中小學(xué)校園安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

戴玉飛劉 躍楊柳青李文波

（1.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，安徽 合肥 230031；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026；3.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230088；4.合肥市公安局科技信息化支隊(duì)，安徽 合肥 230061）

0 引言

近年來(lái)，全國(guó)中小學(xué)校園各類突發(fā)應(yīng)急事件層出不窮，其中校園火災(zāi)、校園欺凌、惡性傷人、校內(nèi)超速、拐賣兒童等事件嚴(yán)重威脅著中小學(xué)生的生命安全。2018年4月，陜西省趙某攜帶匕首進(jìn)入榆林米脂縣三中砍殺，造成19名學(xué)生受傷，9人死亡；2019年1月，北京市宣武區(qū)師范學(xué)校附屬第一小學(xué)內(nèi)發(fā)生傷害學(xué)生事件，造成20名學(xué)生受傷；2020年11月，廣西柳州柳江區(qū)1名小學(xué)生被4名欺凌學(xué)生用拖鞋抽臉、在衣兜放鞭炮；2021年9月，江蘇連云港東海中等專業(yè)學(xué)校1名學(xué)生在校內(nèi)因瑣事糾紛被打身亡。頻發(fā)的應(yīng)急事件引起了社會(huì)各界的普遍關(guān)注，同時(shí)由于傳統(tǒng)的應(yīng)急管理方式存在效率低、反應(yīng)不及時(shí)、處理不夠妥當(dāng)、信息傳遞不透明等弊端，使得社會(huì)各界對(duì)加強(qiáng)中小學(xué)校園應(yīng)急管理提出了急切的渴求。信息技術(shù)的不斷發(fā)展與深入應(yīng)用，特別是物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展有力地推動(dòng)了中小學(xué)校園應(yīng)急管理工作的創(chuàng)新，極大地提高了各中小學(xué)校園應(yīng)急管理的能力與信心。

現(xiàn)代校園安全管理系統(tǒng)通過(guò)全網(wǎng)絡(luò)化部署高清監(jiān)控應(yīng)用以及整合訪客系統(tǒng)、視頻監(jiān)控、校園安全事件檢測(cè)等系統(tǒng)，不僅能在突發(fā)事故出現(xiàn)時(shí)真正做到及時(shí)報(bào)警、多方聯(lián)動(dòng)，確保相關(guān)職能部門做出及時(shí)回應(yīng)，而且也大大提升了學(xué)校重要場(chǎng)所的監(jiān)控性能，真正起到對(duì)安全事故的預(yù)防作用，這有效地解決了傳統(tǒng)的應(yīng)急管理方式的弊端。

1 中小學(xué)校園安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成

中小學(xué)校園安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)按照感知層、接入層、傳輸層、支撐層和應(yīng)用層規(guī)劃，主要實(shí)現(xiàn)了以下目標(biāo)功能：（1）AI視頻分析系統(tǒng)：主要實(shí)現(xiàn)行為識(shí)別、入侵檢測(cè)、人群事件檢測(cè)、視頻監(jiān)控、車輛識(shí)別功能；（2）門禁道閘系統(tǒng)：主要實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別、身份比對(duì)、出入控制、黑名單管理、考勤管理功能；（3）火災(zāi)報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)：主要由火災(zāi)報(bào)警主機(jī)、獨(dú)立式煙霧感應(yīng)器、圖像型火災(zāi)探測(cè)器、電氣火災(zāi)探測(cè)器組成，當(dāng)設(shè)備發(fā)生異常或報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)將報(bào)警信息上傳告知，實(shí)現(xiàn)全方位火災(zāi)報(bào)警監(jiān)控功能；（4）應(yīng)急演練系統(tǒng)：主要開(kāi)展面向師生的火災(zāi)預(yù)警演練、防暴防恐演練、消防滅火演練、疏散逃生演練；（5）消防水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：包含消防水壓監(jiān)測(cè)與預(yù)警、消防水位監(jiān)測(cè)與預(yù)警功能。安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 中小學(xué)校園安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)總體架構(gòu)

