中小學校園安全監測預警系統的設計與應用研究

戴玉飛劉 躍楊柳青李文波

（1.中國科學院合肥物質科學研究院，安徽 合肥 230031；2.中國科學技術大學，安徽 合肥 230026；3.中國科學技術大學先進技術研究院，安徽 合肥 230088；4.合肥市公安局科技信息化支隊，安徽 合肥 230061）

0 引言

近年來，全國中小學校園各類突發應急事件層出不窮，其中校園火災、校園欺凌、惡性傷人、校內超速、拐賣兒童等事件嚴重威脅著中小學生的生命安全。2018年4月，陜西省趙某攜帶匕首進入榆林米脂縣三中砍殺，造成19名學生受傷，9人死亡；2019年1月，北京市宣武區師范學校附屬第一小學內發生傷害學生事件，造成20名學生受傷；2020年11月，廣西柳州柳江區1名小學生被4名欺凌學生用拖鞋抽臉、在衣兜放鞭炮；2021年9月，江蘇連云港東海中等專業學校1名學生在校內因瑣事糾紛被打身亡。頻發的應急事件引起了社會各界的普遍關注，同時由于傳統的應急管理方式存在效率低、反應不及時、處理不夠妥當、信息傳遞不透明等弊端，使得社會各界對加強中小學校園應急管理提出了急切的渴求。信息技術的不斷發展與深入應用，特別是物聯網、大數據、人工智能等技術的發展有力地推動了中小學校園應急管理工作的創新，極大地提高了各中小學校園應急管理的能力與信心。

現代校園安全管理系統通過全網絡化部署高清監控應用以及整合訪客系統、視頻監控、校園安全事件檢測等系統，不僅能在突發事故出現時真正做到及時報警、多方聯動，確保相關職能部門做出及時回應，而且也大大提升了學校重要場所的監控性能，真正起到對安全事故的預防作用，這有效地解決了傳統的應急管理方式的弊端。

1 中小學校園安全監測預警系統構成

中小學校園安全監測預警系統按照感知層、接入層、傳輸層、支撐層和應用層規劃，主要實現了以下目標功能：（1）AI視頻分析系統：主要實現行為識別、入侵檢測、人群事件檢測、視頻監控、車輛識別功能；（2）門禁道閘系統：主要實現人臉識別、身份比對、出入控制、黑名單管理、考勤管理功能；（3）火災報警監控系統：主要由火災報警主機、獨立式煙霧感應器、圖像型火災探測器、電氣火災探測器組成，當設備發生異常或報警時，系統將報警信息上傳告知，實現全方位火災報警監控功能；（4）應急演練系統：主要開展面向師生的火災預警演練、防暴防恐演練、消防滅火演練、疏散逃生演練；（5）消防水系統監測系統：包含消防水壓監測與預警、消防水位監測與預警功能。安全監測系統總體架構如圖1所示。

圖1 中小學校園安全監測預警系統總體架構

感知層：系統數據基本支撐，包含火災報警系統（常規火災探測、獨立式火災探測）、門禁道閘系統、消防水系統監測（包含消防水壓、消防水位監測）、AI（人工智能，Artificial Intelligence，簡稱AI）視頻分析系統、應急演練裝置等內容，通過感知設備的接入實現火災視頻、溫度、壓力、安全圍欄入侵等數據的采集與傳輸，開展基于AI視頻分析技術的識別與預警，為頂層業務應用提供數據支撐。接入層：包括基礎數據中心、用戶信息傳輸裝置、智能網關、開發互通接口、統一認證平臺和校園基礎服務等內容，主要是為中小學校園安全監測預警系統的建設提供統一的接入管理。傳輸層：基于互聯網、5G（第五代移動通信技術，FifthGenerationMobileCommunication Technology，簡稱5G）、4G（第四代通信技術，FourthGenerationCommunicationTechnology，簡稱4G）等內容，實現多源異構數據實時上傳，為數據傳輸的變革提供強大的支撐。支撐層：硬件支撐和網絡支撐，主要包括網絡資源、數據服務器、通信服務器、AI服務器等內容。應用層：通過對基礎服務的調用和組合，結合實際需求構建可完成指定工作內容的業務平臺，包括校園安全監測預警系統平臺，Web端展示平臺，第三方公安、學校及教育部門接口等內容，提供校園安全應急管理全方位、可視化應用的支持，提高校園應急管理精細化管理水平。

