基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法的智能家居安防系統(tǒng)探究

■張佳盛，李光耀 Zhang Jiasheng & Li Guangyao

(浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江杭州 311300）

家庭安全問題一直是社會熱議的焦點，隨著社會的發(fā)展，信息化程度大幅提高，智能化開始走進(jìn)各個行業(yè)，也在促進(jìn)各個行業(yè)的發(fā)展。家居安防系統(tǒng)從傳統(tǒng)單純的門鎖到后來的監(jiān)控系統(tǒng)、警報系統(tǒng)，再到現(xiàn)在的智能化安防系統(tǒng)，人們的家庭安全問題得到有效的保障，但是這其中還是可能會出現(xiàn)一些大大小小的問題，利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，對家居安防系統(tǒng)進(jìn)行分析優(yōu)化，就可以解決其中的一些問題，為人們的家庭安全提供保障。

1 智能家居安防系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

現(xiàn)階段，智能家居的應(yīng)用還比較少，大多數(shù)人群不能接受智能家居，對其概念比較模糊，認(rèn)為它是高端產(chǎn)品，因此沒有得到大范圍的普及[1]。而在安防方面人們更是謹(jǐn)慎有加，他們認(rèn)為在家庭安全方面，還是使用傳統(tǒng)的鎖具更能讓他們安心。

智能家居從發(fā)展到今天，已經(jīng)可以逐漸擺脫較為繁瑣和復(fù)雜的布線技術(shù)，如今智能家居的有效應(yīng)用，使得人們的生活更加的智能和安全[2]。但是現(xiàn)代智能家居各個系統(tǒng)之間互不兼容，很難形成一套完整的系統(tǒng)，智能安防系統(tǒng)也是如此，多以生產(chǎn)單品為主，如智能攝像頭、智能門鎖等，特定的產(chǎn)品只能發(fā)揮特定的功能，無法與其他產(chǎn)品產(chǎn)生聯(lián)系，形成互聯(lián)互通。傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)成本高，而且不能進(jìn)行實時監(jiān)控，在遠(yuǎn)距離傳輸方面也很受限，不能實現(xiàn)真正的遠(yuǎn)程監(jiān)控。隨著全球信息化的急速推進(jìn)，家裝數(shù)字化正在慢慢興起，人們的家居生活也在慢慢向智能化方向發(fā)展，安防系統(tǒng)更是人們考慮家居安全問題的重中之重。人們需要的不僅僅是家庭的溫馨，同時他們會格外重視可能存在的安全隱患，如煤氣的泄漏、意外火災(zāi)、入室盜竊等問題，如果能對這些情況進(jìn)行實時監(jiān)測并及時告知戶主，就能避免一些重大損失。另外，如果其系統(tǒng)在事故發(fā)生的過程中能夠進(jìn)行智能判斷并緊急處理，這樣就能為更多的人群帶來安心。

目前大部分的用戶家里只是一些單獨(dú)運(yùn)行的智能家電，并非完善的智能家居安防系統(tǒng)[3]。一方面是現(xiàn)有的技術(shù)無法實現(xiàn)整套系統(tǒng)的互聯(lián)互通，另一方面就是人們很難接受整個安防都是由一個系統(tǒng)來完成，擔(dān)心現(xiàn)有的智能技術(shù)還不成熟。為此，利用現(xiàn)有技術(shù)解決現(xiàn)代家居安防系統(tǒng)不完善的問題就成了重中之重，如虛擬現(xiàn)實技術(shù)中信息顯示和實時反饋是構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)中的關(guān)鍵所在[4]。

2 智能家居安防系統(tǒng)的構(gòu)成部分

2.1 門禁系統(tǒng)

■圖1 門禁系統(tǒng)

■圖2 安防監(jiān)控系統(tǒng)

■圖3 警報系統(tǒng)

