基于數(shù)字底座的高校校園安全管理系統(tǒng)建設(shè)

徐進(jìn)，錢曉

（常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164）

0 引 言

高校是培養(yǎng)高級(jí)文化水平人才的場(chǎng)所，具有年輕化和集中化的特點(diǎn)，其校園安全性至關(guān)重要，如果沒有做好安全管理工作，會(huì)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)和生活造成重大影響。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)高校校園安全開展了一系列研究。郭魯倩分析了高校校園安全存在的問題，并從社會(huì)、學(xué)校、學(xué)生3個(gè)方面提出相應(yīng)的對(duì)策。王雷基于多準(zhǔn)則決策對(duì)校園安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估問題進(jìn)行研究，認(rèn)為利用網(wǎng)絡(luò)分析法能夠識(shí)別校園安全的關(guān)鍵目標(biāo)、威脅、后果與脆弱性等因素。王秉相等人基于風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)對(duì)校園安全隱患進(jìn)行分析，提出需要結(jié)合信息化平臺(tái)開展校園管理。王少勇通過(guò)智慧校園構(gòu)建了高校安全管理體系，研究表明智慧校園背景下，各種新技術(shù)的出現(xiàn)可以給高校的安全管理體系構(gòu)建提供支撐，通過(guò)大數(shù)據(jù)對(duì)信息進(jìn)行分析，能找出校園安全存在的規(guī)律，使得高校安全管理更加科學(xué)。

如何更好地識(shí)別校園安全隱患并構(gòu)建校園安全防范體系，如何利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)對(duì)校園安全進(jìn)行判定并預(yù)防事故等，是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。數(shù)字底座是多種技術(shù)融合的數(shù)字化模式，整合了包括BIM模型和傳感器數(shù)據(jù)等，是常態(tài)化數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一種應(yīng)用場(chǎng)景。本文針對(duì)上述問題，探討了高校安全管理系統(tǒng)建設(shè)方法。

1 高校校園安全的影響因素

1.1 校園內(nèi)人的不安全行為

人的不安全行為是事故發(fā)生的關(guān)鍵原因。校園安全的相關(guān)人包括學(xué)生、教師、學(xué)校管理人員和外來(lái)人員，人的不安全行為產(chǎn)生原因是人員安全意識(shí)薄弱和安全技能缺失綜合所致，如實(shí)驗(yàn)室操作的不規(guī)范、事故發(fā)生時(shí)的決策失誤等。2008年上海商學(xué)院的宿舍火災(zāi)，原因是學(xué)生違規(guī)使用了“熱的快”，并且在使用過(guò)程中離開現(xiàn)場(chǎng)，同時(shí)發(fā)生事故后沒有采取有效的應(yīng)對(duì)措施，導(dǎo)致重大人員傷亡，這都是人的不安全行為所致。人的不安全行為可以通過(guò)充分的安全教育培訓(xùn)以及行為信息的采集匯總進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。

1.2 校園內(nèi)物品的不安全狀態(tài)

物品的不安全狀態(tài)是事故發(fā)生的主要原因。在校園中存在一些物品的危險(xiǎn)源，如實(shí)驗(yàn)室的危險(xiǎn)化學(xué)品和機(jī)械設(shè)備，如果保存不符合要求、安裝不符合規(guī)定、維護(hù)保養(yǎng)不到位，亦或者防護(hù)設(shè)施不齊全等，都可能變成隱患從而發(fā)生事故。2019年北京交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)室爆炸事故，主要原因在于實(shí)驗(yàn)室違規(guī)存放了危險(xiǎn)化學(xué)品鎂粉和磷酸，試驗(yàn)引發(fā)了鎂粉粉塵云爆炸。對(duì)于屬于危險(xiǎn)源的物，可以采集相關(guān)物的信息進(jìn)行定位監(jiān)管，并按照資產(chǎn)或耗材分類，監(jiān)控全過(guò)程生命周期。

