基于深度學(xué)習(xí)的高校設(shè)備設(shè)施智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的研究與設(shè)計

葛 蓁，張重齊

（1.武漢華夏理工學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 武漢430223；2.武漢工商學(xué)院，湖北 武漢 430065；3.武漢虹信技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430205）

0 引 言

我國擁有眾多的高校及在校學(xué)生，高校數(shù)量位居全球第二，在校學(xué)生數(shù)量位居全球第一。目前，高校的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)越來越完善，擁有數(shù)量眾多的電梯、泵房、消防設(shè)施以及門禁道閘等設(shè)備設(shè)施。但是，高校對設(shè)備設(shè)施的管理存在以下兩點問題：一是安全管理意識不強，重建設(shè)輕運維；二是管理手段薄弱，依靠人工檢測事后處理的方式無法實時監(jiān)測設(shè)備設(shè)施的運行狀態(tài)[1,2]。高校作為人群聚集的場所，一旦發(fā)生電梯墜落和火災(zāi)等安全事故，將會造成嚴重的經(jīng)濟損失、人員傷亡以及不良的社會影響。因此，如何保障高校的電梯、泵房、燃氣管道、消防設(shè)施以及門禁等設(shè)備設(shè)施的運行安全顯得尤為迫切[3]。

1 建設(shè)目標

針對高校設(shè)備設(shè)施眾多和管理手段智能化不足等突出難題，應(yīng)用新一代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研究設(shè)計一套高校設(shè)備設(shè)施智能監(jiān)測系統(tǒng)，其建設(shè)目標主要包括以下4點。一是研究MQTT、CoAP以及XMPP等通用物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，實現(xiàn)電梯、泵房、門禁道閘以及攝像頭等設(shè)備設(shè)施的泛在接入。二是研究建立基于啟發(fā)式模板挖掘、遠程監(jiān)督以及開放式信息抽取等技術(shù)的信息抽取方法體系，快速準確地構(gòu)建設(shè)備設(shè)施運行事件知識圖譜，為上層智能化監(jiān)測預(yù)警提供數(shù)據(jù)支撐。三是研究基于深度學(xué)習(xí)的設(shè)備設(shè)施預(yù)測預(yù)警技術(shù)，通過海量歷史監(jiān)測信息的挖掘與分析，并通過深度學(xué)習(xí)算法，分析與預(yù)測設(shè)備設(shè)施可能出現(xiàn)的故障信息。四是研究設(shè)備設(shè)施監(jiān)測預(yù)警應(yīng)用需求，基于平臺化微服務(wù)框架，研發(fā)高校設(shè)備設(shè)施智能監(jiān)測系統(tǒng)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于泛在網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)接入技術(shù)

在通信技術(shù)、信息技術(shù)以及射頻識別技術(shù)等新技術(shù)的不斷催生下，實現(xiàn)萬物互聯(lián)的泛在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)正日漸清晰。其特點是任何時間、任何地點、任何人以及任何物都能順暢地進行通信。關(guān)鍵技術(shù)包括體系架構(gòu)及組網(wǎng)技術(shù)、無線泛在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下用戶上下文（環(huán)境）感知性、異構(gòu)無線接入網(wǎng)絡(luò)共存與協(xié)同以及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的移動性管理等。其體系框架如圖1所示[4]。

泛在網(wǎng)絡(luò)根據(jù)超深、超高以及超遠等不同應(yīng)用場景，構(gòu)建2G/3G/4G/5G、LoRa、ZigBee以及NBIoT等不同的組網(wǎng)方式，實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的接入，支持MQTT、CoAP、OPC、Modbus、Bacnet、KNX、485 以及HTTP等主流物聯(lián)協(xié)議接入，實現(xiàn)各類傳感器、二維碼以及智能設(shè)備設(shè)施等泛在接入[5]。

2.2 基于深度學(xué)習(xí)的監(jiān)測預(yù)警技術(shù)

深度學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律和表示層次，通過組合低層特征形成更加抽象的高層表示屬性類別或特征，以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式特征表示，是一種包含多個隱藏層的多層感知器，結(jié)構(gòu)如圖2所示[6]。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實際上就是一個輸入向量到輸出向量的函數(shù)，即：

根據(jù)輸入計算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出，需要首先將輸入向量的每個元素的值賦給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層的對應(yīng)神經(jīng)元，然后根據(jù)式（1）依次向前計算每一層的每個神經(jīng)元的值，直到最后一層輸出層的所有神經(jīng)元的值計算完畢。最后，將輸出層每個神經(jīng)元的值串在一起就得到了輸出向量。

