基于人臉識別技術的學生行為管理系統(tǒng)架構設計

姚嵩

（天津輕工職業(yè)技術學院 天津市 300380）

隨著高校校園信息化建設的不斷深入，“智慧校園”已成為各大高校信息化建設的首要目標，學生行為數(shù)據(jù)已成為信息化發(fā)展的重要基礎。通過人臉識別技術[1]搜集整理學生行為數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)分析和建模，研究學生的行為規(guī)律和特征，為學生管理提供數(shù)據(jù)支持，為學院實現(xiàn)科學治理提供決策支撐。

傳統(tǒng)的學生管理，對學生的日常及教學活動的記錄多是依靠人工完成，隨著學校辦學規(guī)模逐漸擴大，學生管理工作所涉及的數(shù)據(jù)量也隨之增大，不但大量耗費人力，還存在效率低、易出錯、統(tǒng)計繁瑣等缺點。為了高效快捷地采集學生日常行為數(shù)據(jù)，國內一些高校利用門禁刷卡方式進行采集數(shù)據(jù)，然而這種數(shù)據(jù)采集方式扔需師生主動刷卡，因此存在漏刷、代刷等管理漏洞[2]，造成數(shù)據(jù)準確度不高、并且應用部署相對復雜。結合人臉識別技術對學生行為進行管理有效避免了管理上的漏洞，可通過學校既有安防監(jiān)控設備再加上人臉識別終端進行應用部署，基本可以實現(xiàn)“無感知”認證，這在學生日常管理中是非常重要的[3]。

1 系統(tǒng)架構分析與設計

系統(tǒng)采用微服務架構，通過將系統(tǒng)功能分解到各個離散的服務中，實現(xiàn)系統(tǒng)的解耦，提供更加靈活的服務支持。圍繞業(yè)務功能組件創(chuàng)建應用，這些應用可獨立地進行開發(fā)、管理和迭代。系統(tǒng)采用云架構及平臺式部署方式對各業(yè)務服務組件進行發(fā)布、注冊及治理。

人臉識別終端采用物聯(lián)網應用技術，可支持TCP/IP、Wi-Fi、4G、5G等數(shù)據(jù)傳輸方式，實時采集每位學生各建筑的進出場數(shù)據(jù)，并對識別記錄進行統(tǒng)計、分析、建模生成學生生活軌跡數(shù)據(jù)，為學校對學生行為趨勢的研究提供重要參考資料[4]。

1.1 功能需求

系統(tǒng)可滿足學校各主要功能區(qū)的人臉識別采集，以及可支撐萬人用戶規(guī)模的數(shù)據(jù)存儲分析能力，故需在整體構架、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)加密、系統(tǒng)擴容等方面做好整體規(guī)劃。

系統(tǒng)功能需求主要有：對接高校學生信息、教師信息、排課信息等各類標準數(shù)據(jù)庫；通過人臉識別設備采集學生歸宿離宿數(shù)據(jù)；通過排課信息，實現(xiàn)上課刷臉打卡，準確采集學生課時數(shù)據(jù)；通過學生入離校刷臉，采集學生入離校信息；建立數(shù)據(jù)挖掘模型與可視化分析系統(tǒng)；對接校園一卡通，采集學生消費數(shù)據(jù)；對接校園其他管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對學生相關數(shù)據(jù)訪問。

1.2 系統(tǒng)架構設計

1.2.1 軟件系統(tǒng)架構

軟件總體架構采用SpringCloud微服務架構，通過SpringCloud提供服務發(fā)現(xiàn)Eureka、負載均衡Ribbon、斷路器Hystrix、服務網關zuul等組件完整的實現(xiàn)了微服務體系，如圖1所示。