感知層：系統(tǒng)數(shù)據(jù)基本支撐，包含火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)（常規(guī)火災(zāi)探測(cè)、獨(dú)立式火災(zāi)探測(cè)）、門禁道閘系統(tǒng)、消防水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)（包含消防水壓、消防水位監(jiān)測(cè)）、AI（人工智能，Artificial Intelligence，簡(jiǎn)稱AI）視頻分析系統(tǒng)、應(yīng)急演練裝置等內(nèi)容，通過(guò)感知設(shè)備的接入實(shí)現(xiàn)火災(zāi)視頻、溫度、壓力、安全圍欄入侵等數(shù)據(jù)的采集與傳輸，開(kāi)展基于AI視頻分析技術(shù)的識(shí)別與預(yù)警，為頂層業(yè)務(wù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。接入層：包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中心、用戶信息傳輸裝置、智能網(wǎng)關(guān)、開(kāi)發(fā)互通接口、統(tǒng)一認(rèn)證平臺(tái)和校園基礎(chǔ)服務(wù)等內(nèi)容，主要是為中小學(xué)校園安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)提供統(tǒng)一的接入管理。傳輸層：基于互聯(lián)網(wǎng)、5G（第五代移動(dòng)通信技術(shù)，F(xiàn)ifthGenerationMobileCommunication Technology，簡(jiǎn)稱5G）、4G（第四代通信技術(shù)，F(xiàn)ourthGenerationCommunicationTechnology，簡(jiǎn)稱4G）等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，為數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖兏锾峁?qiáng)大的支撐。支撐層：硬件支撐和網(wǎng)絡(luò)支撐，主要包括網(wǎng)絡(luò)資源、數(shù)據(jù)服務(wù)器、通信服務(wù)器、AI服務(wù)器等內(nèi)容。應(yīng)用層：通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)服務(wù)的調(diào)用和組合，結(jié)合實(shí)際需求構(gòu)建可完成指定工作內(nèi)容的業(yè)務(wù)平臺(tái)，包括校園安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)，Web端展示平臺(tái)，第三方公安、學(xué)校及教育部門接口等內(nèi)容，提供校園安全應(yīng)急管理全方位、可視化應(yīng)用的支持，提高校園應(yīng)急管理精細(xì)化管理水平。

2 信息技術(shù)在中小學(xué)校園應(yīng)急管理中的應(yīng)用

近年來(lái)，以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)為代表的新一代信息技術(shù)取得了迅猛的發(fā)展，在中小學(xué)校園應(yīng)急管理過(guò)程中不斷融合，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。

（1）物聯(lián)網(wǎng)：物聯(lián)網(wǎng)是利用射頻識(shí)別、紅外感應(yīng)器以及全球定位系統(tǒng)等一些感知設(shè)備，按照約定好的通信傳輸協(xié)議，將所有物品以及互聯(lián)網(wǎng)之間進(jìn)行連接，展開(kāi)信息交換以及通信，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)智能化的識(shí)別、定位、跟蹤以及監(jiān)控和管理的網(wǎng)絡(luò)[1]。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在感知層可實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)消防設(shè)施、煙感系統(tǒng)、壓力傳感信息、水箱液位等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、采集與傳輸，為平安校園建設(shè)提供全面的數(shù)據(jù)感知支撐。

（2）大數(shù)據(jù)：大數(shù)據(jù)指運(yùn)用新的計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行捕捉、歸類、分化、管理和處理這一周而復(fù)始的過(guò)程，以獲得更有洞察力和分析力的新的數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)是一種信息化的數(shù)據(jù)資產(chǎn)，它具有量大、高增長(zhǎng)性、高價(jià)值性和多樣化等特點(diǎn)。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)單一分化數(shù)據(jù)的互聯(lián)、集成與創(chuàng)新，從而為各行各業(yè)提供全新的管理方式[2]。校園安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)整合內(nèi)外部數(shù)據(jù)資源，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)數(shù)據(jù)量大、速度快、類型多等特點(diǎn)，建立計(jì)劃、調(diào)度、運(yùn)行、應(yīng)急等領(lǐng)域的統(tǒng)一的校園應(yīng)急管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和分析預(yù)測(cè)，支持及時(shí)決策、科學(xué)決策，發(fā)揮了大數(shù)據(jù)資源平臺(tái)的極大優(yōu)勢(shì)。

（3）人工智能：人工智能的概念于20世紀(jì)50年代提出，其研究初衷是理解并模擬人類智能，旨在通過(guò)計(jì)算機(jī)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)于人類智能的模擬。人工智能領(lǐng)域包括多個(gè)分支，例如，有規(guī)劃調(diào)度、進(jìn)化計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、推薦系統(tǒng)、機(jī)器人感知等[3]。其本質(zhì)是機(jī)器“學(xué)習(xí)”，即讓計(jì)算機(jī)具有“學(xué)習(xí)”能力，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析，“訓(xùn)練”出一個(gè)模型對(duì)新數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)[4]。在校園安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中，通過(guò)嵌入計(jì)算機(jī)視覺(jué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)校園突發(fā)事件自感知、自學(xué)習(xí)、提前預(yù)警，例如，在校園火災(zāi)預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)中，通過(guò)裝備人工智能煙火識(shí)別服務(wù)器，可在火災(zāi)發(fā)生的極早期提前進(jìn)行預(yù)警處置；在可疑人員管理系統(tǒng)中，通過(guò)與公安局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)動(dòng)訓(xùn)練，可迅速對(duì)校門口可疑人員、校內(nèi)可疑人員進(jìn)行甄別，提前報(bào)警。

