智慧校園背景下智能安防實(shí)踐研究

卜祥鵬，王海軍

(江蘇省司法警官高等職業(yè)學(xué)校，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

目前，校園安全防范工作較薄弱，傳統(tǒng)的安防技術(shù)已不能滿足現(xiàn)在的需求。在傳統(tǒng)校園安防中，主要采用巡查和值崗等方式來(lái)維護(hù)校園安全，效率較低，校園監(jiān)控主要用來(lái)記錄，以便在特殊情況時(shí)進(jìn)行回看。雖然消防設(shè)施在校園中已經(jīng)普遍應(yīng)用，但是預(yù)警能力較差。無(wú)論是安保人員執(zhí)勤還是傳統(tǒng)校園監(jiān)控都無(wú)法滿足校園安防建設(shè)的需要。為了解決以上問(wèn)題，使用新技術(shù)來(lái)完善校園安防建設(shè)就顯得尤為重要，通過(guò)人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等應(yīng)用，提高校園安防水平。

1 校園安防建設(shè)現(xiàn)狀

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，安防智能化水平不斷提高。特別是人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，使安防設(shè)備的智能化和安全性都有了巨大的提升，基于人工智能的人臉識(shí)別已經(jīng)得到了普遍使用，基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)校園人員進(jìn)出管理、體溫檢測(cè)、火災(zāi)預(yù)警等都已得到應(yīng)用。

目前多數(shù)學(xué)校安防設(shè)施僅建立了功能單一的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和消防系統(tǒng)，消防系統(tǒng)屬于國(guó)家強(qiáng)制建設(shè)要求，各場(chǎng)地均配有消防設(shè)施。視頻監(jiān)控一般會(huì)覆蓋學(xué)校的重點(diǎn)區(qū)域，特別是教室、宿舍、餐廳和出入口等人員密集較多的地方，監(jiān)控的功能比較單一，不能實(shí)時(shí)處理警情。此外，該監(jiān)控方式對(duì)安保人員執(zhí)勤要求也較高，必須24小時(shí)關(guān)注監(jiān)控畫面。同時(shí)還存在監(jiān)控死角、設(shè)備老化和技術(shù)落后等問(wèn)題，已不能滿足當(dāng)前校園安防的建設(shè)要求。

董新穎研究出一種以機(jī)器視覺(jué)技術(shù)為基礎(chǔ)的校園安防智能識(shí)別系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對(duì)出入校門的人臉影像圖進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集，并根據(jù)OpenCv等算法，對(duì)這些采集到的影像圖進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，然后對(duì)這些影像圖的人臉特征進(jìn)行檢測(cè)。韓等人借助領(lǐng)先的人工智能技術(shù)，將人臉識(shí)別、智能分析技術(shù)與傳統(tǒng)的校園安防模式相結(jié)合，將語(yǔ)音識(shí)別、圖像識(shí)別與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相結(jié)合，從校園監(jiān)控及通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀展開(kāi)分析，重點(diǎn)對(duì)校園監(jiān)控及通信系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究，提出了校園信息化建設(shè)整體解決方案。劉等人提出了一種高校校園智能安防體系框架，具有多維感知、異構(gòu)互聯(lián)、智能高效、綜合管控、集中呈現(xiàn)和云端管理的特點(diǎn)。朱等人提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的校園實(shí)驗(yàn)室安防預(yù)警系統(tǒng)，為校園實(shí)驗(yàn)室安全提供確切保障。

本文基于智能監(jiān)控與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提升校園安防水平。一方面采用目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)識(shí)別和目標(biāo)分析等人工智能技術(shù)完善校園安防監(jiān)控體系；另一方面，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完善校園報(bào)警系統(tǒng)，特別是火災(zāi)和非法進(jìn)入等情況，進(jìn)而推進(jìn)智慧校園安防建設(shè)。

2 相關(guān)知識(shí)