圖2：軟件業(yè)務功能體系架構

軟件整體業(yè)務功能設計采用端、邊、云相結合的設計方式，創(chuàng)建了了“1+1+N+M模式”。即1套統(tǒng)一身份認證（SSO）+ 1套統(tǒng)一規(guī)范 （Interface）+ N個適配器（Adapter）+M個服務組件（ServiceComponent）。一套單點登錄（SSO），支持多樣化客戶端（包括Java、.Net、PHP、Perl、Apache、uPortal等）、支持多種常見驗證后端（如Windows AD, LDAP, JDBC等）、接入第三方SSO、多種驗證方式并存。一套統(tǒng)一規(guī)范（Rest），系統(tǒng)建立了各個應用之間相互調用的接口規(guī)范，以Rest的方式進行調用，數(shù)據(jù)通訊格式為Json。N個適配器（Adapter），因為高校信息系統(tǒng)眾多，擁有許多 “基礎數(shù)據(jù)”，這些基礎數(shù)據(jù)存在的方式多種多樣。本系統(tǒng)業(yè)務也離不開“某些基礎數(shù)據(jù)”（例如：組織機構、學生信息、院系信息、校歷、樓宇信息）。系統(tǒng)包含了多個基礎數(shù)據(jù)的適配器，從不同的業(yè)務系統(tǒng)提供的基礎數(shù)據(jù)源適配成符合規(guī)范的Json格式數(shù)據(jù)通過HttpRest的形式發(fā)布成API接口供其他業(yè)務系統(tǒng)使用，也可供第三方使用。M個服務組件（ServiceComponent），系統(tǒng)提供一些基礎的服務組件例如短信服務、定時調度服務、文件存儲服務、報表服務、樣式服務等，參見圖2。

圖3：多形態(tài)終端圖

圖4：數(shù)據(jù)存儲集群

通過學校教務接口獲取學校組織結構、教職工檔案及學生檔案，形成考勤模塊的基礎信息；通過對接校園一卡通系統(tǒng)，獲取個人消費等一卡通其他信息；通過互聯(lián)網、4G、5G等方式，將課程安排、會議通知、活動計劃等進程實時下發(fā)至相應的終端設備，并實時采集識別記錄。

1.2.2 硬件多場景設計

由于學校應用場景的多樣性，要求人臉采集終端應具備多種形態(tài)。對于不同的應用場景選擇適合的終端形態(tài)，既可提升識別效率，又能加快建設速度、降低建設成本。

宿舍樓應用場景是學生在校學習生活的一個主要地點，對于出入人員有嚴格的管控需求，只能允許本樓人員出入，因此可采用閘機+人臉終端的模式，既能準確采集學生出入數(shù)據(jù)的同時又可確保師生住宿安全。

圖5：系統(tǒng)主要功能設計

教室是學生在校學習的一個重要場所，在教室的場景中應解決如何快速高效的部署采集終端，減少布線、組網，對現(xiàn)有設備設施稍加改造即可使用，因此采用桌面形態(tài)的采集終端并且支持WIFI或4G上網功能便可實現(xiàn)快速部署。

對于學校原有安防監(jiān)控設備，可以對接實現(xiàn)動態(tài)實時監(jiān)控，以降低總體實施成本。多形態(tài)終端如圖3所示。

1.2.3 數(shù)據(jù)存儲設計

系統(tǒng)用戶規(guī)模為萬人級別，預計每人每天可產生20條記錄，數(shù)據(jù)每日增量20萬條數(shù)據(jù)，年度數(shù)據(jù)總量約為7500萬條，數(shù)據(jù)規(guī)模比較大，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，數(shù)據(jù)庫采用高可用設計，對數(shù)據(jù)庫進行集群部署并采用分庫分表的構建策略，如圖4所示。

1.2.4 數(shù)據(jù)傳輸設計

由于系統(tǒng)信息涉及用戶隱私，數(shù)據(jù)在進行采集及傳輸過程必須采用加密方式進行，以保證數(shù)據(jù)的安全性。采集終端與系統(tǒng)平臺通訊采用HTTPS 協(xié)議進行通訊，人臉識別照片轉及傳輸參數(shù)統(tǒng)一轉為Base64格式后通過SHA1withRSA加密算法進行簽名及驗簽。

2 系統(tǒng)功能設計

本系統(tǒng)通過人臉識別采集的信息進行數(shù)據(jù)挖掘，可對出勤率、遲到排名、遲到人次分布等進行實時查詢，定期完成對學生遲到性別比例、年級比例、班級比例、專業(yè)比例等人員分布信息統(tǒng)計報表，支持多條件組合統(tǒng)計分析。系統(tǒng)面向學生、專業(yè)教師、學管人員、院系領導、校級領導五個層面開放，可設置相應的使用功能和權限，通過與教學管理系統(tǒng)、校園一卡通及其他學院信息系統(tǒng)對接，獲取學生的成績、消費等其他信息。通過對數(shù)據(jù)采集和挖掘，構建智慧校園學生行為分析平臺，實現(xiàn)對高校學生日常行為統(tǒng)計與分析管理，為智慧校園建設提供準確有效的管理方式，為學生校內的行為分析研究提供數(shù)據(jù)支持，為學校相關業(yè)務決策提供可靠依據(jù)。系統(tǒng)主要功能結構如圖5所示。

