基于“互聯網+實驗室”的安全監控保障技術研究

蔡曉紅， 楚丹琪， 高洪皓,3， 何 清， 許華虎,4

(1. 上海大學 計算機學院, 上海 200444； 2. 上海大學 實驗室設備處, 上海 200444; 3. 上海大學 計算中心, 上海 200444; 4. 上海上大海潤信息系統有限公司, 上海 200444)

基于“互聯網+實驗室”的安全監控保障技術研究

蔡曉紅1， 楚丹琪2， 高洪皓1,3， 何 清2， 許華虎1,4

(1. 上海大學 計算機學院, 上海 200444； 2. 上海大學 實驗室設備處, 上海 200444; 3. 上海大學 計算中心, 上海 200444; 4. 上海上大海潤信息系統有限公司, 上海 200444)

分析了安全保障技術的不足和安全管理需求的迫切性，將互聯網技術和實驗室的安全管理有機地結合，提出了面向高校實驗室的安全監控保障技術。根據功能需求設計了基于攝像頭的實驗室監控和基于門禁控制管理的模塊架構，討論了其關鍵技術與解決方案。以實驗室和設備預約信息為基礎共享數據，通過門禁控制實驗室的人員出入，采用攝像頭監控實驗室內的狀況，從而有效地解決實驗室安全問題。

安全監控保障技術； 互聯網+； 門禁控制管理

隨著高等院校教育規模的不斷擴大，實驗室貴重儀器設備、精密儀器設備、危險化學品種類和數量也不斷增加，因此隱含較多的危險操作，一旦發生安全事故，將造成很大的損失[1]。2015年3月某大學實驗室發生硫化氫氣體泄漏事件，造成業務員中毒身亡；2015年12月某大學實驗樓內發生爆炸事件，造成2名學生受傷；2016年9月某大學化工實驗室發生爆炸事件，造成2名學生重傷。

在產學研合作需求下，實驗室開放程度直接與高校的經濟利益相關，但是實驗室安全管理不完善、安全防范意識較弱、實驗室安全未能受到足夠重視、實驗室安全管理軟硬件設施投入不足等主客觀因素，使得實驗室安全事故容易發生[2]。實驗室的安全監控就成為了解決實驗室安全問題的關鍵。

將互聯網和實驗室安全監控相結合，是實現“互聯網+”智慧型實驗室的有效方法。在大數據、云計算等互聯網技術的時代背景下，互聯網與安全監控的有機結合能夠為實驗室安全提供極大保障[3-4]。本文探討了基于攝像頭的實驗室安全監控，以及通過視頻監控技術實現7×24 h實驗室室內情況監控，基于門禁控制的人員出入管理，通過門禁和一卡通實現人員出入的控制，提升實驗室安全的保障能力。

1 系統架構設計

實驗室安全監控管理系統綜合運用互聯網、Web服務等技術，設計了一個分層的軟件體系結構，使得各個模塊能夠實現數據共享[5]。如圖1所示，該系統分為門禁系統管理模塊、視頻監控模塊。該框架的設計原則包括：

(1) 開放性與安全性。考慮到將來系統的發展與更新的需要，系統需要具有良好的開放性，整個系統按功能劃分為若干模塊，方便維護，利于將來系統的升級與擴展。整個系統網絡處于開放的體系結構中，數據庫信息以及用戶信息的安全性、可靠性也是需要解決的問題。

(2) 實用性與高效性。為滿足實際工作的需要，用戶操作界面設計應盡可能做到簡便實用，能夠滿足不同用戶的需求。針對實驗學生較多的情況，對射頻卡讀寫器的識別能力提出了更高的性能要求。

(3) 交互性。作為服務高校的實驗室管理系統，既要為管理人員提供方便，也要為全校師生提供快捷的服務，能滿足師生間的互動。

(4) 界面友好性。用戶可以輕松地進行網絡瀏覽和查詢等操作，提高了使用者的工作效率。

如圖1所示，實驗室監控平臺系統主要包括設備預約模塊、視頻監控模塊、門禁系統模塊等。

圖1 實驗室監控平臺系統架構設計圖

設備預約模塊：用戶通過互聯網訪問安全監控管理系統，進入設備預約模塊，查詢需要使用的設備并進行預約，完成設備預約后，系統通過設備預約算法得到最佳設備使用方案，進行設備分配，通過管理員審核后，用戶可查詢本人的設備審核情況。