1.3 校園環(huán)境中的隱患

隨著高校的擴(kuò)招以及城市化發(fā)展，高校校園在不斷擴(kuò)大。與此同時(shí)，新時(shí)代大學(xué)生的生活習(xí)慣改變，校園生活豐富多彩，也造成一定程度上校園內(nèi)環(huán)境的安全問題，校園內(nèi)車輛增加、教學(xué)和生活區(qū)的間隔更遠(yuǎn)、校園周邊配套餐飲娛樂場(chǎng)所繁雜等，可能帶來(lái)安全隱患。近年來(lái)，高校商業(yè)街發(fā)展迅速，人車碰撞頻發(fā)，發(fā)生較多安全事故，成為校園安全監(jiān)管的痛點(diǎn)之一。這些環(huán)境問題，可以通過(guò)校園BIM模型，結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，一方面有效規(guī)劃調(diào)度，另一方面找到環(huán)境的安全問題所在。

1.4 校園安全管理的缺陷

安全管理的問題往往會(huì)導(dǎo)致人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)，從而間接引發(fā)校園安全事故。2021年9月5日對(duì)外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)校園內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重交通事故，一名碩士生被快遞車撞后碾壓，不治身亡。事故看出，一方面學(xué)生自己安全意識(shí)存在缺乏，另一方面，學(xué)校不僅沒有做到嚴(yán)格把控進(jìn)出校園車輛，也沒有做好校園內(nèi)人員的安全教育。可見學(xué)校對(duì)車輛、人員等安全管理的缺失也是存在的。在高校中，相關(guān)職能部門一般都會(huì)制定相應(yīng)安全管理規(guī)定，如學(xué)生守則、實(shí)驗(yàn)室安全管理規(guī)定、危險(xiǎn)化學(xué)品規(guī)定等，但實(shí)際上，各種安全管理制度不能有效融通，以至于不僅存在管理孤島，還有管理重疊現(xiàn)象，因此在執(zhí)行時(shí)難以有效落地。例如，有些高校實(shí)驗(yàn)室管理規(guī)定中要求學(xué)生實(shí)驗(yàn)前需進(jìn)行安全培訓(xùn)，但沒有明確是何種培訓(xùn)，而學(xué)生在校期間，多少會(huì)進(jìn)行過(guò)安全培訓(xùn)，只不過(guò)是否對(duì)實(shí)驗(yàn)有針對(duì)性就另當(dāng)別論，所以實(shí)驗(yàn)室管理人員執(zhí)行時(shí)難以把控。因此，建立數(shù)字化系統(tǒng)的安全管理平臺(tái)，可以提升校園安全管理效果，保障校園安全性。

2 校園安全管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)

校園安全管理系統(tǒng)以智慧物聯(lián)為基礎(chǔ)，以BIM模型為載體，創(chuàng)新性地將校園內(nèi)的各類傳感器數(shù)據(jù)整合至輕量化的BIM模型中，能夠?qū)崟r(shí)、有效、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)校園的安全事故。整個(gè)系統(tǒng)采用三層C/S體系構(gòu)架，包括數(shù)據(jù)層、功能層、界面層，如圖1所示。

圖1 安全管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)

數(shù)據(jù)層即整個(gè)校園安全管理系統(tǒng)的數(shù)字底座，包括兩部分：一是靜態(tài)模型產(chǎn)生的靜態(tài)數(shù)據(jù)；二是由傳感器或其他終端采集的校園活動(dòng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，即動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。功能層包括校園風(fēng)險(xiǎn)管理模塊、風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)更新模塊、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)預(yù)警及事故應(yīng)急處置等模塊，隨著算法的更新與數(shù)據(jù)采集手段的豐富，功能層將不斷補(bǔ)充新模塊。界面層用于提供用戶與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互，用戶可以通過(guò)可視化技術(shù)獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)底座構(gòu)建

