校園安全物聯網關鍵技術研究

[摘 要] 隨著信息采集和智能計算技術的迅速發展和互聯網與移動通信網的廣泛應用，大規模發展物聯網和相關產業的時機日趨成熟，歐美等發達國家將物聯網作為未來發展的重要領域。我國早在十年前就開始了物聯網的相關研究，突破了一些關鍵技術，形成了一定的產業規模，并在國際物聯網相關標準制定中取得了一定的話語權，物聯網的示范應用也初步展開。隨著大學開放式教育、后勤社會化、學生智能化管理，校園安全問題日趨突出，如何解決大學校園中存在的各種安全威脅？通過引入物聯網相關技術，建立一種校園智能探測系統，及時解決潛在的安全威脅，確保大學校園的安全。

[關 鍵 詞] 校園安全；物聯網技術；傳感器

[中圖分類號] G717 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2016）25-0140-02

隨著科學技術與教育技術的快速發展和經濟的全球化發展，教育的對外開放已是大勢所趨。合作辦學、合作研究、交換學生等各種交流活動，使高校辦學模式日趨多元化。學校規模化、校園開放化、后勤社會化以及人事制度改革則直接導致校園內人員的復雜化。有害信息的網絡擴散、國內外敵對勢力的滲透、人民內部矛盾激化引發不安定因素，校園內的違法犯罪案件增多；政治敏感問題以及安全事故可能引發校園群體性事件。反映出的根本問題是當前的校園安全不能為高校的穩定發展保駕護航。為了改善校園安全問題，許多高校建立了數字校園，提供了基本的安全報警等信息技術，結合校園設施建設或改造，設立了門禁系統、消防系統、監控系統、電子巡更系統等，這些設施和技術的應用，從一定程度上緩減了校園安全的壓力，但仍未從根本上解決校園安全問題。例如，監控系統按經驗或人為布點，感知設施單一，案發后才能追溯等，導致案發監控盲區、缺乏預測控制等現有校園安全系統經常面臨卻又無法解決的現象。針對上述問題，本論文充分利用物聯網理論和技術，解決當前校園安全存在的若干問題及其關鍵技術，對提升數字校園的功能和效力、促進平安校園建設、確保高校的穩定發展具有顯著的意義。

一、研究目標

本論文研究將以校園安全為應用背景，采用理論分析、計算機仿真和工程建設實踐相結合的研究手段，系統地研究校園安全物聯網的構建方法和實現技術，在校園安全智能探測、監控點覆蓋控制、校園安全預測控制等方面取得進展。具體目標是：

1.建立基于圖像、聲音、振動、傾角、地磁、微波和組合氣象等多傳感器數據融合的高智能探測系統，克服傳統探測系統受樹葉、小動物等目標的干擾，使其適應氣候、溫度和環境的變化，提升報警實時性，降低誤報和漏報。

2.提出校園安全探測系統布點的覆蓋控制算法，解決覆蓋不全導致的安全隱患和過度冗余導致的低效率問題。

3.結合通信服務商實施的學校智能校園基礎設施建設，實踐校園安全物聯網的平臺建設，基于該平臺，提出校園安全預測和預警方法。

二、擬解決的關鍵問題

1.校園安全探測系統中多傳感器數據融合和特征提取是本論文解決的關鍵問題之一。多傳感器的引入可以有效解決單一傳感器難以有效探測校園安全關聯的人和物的問題，但隨之而來的是信息噪聲、冗余和體征提取問題。本論文已在這方面開展了初步的研究和實驗，為解決這一關鍵問題奠定了基礎。

2.校園突發事件的預測方法是本論文要解決的另一個關鍵問題。實施校園安全的最終目的是要保障學校的財產和師生員工的生命、財產安全，將其可能發生的損失減到最小。基于探測系統給出的信息，進行有效特征提取，建立分析和預測模型，通過跟蹤和模型訓練，有望對安全事件做出預測，從而將其控制在萌芽狀態和消除安全隱患。