門禁系統模塊：用戶預約成功后，系統將用戶預約信息傳遞給門禁系統，門禁系統為用戶分配門禁權限，用戶將獲得預約實驗室在指定時間段的門禁權限。如果沒有門禁權限且刷卡，門禁裝置將發出蜂窩報警，因此用戶只能在規定時間內使用門禁卡刷卡出入，同時，用戶出入門禁信息將存儲至數據庫中。

視頻監控模塊：用戶在合理預約時間段內刷卡進入實驗室，攝像頭開始對用戶進行監控，并將監控數據發送給后臺數據庫，監控過程中如果檢測到不利于實驗室安全的情況，發出聲光報警，提醒學生撤離實驗室，例如在凌晨1點至4點為實驗室的非工作時段，如果攝像頭檢測到有人進入實驗室，將及時啟動聲光報警裝置進行報警。同時，若有學生在實驗過程中因操作不當發生安全事故時，將該學生信息記錄下來，傳遞給預約子系統，在以后預約過程中，限制該學生的設備預約。

在實驗室安全監控系統中，Web服務器的后臺數據庫系統接收監控模塊通過網絡傳輸獲取的各監測點采集到的攝像頭監控數據；用戶根據權限通過傳輸網絡進行信息資源訪問、查詢等操作；監控模塊實時監控人員操作信息，信息流通過監控模塊與智能網關進行數據交換，并將數據信息上傳至數據庫中。

2 攝像頭模塊功能

攝像頭模塊的功能如圖2所示，該模塊可以實現的功能為對實驗室進行實時監控。將視頻監控數據進行處理并分析，如果出現檢測目標，則啟動聲光報警裝置提醒實驗室內人員撤離，并將監控數據傳送至后臺數據庫進行存儲；否則，也將監控數據傳送至數據庫進行存儲。實驗室管理人員可以通過計算機或PC等設備對監控數據進行查詢等操作。攝像頭監控系統的實現技術為：通過MPEG-4進行視頻壓縮編碼，以便得到可以進行網絡傳輸的、有效的、高質量的視頻流；使用RTP/UDP進行實時數據傳輸并以IP組播的方式進行數據傳輸，有效緩解網絡負擔。

圖2 攝像頭安全監控模塊功能圖

如圖3所示，攝像頭監控模塊包括攝像頭監控裝置、行人檢測和異常報警裝置、監控軟件系統、客戶端電腦和智能手機應用終端構成。監控裝置負責對實驗室進行監控，并將監控數據傳輸給監控軟件，監控軟件則負責分析實驗過程數據和行人的異常情況，一旦出現檢測目標或異常行人活動，將信號傳送至聲光報警單元，發出聲光報警，同時將報警信息發送給實驗室管理人員，并將監控數據保存在數據庫中。管理人員可以通過電腦或手機等終端訪問數據庫，進行實驗室監控數據的查詢等操作。

圖3 攝像頭安全監測及控制系統架構圖

攝像頭監控裝置用來采集實驗室學生的實驗過程數據，系統中采用海康網絡數字攝像機。攝像頭監控裝置的核心由輸入接口單元、信息處理單元、預警報警單元、行人檢測單元和輸出接口單元構成(見圖4)。各組成單元的功能如下：

圖4 攝像頭子模塊組成圖

(1) 輸入接口單元主要負責接收攝像頭的輸入信號，對于開關量輸入可直接輸入接口單元與信息處理單元連接；對于模擬量輸入接口單元將模擬量信號轉換為數字信息再傳輸給信息處理單元。

(2) 信息處理單元用于接收輸入接口單元的監測數據，并對其進行邏輯運行和邏輯判斷。當監測的數據達到預設的報警值時，信息處理單元將報警信息發送給預警報警單元。

(3) 預警報警單元接收到信息處理單元發送的預警或報警信息，立刻發出聲光報警提示，以提醒實驗人員立刻撤離實驗臺。

(4) 行人檢測單元通過接收信息處理單元的信息，檢測凌晨1點～4點非工作時段是否有人進入實驗室等情況，如果檢測到，則將信號通過信息處理單元發送至預警單元，發出聲光報警。