系統(tǒng)采用Mysql數(shù)據(jù)庫進行系統(tǒng)開發(fā)，預估數(shù)據(jù)量級為千萬級，因此需考慮分庫分表，以提高數(shù)據(jù)處理能力及可靠性。根據(jù)系統(tǒng)業(yè)務功能，部分表結構設計如圖6所示。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

圖6：系統(tǒng)部分表結構

圖7：宿舍數(shù)據(jù)分析界面

3.1 學生宿舍數(shù)據(jù)采集與分析

學生日常生活中除了上課大部分時間都是在宿舍度過，因此學生出入宿舍的時間以及在宿時長、離宿時長都對分析學生的日常行為有著重要意義，例如學生每日歸宿時間數(shù)據(jù)，可以對其日常出入的時間規(guī)律進行分析出，經常出現(xiàn)晚歸、或夜不歸宿的人學生，可以作為異常行為，對管理者進行提醒，以便及時發(fā)現(xiàn)問題。同樣長時間在宿的學生也是一種異常行為，也同樣需要管理者進行關注，因此通過對宿舍閘機通道加裝人臉識別設備，學生需要進行刷臉才能通行出入，這樣就解決了學生宿舍出入數(shù)據(jù)的采集問題。程序界面如圖7所示，實時統(tǒng)計學生出入情況，對于異常學生行為進行實時告警。

3.2 學生出勤數(shù)據(jù)采集與分析

學生出勤數(shù)據(jù)，對于分析學生行為同樣具有重要意義。對于經常出現(xiàn)遲到、早退、甚至曠課的學生通過上課考勤數(shù)據(jù)準確的識別出存在相關異常行為的學生及時進行管理干預，以保證學生在校學習的效果及質量。統(tǒng)的上課點名無法滿足數(shù)據(jù)準確性要求，數(shù)據(jù)準確性低，經常出現(xiàn)代考勤情況，因此采用桌面型人臉識別終端放置在講桌上，學生進入教室后通過人臉識別即可完成上課簽到，班級輔導員可通過手機等移動設備實時查看課程簽到情況及學生活動軌跡，程序界面如圖8所示。

3.3 學生消費、成績等數(shù)據(jù)采集與分析

學生的成績的優(yōu)劣、消費水平高低、身心健康在日常行為中都能有所反映，行為數(shù)據(jù)采集的周期越長，分析的準確性越高。大學在校期間，學生管理模式比普教階段較為開放，學生在學習時間分配、同學關系處理等方面也存在較大差異。學習生活環(huán)境的轉變，導致了學生在行為上發(fā)生同步改變，因此人臉識別系統(tǒng)通過對學校既有的一卡通消費系統(tǒng)、教務管理系統(tǒng)、圖書借閱系統(tǒng)等進行數(shù)據(jù)采集對接，通過數(shù)據(jù)分析解析學生行為，探尋潛在的影響因素與規(guī)律，歸納行為上的共性，挖掘行為的變化趨勢，有助于教育工作者預防學生的不健康行為，對存在較大風險的學生行為進行及時干預。

圖8：出勤數(shù)據(jù)分析界面

4 展望

隨著高校信息化建設的發(fā)展，“校園大數(shù)據(jù)”被越來越多的人關注，將大數(shù)據(jù)技術和教育資源相結合，是互聯(lián)網時代信息科技帶給智慧校園建設的新思路、新方法和新途徑[5]。隨著智慧校園管理平臺的應用拓展，需要人臉識別技術、一卡通技術等各類主動采集方法支撐。

基于大數(shù)據(jù)，可對學情分析、生活軌跡分析、服務分析，可以逐步形成學生數(shù)據(jù)畫像，可以分析其學情與生活的相關性，引導學生改善生活習慣，提高學業(yè)水平[6]。通過對學生學習情況的觀察，能夠更全面地了解學生的學習情況，同時利用算法也能夠獲取學生改變學習狀態(tài)的優(yōu)化方法[7]；通過實時獲取學生軌跡，可以應對突發(fā)事件與公共危機、對重點關注群體、孤僻人群進行預警、對疑似失聯(lián)者進行提示等，為學生管理提供數(shù)據(jù)支撐。