機(jī)器學(xué)習(xí)在校園安全門禁系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

姜娜 楊海燕 黃吉亞 顧慶傳

摘? 要：隨著高校的擴(kuò)建，校園安全已成為校園管理工作中的重要問題。現(xiàn)有的大部分門禁系統(tǒng)僅記錄各類人員出入校園的時(shí)間信息，信息數(shù)量大，且未進(jìn)行有效利用。校園安全工作要穩(wěn)定有效地持續(xù)進(jìn)行，則需要利用計(jì)算機(jī)平臺(tái)，將過去的人工管理方式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榛诖髷?shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)的智能化的管理、決策方式。本文基于機(jī)器學(xué)習(xí)，對(duì)校園安全門禁系統(tǒng)方法的選擇和系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)意義進(jìn)行了探討，以期為相關(guān)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：校園安全;機(jī)器學(xué)習(xí);門禁系統(tǒng);學(xué)習(xí)模型

中圖分類號(hào)：TP181? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）01-0160-02

Research on the Application of Machine Learning in

Campus Security Access Control System

JIANG Na，YANG Haiyan，HUANG Jiya，GU Qingchuan

（School of Physics and Information Engineering，Zhaotong University，Zhaotong? 657000，China）

Abstract：With the expansion of colleges and universities，the work of the campus public security has been an important problem in campus management. Most of the existing access control systems only record the time information of person who entered and leaved the campus. The amount of information is large，but it is not effectively used. In order to carry out campus security work steadily and effectively，it is necessary to use computer platform to gradually transform the past manual management mode into intelligent management and decision-making mode based on large data and machine learning. Based on machine learning，this paper discusses the selection of methods and practical significance of campus security access control system，in order to provide reference for the analysis and design of related systems.

Keywords：campus security;machine learning;access control system;learning model

0? 引? 言

目前我國(guó)高校正處于蓬勃發(fā)展時(shí)期，各高校學(xué)生數(shù)量多，管理難度高，校園安全已成為高校校園管理中不可忽視的重要問題。在“互聯(lián)網(wǎng)+”發(fā)展背景下，利用計(jì)算機(jī)平臺(tái)，將校園安全過去的人工管理方式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑芾矸绞剑岣吖芾硇剩苊夤芾磉^程中出現(xiàn)遺漏十分必要。

高校校園安全主要體現(xiàn)在消防安全、飲食安全、人身安全、交通安全、心理健康等方面。本文主要針對(duì)校園安全中的學(xué)生人身安全管理系統(tǒng)進(jìn)行闡述。針對(duì)學(xué)生人身安全，目前不少高校均已建設(shè)相關(guān)的門禁方案對(duì)學(xué)生進(jìn)行出入管理，例如，使用一卡通、校園卡等設(shè)備對(duì)學(xué)生進(jìn)出公寓進(jìn)行記錄，從而獲得學(xué)生的出入情況。但是，如果出現(xiàn)出入憑證丟失或冒用的情況，就會(huì)導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不真實(shí)，造成潛在的校園安全隱患;另外，校園安全中涉及到的各種意外情況，除學(xué)生公寓外，可能會(huì)出現(xiàn)在校園的各個(gè)區(qū)域，因此有必要對(duì)教師、后勤人員和其他外來人員進(jìn)行統(tǒng)一的校園進(jìn)出管理登記。在建設(shè)智慧型平安校園背景下，本文提出一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的門禁系統(tǒng)，校園管理人員利用出入憑證對(duì)教師和學(xué)生進(jìn)行統(tǒng)一管理;同時(shí)利用臨時(shí)出入憑證對(duì)外來人員進(jìn)行統(tǒng)一管理，對(duì)各類人員進(jìn)出校園、宿舍或圖書館進(jìn)行記錄，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法得出分析模型，使用計(jì)算機(jī)技術(shù)最大程度地確保學(xué)生的校園人身安全和財(cái)產(chǎn)安全，亦可配合教學(xué)、后勤等部門進(jìn)行輔助管理。該系統(tǒng)在現(xiàn)有校園安全門禁系統(tǒng)和宿舍門禁系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，使用機(jī)器學(xué)習(xí)知識(shí)，挖掘各類進(jìn)出校園或宿舍人員的進(jìn)出數(shù)據(jù)規(guī)律，及時(shí)向管理人員通報(bào)異常信息，提高校園安全管理效率，保障校園安全。