(5) 輸出接口單元主要接收信息處理單元發出的狀態信息和報警信息，并通過輸出接口單元實現系統的擴展，如將狀態信息和報警信息發送到遠程服務器。

視頻監控系統采用基于HOG及SVM進行攝像頭的視頻行人行為檢測和異常檢測，能有效地對視頻中的監控對象進行異常行為的檢測[6]。其中，HOG(histogram of oriented gradient)為梯度向量直方圖，應用于圖像處理和計算機視覺領域，可實現目標檢測，并以圖像局部梯度的方向信息統計值作為特征值[7]；SVM(support vector machine)為支持向量機，依靠有限的訓練樣本信息并針對未知樣本進行預測準確性學習，在高維空間找出最優的超平面作為分類曲面進行二分分類問題的求解，從而求出最低的誤分率。

圖5 行人檢測及異常檢測圖

將行人檢測及異常檢測用于實驗安全的監控流程(見圖5)，主要包括以下步驟：

第一步：對原始的視頻信息，使用局部正規化的梯度直方圖方法(HOG)提取出特征值，構成一個魯棒的人體特征集。其中提取 HOG 特征值的流程為：預處理待識別圖像、逐像素求解梯度值、對細胞單元的梯度方向直方圖進行統計，最后歸一化區間內細胞直方圖方向模值，輸出HOG特征向量值。

第二步：采用線性 SVM(support vector machine)分類器，對訓練樣本進行特征值分類。

第三步：對人體輪廓進行劃定并形成初步的檢測框，在得出初步的檢測框之后，在框中的 1/4 以上的位置進行頭部檢測，從而可以降低誤檢率。

第四步：基于光流法和Markov Random Field(MRF)即馬爾科夫隨機場模型進行異常行為檢測，首先，將視頻序列中的幀劃分成若干個區塊作為MRF模型的節點，接著統計出每個子區域中的光流信息，再對統計完的光流信息用視覺詞袋做處理，最后就可以得出每個節點塊的特征描述符。

3 門禁系統工作機制

對實驗室安裝門禁控制系統就可對實驗室的出入通道進行管理，既可控制人員的出入，也可控制人員在樓內及其相關區域的活動，從而代替保安人員、門鎖和圍墻的控制作用。它能夠讓已授權的人員憑有效的身份證明(如卡片)進入，對未授權人員將拒絕其入內，并報警，對某時間段內人員的出入情況、在場人員名單等資料進行統計、查詢并打印輸出。在門禁控制系統中安裝報警裝置，當檢測到有未經許可的出入，以及門被強行打開或保持開門狀態時間過長等情況將發出報警信號。

門禁系統的系統管理主要是通過實時監控管理軟件來實現的。該實時監控管理軟件主要實現了對各種基本信息的管理功能(見圖6)。門禁系統利用無線射頻方式進行非接觸雙向通信，以達到識別目的并交換數據；數據傳輸利用 TCP/IP 協議及簡單的應用層協議實現門禁控制器硬件的網絡互聯。

圖6 門禁管理功能結構圖

監控管理軟件主要包括4個模塊，其中用戶管理模塊主要實現對管理員、教師和學生權限的分配，人員姓名、性別等基本信息的初始化，人員基本信息的增加、刪除、修改、查找。人員管理模塊是對人員所在部門、電話、職稱等擴展信息的增加、刪除、修改、查找。射頻卡管理模塊實現對新卡的注冊管理，對丟失或由于某些原因不能使用的卡片進行注銷。門禁管理模塊實現卡片的門禁權限的管理工作，黑名單信息管理、白名單信息管理，同時，可以對人員的出入信息進行管理。

門禁系統的流程(見圖7)：對卡片進行初始化管理、人員信息管理、門禁權限的管理，如果有權限刷卡后可開門，否則會發出蜂窩報警，并將門禁卡片信息存儲在數據庫中，管理員或教師可以對學生出入實驗室的信息進行查詢等操作。對于經常損壞實驗室設備或預約成功后不準時進行實驗的學生，將其信息加入黑名單進行管理。

