基于人工智能的智慧校園安全系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

朱 盼,李 燁

(南陽職業(yè)學院 河南 南陽 474550)

0 引言

校園安全是保障學校一切活動的基礎,一直受到高校各級管理者、廣大師生的關注,全國范圍內由于校園安全管理不規(guī)范造成的校園安全事故頻繁發(fā)生。現(xiàn)階段,國內外針對校園安全保障體系的建設進行了大量的研究和實踐工作。在校園安全管控防范措施中,建設智慧校園安全系統(tǒng)的優(yōu)勢較為顯著,該系統(tǒng)將整合校園信息化系統(tǒng)及軟硬件平臺,將校園內現(xiàn)有系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)信息匯集在一起,實現(xiàn)校園內多樣資源相互融合,從而在一定程度上提高校園數(shù)據(jù)的響應速率,為廣大師生群體提供優(yōu)質的服務體驗。本文提出基于人工智能的智慧校園安全系統(tǒng),充分結合校園內部人員、空間、消防、治安等多樣化管理需求,實時監(jiān)測校園內各場所的人流量變化情況,并與校園警報系統(tǒng)相關聯(lián),提升校園安全的綜合管控能力。

1 相關理論概述

1.1 人工智能技術

人工智能技術是將計算機技術與人工智能相融合形成的一種新型科學技術,該技術在應用過程中需借助計算機軟件、硬件系統(tǒng),所謂的“軟硬結合”模式,不僅促進了人工智能技術在多個行業(yè)領域的綜合發(fā)展,也是人工智能技術在實際發(fā)展進程中的功能互補,兩者之間實現(xiàn)了不同優(yōu)勢的“互利互惠”,使得人工智能技術在高效、精準等方面的優(yōu)勢更加突出[1]。

1.2 Spring框架

Spring框架是一個開放源代碼的J2EE應用程序框架,將Spring框架作為系統(tǒng)的框架技術模式,在實際開發(fā)運行過程中,將通過MyBatis技術實現(xiàn)Java與智慧校園安全管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)間的交互,并充當系統(tǒng)業(yè)務邏輯層與數(shù)據(jù)庫間的媒介。MyBatis技術中的結構化查詢語言(structured query language, SQL),在系統(tǒng)開發(fā)過程中具有較強的靈活性,可應用于多個行業(yè)領域[2]。其中,Spring Boot是基于Spring 4.0進行開發(fā)設計的,不僅保持Spring框架的良好特性,將系統(tǒng)開發(fā)過程中涉及的流程進行精簡,而且Spring還能降低系統(tǒng)數(shù)據(jù)包間的版本沖突,有效解決不同數(shù)據(jù)包間的不穩(wěn)定性等問題,保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定的運行。

1.3 圖像預處理技術

基于人工智能的智慧校園安全系統(tǒng),需要將圖片進行預處理,提高輸入圖片的質量,減少數(shù)據(jù)采集對測試效果的影響。技術步驟如下:

(1)灰度變換?；叶茸儞Q的核心是調整彩色圖像中像素的灰度值,通常轉化為灰度圖為:

Gray=0.299×R+0.587×G+0.114×B

其中三原色(red green blue, RGB)對應彩色數(shù)字照片中各像素點紅、綠、藍的值,Gray對應灰度值。

(2)幾何變換。目的是解決圖像中的角度、尺寸不確定問題。主要操作有平移、剪切、旋轉等。平移即為圖像中像素點坐標水平或者垂直變動;旋轉即將圖像進行轉動處理,使之符合標準規(guī)范。

(3)圖像預處理方法的選擇。為了能在圖像檢測過程中達到最佳效果,圖像采集時將避免光照等外界不利因素的影響,從而增強圖像有用區(qū)域的質量,通過前面介紹的預圖像處理算法,文中智慧校園安全系統(tǒng)將選用灰度變換、幾何變換完成圖像的處理。