2.1 人工智能

人工智能的簡(jiǎn)稱“AI”，是一種以計(jì)算機(jī)形式來(lái)創(chuàng)造的人工思維，使機(jī)器能夠勝任一些通常需要人類智能才能完成的復(fù)雜工作。人工智能從誕生以來(lái)，理論和技術(shù)日益成熟，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，主要研究包括機(jī)器人、圖像識(shí)別、自然語(yǔ)言處理和自動(dòng)程序設(shè)計(jì)等。目前，人工智能技術(shù)已應(yīng)用于醫(yī)療、家居、教育等多種行業(yè)，未來(lái)人工智能的應(yīng)用會(huì)更廣泛，同樣，智慧校園的建設(shè)也離不開(kāi)人工智能的支撐。

2.2 目標(biāo)檢測(cè)算法

在圖像處理領(lǐng)域中，目標(biāo)檢測(cè)也是一項(xiàng)非?；A(chǔ)的任務(wù)。目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)通常是指在一張圖像中檢測(cè)出物體出現(xiàn)的位置及對(duì)應(yīng)的類比，要求檢測(cè)器輸出5個(gè)值：物體類別、左上角坐標(biāo)、左上角坐標(biāo)、右下角坐標(biāo)、右下角坐標(biāo)。如圖1所示。

圖1 目標(biāo)檢測(cè)任務(wù)

目標(biāo)檢測(cè)具有巨大的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。應(yīng)用領(lǐng)域包括人臉檢測(cè)、行人檢測(cè)、車輛檢測(cè)、飛機(jī)航拍或自動(dòng)駕駛等。在安防領(lǐng)域中，移動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和人員監(jiān)測(cè)被越來(lái)越多的應(yīng)用在站臺(tái)預(yù)警、行人監(jiān)測(cè)、智能安防等工作。

2.3 無(wú)人機(jī)技術(shù)

隨著無(wú)人機(jī)與安防技術(shù)的不斷融合發(fā)展，無(wú)人機(jī)已經(jīng)深入到安防行業(yè)當(dāng)中，不僅是應(yīng)急救援，在數(shù)字城市、智慧城市建設(shè)、森林防火監(jiān)測(cè)、邊防監(jiān)控、軍事偵察和警情消防監(jiān)控等場(chǎng)景中，無(wú)人機(jī)也越來(lái)越常見(jiàn)。在校園安防系統(tǒng)中，由于無(wú)人機(jī)本身特點(diǎn)，能夠與安防監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，發(fā)揮更好的監(jiān)控作用，因此無(wú)人機(jī)也逐漸應(yīng)用在校園安防中。

在本文中，無(wú)人機(jī)可以在監(jiān)控死角、圍墻和出入口等進(jìn)行飛行檢測(cè)，由于無(wú)人機(jī)具有聯(lián)網(wǎng)回傳功能，可以將實(shí)時(shí)照片發(fā)送到本地監(jiān)控系統(tǒng)中，利用目標(biāo)檢測(cè)算法，可以對(duì)異常人員進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別和分析，通過(guò)人臉對(duì)比，可以及時(shí)鎖定人員信息，隨后將異常情況發(fā)送給安保人員進(jìn)行及時(shí)處理，如圖2所示。此外，無(wú)人機(jī)也可用于維護(hù)學(xué)校紀(jì)律中，比如亂丟垃圾，遲到早退等情況，通過(guò)實(shí)時(shí)抓拍和智能分析，進(jìn)行違紀(jì)處理，有利于學(xué)校的日常行為管理。

3 基于人工智能的安防設(shè)計(jì)框架

模型框架如圖3所示，主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和表現(xiàn)層共6層。

圖2 校園中目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

圖3 智能安防總體框架

具體包括：

（1）感知層：主要由各類智能感知設(shè)備組成，包括攝像頭、溫度傳感器和門禁探測(cè)等，對(duì)于校園圍墻、出入口、宿舍、餐廳和教室等重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃部署，為校園智能安防體系提供智能、穩(wěn)定、有效的信息來(lái)源。

（2）網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層涉及的主要技術(shù)是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和移動(dòng)通信技術(shù)，由于校園智能安防涉及要素類別較多，因此需要穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)支撐。本研究綜合運(yùn)用有線網(wǎng)和無(wú)線Wi-Fi，構(gòu)建一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)校園智能安防各要素的全時(shí)域穩(wěn)定互聯(lián)。在比較聚集的區(qū)域使用穩(wěn)定的有線網(wǎng)絡(luò)，比如監(jiān)控系統(tǒng)，其余地方以無(wú)線為主。