門禁系統(tǒng)在現(xiàn)代社會應(yīng)用十分廣泛，為了滿足現(xiàn)代智慧城市的發(fā)展需求，門禁系統(tǒng)也在不斷升級。門禁系統(tǒng)從最初的感應(yīng)卡技術(shù)到非接觸式智能卡技術(shù)再到現(xiàn)在的智能門禁系統(tǒng)，不僅在技術(shù)上有了巨大的提升，安全方面也愈加可靠[5]。近年來，隨著人們家居安全意識的提高，門禁系統(tǒng)也得到飛速發(fā)展，各種利用身份卡、指紋等生物識別的技術(shù)完善家居安防，門禁系統(tǒng)也隨之漸漸進(jìn)入成熟期（圖1）。門禁系統(tǒng)能夠通過記錄存儲所有人員的進(jìn)出記錄，然后通過管理平臺進(jìn)行查詢管理。管理人員還能根據(jù)實際對突發(fā)狀況進(jìn)行合理授權(quán)，這樣也大大節(jié)省在人員管理上的時間。隨著人工智能的逐漸完善，各種門禁系統(tǒng)基本利用生物識別的技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，其未來發(fā)展將越來越趨向于智能化。未來的門禁系統(tǒng)不僅僅是防止陌生外來人員的進(jìn)入、查看訪客記錄等，它可以儲存各類人員的身份信息，并為其創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)智能識別、精準(zhǔn)認(rèn)證等。門禁系統(tǒng)將在管理和安全方面有一個巨大的飛躍，減少了不必要的操作流程，更好地保障人們的家庭安全。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)

傳統(tǒng)的家居監(jiān)控系統(tǒng)就是攝像頭監(jiān)控，人們不能一直看著監(jiān)控，所以就不能實時觀測突發(fā)狀況，基本都是在事后查詢原因，這就造成了效率低下的問題。另外，它們無法進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，智能化程度不高，所以現(xiàn)代智能家居監(jiān)控系統(tǒng)就需要解決這些問題。這類系統(tǒng)通過視頻監(jiān)控，可以辨別出視頻中的動態(tài)事物，然后自動拍攝照片，通過短信、郵件提醒戶主。當(dāng)然，這其中也可能會由于動物的誤觸造成誤報，所以就需要感應(yīng)器對目標(biāo)體型和大小進(jìn)行分析判斷，避免類似的問題。在夜晚場景，攝像頭監(jiān)測的畫面可能會不清晰，通過機(jī)器學(xué)習(xí)的人形偵測技術(shù)就可以判斷是否有人進(jìn)入。

現(xiàn)代黑客利用科技手段，對各類安防系統(tǒng)進(jìn)行破解，尤其監(jiān)控系統(tǒng)受害最為嚴(yán)重。他們能控制監(jiān)控系統(tǒng)，使監(jiān)控的畫面一直定格在某一瞬間，這樣監(jiān)控系統(tǒng)就不能監(jiān)測到異常，也就無法發(fā)出警報提醒戶主了。未來隨著AI技術(shù)和5G網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展，利用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等方法可以使家庭安防監(jiān)控系統(tǒng)更加完善，不僅僅是簡單的畫面監(jiān)測，還包含對家庭室內(nèi)溫度、濕度、空氣質(zhì)量、煙霧情況等的遠(yuǎn)程監(jiān)控。安防監(jiān)控系統(tǒng)所包含的攝像、傳輸、控制、顯示以及存儲系統(tǒng)，能夠?qū)φ麄€家庭情況更加全面的了解（表1）。監(jiān)控過程中若發(fā)生緊急情況，就會通過警報系統(tǒng)提醒戶主。

2.3 警報系統(tǒng)

家庭警報系統(tǒng)主要是進(jìn)行家庭內(nèi)部防衛(wèi)探測，通過傳感器探測室內(nèi)異常情況，如聲音探測器、紅外探測器、雙鑒移動探測器等。一旦這些傳感器被觸發(fā)，就會自動向戶主發(fā)送警報信息，此外還會向物業(yè)管理中心提交報警數(shù)據(jù)，系統(tǒng)也會實時顯示具體報警地點和詳細(xì)信息，以便及時高效地處理事件。