2 基于人工智能的智慧校園安全系統(tǒng)需求分析

2.1 性能需求分析

基于人工智能的智慧校園安全系統(tǒng),不僅需要全力支撐系統(tǒng)整體的承載量,而且還能顯著提升系統(tǒng)的綜合性能。該系統(tǒng)在開發(fā)設計過程中涉及的性能需求,主要分為以下3個方面[3]。

(1)數(shù)據(jù)訪問并發(fā)性。該系統(tǒng)主要用于校園內保衛(wèi)處工作人員、全體師生等,在特定時間點需同時滿足全校人員的并發(fā)登錄、數(shù)據(jù)訪問等操作,因此需要對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問并發(fā)設置相應的閾值,保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

(2)數(shù)據(jù)訪問響應及時性。數(shù)據(jù)訪問時效性主要體現(xiàn)在系統(tǒng)中數(shù)據(jù)信息增減、信息檢索、課程作業(yè)提交等模塊,例如當系統(tǒng)在后端位置檢索地圖信息、加載課程視頻時,需要滿足高響應的需求,因此該系統(tǒng)最好將運行周期時長控制在3 s內。

(3)系統(tǒng)具備穩(wěn)定可靠性。該系統(tǒng)在實際運行過程中需保持系統(tǒng)的安全穩(wěn)定,在進行數(shù)據(jù)信息加載、界面切換時周期時長控制在3 s內,系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫等服務設備應保證24 h×7 d無停歇運轉。

2.2 功能需求分析

本文提出的基于人工智能的智慧校園安全系統(tǒng)設計,系統(tǒng)功能需求主要有以下3點。

(1)監(jiān)測管理機制。將校內師生、其他管理服務人員、危險預警設備等進行統(tǒng)一管理,建立規(guī)范化的警報監(jiān)測管理機制,配置科學合理的應急響應管理流程,制定重大危機預警的應急響應預案。一旦校園內發(fā)生緊急危險事件,可在第一時間內保證應急響應方案落實到位,降低事故的危險性,保障人員的生命安全。

(2)系統(tǒng)安全部署。該系統(tǒng)的有效運行,能夠實現(xiàn)校園內安全事件的審批請示、任務分配及下發(fā)等,高校管理人員可通過該系統(tǒng)部署安全等相關任務,并將任務下發(fā)至指定工作人員處,保證任務的時效性。

(3)模塊功能融合。該系統(tǒng)將視頻監(jiān)控、應急指揮、危險預警等模塊進行充分融合,實現(xiàn)校園內的外界入侵檢測、人群聚集檢測等多元化功能,為智慧校園的安全貢獻全部力量。

3 基于人工智能的智慧校園安全系統(tǒng)總體設計

3.1 系統(tǒng)總體設計概況

基于人工智能的智慧校園安全系統(tǒng)在滿足基本需求的同時,也需遵循系統(tǒng)的總體設計原則。

(1)技術實用性原則?；谌斯ぶ悄艿闹腔坌@安全系統(tǒng)采用Spring Boot框架的開發(fā)模式,其中Spring輕量級技術能夠將整個系統(tǒng)各個層級的數(shù)據(jù)信息充分展示出來,業(yè)務邏輯層主要負責系統(tǒng)的業(yè)務功能實現(xiàn)、全量業(yè)務支撐等;數(shù)據(jù)應用層主要負責頁面展示及應用[4]。

(2)開發(fā)標準化原則。系統(tǒng)在開發(fā)設計過程中,必須嚴格遵守軟件工程系統(tǒng)建設的規(guī)范及標準,降低系統(tǒng)發(fā)生錯誤的概率,避免發(fā)生不必要的遷移問題,如關系型數(shù)據(jù)庫在設計過程中需嚴格按照數(shù)據(jù)字典模式進行相關定義操作。

(3)頁面可擴展性原則。系統(tǒng)需滿足用戶群體的基本需求,并為用戶提供良好的使用體驗感,用戶在瀏覽系統(tǒng)界面時不僅能夠達到一定的流暢度,而且還具有顯著的兼容特性,較快的響應速率等。

