人臉識別技術(shù)在校園疫情防控中的應(yīng)用研究

仲偉偉 汪方正

摘要：當(dāng)前國內(nèi)新冠疫情防控整體趨于穩(wěn)定，但國際形勢依然嚴(yán)峻，疫情常態(tài)化防控成為各地政府工作中的重要一環(huán)。特別是高等院校的學(xué)生大都來自全國各地，因此每學(xué)期的開學(xué)季成為高等院校疫情防控工作中的重難點(diǎn)。開學(xué)時成千上萬的學(xué)生和家長從四面八方涌入校園，對校園的整體安全管理會形成巨大的壓力。因此，有效利用人工智能、大數(shù)據(jù)以及物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)助力校園疫情常態(tài)化防控顯得尤為重要。文章以人臉識別技術(shù)為例介紹了人工智能在智慧校園建設(shè)中應(yīng)用實踐與成效，并為疫情常態(tài)化防控下如何有效利用人工智能技術(shù)提出了合理的建議。

關(guān)鍵詞：人工智能;大數(shù)據(jù);疫情防控;物聯(lián)網(wǎng);智慧校園

中圖分類號：TP31? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）25-0110-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識碼（OSID） ：

持續(xù)近兩年的新冠疫情逐漸成為人類歷史上感染范圍最廣的一次公共衛(wèi)生安全事件，給全球各地的人們生活帶來了嚴(yán)重的影響。其傳播和變異的速度之快給疫情防控工作帶來了 極大的壓力，教育系統(tǒng)特別是高等院校由于人群的高度密集性以及較強(qiáng)的流動性使得疫情防控的工作難度大大增加。根據(jù)教育部的相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明全國高等院校在校生總?cè)藬?shù)已經(jīng)超過3800萬人，而目前全國各地共有約2756所全日制普通高校，因此每所高校的平均在校總?cè)藬?shù)都能達(dá)到一萬人以上。另外不同于普通中小學(xué)的是高校的招生范圍一般都會遍布全國各地，開學(xué)時大量的學(xué)生來自疫情形勢各不相同的其他地區(qū)，在乘坐高鐵或長途汽車的過程中難免會經(jīng)過疫情中高風(fēng)險區(qū)?；氐綄W(xué)校后大量的師生又會在相同的時間點(diǎn)集中在教室、宿舍以及圖書館和食堂等相對封閉的公共場所，如果防疫措施不當(dāng)極易產(chǎn)生群體性疫情暴發(fā)事件。因此，結(jié)合新冠病毒本身的高度傳染性以及高校自身的特點(diǎn)使得其疫情防控的嚴(yán)峻性不言而喻。

疫情期間人工智能、大數(shù)據(jù)以及物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)極大緩解了疫情防控工作的壓力，發(fā)揮了重要的作用[1-2]。例如，各類智能機(jī)器人可以替代工作人員進(jìn)行藥品配送，有效降低醫(yī)護(hù)人員感染風(fēng)險，同時還可以承擔(dān)體溫檢測、配送、消毒、甚至是高風(fēng)險的咽拭子采樣工作，讓我們深切感受到科技防疫的優(yōu)勢。人工智能和大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)正在引領(lǐng)著新一輪的科技變革，對社會各行各業(yè)和人們的生活工作等都帶來了巨大的影響。本文以江蘇某職業(yè)院校為例，探討人工智能中的人臉識別技術(shù)如何在高校疫情防控中發(fā)揮重要的作用。

1 高校人臉識別系統(tǒng)

隨著我國教育系統(tǒng)信息化建設(shè)的不斷發(fā)展，信息化教學(xué)手段和管理模式已經(jīng)逐漸成熟。近年來基于大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和云計算等新一代信息技術(shù)的教學(xué)理念和管理模式也成為當(dāng)前教育改革的一個主題，我們正從信息化時代逐漸進(jìn)入智能化時代。將人工智能技術(shù)融入教學(xué)、科研以及生活管理等各個方面將成為下一階段智慧校園建設(shè)的主要目標(biāo)。