三、國內外現狀

隨著高校的規模化和校園人員、校園環境的復雜化，校園安全形勢日趨嚴峻，如何有效保護公共財產、師生員工的生命和財產安全，避免違法犯罪案件和群體性事件，已經引起國內外的高度關注。為了緩減校園安全的壓力，各高校相繼啟動了數字校園建設工程，將其和門禁系統、消防系統、電子巡更系統和監控系統集成，為平安校園建設提供了最為基本的途徑和安全報警信息通路。當前的數字校園提供的校園安全子系統，難以滿足高校快速發展的需求。物聯網是通過傳感器、射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，將任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、追蹤、監控和管理的一種網絡。將物聯網理論和技術引入校園安全工程，可以改善校園安全的平臺結構和技術體系，通過校園安全物聯網確保校園安全中的探測、預測和預警，已引起當前校園安全工程界和學術界的高度關注。在校園安全物聯網平臺的建設中，采用多傳感器融合的智能探測系統取代傳統的單一傳感器或監控系統，可以顯著提高校園安全關聯信息的有效性和真實性。校園安全探測網絡由多傳感器組成，也包括無線傳感器網絡，其如何布點才能避免監控盲區和過度冗余問題，已經成為校園安全探測系統覆蓋控制策略的研究熱點。國內外的這些研究表明，校園安全物聯網涉及的智能探測系統、布點覆蓋控制以及安全事件的預測方法等，仍是一個新興的研究課題，對此從事研究具有較大的學術價值和顯著的社會意義。

四、存在的問題

1.現有的校園安全工程中采用較為單一的傳感器，無法動態可靠地提供校園安全關聯的有效信息和用于安全預測所需的足夠信息。

2.現有的校園探測系統或傳感器的布點存在覆蓋不足或過度冗余現象，由此將引起監控盲區或因過度冗余導致的安全事件預警延遲問題。

3.現有的校園安全工程或數字校園附屬的校園安全子系統，缺乏安全事件預測功能，僅僅為監控員工提供了許多開環的監控信息，尚不具備或不完全具備通過預測，將安全事故隱患消除在萌芽狀態的技術和功能。

五、關鍵技術的研究

1.研究出校園安全智能探測系統，可以有效感知校園安全信息及其關聯信息，提升報警實時性，降低誤報和漏報；建立的探測系統布點多目標覆蓋控制策略，可以有效避免校園安全的監控盲區和過度冗余導致的高成本和信息滯后問題，提出的安全事件預測方法，可以根據探測系統反饋的信息提取其動態變化特征，將可能發生的校園安全事件消滅在萌芽狀態，從而促進平安校園的建設。

2.分析校園安全智能探測系統的實現技術和方法。在分析多傳感器降噪、數據融合和特征提取理論和技術的基礎上，研究基于圖像、聲音、振動、傾角、地磁、微波和組合氣象等多傳感器校園安全智能探測系統中的數據融合技術和特征提取方法。將模糊、聚類及神經網絡等技術應用到多傳感器數據融合中，實現校園安全探測系統多傳感器數據的智能融合和自適應融合。

3.構建校園安全探測系統布點的覆蓋控制算法。在分析無線傳感網絡覆蓋控制算法的基礎上，構建校園安全探測系統網絡模型，并以覆蓋率、能耗和網絡能耗均衡為優化目標，設計針對自由搜索算法的自適應函數和編碼方案，建立其多目標優化覆蓋控制策略。

4.研究校園安全中的突出事件的預測、預警和控制方法。結合重慶移動和重慶電信實施的我校智能校園基礎設施建設，構建校園安全物聯網平臺，在此基礎上，采用神經網絡、核方法等技術，構建其分析和預測模型，實現校園安全事件的預測和控制。

六、具體實施方案

本論文采用理論分析、計算機仿真和工程建設實踐相結合的研究手段，系統地研究校園安全物聯網的構建方法和實現技術。

1.理論分析。流程為：校園安全探測系統多傳感器數據融合→特征提取→探測器布點的覆蓋控制→安全事件模型預測。

2.計算機仿真。流程為：理論分析的仿真→數字校園仿真→物理設施信息接入仿真→功能模塊（身份識別、防侵入、消防、門禁、監控、破碎聲音、特征變化、異常啟停、預警、預測等）仿真→校園安全物聯網仿真。

3.校園安全物聯網工程建設實踐。流程為：智能校園（通信網絡提供商承建）→校園傳感器網絡平臺→軟件開發與集成→校園安全物聯網。

參考文獻：

[1]董麗敏.高校校園安全面臨的挑戰與對策[J].人民論壇，2010，296（7）：266-267.

[2]宗平，朱洪波，黃剛，等.智慧校園設計方法的研究[J].南京郵電大學學報，2010，30（4）：15-19.

[3]Luigi Atzori， Antonio Iera， Giacomo Morabito.The Internet of Things： A survey[J].Computer Networks， 2010（54）：2787-2805.

[4]袁小明，黃亦明，郭驊.基于物聯網的校園安全防范系統研究[J].智能建筑，2010，121（9）：30-32.

[5]梁天，周暉，謝靜，等.無線傳感器網絡的多目標覆蓋控制策略[J].傳感技術學報，2010，23（7）.