基于云邊端一體的智能考試網巡系統設計與實現

摘要：文章探討了基于云邊端一體化的智能考試網巡系統的設計與實現。首先介紹了教育考試網巡系統的概念及其在現有模式下存在的問題，包括校級網關功能單一、視頻分析延遲以及數據管理配置復雜等問題。為了解決這些問題，提出了一種新的設計方案，將部分存儲和計算能力下沉到邊端，強化校級網關的智能化，以提高網巡系統的效率和響應速度。系統設計分為云側、邊側和端側三個部分。云側主要負責視頻數據的集中存儲和實時調閱；邊側負責實時視頻調閱和告警信息捕獲；端側則是智能化改造的核心，通過基于SIP協議的接入管理、物理與邏輯考場的關聯匹配，以及AI算法的應用，實現了校級網關的智能化升級。系統功能包括校級網關的視頻巡查、管理功能和AI智能化功能，如人臉識別、考場人數統計和考試作弊行為分析等。此外，還實現了視頻安全功能，通過加密技術保障視頻傳輸的安全性。文章最后總結了該設計方案的優勢，即通過端側的智能化升級，不僅滿足了省級集約化管理的需求，也加強了考點現場的管理能力，為考場的智能巡查提供了基礎。

關鍵詞： 網巡視頻 ； SIP協議；智能邊緣 ；智能分析 ；視頻加密

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）04-0054-03 開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

0 引言

教育考試網巡系統泛指國家各級考試主管部門為了實現標準考點的遠程巡查和視頻指揮而建立的符合國家標準的系統，一般采用國家、省、市/區縣、學校等分級建設的模式[1]。在大部分的省級網巡系統中，校級網關作為網巡系統的末梢節點主要承擔校園考點的視頻采集和轉發功能[2-3]。校級網關一般可采用直連或級聯的方式向上接入到省級網巡平臺（云側） 進行視頻信息的傳送。所謂直連方式指的是校級網關通過運營商的直連云專線和省級平臺直接通信，完成視頻錄像的集中高速上云存儲[4-5]；在云端完成統一的視頻錄像存儲、檢索和相應的分析，由于是高速直達網絡在這種模式中省平臺的實時調閱視頻質量大幅提升。 級聯的方式指的是校級網關通過使用教育部標準協議先接入到直接管轄學校的市縣級網巡平臺（邊側） ，再由市縣級網巡平臺在教育基教網內匯聚到省級網巡平臺完成視頻信息的對接調閱，在這種模式下視頻的存儲、檢索及相應的分析在邊側為主。

目前在這兩種模式中通常校級網關的功能都比較單一，只是完成視頻流的采集和轉發，視頻的匯聚、分析以及視頻前端和考場及考生的匹配關聯關系等都還是由云端和邊端統一管理。這樣一來，一方面由于視頻分析在云端進行，而大流量的視頻數據傳輸會對高時效性要求的考場現場分析產生一定影響，另一方面由于每個考點對自身數據管理的模式不同，統一模式的數據配置將增大基層考點的管理配置工作量。針對上述的現狀與問題，本文提出了將部分視頻存儲和計算能力下沉，將管理配置功能下沉的思路，強化校級網關作為端側向智能化轉化的演進的思路，設計并實現云邊端一體的智能教育考試網巡系統。

1 系統設計思路

整個教育考試網巡系統分為云邊端側，云側即省級網巡平臺主要實現全省視頻數據的集中存儲，考試中實時視頻調閱，下級告警信息捕獲以及考試后視頻的取證分析；邊側即市縣級網巡平臺主要實現考試中實時視頻調閱，下級告警信息捕獲；端側即為校園網關，是本方案中智能化改造的關鍵點，校園網關首先基于SIP（Session Initialization Protocol，會話初始協議） 協議實現向下接入并管理多種視頻前端設備和NVR/DVR向上進行省、市雙向注冊的功能；并能依據考試計劃、校園內考場的物理位置自主實現物理考場和邏輯考場的關聯匹配同步完成校園內視頻前端設備OSD（On-Screen Display，屏幕顯示） 的批量設置，為上級平臺實現指哪打哪的視頻調閱提供數據準備；同時最核心的是在不改變現有網絡架構的基礎上實現校級網關智能化升級提升它作為端側計算能力，完成校園內接入視頻的實時智能分析以及安全傳送。智能校級網關系統設計結構圖如圖1所示。

2 系統功能實現

2.1 校級網關視頻巡查功能實現

校級網關完成學校內前端視頻設備的統一接入，完成考場網絡不同攝像機的集中管理、控制并與上級巡查系統互聯互通，實現網上視頻巡查。整體分為網關業務模塊和管理模塊。

業務模塊如圖2所示，分為服務接入層、設備接入層、媒體分發層和數據轉換層，完成校內視頻接入、匯聚和標準化互聯互通。

1） 服務接入層：包含ICE（The In?ternet Communications Engine，信息與內容交換協議） 協議層和SIP協議層，ICE協議層：提供本地平臺的設備添加與信息獲取接口，提供上級平臺錄像查詢、下載接口；SIP協議層：提供上級網關與校級平臺服務器數據交互，提供各相關服務器的數據接口。如：組織機構信息獲取、實時視頻請求，錄像數據文件信息獲取等。