1.1 基本架構(gòu)

江蘇某高校的人臉識別系統(tǒng)主要是以人臉認(rèn)證服務(wù)為核心，同時由多個模塊的業(yè)務(wù)子系統(tǒng)構(gòu)成。其中的人臉認(rèn)證服務(wù)主要負(fù)責(zé)識別參數(shù)配置、接入應(yīng)用管理、識別主機(jī)管理等，為其他業(yè)務(wù)模塊使用人臉識別提供統(tǒng)一的接口和接入規(guī)范，而其他業(yè)務(wù)子系統(tǒng)則負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯實現(xiàn)和硬件集成。目前已經(jīng)能夠投入運(yùn)營的業(yè)務(wù)子系統(tǒng)包含智慧教室管理系統(tǒng)、宿舍門禁管理系統(tǒng)、一卡通平臺以及會議簽到管理系統(tǒng)等。涉及的硬件設(shè)備有電子班牌、智能人臉識別平板、雙屏消費(fèi)POS、人臉識別攝像頭和主機(jī)等。最終該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)安防門禁、餐廳消費(fèi)、會議簽到、課堂考勤、迎新實名核驗等業(yè)務(wù)場景的人臉身份實名認(rèn)證。系統(tǒng)的基本架構(gòu)如下圖：

1.2 系統(tǒng)主要功能

① 餐廳消費(fèi)

傳統(tǒng)的校園一卡通平臺在經(jīng)過二十多年的發(fā)展后其功能已日益完善，且安全性也逐漸提高，至今幾乎所有的高校都已經(jīng)引入了一卡通平臺。但是在校園一卡通的使用過程中也存在著很多問題，例如其無法和卡主本人進(jìn)行有效的身份綁定，容易造成代刷、盜刷以及偽造等情況，同時對于廣大師生來說難免會存在丟卡、忘帶以及消磁等現(xiàn)象，掛失以及補(bǔ)卡操作流程煩瑣，導(dǎo)致用戶體驗差。人臉識別是一種利用人的臉部特征信息進(jìn)行身份識別和實名認(rèn)證的生物識別技術(shù)，其通過人臉檢測、人臉跟蹤以及人臉比對等過程完成身份認(rèn)證。人臉的唯一性以及不易復(fù)制的良好特性為身份鑒別提供了必要的保障，能夠有效解決校園卡存在的人卡不一、攜帶不便以及數(shù)據(jù)分散管理的問題，大大提高了學(xué)校后勤的管理效率。

② 學(xué)生考勤管理

當(dāng)前很多高校都存在著學(xué)生逃課、遲到和早退等現(xiàn)象，尤其在一些職業(yè)類院校往往學(xué)生的自律性不是很高，難免會給任課老師和輔導(dǎo)員們增加很多紀(jì)律方面的管理工作。很多公共基礎(chǔ)類的課程又經(jīng)常是合班上課，給教師的考勤工作增加很大的難度。使用傳統(tǒng)的點(diǎn)名或簽到方法不僅浪費(fèi)時間而且容易出現(xiàn)代簽現(xiàn)象。利用人臉識別技術(shù)的唯一性和不易復(fù)制性來進(jìn)行考勤既可以節(jié)約點(diǎn)名的時間又能夠有效保障學(xué)生上課出勤數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率，還能夠結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)實時監(jiān)測學(xué)生上課的狀態(tài)，判斷學(xué)生是否在睡覺或玩手機(jī)，如果有異常可以及時把信息發(fā)給班級輔導(dǎo)員或教務(wù)處管理人員。