通過設(shè)備設(shè)施運行監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史故障信息，總結(jié)設(shè)備設(shè)施預(yù)警模型。預(yù)警模型因素包括故障類型、異常特征、故障時間以及運行時間等，利用深度學(xué)習(xí)算法進行訓(xùn)練，推演新的預(yù)警模型，通過收集的故障信息，結(jié)合深度方法算法循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，推演新的預(yù)警模型，不斷完善預(yù)警模型庫，模型建立流程如圖3所示[7]。

2.3 安全可控的微服務(wù)集成框架

設(shè)計微服務(wù)軟件架構(gòu)，通過提取業(yè)務(wù)服務(wù)屬性建立基于業(yè)務(wù)屬性的微服務(wù)軟件架構(gòu)，實現(xiàn)服務(wù)間的松耦合和高度自治，并且使用輕量級協(xié)議進行通信可持續(xù)集成部署的分布式框架，增強平臺的可擴展性和高可靠性[8]。

2）水位流量關(guān)系單值化后系統(tǒng)誤差及隨機不確定度分析計算。依據(jù)《水文巡測規(guī)范》（SL195-2015）4.5.2規(guī)定。系統(tǒng)誤差不大于3%，允許隨機不確定度見表1。

針對設(shè)備運行數(shù)據(jù)和門禁道閘等數(shù)據(jù)具有隱私安全的需求，設(shè)計基于聯(lián)邦學(xué)習(xí)的隱私保護模型，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的具有隱私保護特性的聯(lián)合訓(xùn)練和建模[9]。在聯(lián)邦學(xué)習(xí)框架內(nèi)，不同的服務(wù)模型在隱私保護的前提下共享服務(wù)特征，實現(xiàn)服務(wù)遷移，建立虛擬的共有數(shù)據(jù)模型，避免數(shù)據(jù)孤島，通過可持續(xù)集成的微服務(wù)技術(shù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)隱私安全的個性化智能服務(wù)模型[10]。安全可控的微服務(wù)集成框架如圖4所示。

3 建設(shè)方案

3.1 總體架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)綜合運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)以及人工智能等技術(shù)實現(xiàn)高校設(shè)備設(shè)施智能監(jiān)測與預(yù)警，通過各種信息傳感設(shè)備實時采集需要監(jiān)控、連接以及互動的物體或過程中需要各種的信息，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成泛在物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。通過建立物聯(lián)網(wǎng)感知層實時采集電梯、泵房及消防等設(shè)備設(shè)施的數(shù)據(jù)，向上匯聚形成設(shè)備設(shè)施運行監(jiān)測數(shù)據(jù)中心，并結(jié)合基于深度學(xué)習(xí)的風(fēng)險預(yù)測預(yù)警技術(shù)，監(jiān)測和預(yù)警設(shè)備設(shè)施的運行，為上層應(yīng)用平臺提供風(fēng)險預(yù)警。此外，上層應(yīng)用平臺提供設(shè)備設(shè)施運行監(jiān)測一張圖和設(shè)備設(shè)施運行風(fēng)險預(yù)警等多樣化交互功能，形成設(shè)備設(shè)施監(jiān)測預(yù)警一體化處理平臺[11]。平臺整體架構(gòu)如圖5所示。

設(shè)備設(shè)施智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)整體架構(gòu)可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、設(shè)施層、平臺層以及應(yīng)用層5層。其中，感知層實現(xiàn)安防監(jiān)控、車輛通行、可視對講、電子圍欄、消防栓以及智能門禁等各種設(shè)備設(shè)施的接入。物聯(lián)網(wǎng)集成管理平臺可以實現(xiàn)各種主流物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的接入，支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入，無需重新開發(fā)接口，實現(xiàn)動態(tài)配置。傳輸層由互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)以及通信網(wǎng)等組成，負責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息，也可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地存儲，具有遠程查詢和斷點續(xù)傳的特點，可以確保系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整性。設(shè)施層由網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備、服務(wù)器以及虛擬化軟件等軟硬件組成，為設(shè)備設(shè)施智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)提供存儲運行的物理設(shè)備。平臺層由設(shè)備設(shè)施運行大數(shù)據(jù)中心、物聯(lián)網(wǎng)集成管理平臺以及通用大數(shù)據(jù)管理平臺組成，為上層應(yīng)用提供基礎(chǔ)性支撐。而應(yīng)用層包括監(jiān)測一張圖、預(yù)測預(yù)警、預(yù)警處理、設(shè)備管理以及校園可視化等應(yīng)用，全面滿足各類場景下的信息管理需求，有Web和手機App等訪問方式。