3.2 系統(tǒng)邏輯架構設計

基于人工智能的智慧校園安全系統(tǒng)的邏輯架構,主要包括3個層級,分別是數(shù)據(jù)信息層、業(yè)務邏輯層、數(shù)據(jù)應用層,具體如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)邏輯架構設計圖

通過圖1的系統(tǒng)邏輯架構設計可知,各層級負責的任務存在顯著的不同。

(1)數(shù)據(jù)信息層。主要用于存儲數(shù)據(jù)信息的物理特性、邏輯特性等,為業(yè)務數(shù)據(jù)的操作處理提供數(shù)據(jù)支撐,在滿足系統(tǒng)需求的基礎上將源數(shù)據(jù)進行匯總分類管理,并做好數(shù)據(jù)的備份工作,防止出現(xiàn)意外情況時數(shù)據(jù)信息丟失風險的發(fā)生,保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的安全性。

(2)業(yè)務邏輯層。主要是指用戶與系統(tǒng)間的交互操作,通過Action調用該層級的業(yè)務規(guī)則,實現(xiàn)不同業(yè)務數(shù)據(jù)間的交換,并采用Spring框架完成數(shù)據(jù)信息的驗證,確保數(shù)據(jù)信息的可靠性,提高系統(tǒng)的整體應用價值。

(3)數(shù)據(jù)應用層。主要是通過Html/CSS/JavaScript、Vue、Bootstrap等技術,將系統(tǒng)各個模塊的功能充分展示在界面上,并為業(yè)務邏輯層的安全臺賬管理、應急指揮等模塊提供服務接口,實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息間的互聯(lián)。

3.3 系統(tǒng)功能模塊設計

對于基于人工智能的智慧校園安全系統(tǒng)的功能模塊而言,系統(tǒng)管理模塊主要負責校園內各群體、組織的權限審批、賦權等;安全臺賬管理模塊主要用于校園安防部門內部的綜合管理,涉及校園安全臺賬的記錄、校園安全管理人員分配的記錄等,做到“專崗專人”,將安全任務落實到具體人員;辦公管理模塊主要包括安全審批請示、工作請示等;指揮調度模塊主要包括報警求助、報警聯(lián)動、應急指揮等,主要用于完成校園內安防指揮調度等工作;區(qū)域監(jiān)測模塊主要包括區(qū)域入侵和人群聚集2個部分,主要用于對校園內特定區(qū)域、場景的實時監(jiān)測,保障整個校園的安全,具體如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊設計圖

3.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口設計

基于人工智能的智慧校園安全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口部分,主要包括外部接口設計和內部接口設計,其中接口服務模式類型選用Web Service技術,在系統(tǒng)運行環(huán)境中能夠靈活地擴展,并具有顯著的獨立特性。該系統(tǒng)在實際報警監(jiān)測過程中,將與攝像機建立聯(lián)系,實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)信息的交互,從而完成校園內的視頻監(jiān)控。

與此同時,系統(tǒng)需與報警柱、消防等設備進行相應的關聯(lián),實現(xiàn)校園內安防、消防等報警聯(lián)動機制;與數(shù)據(jù)庫進行交互,完成基礎數(shù)據(jù)信息的有效存儲;與登錄訪問界面交互,實現(xiàn)校園用戶的安全登錄,保證個人隱私數(shù)據(jù)信息的安全性;與數(shù)據(jù)信息的模型開發(fā)接口連接,完成校園內不同區(qū)域間的監(jiān)測功能;與校園地圖信息進行交互,實現(xiàn)校園區(qū)域范圍內地理空間網格化的綜合管理等。

以報警柱為例,在系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口對接過程中涉及的具體參數(shù)如表1所示,其他對接功能模塊均類似。

表1 報警設備信息表結構設計

4 基于人工智能的智慧校園安全系統(tǒng)的測試與實現(xiàn)

