疫情防控背景下高校“智慧食堂”的系統設計

李嘉健 李曉雯

湘潭大學公共管理學院

一、引言

2019年12月，正值春節之際，一場突如其來的災難——新冠肺炎迅速蔓延至全國。2020年5月，全國逐漸復產復工，高校也陸續開學，但是在疫情防控期間大部分學校卻沒有可以保證學生就餐安全的方法和措施，這帶來了一定的安全隱患。以新型冠狀病毒為代表的傳染病毒大多都具有較強的傳播性，而高校食堂更是人群聚集的場所，易發生大規模接觸，具有時間集中、地點集中、人員復雜等特點，一旦出現差錯，將直接危害師生的身體健康，造成嚴重后果。因此，解決師生就餐問題就成為了高校在疫情防控等重大公共衛生事件中的重要環節。對此，許多學者和專家已對“智慧食堂”系統進行了分析和研究，任碩果[1]對“智慧食堂”的管理做出設計，杜歡[2]利用ASP技術對食堂的人流量進行分析，范虹霞[3]提出可以利用RFID技術提高學生就餐效率，艾亮東[4]利用物聯網技術構建了新型“智慧食堂”的系統模型，對“智慧食堂”進行改進等等。但這些研究所設計出的系統需要花費較大成本，實現起來也較為困難，因此高校需求一個低成本高效率的“智慧食堂”系統。本文在綜合考慮了各種因素后設計出一個簡單易行、低成本高效率的“智慧食堂”管理系統，以確保在疫情防控等重大公共衛生事件下高校師生的就餐安全。

二、現今“智慧食堂”系統的缺陷

目前，眾多學者提出了關于“智慧食堂”系統的設計想法，市場上也已出現了許多“智慧食堂”管理系統，然而這些“智慧食堂”管理系統應用在疫情防控中卻有明顯的缺陷：

功能不足。現今市場上大多數“智慧食堂”管理系統的主要功能是提前報餐訂餐，從而方便食堂準備飯菜，減少食物浪費。這種“智慧食堂”管理系統顯然不能滿足疫情防控要求下高校食堂的需求，無法保證師生的就餐安全。

成本較高。市場上另一些“智慧食堂”管理系統具有人臉識別、自動結算等功能，這些功能可以提高學生就餐效率，減少結算失誤并降低人工成本，甚至在一定程度上可以用于疫情防控下的高校食堂，以降低師生就餐期間對于復雜人群的接觸率。但這樣的“智慧食堂”管理系統對硬件要求高、系統成本高，而且技術復雜、維護困難，不適合作為大多數高校的食堂管理系統，不具有實現上的普遍可行性。

實現困難。許多學者也提出了改進“智慧食堂”管理系統的思路和方案，但是實現時存在技術方面的困難，且成本較高。

三、疫情防控下“智慧食堂”系統的創新

在疫情防控等重大公共衛生事件的背景下，該如何實現低成本、高效率地保證高校師生的就餐安全是值得思考的問題。本文在經過大量的調查分析與研究后，對高校“智慧食堂”系統進行了創新，并將其以微信小程序的形式實現，以求低成本、高效率地解決疫情防控背景下高校師生就餐安全的問題。

（一）流程簡介

首先，用戶需要打開微信小程序進入登錄界面。然后，食堂員工進入管理端后可以更新菜單、獲取后臺數據以及查看用戶反饋。用戶登錄師生端之后，點擊“刷新”按鈕可以看到各個食堂過去15分鐘和未來15分鐘的人流量變化情況。點擊“推薦”按鈕，系統會向用戶推薦此時最適合用戶用餐的食堂。用戶參考系統的推薦，選擇人數不超過閾值（關于閾值將在下文介紹）的食堂，提交申請。用戶到達食堂后，點擊“進入食堂”按鈕，系統檢測出用戶GPS在食堂區域內則自動通過請求。用戶向工作人員展示“成功進入食堂”頁面即可進入食堂，進行線上點餐。不在食堂用餐的用戶，點餐后可以將食物直接打包帶走。在食堂用餐的用戶則需要進行座位預定操作。座位預定界面會顯示所在食堂座位被占用的情況和系統推薦的座位，用戶參考系統推薦選擇座位之后，需要在一定時間內到達座位，否則座位將自動取消。用戶用餐完畢后，離開食堂。當系統檢測出用戶的位置不在食堂區域內時，自動退座。最后，用戶還可以在反饋界面發布動態來評價此次用餐體驗。