③ 校園安防管理

近年來隨著學(xué)校的快速發(fā)展以及辦學(xué)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，很多高校都有多個校區(qū)，還有一些校區(qū)跟本部跨市甚至跨省，高校的開放程度也在不斷增大，這就給后勤管理和保衛(wèi)管理帶來了很多安全方面的漏洞。同時很多學(xué)生的安全防范意識相對薄弱，缺乏自我防衛(wèi)能力。這就需要學(xué)校在管理層面上能夠提前做好防范措施，有效杜絕不法分子混入校園，減少事故發(fā)生的可能性，為學(xué)生提供一個安全穩(wěn)定的學(xué)習(xí)環(huán)境。因此利用人臉識別技術(shù)構(gòu)建的智能門禁管理系統(tǒng)能夠通過人臉實名認(rèn)證有效管理廣大師生安全出入，同時避免外來社會人員隨意進(jìn)出校園，極大地減輕了學(xué)校安全保衛(wèi)方面的工作壓力。

此外，人臉識別系統(tǒng)還可以應(yīng)用于學(xué)生宿舍管理、教職工考勤管理以及考試核查和會議簽到等多個場景[3]。隨著智慧校園建設(shè)的不斷深入，這些智能化的管理模式將逐漸成為主流，為我們的校園保駕護(hù)航。

2 人臉識別技術(shù)在校園疫情防控中的應(yīng)用

有效助力疫情防控、充分發(fā)揮智慧校園建設(shè)的成效是一個系統(tǒng)化的工程，需要綜合運(yùn)用數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及圖像可視化技術(shù)等[4]。首先借助于物聯(lián)網(wǎng)和云計算等平臺收集數(shù)據(jù)，同時接入互聯(lián)網(wǎng)健康碼、通信大數(shù)據(jù)行程碼等完成數(shù)據(jù)的融合與共享;其次是基于大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)來對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和預(yù)測;最后將數(shù)據(jù)分析的結(jié)果通過可視化平臺實時展現(xiàn)出來。由于人臉等大數(shù)據(jù)的非結(jié)構(gòu)化性以及復(fù)雜性等特點(diǎn)，往往使得數(shù)據(jù)采集的速度和質(zhì)量成為系統(tǒng)性能的瓶頸[5]。下面以江蘇某職業(yè)院校為例，介紹人臉識別技術(shù)在高校疫情防控中應(yīng)用過程。

2.1 數(shù)據(jù)采集

構(gòu)建一個高質(zhì)量的人臉數(shù)據(jù)庫是整個智慧校園人臉識別系統(tǒng)中最關(guān)鍵和最核心的部分，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的準(zhǔn)確性和實效性直接影響著整個系統(tǒng)的性能。為此在學(xué)期開學(xué)前學(xué)校會針對不同信息平臺采集的人臉照片進(jìn)行統(tǒng)一的管理，同時將照片轉(zhuǎn)換為人臉特征數(shù)據(jù)形成一個全校師生的人臉信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)可以通過終端刷身份證采集人臉照片，也可以調(diào)用支付寶或微信的人臉采集組件來采集人臉照片，同時支持活體檢測驗證?？紤]到青少年時期的學(xué)生外貌特征會變化較快，系統(tǒng)平臺能夠支持人臉照片的雙留底、實時留底以及定期留底，從而保證人臉識別的效率。

在學(xué)校的進(jìn)出通道內(nèi)除了有人臉識別設(shè)備還有紅外測溫傳感器，在識別人臉身份同時啟動測溫功能，并將測量的體溫實時上傳到數(shù)據(jù)中心。同時數(shù)據(jù)中心可以同步來自互聯(lián)網(wǎng)健康碼和通信行程碼的實時數(shù)據(jù)，平臺人員的健康信息、照片數(shù)據(jù)等可以從校園數(shù)據(jù)中心自動獲取，減少人員手工錄入的操作，對于產(chǎn)生的人臉識別記錄和通行記錄可共享至教務(wù)系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)平臺、迎新系統(tǒng)以及門禁系統(tǒng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和展示，同時對體溫異?；騺碜灾懈唢L(fēng)險區(qū)人員的刷臉通行記錄進(jìn)行預(yù)警。