圖7 門禁系統流程圖

設計的門禁系統控制工作流程(見圖8)。射頻卡為校園一卡通，采用射頻電磁感應原理。射頻卡的讀寫操作只需將卡放在讀寫器射頻能力范圍內就能實現數據交換。當射頻卡接近讀卡器的讀寫范圍時，讀卡器便讀取卡片中的信息并將卡片信息傳遞給門禁控制器。通過比對服務器傳遞給控制器的門禁信息與讀卡器傳遞的信息，判斷是否是合法人員并且是否是在實驗室工作時間內。如果是，則將電控鎖置于開放狀態并開門，同時將人員信息傳遞給系統管理軟件，否則啟動報警裝置。

圖8 門禁系統控制流程圖

4 相關工作

實驗室發展越來越迅速，規模也越來越大，傳統的實驗室安全管理體系及方法已不能完全滿足實驗室發展的需求，將互聯網+技術與實驗室安全管理有機結合起來創建智能型實驗室，為實驗室安全提供有力保障。羅軍舟等人提出移動互聯網的應用[8]，指出互聯網對國家信息產業整體發展具有重要的現實意義以及分析了移動終端、接入網絡、應用服務及安全與隱私保護等方面的研究進展。明安龍等人提出了利用貝葉斯因果網進行人物角色識別[9]，基于一些人物視覺特征、時間特征、空間統計特征和一些其他特征構成特征向量，并將這些特征向量的概率分布參數化，最后通過提取的特征來計算概率以識別人物角色，從而達到監控的目的。楊柏松等人提出了設計開放性實驗室自動消防供配電一體化管理系統[10]，將門禁考勤、自動消防供配電、視頻監控、聯動組態等技術結合起來，提高開放實驗室自動化管理程度。但是這些方法或系統存在系統不穩定、復雜，不能實時監控實驗室等缺陷；針對無線網傳感器，無法實時、及時地傳輸實驗室室內信息并發出預警；針對自動消防供配電系統，系統過于繁雜，只提供一系列的理論設想，沒有解決實驗室安全監控的實際問題。

針對構建監控管理系統來對實驗室安全進行管理，李丹等人提出了基于RFID(radio frequency identification)技術的實驗室管理系統設計[11]，基于RFID技術的門禁系統實現門禁管理，同時實現人員管理、項目管理、設備及耗材的管理來保證實驗室的安全。宋海蘭等人提出了基于TCP/IP協議的射頻卡門禁系統設計[12]，設計一套能夠為射頻卡門禁系統使用的符合 TCP、UDP 協議的單片機系統，通過門禁控制器完成對射頻卡閱讀器信息的校驗、傳遞、存儲及利用TCP/IP協議與計算機管理系統通信。朱文錦等人提出了智能視頻監控系統的設計與實現[13]，基于Matlab進行軟件開發，采用IP攝像機作為視頻源，主要功能包括人臉識別和入侵檢測。但這些方法多數只針對門禁或攝像頭等進行實驗室的安全監控，無法做到實時而準確的監控；針對人臉識別問題，無法解決系統數據過大，處理時間過長等問題。

本文基于視頻監控和門禁管理技術，對實驗室的進出人員及實驗過程進行監控管理，同時對實驗過程進行實時監控及分析處理，能有效地為實驗室設備和師生的安全提供保障。

5 結語

隨著高校智慧校園建設步伐的加快，以智慧實驗室安全監控管理為出發點的實驗室管理將為智慧校園的建設提供一個很好的契機。實驗室安全監控系統的設計實現了實驗室安全管理方式的轉變，使實驗室安全管理由被動的事故處理向主動消除隱患的安全管理模式轉變。

基于互聯網的智慧實驗室安全監控管理系統將為實驗室開放提供全方位的安全保障，同時能夠保障師生的人身安全和學校的財產安全不受侵害，降低實驗室工作人員的勞動強度，從而有更多的時間與精力開發出有利于提高學生創新能力的開放型實驗項目。本文所提出的安全管理系統結合了攝像監控技術、門禁控制技術、數據庫程序設計技術、Web 服務程序設計等技術，將系統軟硬件通過互聯網緊密結合在一起，用于高校實驗室安全監控，能有效地保障實驗室的安全，同時能夠提高實驗設備的利用率，讓師生能夠更好地從事教學和科研工作。

References)

[1] 廖慶敏. 高校實驗室安全管理之思考[J]. 實驗室研究與探索, 2010, 29(1):174-176.