3.1 靜態(tài)模型構(gòu)架

靜態(tài)模型是應(yīng)用建筑信息模型（Building Information Modeling, BIM）建立的校園三維信息模型，用于收集與校園相關(guān)的所有信息。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型相比，BIM模型能夠更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與展示，從而直觀地反映問題。靜態(tài)模型內(nèi)容包括四方面：一是對(duì)校園建筑、設(shè)施、大型設(shè)備等建立各自區(qū)域的三維信息模型；二是包括各類校園安全管理規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)判體系數(shù)字化；三是應(yīng)急預(yù)案和應(yīng)急資源情況；四是用戶信息和操作信息等。數(shù)字底座靜態(tài)模型架構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)字底座靜態(tài)模型架構(gòu)

模型架構(gòu)采用“BIM+”的思路，采用多種技術(shù)融合構(gòu)建校園數(shù)字模型。如BIM與地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System, GIS）、WebGL相互結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通、信息共享。從宏觀維度（GIS）到微觀維度（BIM），從重量信息模型軟件（Revit）繪制到輕量模型網(wǎng)頁(yè)展示（WebGL），從校園環(huán)境的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集匯總（Dynamo）到清洗，實(shí)現(xiàn)校園安全相關(guān)基礎(chǔ)信息的收集。其中，校園模型是整個(gè)系統(tǒng)的靜態(tài)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，理論上，模型越詳細(xì)，數(shù)據(jù)越翔實(shí)，分析的效果越可靠。但是，隨著模型復(fù)雜度和數(shù)據(jù)量的增加，系統(tǒng)的體量也會(huì)大幅增加，導(dǎo)致系統(tǒng)平臺(tái)加載速度變慢，所以在建模時(shí)需要把控?cái)?shù)據(jù)的量度，必要時(shí)可以采用體量代替實(shí)體模型。同時(shí)，BIM模型中有大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以通過(guò)Dynamo進(jìn)行整理、清洗并導(dǎo)出相關(guān)數(shù)據(jù)格式。相關(guān)數(shù)據(jù)與模型的同步，也可以通過(guò)Dynamo進(jìn)行回寫。

3.2 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集

動(dòng)態(tài)數(shù)字是指通過(guò)校園內(nèi)感知硬件，如視頻監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、校園一卡通、門禁系統(tǒng)等，對(duì)校園安全情況在線監(jiān)控，并采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。結(jié)合這些動(dòng)態(tài)采集的數(shù)據(jù)和歷史事故數(shù)據(jù)，使用算法進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、聚類和分析，可以評(píng)估校園風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)校園安全情況進(jìn)行分級(jí)分類。

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)針對(duì)校園內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室、圖書館、道路等主要建筑，根據(jù)消防、安全、環(huán)保等需要，部署感知終端，采集人流量、車速、火災(zāi)報(bào)警、溫濕度及光照度等感知數(shù)據(jù)。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集硬件主要包括安裝在校園環(huán)境里的各類傳感器、傳輸導(dǎo)線以及計(jì)算機(jī)等，主要用于對(duì)傳感器輸出的各種信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、采集、傳送和存儲(chǔ)。信號(hào)的傳送方式有直接電纜傳輸和無(wú)線傳輸兩種。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集還包括各類數(shù)字信號(hào)的處理，如數(shù)字濾波、消除噪聲、統(tǒng)計(jì)分析以及參數(shù)識(shí)別等，主要是從采集到的各種原始信息中提取有用信息，為校園安全隱患識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估積累數(shù)據(jù)信息。

3.3 數(shù)字孿生校園

將數(shù)字模型和實(shí)際模型相結(jié)合，利用BIM模型（靜態(tài)模型）、傳感器數(shù)據(jù)（動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)）、歷史數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度及多概率的校園模型，完成物理空間校園的數(shù)字映射，從而監(jiān)測(cè)校園安全的實(shí)際狀態(tài)，對(duì)校園安全性做出及時(shí)、有效的評(píng)估。數(shù)字模型與物理模型相互映射的關(guān)系如圖3所示。