（3）服務(wù)層：由于數(shù)據(jù)龐大，為了更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，建設(shè)包括服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)等硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)分析的底層支撐。

（4）數(shù)據(jù)層：主要包括視頻圖像數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、人臉數(shù)據(jù)和位置定位數(shù)據(jù)，在該層中完成數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單清理，為數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支撐。

（5）應(yīng)用層：通過(guò)整合各類數(shù)據(jù)，建設(shè)智慧監(jiān)控系統(tǒng)和報(bào)警管控系統(tǒng)，通過(guò)目標(biāo)檢測(cè)和目標(biāo)識(shí)別實(shí)現(xiàn)異常感知、自動(dòng)報(bào)警、智能分析和通知管控的一體協(xié)同功能。

（6）呈現(xiàn)層：主要包括指揮中心的監(jiān)控展示和桌面終端、移動(dòng)終端等設(shè)備，提供可視化界面，給安防人員提供直觀的實(shí)時(shí)結(jié)果。

3.1 基于目標(biāo)監(jiān)測(cè)的智慧監(jiān)控模塊

基于目標(biāo)監(jiān)測(cè)的智慧監(jiān)控模塊如圖4所示，在該模塊中，主要包括教室、宿舍、餐廳和其他公共區(qū)域等部分，本地監(jiān)控分析中心是系統(tǒng)的核心部分。

圖4 智慧監(jiān)控模塊

（1）教室、宿舍與餐廳：教室、宿舍和餐廳是學(xué)生的主要活動(dòng)場(chǎng)所，人員比較集中，容易發(fā)生斗毆事件。通過(guò)智能監(jiān)控系統(tǒng)，會(huì)通過(guò)視頻進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，目標(biāo)檢測(cè)模塊能夠及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)到人像，會(huì)將人像信息發(fā)送給本地監(jiān)控中心進(jìn)行人臉識(shí)別，通過(guò)特征提取與數(shù)據(jù)庫(kù)中的人臉進(jìn)行匹配。通過(guò)分析，在教室中可以通過(guò)人臉信息完成點(diǎn)名功能，會(huì)將實(shí)時(shí)的缺席名單發(fā)送給班主任。另一方面，在宿舍中，設(shè)置人臉識(shí)別的智能門禁系統(tǒng)，并結(jié)合測(cè)溫技術(shù)，加強(qiáng)學(xué)生出入管理、體溫管理，減少安全隱患。在樓層中利用智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)姿態(tài)分析等智能技術(shù)來(lái)識(shí)別是否有斗毆事件或其他異常事件，并及時(shí)通知樓層執(zhí)勤人員。

（2）公共區(qū)域：一方面，在校園門衛(wèi)處，通過(guò)人臉識(shí)別閘機(jī)嚴(yán)格區(qū)分校內(nèi)與校外人員，同時(shí)利用智能測(cè)溫系統(tǒng)，在人臉識(shí)別的同時(shí)顯示體溫，對(duì)于溫度異常的人員限制進(jìn)入。另一方面，在校區(qū)的外周界、出人口布設(shè)監(jiān)控點(diǎn)和周界防范設(shè)備形成完整的防范圈、在校內(nèi)沿主干道路布設(shè)監(jiān)控點(diǎn)形成無(wú)縫監(jiān)控網(wǎng)格，特別是圍墻區(qū)域，通過(guò)智能監(jiān)控系統(tǒng)，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，實(shí)時(shí)的進(jìn)行抓拍，利用目標(biāo)檢測(cè)算法進(jìn)行人像檢測(cè)，并將人像信息發(fā)送到監(jiān)控中心進(jìn)行特征識(shí)別，不論是校內(nèi)人員還是校外人員，都會(huì)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)，并及時(shí)通知安保人員前往現(xiàn)場(chǎng)。同時(shí)還可以使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行輔助拍攝，特別是對(duì)于隱蔽角落進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)而提升校園的安防水平。