2.2 數(shù)據(jù)分析

計算機(jī)通過攝像頭獲取到人臉的圖像后將人臉的“圖像信息”（如眉形、臉輪廓、鼻子形狀、眼睛的類型等） 抽取成為特定的“數(shù)字符號信息”，這些“數(shù)字符號信息”就是人臉特征。然后通過特征建模得到向量化的人臉特征，最后通過不同的算法或分類器判別得到識別的結(jié)果[6]。使用算法從照片中提取了人臉特征，并返回給人臉認(rèn)證平臺進(jìn)行管理。平臺專門在數(shù)據(jù)庫中存儲了每個人對應(yīng)多種算法、多種模型、來源不同的、3D屬性的人臉特征，并對他們統(tǒng)一管理。人臉識別系統(tǒng)能夠提供多種算法接入，根據(jù)不同業(yè)務(wù)場景特點(diǎn)接入適用的人臉?biāo)惴?，如針對消費(fèi)場景的金融機(jī)構(gòu)安全級別算法、針對身份識別場景的離線識別算法等，每種算法可提供多組參數(shù)供用戶選擇。對于不同場景和應(yīng)用的識別分?jǐn)?shù)、活體分?jǐn)?shù)用戶可自行調(diào)整。

2.3 數(shù)據(jù)可視化

在大數(shù)據(jù)時代各種類型的信息數(shù)據(jù)可以通過多種方法來進(jìn)行可視化，針對不同的場景或用戶關(guān)注的側(cè)重點(diǎn)都可以設(shè)計專門的可視化界面。高校人臉識別系統(tǒng)的應(yīng)用場景很多，當(dāng)我們要將分析完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展現(xiàn)時，首先需要明確并理解的一點(diǎn)是該數(shù)據(jù)描述了怎樣的場景信息，需要向用戶展示哪些重要的信息;其次是當(dāng)用戶看到這些數(shù)據(jù)信息時系統(tǒng)是否能夠?qū)ο乱徊焦ぷ魈峁┲笇?dǎo)性的信息。我們針對學(xué)校疫情防控的要求，在不同的場景下使用的不同的數(shù)據(jù)可視化設(shè)備，例如在進(jìn)出校門的通道使用落地式觸控一體機(jī)，能夠同時顯示人員信息和體溫信息;在智慧教室門口安裝了電子班牌，能夠顯示課堂的學(xué)生信息和教師信息等。下圖是學(xué)校的人臉識別系統(tǒng)在不同應(yīng)用場景下的終端可視化平臺：

3 疫情常態(tài)化防控下如何更好地應(yīng)用人工智能技術(shù)

隨著科技的發(fā)展，人工智能已在很多領(lǐng)域取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但在后疫情時代，人工智能技術(shù)在高等院校應(yīng)用領(lǐng)域中還存在諸多問題，未成體系。故在高等教育發(fā)展進(jìn)程中，可以充分學(xué)習(xí)國內(nèi)外優(yōu)秀的管理經(jīng)驗，利用人工智能更好地提高高等教育教學(xué)管理水平，從頂層設(shè)計的角度更加科學(xué)、合理地提出可行的發(fā)展戰(zhàn)略。

（1） 加快核心關(guān)鍵技術(shù)投入力度

人工智能、大數(shù)據(jù)以及物聯(lián)網(wǎng)和云計算等新一代信息技術(shù)相輔相成，具有跨學(xué)科融合以及高度復(fù)雜性等特點(diǎn)。需要在相關(guān)政府部門的主導(dǎo)下，以解決疫情防控的問題為導(dǎo)向，充分調(diào)動廣大科研人員的積極性，完善對科研工作者知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)和各項激勵政策，以核心技術(shù)為關(guān)鍵點(diǎn)加快建立和完善整體技術(shù)體系。在疫情常態(tài)化防控過程中，需要特別加強(qiáng)醫(yī)療數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，采用云計算和區(qū)塊鏈等技術(shù)實現(xiàn)醫(yī)療大數(shù)據(jù)實時共享，保證醫(yī)療數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、安全性以及實時性，這樣才能更好地在疫情監(jiān)測、防控救治以及資源調(diào)度等方面發(fā)揮人工智能技術(shù)的最大效能。