圖3 數(shù)字模型與實(shí)際模型相互映射

4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

4.1 校園信息管理模塊

校園信息管理模塊能夠?yàn)橛脩籼峁┲庇^、可視化的數(shù)據(jù)管理界面，便于對(duì)校園安全相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息進(jìn)行查詢和修改。系統(tǒng)對(duì)校園模型的基本信息包括參數(shù)信息、空間信息，狀態(tài)信息等進(jìn)行整理，在Web客戶端讀取之后通過(guò)WebGL技術(shù)生成三維模型，再將三維模型添加到場(chǎng)景中，并結(jié)合動(dòng)態(tài)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。校園安全管理人員可以在Web端對(duì)校園模型進(jìn)行交互式瀏覽，從而對(duì)校園安全情況有準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的了解。

4.2 風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)更新模塊

在校園安全管理中，為了滿足實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的需要，需要變更實(shí)驗(yàn)設(shè)備或?qū)嶒?yàn)材料，在實(shí)施變更時(shí)會(huì)引入新風(fēng)險(xiǎn)，所以需要通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)更新模塊對(duì)變更帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行辨識(shí)，使得潛在的危險(xiǎn)得到預(yù)防和控制。同時(shí)，學(xué)校職能部門根據(jù)發(fā)展的需要也常常變更相關(guān)安全管理規(guī)定，因?yàn)楣芾硪?guī)定發(fā)生變化，管理過(guò)程就會(huì)變得滯后。因此，風(fēng)險(xiǎn)更新模塊能夠通過(guò)變更參數(shù)從而評(píng)估校園風(fēng)險(xiǎn)的變化，并且模塊需要進(jìn)一步比對(duì)風(fēng)險(xiǎn)變更前的信息，以及風(fēng)險(xiǎn)變更后的信息，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)數(shù)字底座中風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，從而保證風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。

4.3 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)預(yù)警模塊

從校園事故發(fā)生的可能性、事故發(fā)生的后果以及風(fēng)險(xiǎn)是否可接受3個(gè)方面建立校園安全評(píng)價(jià)體系，并以此建立校園風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)預(yù)警模塊，動(dòng)態(tài)評(píng)估校園安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)根據(jù)數(shù)字底座的參數(shù)修正與分析確定不同的危險(xiǎn)等級(jí)與閾值，形成多等級(jí)的預(yù)警機(jī)制。為了達(dá)到不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)狀態(tài)下采取不同的對(duì)應(yīng)措施，可以將風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)預(yù)警，如定義綠、橙、紅3色，加入BIM模型的屬性中，以輔助學(xué)校安全管理人員預(yù)測(cè)可能發(fā)生的事故。

4.4 事故應(yīng)急處置模塊

校園事故一旦發(fā)生，會(huì)造成人身傷害或重大設(shè)備損壞。事故應(yīng)急處置模塊用來(lái)在事故發(fā)生后啟動(dòng)的應(yīng)急程序。其主要功能在整合系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的應(yīng)急信息，結(jié)合校園應(yīng)急預(yù)案和數(shù)字底座其他數(shù)據(jù)，在異常狀況不能消除時(shí)，緊急啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案流程，并針對(duì)事故應(yīng)急處置評(píng)估對(duì)策的有效性。

5 結(jié) 論

校園安全是高校建設(shè)和發(fā)展的基石，也關(guān)乎社會(huì)穩(wěn)定，因其復(fù)雜性，在安全管理上存在很多困難，建立校園安全管理系統(tǒng)可以有效保障校園的安全，解決存在的問題?；贐IM和GIS的數(shù)字底座，是校園安全管理系統(tǒng)的數(shù)字化基礎(chǔ)。本文認(rèn)為在數(shù)字底座基礎(chǔ)上，針對(duì)校園的主要風(fēng)險(xiǎn)因素，開發(fā)相應(yīng)的系統(tǒng)功能模塊，并結(jié)合深度學(xué)習(xí)技術(shù)建立分析模型，綜合考慮校園安全數(shù)據(jù)的相關(guān)性、重要度、發(fā)生概率等，從而建設(shè)高校校園的安全管理系統(tǒng)。通過(guò)這樣的校園安全管理系統(tǒng)，可以對(duì)校園內(nèi)的“人、物、環(huán)”進(jìn)行有效管理，有效降低高校校園內(nèi)的安全事故。