目的國[1]。留學(xué)生人數(shù)的增多，導(dǎo)致留學(xué)生管理難度加大，同時來華留學(xué)生安全事故時有發(fā)生，不僅威脅到留學(xué)生個人，還可能危及國家安全，因此留學(xué)生的安全問題也成了一個重點問題。目前，中國大多數(shù)院校沒有留學(xué)生安全預(yù)警措施。為此，研發(fā)設(shè)計了留學(xué)生安全預(yù)警系統(tǒng)。

1 研究背景

最近幾年，中國逐漸提高的教育水平使越來越多的外國學(xué)生希望來中國進(jìn)修，致使來華留學(xué)生人數(shù)不斷增加，與此同時，留學(xué)生影響國家安全以及高校安定的各種不和諧因素也隨之增加。如留學(xué)生之間的文化背景差異、宗教信仰沖突、生活變故等等，使維護(hù)涉外治安穩(wěn)定工作面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。卓婭·安尼瓦爾在研究高校留學(xué)生管理問題及對策時指出，這些問題可能會導(dǎo)致留學(xué)生在學(xué)業(yè)，人身安全等方面出現(xiàn)問題[2]。此外，部分來華留學(xué)生對中國法制觀念淡薄，再加上部分高校對其管理強(qiáng)度不夠，使得部分留學(xué)生不能適時得到正確的引導(dǎo)和幫助，導(dǎo)致來華留學(xué)生違法犯罪案件增多，違反學(xué)校規(guī)章制度、破壞社會治安事件增多，甚至還出現(xiàn)威脅到其他留學(xué)生及中國公民人身安全事件，安全管理任務(wù)日益繁重。為適應(yīng)新的形勢，注重留學(xué)生安全管理機(jī)制研究，完善留學(xué)生安全管理體系，提高留學(xué)生管理人員的管理能力和工作效率，促進(jìn)來華留學(xué)生安全管理的科學(xué)化、高效化成為亟待解決的問題。

信息技術(shù)可以幫助留學(xué)生安全管理工作，進(jìn)行安全預(yù)警，提高工作效率。在留學(xué)生安全管理機(jī)制研究方面，劉芳對高校留學(xué)生安全管理問題及其對策進(jìn)行了深入的研究[3]，闡述了預(yù)警機(jī)制的重要性，同時對于留學(xué)生在華期間所發(fā)生的突發(fā)事件、文化沖突、意外傷害等危及到人身安全的問題建立預(yù)警機(jī)制。預(yù)警機(jī)制能夠提前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生矛盾的原因，管理人員可以提前做好措施，減小安全事件的影響范圍甚至避免安全事件的發(fā)生，做到從出現(xiàn)事件再補(bǔ)救到提前預(yù)警避免事件發(fā)生的轉(zhuǎn)變。戰(zhàn)浩楠在探究新時期來華留學(xué)生管理工作策略時提到要建立留學(xué)生突發(fā)事件的預(yù)防機(jī)制[4]。

段偉，江欽徐對來華留學(xué)生突發(fā)事件預(yù)警防控機(jī)制的建構(gòu)進(jìn)行了深入的研究[5]，闡述了留學(xué)生安全預(yù)警機(jī)制的必要性，凡事預(yù)則立，不預(yù)則廢，從安全事件管理的目的和效果來說， “未雨綢繆”遠(yuǎn)勝于“亡羊補(bǔ)牢”。安全事件管理的最好方式是將危機(jī)扼殺在搖籃里，增強(qiáng)對安全事件的管理，最重要的是加強(qiáng)對安全事件的預(yù)測，這樣做可以及時對潛在的安全事件進(jìn)行預(yù)警，提前消除安全隱患，同時在危機(jī)發(fā)生時提高管理人員的反應(yīng)速度，盡快找到解決辦法，以降低安全事件造成的損失。目前，雖然在留學(xué)生信息管理自動化系統(tǒng)開發(fā)方面有很多研究案例，同時各高校都意識到安全管理與預(yù)警的重要性，但是在針對留學(xué)生人身安全和保障國家安全的預(yù)警與管理等方面，還沒有成型的系統(tǒng)出現(xiàn)。因此為了加強(qiáng)對安全事件的預(yù)警防控，本課題組設(shè)計了留學(xué)生安全預(yù)警系統(tǒng)，以保障留學(xué)生學(xué)業(yè)完成、人身安全和國家安全。

2 留學(xué)生安全預(yù)警系統(tǒng)模型設(shè)計

2.1 預(yù)警流程

本系統(tǒng)將預(yù)警分為3個方面：學(xué)業(yè)預(yù)警、個人人身安全預(yù)警、國家安全預(yù)警，每個方面分為2個預(yù)警等級，分別為安全和不安全。運(yùn)用決策樹分類算法對留學(xué)生進(jìn)行安全預(yù)警。本模型中將所有學(xué)生數(shù)據(jù)中的80%作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，剩下20%作為測試數(shù)據(jù)，訓(xùn)練數(shù)據(jù)的輸入需要特征和結(jié)果，而測試數(shù)據(jù)只需要輸入特征，最后通過分類器得到的結(jié)果與其原本數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，獲得模型的準(zhǔn)確率。若是經(jīng)模型判斷該學(xué)生在任意一個或幾個方面需要進(jìn)行安全預(yù)警，則本系統(tǒng)將立刻向該學(xué)生的負(fù)責(zé)老師發(fā)送預(yù)警信息。