然而，目前大部分的警報系統(tǒng)只是停留在提醒人群的階段，不能做到自主處理緊急事件，這就可能會錯過處理的最佳時間（圖2）。所以，要實現(xiàn)警報系統(tǒng)真正意義上的智能化設(shè)計，就需要利用現(xiàn)有的智能化技術(shù)，對家庭警報系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和完善。一旦家庭警報被觸發(fā)，系統(tǒng)會根據(jù)被觸發(fā)的傳感器類型進(jìn)行分析是何種事件，然后第一時間通過緊急信息和郵件發(fā)送給戶主，若戶主能夠及時看到信息并給出合適的處理方法，系統(tǒng)就可以根據(jù)其方法及時處理，但如果戶主不能及時處理或者無應(yīng)對對策時，系統(tǒng)可以自主分析實際情況，然后選擇最優(yōu)解進(jìn)行處理。這樣不僅可以提高事件處理的效率，還能避免重大損失。

3 機(jī)器學(xué)習(xí)方法在智能家居安防系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 監(jiān)督學(xué)習(xí)和無監(jiān)督學(xué)習(xí)

機(jī)器學(xué)習(xí)算法根據(jù)訓(xùn)練樣本是否帶有標(biāo)記，可以將學(xué)習(xí)算法分為監(jiān)督學(xué)習(xí)和無監(jiān)督學(xué)習(xí)[6]。監(jiān)督學(xué)習(xí)最大的特點可以控制誤差范圍，無監(jiān)督學(xué)習(xí)其主要的特點就是輸入的數(shù)據(jù)沒有人為的標(biāo)注，計算機(jī)通過數(shù)據(jù)分析，把相關(guān)的數(shù)據(jù)整合到一起，就是所謂的聚類分析[7]。利用監(jiān)督式學(xué)習(xí)，可以對輸出結(jié)果進(jìn)行預(yù)測，并得出誤差值，然后我們對誤差值進(jìn)行分析比較，并適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，得到允許范圍內(nèi)的誤差值，這樣我們就能提前得知比較理想的結(jié)果。監(jiān)督式學(xué)習(xí)依賴于數(shù)據(jù)庫中已有的結(jié)果，這在解決一般問題時比較方便高效，但是遇到無法預(yù)知的錯誤時，這種學(xué)習(xí)方法也無法適用了。而無監(jiān)督式學(xué)習(xí)可以根據(jù)外界環(huán)境的變化進(jìn)行自身參數(shù)和結(jié)構(gòu)的調(diào)整，靈活性大大提升。將其應(yīng)用在智能家居安防系統(tǒng)中，可以提高系統(tǒng)的自我學(xué)習(xí)能力，為以后系統(tǒng)的優(yōu)化和升級打好基礎(chǔ)。在智能化門禁系統(tǒng)中，就可以利用監(jiān)督學(xué)習(xí)和無監(jiān)督學(xué)習(xí)的方法對進(jìn)出入人群進(jìn)行聚類分析，然后通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，對新訪客進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和備份，每過一段時間集中整理。這樣，以后在對來往人員進(jìn)行查找時也會十分方便高效。

3.2 智能模擬

機(jī)器學(xué)習(xí)方法可以模擬以人類為基礎(chǔ)的生活方式，搭建生理學(xué)模型模擬人類行為方式機(jī)制[8]，這樣能更好地讓安防系統(tǒng)與人類生活方式相互配套，也能更好地適應(yīng)人的生活習(xí)慣。另外，利用智能模擬搭建實用的學(xué)習(xí)模型和輔助工具，不僅可以在智能安防方面積累更多的知識，還可以在系統(tǒng)完善和智能控制等方面獲取更強(qiáng)的智能水平。在未來的發(fā)展過程中，機(jī)器學(xué)習(xí)將從人類的學(xué)習(xí)能力出發(fā)，完全可以作為學(xué)習(xí)輔助手段與人類生活密切結(jié)合，這將大大縮短學(xué)習(xí)時間，還能代替完成一些復(fù)雜繁瑣的工作。智能監(jiān)控系統(tǒng)就可以通過模擬各類情況進(jìn)行自主判斷異常，如模擬外人進(jìn)入和動物誤闖誤觸的情形，系統(tǒng)會根據(jù)威脅的等級進(jìn)行不同方式的處理。