（二）功能創新及算法設計

（1）人流量預測功能，利用人流量預測算法（CPP）預測人流量。

學生就餐之前在微信小程序上點擊按鈕，選定所要就餐的食堂和座位，系統收集各個座位被占用的情況上傳至后端數據庫，然后通過這些數據采用基于CPP模型的人數計算算法預測未來15分鐘食堂就餐人數，并在小程序的“流量統計”模塊上實時發布各食堂當前購餐就餐人數與預測值信息，引導師生錯峰分時就餐，最大限度地降低交叉感染的風險。

人流量預測算法（CPP）的具體設計思路如下：

人流量預測模型建立在正態分布的基礎上，食堂人數在營業時間[t1,t2]內呈正態分布N (μ=0,σ2)，其中σ未知，構建[-3σ,3σ]間的正態分布。對于食堂營業時間[t1,t2]，做其對[-3σ,3σ]的換元，則取任意時間點[t1,t2],可得t→x (t) ∈[-3σ,3σ]。進人的人數N(t)/Nt滿足正態分布(0,σ2)。其在一段時間內的積分等于該段時間內食堂的人數，通過有效時間內積分，換算比例，可得食堂即時人數N。則通過以上方法以及采集到的一段時間內食堂即時用餐人數，根據公式(1)的反函數可計算出從營業時間開始每分鐘的σ值，取其平均值得到修正后的σ＊。Φ (x (t) ;0,σ)為累積分布函數。而從t時刻開始t0分鐘后預測人數由公式(3)給出。

圖1 人流量預測模型圖

其中，Nm(t)是食堂營業開始至t時刻就餐人數；Nt是食堂營業時間內總就餐人數,疫情期間被視為常數；Np(t1,t0)是食堂從t時刻開始t0時間后的預測總人數；t1是食堂營業開始時刻；t2是食堂營業結束時刻；N(t)是t時刻食堂進人的人數；tm是平均用餐時間。

（2）食堂推薦功能，利用食堂推薦算法（OCR）推薦當前最佳食堂。

系統在綜合考慮各個食堂人量變化趨勢、人流量預測結果、用戶當前所在地理位置等各方面因素之后，利用食堂推薦算法計算出最佳食堂并推薦給用戶。

其中食堂推薦算法（OCR）的設計思路如下：

首先，系統會確定食堂安全閾值（Safe Threshold，ST)：閾值=空間大小(Canteen Square)＊限制人流密度(Restricted Flow Density)，即ST=CS＊D。然后，系統獲取用戶當前所在地理位置，計算用戶從當前位置到各個食堂的步行時間（Walking Time，wt），結合人流量預測算法預測wt時間后的人流量(Number of canteens，N)，從而計算出每個食堂的優先推薦值（Priority Recommendation Value，PRV），選擇優先推薦值最小的食堂作為最優推薦食堂，其中PRV=N/ST。

（3）線上點餐功能。

用戶可以使用線上點餐功能點餐付款，食堂工作人員可以提前準備好飯菜，當用戶到達食堂之后只需向工作人員展示付款成功頁面并由工作人員確認之后便可取餐帶走或者快速取餐就座。線上點餐功能可以減少用戶在食堂窗口走動及逗留的時間，從而降低病毒傳染的風險，并且線上點餐功能在一定程度上可以減少食物浪費。

（4）座位預訂功能，利用座位推薦算法（HSR）推薦最佳座位。

在選座的界面中，系統不僅會展示實時的空閑座位分布圖，還可以通過結合安全和效率兩個因素為用戶推薦最佳座位。用戶可以在該界面結合系統推薦座位預定自己喜歡的座位。

其中座位推薦算法（HSR）的設計思路如下:

在設計座位推薦模型時需要綜合考慮安全因素α和就餐效率因素β，因為不同的傳染病疫情等衛生事件對人們的影響程度不同，所以安全因素α需要根據實際情況調查得出。

其中，SV(Priority Seat Recommendation Value，SV)是座位優先推薦值；α是安全權數；β是效率權數，為1-α；Sg(safe grade，Sg)是安全分數；Eg(effection grade，Eg)是效率分數。

四、結論

本文對高校“智慧食堂”管理系統進行設計創新，設計了具有人流量預測功能、最佳食堂推薦功能、線上點餐功能、座位預訂及最佳就餐座位推薦功能的高校“智慧食堂”系統，使其可以滿足疫情防控等重大公共衛生事件下高校食堂低成本、高效率地保障師生就餐安全的需求。這一“智慧食堂”系統將大大提高師生的就餐效率，降低人與人之間的接觸率，從根源上減小傳染風險，提高疫情防控背景下高校食堂師生就餐的安全性。