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[3] 謝高崗, 張玉軍, 李振宇,等. 未來互聯網體系結構研究綜述[J]. 計算機學報, 2012, 35(6):1109-1119.

[4] 張偉, 宋瑩, 阮利,等. 面向Internet數據中心的資源管理[J]. 軟件學報, 2012, 23(2):179-199.

[5] 陳海明, 崔莉. 面向服務的物聯網軟件體系結構設計與模型檢測[J]. 計算機學報, 2016, 39(5):853-871.

[6] 向征, 譚恒良, 馬爭鳴. 改進的HOG和Gabor,LBP性能比較[J]. 計算機輔助設計與圖形學學報, 2012, 24(6):787-792.

[7] 陳銳, 彭啟民. 基于穩定區域梯度方向直方圖的行人檢測方法[J]. 計算機輔助設計與圖形學學報, 2012, 24(3):372-377.

[8] 羅軍舟, 吳文甲, 楊明. 移動互聯網:終端、網絡與服務[J]. 計算機學報, 2011, 34(11):2029-2051.

[9] 明安龍, 馬華東, 傅慧源. 多攝像機監控中基于貝葉斯因果網的人物角色識別[J]. 計算機學報, 2010, 33(12):2378-2386.

[10] 楊柏松, 鄭桂彬, 李長庚. 開放性實驗室自動消防供配電一體化管理系統[J]. 電子設計工程, 2016, 24(3):82-85.

[11] 李丹. 基于RFID技術的實驗室管理系統設計與實現[J]. 微型電腦應用, 2016, 32(3):40-41.

[12] 宋海蘭. 基于TCP/IP協議射頻卡門禁系統的設計[D]. 長春：吉林大學, 2004.

[13] 朱文錦. 實驗室智能視頻監控系統設計與實現[D]. 昆明：云南大學, 2015.

Research on assurance technology for safety monitoring and control based on “Internet+laboratory”

Cai Xiaohong1, Chu Danqi2, Gao Honghao1,3, He Qing2, Xu Huahu1,4

(1. School of Computer Engineering and Science, Shanghai University, Shanghai200444, China; 2. Laboratory and Equipment Office, Shanghai University, Shanghai 200444, China; 3. Computing Center, Shanghai University, Shanghai 200444, China; 4. Shanghai Shangda Hairun Information System Co., Ltd., Shanghai 200444, China)

The shortcoming of the existing safety assurance technology and the urgency for the demand of safety management are analyzed. Based on the combination of the Internet technology with the laboratory safety management, the assurance technology for safety monitoring and control is proposed for the university laboratories. According to the functional requirements, the laboratory monitoring and control by the camera and the modular architecture based on the access control management are designed, and the key technology and solution are discussed. Based on laboratory and equipment booking information, the data is shared, the laboratory personnel access is controlled through the access control, and the laboratory indoor condition is monitored by the camera. In this way, the laboratory safety problem is effectively solved.

assurance technology for safety monitoring and control; Internet+; access control management

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.062

2016-12-05 修改日期：2017-02-20

2016年全國高等院校計算機基礎教育研究會計算機基礎教學改革課題(項目編號:2016066)、2016年賽爾網絡下一代互聯網技術創新項目(項目編號: NGII20160210，NGII20160614，NGII20160325)資助

蔡曉紅(1991—)，女，河南信陽，碩士，實驗室助理，主要研究方向為服務計算、軟件工程、物聯網

E-mail：13818378607@163.com

楚丹琪(1958—)，女，上海，碩士，副教授，實驗室設備處處長，主要研究方向為實驗室管理及信息化技術.

E-mail：dqchu@shu.edu.cn

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1002-4956(2017)06-0246-05