■表1 安防監(jiān)控系統(tǒng)

智能模擬需要提前預(yù)設(shè)模型，對各種場景進(jìn)行真實還原，然后增設(shè)目標(biāo)物，提前預(yù)知可能出現(xiàn)的所有結(jié)果，這樣就可以避免實驗失敗而重新設(shè)置場景模型。模擬成功后，就可以將其應(yīng)用在真實場景中，以便快速地融入和適應(yīng)當(dāng)前場景。智能模擬駕駛就是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)預(yù)設(shè)駕駛場景，以便人們有更真實的駕駛體驗（圖3）。目前還有智能模擬人用于臨床實踐，它會模擬各種臨床病例中可能出現(xiàn)的問題，可以大大鍛煉臨床技能。

3.3 智能決策

利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法可以代替人工進(jìn)行智能決策。智能決策所依靠的是數(shù)據(jù)庫中的大量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整合，然后為決策提供更多的選擇，并從中找出最優(yōu)解。人類在遇到緊急情況時，可能會因為一時的著急而做出不是很正確的判斷，而智能決策裝置就可以在此時發(fā)揮作用，處理較為關(guān)鍵的問題。尤其在安防這類極為重要的系統(tǒng)中，越是在緊急的情況下，越是要頭腦冷靜。利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，將其應(yīng)用在智能家居安防系統(tǒng)中，不僅可以節(jié)省大量的人腦思考時間，還能為智能家居領(lǐng)域提供一個好的借鑒范例。當(dāng)今世界發(fā)展已進(jìn)入一個前所未有的階段，機(jī)器逐漸代替人類完成一系列復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析和判斷的工作，人工智能也隨著智能決策的出現(xiàn)完成重大突破，機(jī)器學(xué)習(xí)的方法在今后的發(fā)展中將會越來越重要。機(jī)器學(xué)習(xí)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)人工智能的算法，還能在此基礎(chǔ)上衍生出更多的新型算法，為以后可能出現(xiàn)的陌生場景問題提供解決方案。另外，智能決策中的自主對抗決策通過對數(shù)據(jù)的分析處理而預(yù)測出具有威脅的目標(biāo)，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行干擾和控制模擬，根據(jù)大量數(shù)據(jù)的計算得出每種決策背后可能造成的后果，從而找到最優(yōu)對抗決策[9]。

在智能警報系統(tǒng)中，利用智能決策就可以對觸發(fā)警報的目標(biāo)進(jìn)行分析判斷并在第一時間自主處理，不僅可以及時處理威脅，還能在最大程度降低損失[10]。智能決策使得家居系統(tǒng)逐漸趨向人性化，不再需要人為的干預(yù)，進(jìn)而節(jié)省大量時間，為人們分擔(dān)更多復(fù)雜瑣碎的事情[11]。門禁、監(jiān)控和警報系統(tǒng)決定了整個家居安防的穩(wěn)固性，這三個部分是密切聯(lián)系且不可分割的，要實現(xiàn)整個安防系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定，必須要達(dá)到系統(tǒng)間的互聯(lián)互通。利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，通過監(jiān)督學(xué)習(xí)、智能模擬、智能決策等，可以讓傳統(tǒng)家居系統(tǒng)發(fā)生翻天覆地的變化，適應(yīng)現(xiàn)代智慧城市的發(fā)展，為人們創(chuàng)造一個安全、舒適、和諧的大家居環(huán)境[12]。

4 結(jié)語

智能家居在近年來得到了巨大的發(fā)展，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器學(xué)習(xí)方法也在不斷優(yōu)化，安防系統(tǒng)也會因此更加穩(wěn)固。在目前看來，智能安防系統(tǒng)還不夠完善，而利用現(xiàn)有的學(xué)習(xí)方法對整個系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使其達(dá)到互聯(lián)互通，為人們的家庭安全提供更有效的保障，這也是未來需要繼續(xù)深化研究和不斷完善的。