3.2 功能模塊設(shè)計

3.2.1 監(jiān)測一張圖

在地圖展示方面，靜態(tài)顯示地圖圖層信息，動態(tài)顯示業(yè)務(wù)圖層，支持模糊查詢。在全景呈現(xiàn)方面，全景呈現(xiàn)設(shè)備設(shè)施信息、設(shè)備設(shè)施當(dāng)前狀態(tài)、設(shè)備設(shè)施運行態(tài)勢預(yù)測以及設(shè)備設(shè)施地理位置等。此外，預(yù)警展示可以實時展現(xiàn)預(yù)警信息和處理進度，態(tài)勢感知可以預(yù)測設(shè)備設(shè)施的運行狀態(tài)，通過曲線圖方式直觀展現(xiàn)設(shè)備設(shè)施運行狀態(tài)并進行預(yù)測分析，從而全面感知校園態(tài)勢。

3.2.2 預(yù)測預(yù)警

預(yù)警信息包括當(dāng)前設(shè)備設(shè)施故障告警與預(yù)測預(yù)警信息。通過局部刷新技術(shù)可以實時獲取后臺產(chǎn)生的告警信息并呈現(xiàn)設(shè)備設(shè)施的預(yù)警信息，呈現(xiàn)內(nèi)容包括設(shè)備名稱、故障類型、故障信息以及故障時間等，而以曲線圖方式可以實時呈現(xiàn)設(shè)備設(shè)施的態(tài)勢預(yù)測等。

3.2.3 故障處理

接收到預(yù)警信息后，系統(tǒng)自動生成故障工單。工單內(nèi)容包括故障編號、故障名稱、故障內(nèi)容、處理時限、處理部門以及責(zé)任人等。故障信息實現(xiàn)流程化處理，流程節(jié)點包括起單、轉(zhuǎn)派、駁回、處理、歸檔以及評估等。不同角色對應(yīng)不同節(jié)點流程，且每個節(jié)點流程有處理時限要求。故障信息處理完畢后歸檔進入故障信息庫，構(gòu)建故障樣本集。此外通過深度學(xué)習(xí)技術(shù)可以建立新的設(shè)備設(shè)施預(yù)警模型。

3.2.4 設(shè)備管理

設(shè)備管理主要實現(xiàn)設(shè)備設(shè)施的新增、查詢、維護、修改以及刪除等功能。設(shè)備設(shè)施信息包括設(shè)備名稱、設(shè)備編號、設(shè)備類型、位置信息、接入?yún)f(xié)議、協(xié)議版本、監(jiān)測指令、所屬部門、責(zé)任人、使用年限、設(shè)備廠家以及聯(lián)系人等。

3.2.5 設(shè)備接入

動態(tài)配置實現(xiàn)設(shè)備接入，物聯(lián)網(wǎng)集成管理平臺支持當(dāng)前主流設(shè)備的接入，支持協(xié)議包括MQTT、CaAP、OPC、Modbus、BACnet、KNX、485以及HTTP等，根據(jù)設(shè)備的接入?yún)f(xié)議和版本等配置信息自動適配協(xié)議接口。動態(tài)配置規(guī)則庫主要配置設(shè)備檢測周期、檢測指令以及運行正常結(jié)果等信息。系統(tǒng)根據(jù)規(guī)則庫自動對設(shè)備設(shè)施進行檢測。

3.2.6 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理實現(xiàn)用戶管理、角色管理、部門管理以及權(quán)限管理。用戶包括高校管理人員、后勤管理人員、設(shè)備維護人員以及廠家人員等。角色分為系統(tǒng)管理員、管理者、設(shè)備維修人員以及廠家支撐人員等，為系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理支撐。

4 結(jié) 論

高校基礎(chǔ)設(shè)備實施的運行安全關(guān)系到眾多學(xué)生和教師的生命安全及財產(chǎn)安全，日常維護僅靠人工檢測的方式無法保障基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施的運行安全，因此如何實時監(jiān)測設(shè)備設(shè)施的運行情況，實現(xiàn)風(fēng)險的監(jiān)測與防范，是必須重視與解決的問題。基于此，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)高校設(shè)備設(shè)施的感知連接，利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備設(shè)施的運行監(jiān)測與智能化預(yù)警，通過自動化流程處理功能實現(xiàn)設(shè)備設(shè)施故障的高效處理，通過運行監(jiān)測一張圖實現(xiàn)設(shè)備設(shè)施的全局管理。此外利用新一代信息技術(shù)手段，構(gòu)建設(shè)備設(shè)施的智能監(jiān)測與預(yù)警，打造和諧平安校園。