1? 機(jī)器學(xué)習(xí)概述

機(jī)器學(xué)習(xí)（Machine Learning）是指計(jì)算機(jī)在已有經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，習(xí)得學(xué)習(xí)模型，將學(xué)習(xí)模型用于新數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)并得出結(jié)論的過程。校園安全門禁系統(tǒng)通常記錄學(xué)生的出入情況，機(jī)器學(xué)習(xí)將出入情況作為已有數(shù)據(jù)可挖掘不同學(xué)生出入校園、宿舍或圖書館，以及結(jié)伴出行規(guī)律，可用于預(yù)測(cè)某個(gè)學(xué)生某一天的出入情況;同樣的方式，機(jī)器學(xué)習(xí)亦可用于教職工、管理人員以及外來臨時(shí)人員的出入預(yù)測(cè)，以得到逼近真相的預(yù)測(cè)結(jié)論，即獲得強(qiáng)泛化能力的模型。當(dāng)預(yù)測(cè)情況與實(shí)際情況偏差較大時(shí)，如超出預(yù)期時(shí)間學(xué)生未返回宿舍，外來臨時(shí)人員未離校等，機(jī)器學(xué)習(xí)則會(huì)自動(dòng)向管理人員發(fā)送警示信息提醒其進(jìn)行人工核實(shí)。

根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否包含標(biāo)記信息，可將機(jī)器學(xué)習(xí)算法分為監(jiān)督學(xué)習(xí)、半監(jiān)督學(xué)習(xí)和無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí);根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果是否連續(xù)，可將機(jī)器學(xué)習(xí)算法分為預(yù)測(cè)離散值的分類學(xué)習(xí)方法和預(yù)測(cè)連續(xù)值的回歸學(xué)習(xí)方法。根據(jù)校園安全門禁系統(tǒng)的出入數(shù)據(jù)，最終可以預(yù)測(cè)各類人員在校安全狀態(tài)，因此，選擇適用的分類學(xué)習(xí)方法十分必要。機(jī)器學(xué)習(xí)開發(fā)流程如圖1所示。

2? 方法研究

在校園安全門禁系統(tǒng)中，前期數(shù)據(jù)錄入包括每一位出入人員的基本信息以及出入學(xué)校、宿舍或圖書館的時(shí)間節(jié)點(diǎn)信息等。其中，基本信息通過人工或批量導(dǎo)入方式錄入;出入時(shí)間節(jié)點(diǎn)信息通過安全門禁系統(tǒng)獲得并批量導(dǎo)入。系統(tǒng)記錄各類人員的相關(guān)信息，預(yù)測(cè)其出入情況，并給出結(jié)論—正常或異常。校園安全門禁系統(tǒng)通過統(tǒng)計(jì)校園各人員進(jìn)出校園的規(guī)律，得出預(yù)測(cè)結(jié)論，并在出現(xiàn)異常情況時(shí)給出相應(yīng)的管理決策建議，從而支撐智慧校園管理。

2.1? 數(shù)據(jù)錄入以及安全狀態(tài)

數(shù)據(jù)的錄入，包括各類人員基本信息（姓名、身份證號(hào)＼ 學(xué)號(hào)、年齡、專業(yè)、所屬類別等），出入相關(guān)詳細(xì)信息（日期、實(shí)際出入時(shí)間、預(yù)計(jì)出入時(shí)間等）的錄入工作。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，令D={x1，x2，…，xn}，表示第n個(gè)出入校園人員的數(shù)據(jù)集，第m個(gè)出入校園人員的數(shù)據(jù)xm是由基本信息中A個(gè)數(shù)據(jù)構(gòu)成的一個(gè)向量;若要根據(jù)某個(gè)進(jìn)出校園人員的出入信息預(yù)測(cè)其當(dāng)前在校安全狀態(tài)，則令第m個(gè)出入校園人員的安全狀態(tài)類型是ym，則（xm，ym）就是數(shù)據(jù)集中的第m個(gè)樣例（擁有標(biāo)記信息的示例）。機(jī)器學(xué)習(xí)通過對(duì)訓(xùn)練集的學(xué)習(xí)，習(xí)得的模型為f，在進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，可得到測(cè)試?yán)齲的預(yù)測(cè)標(biāo)記y=f（x），即通過出入校園人員的出入信息預(yù)測(cè)其當(dāng)前在校安全狀態(tài)。機(jī)器學(xué)習(xí)模型使用流程如圖2所示。