2.2 決策樹算法概念

決策樹是通過向訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，獲得特征變量和輸出變量在不同取值下的訓(xùn)練數(shù)據(jù)分類以及數(shù)據(jù)預(yù)測規(guī)律;是一種帶有特殊含義的樹結(jié)構(gòu)，其每個根結(jié)點（非葉子結(jié)點）代表數(shù)據(jù)的一種特征標(biāo)簽，然后將數(shù)據(jù)按照不同的特征值劃分為幾個子集，得到的每個子集均為這個根結(jié)點的子樹，重復(fù)該過程，最終得到?jīng)Q策樹的每個葉子結(jié)點即為數(shù)據(jù)的最終類別。決策樹的常用算法主要有ID3、C4.5、CART等，本模型采用ID3算法。

2.3 決策樹學(xué)習(xí)過程

（1）特征選擇。表示在訓(xùn)練數(shù)據(jù)的特征里選擇一項看作當(dāng)前節(jié)點的分類標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)不同的特征量化評估標(biāo)準(zhǔn)，得到不同的決策樹算法。

（2）決策樹生成。根據(jù)所選擇的特征量化評估標(biāo)準(zhǔn)，從根節(jié)點開始從上至下生成子節(jié)點，直到數(shù)據(jù)集不可分為止。

（3）剪枝。為了盡量對訓(xùn)練樣本進(jìn)行正確分類，決策樹一般通過主動剪枝來降低過擬合的風(fēng)險，基本的剪枝策略有預(yù)剪枝和后剪枝2種。

2.4 ID3算法

ID3算法是Ross Quinlan發(fā)明的一種最為常用的決策樹算法，對ID3算法來說，總是傾向于生成小型的決策樹，但也不一定每次都生成最小的樹型結(jié)構(gòu)，因為這是一個啟發(fā)式算法。在信息論中，期望信息越小，那么信息增益就越大，從而純度就越高。ID3算法是一種以信息增益來量化評估屬性，選擇增益最大的屬性進(jìn)行分裂的算法。

可以采用信息熵來度量樣本“純度”。假定當(dāng)前樣本集合D中第k類樣本所占的比例為pk，則D的信息熵定義為：

2.5 留學(xué)生安全預(yù)警模型

留學(xué)生安全預(yù)警模型采用決策樹算法中的ID3算法。以學(xué)業(yè)安全預(yù)警模型為例，可得到如圖1所示的決策樹。

2.6 預(yù)測結(jié)果分析

該模型的實驗環(huán)境為MATLAB，測試中將收集到的數(shù)據(jù)中的80%作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，20%作為測試數(shù)據(jù)。得到預(yù)測結(jié)果如圖2、圖3、圖4所示，測試結(jié)果正確率分別為75.79%、97.99%、86.93%。

3 留學(xué)生安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

3.1 留學(xué)生安全預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)

按照系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)，留學(xué)生安全預(yù)警系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計如圖5所示。留學(xué)生管理與安全預(yù)警系統(tǒng)的用戶類型包括系統(tǒng)管理員、教師、宿舍管理員、學(xué)生4類。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與存儲子系統(tǒng)、留學(xué)生安全預(yù)測與評價子系統(tǒng)、預(yù)警子系統(tǒng)等組成，相關(guān)信息通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲。數(shù)據(jù)采集與存儲子系統(tǒng)由可以采集留學(xué)生信息的前端系統(tǒng)構(gòu)成，系統(tǒng)應(yīng)用asp.net框架、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等采集留學(xué)生各項信息，實現(xiàn)對留學(xué)生數(shù)據(jù)的監(jiān)控和歷史對比分析。

3.2 留學(xué)生安全預(yù)警系統(tǒng)功能

工作主要流程為：系統(tǒng)通過留學(xué)生信息前端采集子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取，采集方式為教師或管理員將曠課、成績等數(shù)據(jù)手動輸入系統(tǒng)，或在學(xué)生使用系統(tǒng)進(jìn)行請銷假時自動記錄請銷假數(shù)據(jù)。同時，留學(xué)生安全測評與評價子系統(tǒng)對每名學(xué)生的學(xué)業(yè)、人身安全和國家安全進(jìn)行在線預(yù)測，如果預(yù)測結(jié)果為需要預(yù)警，則立即通過預(yù)警子系統(tǒng)將該學(xué)生預(yù)警信息發(fā)布給其對應(yīng)的管理員和教師用戶。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.3 系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用的集成開發(fā)環(huán)境是Microsoft Visual Studio，運(yùn)用C#語言開發(fā)，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用SQL Server 2008 R2。系統(tǒng)運(yùn)行效果界面如圖7、圖8所示。

4 結(jié)束語

本文主要設(shè)計了留學(xué)生安全預(yù)警系統(tǒng)，具有很重要的現(xiàn)實意義，一方面，可以對潛在的安全問題預(yù)警，在安全事故發(fā)生前及時采取有效的預(yù)防措施;另一方面可以使留學(xué)生管理工作更加高效、全面。

參考文獻(xiàn)

[1]教育部. 2017年全國來華留學(xué)生數(shù)據(jù)發(fā)布[EB/OL]. （2018-03-31）.https：//www.mxbang.cn/archives/6072.

[2] 婭·安尼瓦爾. 淺談高校留學(xué)生管理的問題及對策[J]. 學(xué)理論，2011（34）：199-200.

[3] 劉芳. 高校留學(xué)生安全管理對策研究[J]. 教育觀察， 2013， 2（19）：19-21，47.

[4] 戰(zhàn)浩楠. 新時期來華留學(xué)生管理工作策略探究[J]. 邊疆經(jīng)濟(jì)與文化，2014（1）：124-125.

[5] 段偉，江欽徐. 來華留學(xué)生突發(fā)事件預(yù)警防控機(jī)制的建構(gòu)[J]. 現(xiàn)代教育科學(xué)，2014（4）：127-131，144.