本文主要是利用目標(biāo)檢測(cè)算法進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，相比于傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控，一方面節(jié)省人力，另一方面處理更加及時(shí)。通過(guò)該檢測(cè)算法實(shí)時(shí)的檢測(cè)目標(biāo)信息，一旦發(fā)現(xiàn)有人臉信息，會(huì)選擇最清晰的一張傳送給本地視頻監(jiān)控中心，監(jiān)控中心會(huì)對(duì)該圖像進(jìn)行特征提取，并與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)信息進(jìn)行比較，若發(fā)現(xiàn)異常信息，會(huì)及時(shí)通過(guò)報(bào)警系統(tǒng)通知安保人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理。

技術(shù)開(kāi)發(fā)中，主要使用目前檢測(cè)效果較好的YOLOv5算法，可以精準(zhǔn)識(shí)別人像信息，該算法最大的特點(diǎn)就是模型小、檢測(cè)速度快，可以達(dá)到每秒140幀（FPS）。這對(duì)于校園的實(shí)時(shí)監(jiān)管來(lái)說(shuō)具有重要意義，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并處理。通過(guò)人工智能技術(shù)提高現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)的利用率以及報(bào)警的準(zhǔn)確率。YOLOv5算法樣例檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 YOLOv5校園人員檢測(cè)結(jié)果

3.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的預(yù)警管控模塊

在校園圍墻、監(jiān)控死角等區(qū)域，對(duì)于外部人員非法闖入的場(chǎng)景，校園智能安防體系首先通過(guò)紅外探測(cè)、門禁設(shè)備、視頻監(jiān)控等手段進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的感知功能，對(duì)異常情況及時(shí)報(bào)警，并向值班巡邏人員發(fā)送報(bào)警信息。同時(shí)，指揮大廳值班員能夠根據(jù)實(shí)時(shí)、可追蹤的視頻監(jiān)控畫面遠(yuǎn)程指揮巡邏人員的及時(shí)處理。基于物聯(lián)網(wǎng)的預(yù)警管控模塊主要包括校園外圍和門衛(wèi)的異常人員預(yù)警管控和校園人員密集場(chǎng)所的火災(zāi)預(yù)警管控。

（1）異常人員：門禁系統(tǒng)是校園安防的基本組成部分，通過(guò)使用刷卡或人臉識(shí)別的方式對(duì)進(jìn)出校人員進(jìn)行有效識(shí)別。同時(shí)在人員進(jìn)出校園時(shí)，在通行閘機(jī)上也可以隨時(shí)進(jìn)行體溫檢測(cè)，特別是疫情防控常態(tài)化背景下，可以對(duì)出入人員進(jìn)行溫度監(jiān)控。

（2）消防安全系統(tǒng)：由于學(xué)校的特殊情況，人員比較集中，尤其是教室、宿舍和餐廳等區(qū)域，消防系統(tǒng)的有效性在校園安防中是重中之重。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，利用RFID標(biāo)簽和溫度傳感器連接，成為溫度RFID標(biāo)簽，安裝在可能發(fā)生火災(zāi)的各個(gè)位置區(qū)域，同時(shí)與RFID閱讀器信號(hào)連接，實(shí)現(xiàn)溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)，火災(zāi)情況及時(shí)處理等功能。基于RFID的預(yù)警框架如圖6所示。

圖6 基于RFID的預(yù)警框架

4 結(jié) 論

本文從智慧校園建設(shè)需求出發(fā)，完善校園安防水平為目標(biāo)，基于人工智能技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了校園智能安防體系框架，一方面，利用目標(biāo)檢測(cè)和目標(biāo)識(shí)別等先進(jìn)算法實(shí)現(xiàn)異常人員的實(shí)時(shí)監(jiān)控及識(shí)別，同時(shí)利用無(wú)人機(jī)抓拍等技術(shù)實(shí)現(xiàn)校園全方位的監(jiān)控。另一方面，利用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)校園火災(zāi)預(yù)警。通過(guò)多維感知、智能高效和綜合管控的校園智能安防體系，提升當(dāng)前校園安防水平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)建設(shè)智慧安防校園目標(biāo)。