2.2? 決策樹模型

由于各類人員出入學(xué)校、宿舍或圖書館的時(shí)間受課時(shí)安排、周末、節(jié)假日等影響，因此在對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行分析的過程中，需結(jié)合日期進(jìn)行預(yù)測(cè)。

以日期作為自變量，以各類人員當(dāng)前在校安全狀態(tài)作為預(yù)測(cè)結(jié)果，建立模型，如圖3所示。

2.3? K均值聚類算法

常見聚類算法有：K均值聚類算法、均值漂移聚類算法、基于密度的聚類算法、凝聚層次聚類算法。其中，K均值聚類算法速度快，計(jì)算簡(jiǎn)便，劃分得到的K個(gè)簇的中心均值是每個(gè)簇所有值的均值。各類人員中，學(xué)生人數(shù)最多，且出入時(shí)間主要集中在某幾個(gè)時(shí)間段，因此，可使用聚類方法得到學(xué)習(xí)模型。

在學(xué)生、教師、管理人員等每一類人員中，隨機(jī)選取K個(gè)對(duì)象作為聚類中心，根據(jù)對(duì)象距離聚類中心的長(zhǎng)度將該對(duì)象分配給離它最近的聚類中心，每次新加入對(duì)象時(shí)重新計(jì)算，直到誤差平方和局部最小，即可獲得每一類人員相似出行規(guī)律的學(xué)習(xí)模型。當(dāng)對(duì)下一次出入信息進(jìn)行記錄時(shí)，判斷出入記錄是否滿足學(xué)習(xí)模型規(guī)律，若滿足則記錄，否則向管理人員發(fā)出警報(bào)信息，由管理人員人工審核，若有特殊情況，則便于向?qū)W生工作管理人員上報(bào)詳細(xì)信息，提高各部門聯(lián)合管理的效率。

3? 意義以及存在的問題

機(jī)器學(xué)習(xí)在校園安全門禁系統(tǒng)中的應(yīng)用，具有如下現(xiàn)實(shí)意義：

機(jī)器學(xué)習(xí)在校園安全門禁系統(tǒng)中的應(yīng)用可以使校園安全管理人員及時(shí)獲得出入學(xué)校、宿舍或圖書館人員的信息和某一時(shí)刻臨時(shí)出入校園人員的詳細(xì)信息，高效地進(jìn)行校園安全管理;當(dāng)不符合人員出入學(xué)習(xí)模型的異常情況出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)向管理人員發(fā)出警報(bào)，時(shí)效性強(qiáng)，可以最大程度地保障學(xué)生的在校安全;系統(tǒng)除適用于校園安全管理外，也可以輔助教學(xué)管理人員進(jìn)行出勤統(tǒng)計(jì);根據(jù)此系統(tǒng)學(xué)生管理部門，除可獲得學(xué)生的出入情況外，還可根據(jù)具體的異常情況，對(duì)學(xué)生進(jìn)行針對(duì)性的管理、幫助或心理疏導(dǎo)，進(jìn)而對(duì)學(xué)生工作進(jìn)行輔助決策及管理。

本文探討了機(jī)器學(xué)習(xí)在校園安全門禁系統(tǒng)中的應(yīng)用、方法以及意義，但若出現(xiàn)出入憑證丟失、冒用等情況，則校園安全門禁系統(tǒng)的出入情況數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率將會(huì)降低，未來可結(jié)合生物識(shí)別技術(shù)提高身份識(shí)別的準(zhǔn)確性，如指紋識(shí)別、人臉識(shí)別，進(jìn)而提高校園安全門禁系統(tǒng)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率。另外，由于學(xué)習(xí)工作、任務(wù)因?qū)W期、學(xué)年而不同，各類人員的出入規(guī)律也會(huì)發(fā)生變化，系統(tǒng)未來的研究方向?yàn)閷⑴f學(xué)期數(shù)據(jù)和新學(xué)期數(shù)據(jù)之間建立關(guān)聯(lián)，以獲得更加通用、準(zhǔn)確的學(xué)習(xí)模型。

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