4.1 測試方式及工具

在智慧校園安全系統(tǒng)的開發(fā)設計過程中,將在系統(tǒng)項目管理階段選用Project工具;系統(tǒng)的版本工具選用Git;系統(tǒng)缺陷管理工具選用Bugzilla;壓力測試工具選用LoadRunner;原型設計工具選Dreamweaver,具體測試內容及方式如表2所示[5]。

表2 系統(tǒng)測試內容與方法

4.2 系統(tǒng)測試結果

4.2.1 功能性測試

對基于人工智能的智慧校園安全系統(tǒng)進行功能性測試,主要采用的測試方式是黑盒測試,通過黑盒測試方式對該系統(tǒng)的各個功能進行驗證。在功能測試結束后還需對系統(tǒng)的整體安全性進行測試檢驗,降低系統(tǒng)發(fā)生錯誤的概率,提升用戶的綜合體驗感。測試結果表明,該系統(tǒng)基本滿足需求分析中的具體要求,并具有以下幾點優(yōu)勢。

(1)該系統(tǒng)采用的開發(fā)設計架構較為簡潔、易操作。系統(tǒng)選用Spring Boot框架,后端支持SQL Server 2020數(shù)據(jù)庫,整體架構清晰簡潔,可滿足智慧校園安全的基本需求。

(2)系統(tǒng)功能全面。該系統(tǒng)將安全臺賬管理、辦公管理、指揮調度等多個模塊進行整合,實現(xiàn)了多模塊的互聯(lián)互通,一旦校園遇到緊急安全事故,系統(tǒng)能夠在3 s時間內進行報警響應,并在第一時間內采取應急措施,降低事故的危害程度,保障人員的安全。

(3)系統(tǒng)具有高可靠性。當外界出現(xiàn)掉電、網絡異常,內部出現(xiàn)強行關機等異常狀況時,該系統(tǒng)能夠在第一時間及時響應安全機制,并提供數(shù)據(jù)備份驗證。當用戶在系統(tǒng)操作界面遇到錯誤提示時,可在系統(tǒng)幫助模塊發(fā)起申請,系統(tǒng)將會立即響應申請,并給予相應的幫助,為用戶解決問題。

4.2.2 安全性測試

對于智慧校園安全系統(tǒng)的安全性檢測而言,檢測內容主要包括2個方面,即應用程序、數(shù)據(jù)信息;其中應用程序需從系統(tǒng)Web部署環(huán)境及數(shù)據(jù)安全2個維度進行維護,防止外界病毒、黑客的惡意攻擊及數(shù)據(jù)篡改。

通過模擬非法用戶進行身份驗證,并采用暴力破解的模式對非法用戶進行登錄授權,此時將XSS. Struct2漏洞以Web滲透攻擊的方式接入系統(tǒng)進行測試。利用惡意文件對系統(tǒng)內部的文件下載和上傳進行限制,此時通過人工智能的數(shù)據(jù)加密技術對系統(tǒng)內部的數(shù)據(jù)進行加密設置,保證系統(tǒng)內數(shù)據(jù)的安全性,還可配合系統(tǒng)漏洞攔截工具將非法用戶阻擋在系統(tǒng)外部。經過一系列的測試操作,說明系統(tǒng)可安全運行。

5 結語

綜上所述,校園安全的核心主要體現(xiàn)在以“人”為中心的監(jiān)控模式、危機預警的提前預防、事故發(fā)生后的緊急處理等方面,鑒于目前技術手段的不斷更新,利用人工智能等技術手段,構建智慧校園日趨重要。本文針對現(xiàn)階段校園安全問題,提出了基于人工智能的智慧校園安全系統(tǒng),該系統(tǒng)的實現(xiàn)將緩解校園安防管理者的工作強度,提升校園安全事故的應急處理能力,簡化校園安全審批處理流程,實現(xiàn)平安校園的美好愿景。