（2） 完善法治保障，建立制度體系

高等教育應(yīng)當(dāng)始終堅持以人為本的原則，而要實現(xiàn)教育智能化的轉(zhuǎn)變需要充分考慮到管理、制度、平臺以及人才培養(yǎng)等多方面。因此學(xué)校應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步建立立體化教學(xué)資源，努力完善智慧校園的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，讓學(xué)校師生充分感受到教學(xué)為本的教育理念。在智慧校園建設(shè)過程中，還應(yīng)充分調(diào)動學(xué)校師生的主觀能動性，同時將中華道德和文化素養(yǎng)等因素融入人工智能技術(shù)應(yīng)用中，充分體現(xiàn)師生的價值。為了更好地建立智能化發(fā)展機(jī)制和治理模式，高等教育的管理者更應(yīng)具備一定的科學(xué)素養(yǎng)以及完善和持續(xù)的發(fā)展規(guī)劃，同時需要保證智慧校園建設(shè)充足的經(jīng)費(fèi)支持，合理規(guī)劃及分配資源配置，充分調(diào)動師生的積極性，建立完善的體系發(fā)展模式，確保各項工作有條不紊地進(jìn)行。

（3） 注重培養(yǎng)學(xué)校師生的信息化素養(yǎng)

目前，高等院校普遍存在對新一代信息技術(shù)的應(yīng)用場景了解不夠的現(xiàn)象，不愿嘗試新的智能化教學(xué)方法和管理模式，限制了高等教育轉(zhuǎn)向智能化時代的進(jìn)程。因此，必須加強(qiáng)對廣大師生的信息化素養(yǎng)培養(yǎng)，通過培養(yǎng)校內(nèi)教師與引進(jìn)高層次人才相結(jié)合的模式，加大師資力量培養(yǎng)力度，打造一支高水平人工智能領(lǐng)軍人才隊伍。進(jìn)一步優(yōu)化教師培訓(xùn)體系，采用探究與交互相結(jié)合的學(xué)習(xí)模式，讓教師深刻體會人工智能技術(shù)對教學(xué)和管理方面的促進(jìn)作用，同時，學(xué)?？梢耘c國內(nèi)外知名互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)合作，讓廣大師生參與實踐項目的研發(fā)過程中，融入一線科技公司學(xué)習(xí)和體驗人工智能等新一代信息技術(shù)的魅力。

4 總結(jié)與展望

人工智能技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于疫情的常態(tài)化防控工作中，并且其優(yōu)勢明顯，能夠大大提高疫情防控的工作效率，尤其是在數(shù)據(jù)分析、高校迎新管理以及企業(yè)復(fù)工復(fù)產(chǎn)等諸多領(lǐng)域。例如在實際應(yīng)用時，可以利用人臉識別技術(shù)迅速發(fā)現(xiàn)確診病例或疑似病例的密切接觸者，利用人工智能算法可以極大提高新冠病毒基因全序列對比的效率，各級政府和相關(guān)部門還可以利用大數(shù)據(jù)技術(shù)準(zhǔn)確判斷人群的流動情況以及各行各業(yè)的復(fù)工復(fù)產(chǎn)情況等?？偟膩碚f，在后疫情時代人工智能技術(shù)的應(yīng)用范圍一定會越來越廣泛，并將逐漸滲透到社會經(jīng)濟(jì)和生活以及教育等各個方面。未來不管疫情的發(fā)展趨勢如何，人工智能以及大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)都將在社會的發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用，不斷推動和促進(jìn)我們從信息時代走向智能時代。

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【通聯(lián)編輯：王力】