2） 設備接入層：提供各種不同品牌攝像槍的接入與拉流能力，相關能力統一以設備插件集成，如?？挡寮?、大華插件、國標插件、教育標插件等。

3） 媒體分發層：完成標準碼流和非標準碼流的轉碼和分發處理。

4） 數據庫操作封裝層：提供校級網關對數據庫的相關訪問操作的能力。

2.2 校級網關管理功能實現

校級網關管理模塊主要是幫助學校老師自主對校一級的視頻前端與視頻錄像的視頻監控設備進行管理，并進行與考務相關的操作，增加考點自管理的作用，其主要功能有：

1） 在校級管理平臺上添加、刪除、修改視頻監控設備的相關信息，例如：IP地址、用戶名密碼等，并完善校級設備資產的管理。

2） 通過調用校級網關進行視頻監控設備的注冊，設備信息獲取，支持前端攝像頭OSD名稱的設置與修改，實現基于考試計劃的OSD 管理，包含考試計劃OSD 設置，能做到一鍵設置及一鍵恢復。

3） 基于校園內物理考場和邏輯考場的關聯關系，物理考場和視頻前端設備的關聯關系以及考務編排中考生考號和邏輯考場的關聯關系，實現考號和視頻前端設備的關聯，按照數據規范完成關聯關系的上傳，從而實現省、市、縣三級均能任意調閱一個指定考場、指定考生的實時視頻，實現指哪打哪的精準指揮。

2.3 校級網關AI 智能化功能實現

傳統的網巡系統大多是基于云端強大的計算能力完成視頻分析的，由于海量視頻的集中存儲，這種分析一般用于考試后的取證驗證，很難做到考試過程中的實時分析和告警，難以對考場的現場實時指揮有更好的支撐，本方案在傳統方案基礎上提升了校級網關的計算能力，并疊加了人臉識別算法、考場人數統計算法、考試作弊行為分析算法來強化對考試現場的服務支撐。

2.3.1 人臉識別算法

實現自動人臉采集模塊，通過高清攝像頭模塊自動對考生相片進行拍照采集，并判斷考生的相片是否符合人臉識別的要求?？忌M入考試會場后，在簽到區，基于人臉識別算法，可將攝像頭抓拍的考生人臉與系統人臉庫比對、識別，完成身份確認、實現簽到。

2.3.2 考場人數統計算法

基于AI中的目標檢測和跟蹤算法，系統可實時檢測并分析出視頻流中考場人員數量，精準檢測出復雜場景中的多個人體目標，可以實現缺考統計、并在人員數量發生變化時，發出告警消息，提醒校內各級監管人員查看。

2.3.3 考試作弊分析算法

考試作弊分析是一個相對復雜的分析，涉及多種計算機視覺和機器學習技術。本方案實現的具體算法如下：

1） 基于YOLOv5的目標檢測。在視頻幀中識別出人體、面部、手勢以及書籍、手機等可能與作弊行為相關的對象。

2） 行為識別。在檢測到考生和相關對象后，系統采用基于卷積神經網絡的OpenPose算法來識別和關聯屬于同一考生的各個關鍵點，實現實時和精準的人體動作和姿態分析，從而判斷考生是否存在如傳遞紙條、偷看他人試卷等作弊行為。

3） 在分析出可能的作弊行為后，系統將觸發視頻錄像截取保存功能，并將告警信息實時發送給省、市、縣三級考場指揮中心，同步推送信息給現場監考做出準確判斷。

2.4 校級網關視頻安全功能實現

考點以及考場的視頻由于涉及考生的個人隱私以及考試內容的機密性，因而對考試視頻傳送過程中的安全性要求是很高的。過往更多的是在網絡側進行安全的考慮，這種模式下一旦截取到視頻流還是可以播放的。在本方案中提出了對視頻內容進行加密，從而確保流傳輸的安全性。因此如何對校級網關采集到要向上推送的視頻流加密，也是校級網關要優化考慮的重要問題之一。基于當前校園內攝像槍的現狀，本系統參照GB35114-2017的規范理念，通過在校園網關內引入對稱密鑰的加密體系來構建對考點現場視頻的安全快速接入，支持利舊現有H.264/H.265 的視頻監控設備和新增SVAC（Surveillance Video andAudio Coding，安全防范監控數字視音頻編解碼技術標準） 視頻監控攝像機，匯聚接入到校園網關后，通過安全功能轉碼模塊完成視頻碼流的加密，實現每幀圖像加密和每幀圖像之間可信認證，從考點的信源端保障數據安全、防篡改，轉碼模塊、網關還提供設備身份認證、SIP信令認證等安全功能。

3 總結及展望

本文在國家教育考試網巡系統技術規范上結合當前考試管理特別是考點現場考試管理的實際需求，提出了基于云邊端一體化的網巡系統建設思路和實現方案。該方案的重點在于下沉計算能力、安全能力到校級網關，強化校級網關的管理功能、智能分析功能、安全功能的建設，提升網巡系統云邊端協同的整體能力，既能保證省級集約化的管理需求，也強化了考點現場的管理能力。該系統的校級網關以軟硬一體的形式部署在校園內，在傳統的視頻接入和轉發基礎上，增加了考點管理能力，疊加了人臉識別、考場人數統計、考試作弊行為分析的智能分析能力，增加了視頻內容加解密功能，從而可在端側完成考點所關注的實時視頻智能分析和告警推送，實現視頻的安全傳送，為考場的智能巡查奠定基礎。

參考文獻

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【通聯編輯：朱寶貴】