2 信息技術在中小學校園應急管理中的應用

近年來，以物聯網、大數據、人工智能等技術為代表的新一代信息技術取得了迅猛的發展，在中小學校園應急管理過程中不斷融合，產生了巨大的經濟和社會價值。

（1）物聯網：物聯網是利用射頻識別、紅外感應器以及全球定位系統等一些感知設備，按照約定好的通信傳輸協議，將所有物品以及互聯網之間進行連接，展開信息交換以及通信，進而可以實現智能化的識別、定位、跟蹤以及監控和管理的網絡[1]。基于物聯網技術，在感知層可實現校園內消防設施、煙感系統、壓力傳感信息、水箱液位等數據的實時狀態監測、采集與傳輸，為平安校園建設提供全面的數據感知支撐。

（2）大數據：大數據指運用新的計算機應用軟件對數據進行捕捉、歸類、分化、管理和處理這一周而復始的過程，以獲得更有洞察力和分析力的新的數據。大數據是一種信息化的數據資產，它具有量大、高增長性、高價值性和多樣化等特點。通過互聯網實現單一分化數據的互聯、集成與創新，從而為各行各業提供全新的管理方式[2]。校園安全監測預警系統通過整合內外部數據資源，利用大數據技術數據量大、速度快、類型多等特點，建立計劃、調度、運行、應急等領域的統一的校園應急管理平臺，實現了統一的數據模型和分析預測，支持及時決策、科學決策，發揮了大數據資源平臺的極大優勢。

（3）人工智能：人工智能的概念于20世紀50年代提出，其研究初衷是理解并模擬人類智能，旨在通過計算機算法實現對于人類智能的模擬。人工智能領域包括多個分支，例如，有規劃調度、進化計算、機器學習、推薦系統、機器人感知等[3]。其本質是機器“學習”，即讓計算機具有“學習”能力，通過對數據分析，“訓練”出一個模型對新數據進行預測[4]。在校園安全監測預警系統中，通過嵌入計算機視覺、機器學習等人工智能技術，實現校園突發事件自感知、自學習、提前預警，例如，在校園火災預警報警系統中，通過裝備人工智能煙火識別服務器，可在火災發生的極早期提前進行預警處置；在可疑人員管理系統中，通過與公安局數據庫聯動訓練，可迅速對校門口可疑人員、校內可疑人員進行甄別，提前報警。

3 肥西縣桃花鎮中心學校校園安全監測預警系統

肥西縣桃花鎮中心學校校園安全監測預警系統是基于物聯網、大數據、人工智能等信息技術為一體的綜合應用的應急管理監測預警平臺，該系統的開發為校園周邊、生活區、教學區及公共區等整體校園的安全提供了保障。系統具有人臉識別訪客控制、安防視頻監控及人工智能事件行為分析、火災自動報警系統監測、車輛識別監控、應急管理演練等功能，系統可實現安全威脅提前預警、突發事件報警，保證了安全關口前移和報警聯動，使得校園安全水平大幅度提高。

該系統創新性地運用了基于人工智能的火災圖像和異常行為識別、大視場視頻全景拼接技術，通過接入AI煙火復合分析服務器、校園安全事件分析服務器等設備，實現了對學校的圍墻周界、大門、財務室、檔案室、校園食堂以及學校危險地帶的煙霧和火焰識別報警、危險活動檢測。當出現應急事件時，系統根據應急事件內容和程度等級自動觸發三級應急預案。系統預案采用紅、黃、藍三色一鍵報警裝置分別對應一級警報、二級警報和三級警報。一級警報為特大警報，當發生校園火災、校內超速、暴力襲擊、惡意傷人、社會人員來校鬧事且較為嚴重事件時立即觸發紅色報警，此時，教師和學生等應立即緊急疏散躲避，校領導等第一時間與保衛處聯系處理應急事件，并將報警信息通過短信通信等方式第一時間上報屬地公安，達到應急事件聯動預警目的；二級警報為重大警報，當發生校園欺凌、可疑人員、實驗傷害事件時立即觸發黃色報警，此時，教師應立即停止課程，維護好學生秩序，校領導等第一時間與保衛處聯系，了解情況，到達應急事件現場，處理應急事件；三級警報為一般警報，當發生急性傷病、學生打架、校門口一般鬧事事件時立即觸發藍色報警，此時，校領導等第一時間與保衛處聯系了解情況，到達應急事件現場，處理應急事件；系統運行可準確反映應急事件危害程度，提升中小學校園應急管理能力。

4 結語

新一代信息技術的迅速發展為中小學校園應急管理的發展提供了新的契機，物聯網、大數據、人工智能技術的普遍應用為校園安全應急管理提供了全面的數據感知、數據傳輸、數據計算與分析能力支撐。基于物聯網等技術與校園安全應急管理的結合應用為中小學校園應急管理工作的開展提供了新的途徑，給中小學師生提供了堅定的安全保障。