3 肥西縣桃花鎮(zhèn)中心學(xué)校校園安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

肥西縣桃花鎮(zhèn)中心學(xué)校校園安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)為一體的綜合應(yīng)用的應(yīng)急管理監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)，該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)為校園周邊、生活區(qū)、教學(xué)區(qū)及公共區(qū)等整體校園的安全提供了保障。系統(tǒng)具有人臉識(shí)別訪客控制、安防視頻監(jiān)控及人工智能事件行為分析、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、車輛識(shí)別監(jiān)控、應(yīng)急管理演練等功能，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)安全威脅提前預(yù)警、突發(fā)事件報(bào)警，保證了安全關(guān)口前移和報(bào)警聯(lián)動(dòng)，使得校園安全水平大幅度提高。

該系統(tǒng)創(chuàng)新性地運(yùn)用了基于人工智能的火災(zāi)圖像和異常行為識(shí)別、大視場(chǎng)視頻全景拼接技術(shù)，通過(guò)接入AI煙火復(fù)合分析服務(wù)器、校園安全事件分析服務(wù)器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)校的圍墻周界、大門、財(cái)務(wù)室、檔案室、校園食堂以及學(xué)校危險(xiǎn)地帶的煙霧和火焰識(shí)別報(bào)警、危險(xiǎn)活動(dòng)檢測(cè)。當(dāng)出現(xiàn)應(yīng)急事件時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)急事件內(nèi)容和程度等級(jí)自動(dòng)觸發(fā)三級(jí)應(yīng)急預(yù)案。系統(tǒng)預(yù)案采用紅、黃、藍(lán)三色一鍵報(bào)警裝置分別對(duì)應(yīng)一級(jí)警報(bào)、二級(jí)警報(bào)和三級(jí)警報(bào)。一級(jí)警報(bào)為特大警報(bào)，當(dāng)發(fā)生校園火災(zāi)、校內(nèi)超速、暴力襲擊、惡意傷人、社會(huì)人員來(lái)校鬧事且較為嚴(yán)重事件時(shí)立即觸發(fā)紅色報(bào)警，此時(shí)，教師和學(xué)生等應(yīng)立即緊急疏散躲避，校領(lǐng)導(dǎo)等第一時(shí)間與保衛(wèi)處聯(lián)系處理應(yīng)急事件，并將報(bào)警信息通過(guò)短信通信等方式第一時(shí)間上報(bào)屬地公安，達(dá)到應(yīng)急事件聯(lián)動(dòng)預(yù)警目的；二級(jí)警報(bào)為重大警報(bào)，當(dāng)發(fā)生校園欺凌、可疑人員、實(shí)驗(yàn)傷害事件時(shí)立即觸發(fā)黃色報(bào)警，此時(shí)，教師應(yīng)立即停止課程，維護(hù)好學(xué)生秩序，校領(lǐng)導(dǎo)等第一時(shí)間與保衛(wèi)處聯(lián)系，了解情況，到達(dá)應(yīng)急事件現(xiàn)場(chǎng)，處理應(yīng)急事件；三級(jí)警報(bào)為一般警報(bào)，當(dāng)發(fā)生急性傷病、學(xué)生打架、校門口一般鬧事事件時(shí)立即觸發(fā)藍(lán)色報(bào)警，此時(shí)，校領(lǐng)導(dǎo)等第一時(shí)間與保衛(wèi)處聯(lián)系了解情況，到達(dá)應(yīng)急事件現(xiàn)場(chǎng)，處理應(yīng)急事件；系統(tǒng)運(yùn)行可準(zhǔn)確反映應(yīng)急事件危害程度，提升中小學(xué)校園應(yīng)急管理能力。

4 結(jié)語(yǔ)

新一代信息技術(shù)的迅速發(fā)展為中小學(xué)校園應(yīng)急管理的發(fā)展提供了新的契機(jī)，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的普遍應(yīng)用為校園安全應(yīng)急管理提供了全面的數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)計(jì)算與分析能力支撐。基于物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)與校園安全應(yīng)急管理的結(jié)合應(yīng)用為中小學(xué)校園應(yīng)急管理工作的開(kāi)展提供了新的途徑，給中小學(xué)師生提供了堅(jiān)定的安全保障。