基于“互联网+实验室”的安全监控保障技术研究

蔡晓红， 楚丹琪， 高洪皓,3， 何 清， 许华虎,4

(1. 上海大学 计算机学院, 上海 200444； 2. 上海大学 实验室设备处, 上海 200444; 3. 上海大学 计算中心, 上海 200444; 4. 上海上大海润信息系统有限公司, 上海 200444)

基于“互联网+实验室”的安全监控保障技术研究

蔡晓红1， 楚丹琪2， 高洪皓1,3， 何 清2， 许华虎1,4

(1. 上海大学 计算机学院, 上海 200444； 2. 上海大学 实验室设备处, 上海 200444; 3. 上海大学 计算中心, 上海 200444; 4. 上海上大海润信息系统有限公司, 上海 200444)

分析了安全保障技术的不足和安全管理需求的迫切性，将互联网技术和实验室的安全管理有机地结合，提出了面向高校实验室的安全监控保障技术。根据功能需求设计了基于摄像头的实验室监控和基于门禁控制管理的模块架构，讨论了其关键技术与解决方案。以实验室和设备预约信息为基础共享数据，通过门禁控制实验室的人员出入，采用摄像头监控实验室内的状况，从而有效地解决实验室安全问题。

安全监控保障技术； 互联网+； 门禁控制管理

随着高等院校教育规模的不断扩大，实验室贵重仪器设备、精密仪器设备、危险化学品种类和数量也不断增加，因此隐含较多的危险操作，一旦发生安全事故，将造成很大的损失[1]。2015年3月某大学实验室发生硫化氢气体泄漏事件，造成业务员中毒身亡；2015年12月某大学实验楼内发生爆炸事件，造成2名学生受伤；2016年9月某大学化工实验室发生爆炸事件，造成2名学生重伤。

在产学研合作需求下，实验室开放程度直接与高校的经济利益相关，但是实验室安全管理不完善、安全防范意识较弱、实验室安全未能受到足够重视、实验室安全管理软硬件设施投入不足等主客观因素，使得实验室安全事故容易发生[2]。实验室的安全监控就成为了解决实验室安全问题的关键。

将互联网和实验室安全监控相结合，是实现“互联网+”智慧型实验室的有效方法。在大数据、云计算等互联网技术的时代背景下，互联网与安全监控的有机结合能够为实验室安全提供极大保障[3-4]。本文探讨了基于摄像头的实验室安全监控，以及通过视频监控技术实现7×24 h实验室室内情况监控，基于门禁控制的人员出入管理，通过门禁和一卡通实现人员出入的控制，提升实验室安全的保障能力。

1 系统架构设计

实验室安全监控管理系统综合运用互联网、Web服务等技术，设计了一个分层的软件体系结构，使得各个模块能够实现数据共享[5]。如图1所示，该系统分为门禁系统管理模块、视频监控模块。该框架的设计原则包括：

(1) 开放性与安全性。考虑到将来系统的发展与更新的需要，系统需要具有良好的开放性，整个系统按功能划分为若干模块，方便维护，利于将来系统的升级与扩展。整个系统网络处于开放的体系结构中，数据库信息以及用户信息的安全性、可靠性也是需要解决的问题。

(2) 实用性与高效性。为满足实际工作的需要，用户操作界面设计应尽可能做到简便实用，能够满足不同用户的需求。针对实验学生较多的情况，对射频卡读写器的识别能力提出了更高的性能要求。

(3) 交互性。作为服务高校的实验室管理系统，既要为管理人员提供方便，也要为全校师生提供快捷的服务，能满足师生间的互动。

(4) 界面友好性。用户可以轻松地进行网络浏览和查询等操作，提高了使用者的工作效率。

如图1所示，实验室监控平台系统主要包括设备预约模块、视频监控模块、门禁系统模块等。

图1 实验室监控平台系统架构设计图

设备预约模块：用户通过互联网访问安全监控管理系统，进入设备预约模块，查询需要使用的设备并进行预约，完成设备预约后，系统通过设备预约算法得到最佳设备使用方案，进行设备分配，通过管理员审核后，用户可查询本人的设备审核情况。

门禁系统模块：用户预约成功后，系统将用户预约信息传递给门禁系统，门禁系统为用户分配门禁权限，用户将获得预约实验室在指定时间段的门禁权限。如果没有门禁权限且刷卡，门禁装置将发出蜂窝报警，因此用户只能在规定时间内使用门禁卡刷卡出入，同时，用户出入门禁信息将存储至数据库中。

视频监控模块：用户在合理预约时间段内刷卡进入实验室，摄像头开始对用户进行监控，并将监控数据发送给后台数据库，监控过程中如果检测到不利于实验室安全的情况，发出声光报警，提醒学生撤离实验室，例如在凌晨1点至4点为实验室的非工作时段，如果摄像头检测到有人进入实验室，将及时启动声光报警装置进行报警。同时，若有学生在实验过程中因操作不当发生安全事故时，将该学生信息记录下来，传递给预约子系统，在以后预约过程中，限制该学生的设备预约。

在实验室安全监控系统中，Web服务器的后台数据库系统接收监控模块通过网络传输获取的各监测点采集到的摄像头监控数据；用户根据权限通过传输网络进行信息资源访问、查询等操作；监控模块实时监控人员操作信息，信息流通过监控模块与智能网关进行数据交换，并将数据信息上传至数据库中。

2 摄像头模块功能

摄像头模块的功能如图2所示，该模块可以实现的功能为对实验室进行实时监控。将视频监控数据进行处理并分析，如果出现检测目标，则启动声光报警装置提醒实验室内人员撤离，并将监控数据传送至后台数据库进行存储；否则，也将监控数据传送至数据库进行存储。实验室管理人员可以通过计算机或PC等设备对监控数据进行查询等操作。摄像头监控系统的实现技术为：通过MPEG-4进行视频压缩编码，以便得到可以进行网络传输的、有效的、高质量的视频流；使用RTP/UDP进行实时数据传输并以IP组播的方式进行数据传输，有效缓解网络负担。

图2 摄像头安全监控模块功能图

如图3所示，摄像头监控模块包括摄像头监控装置、行人检测和异常报警装置、监控软件系统、客户端电脑和智能手机应用终端构成。监控装置负责对实验室进行监控，并将监控数据传输给监控软件，监控软件则负责分析实验过程数据和行人的异常情况，一旦出现检测目标或异常行人活动，将信号传送至声光报警单元，发出声光报警，同时将报警信息发送给实验室管理人员，并将监控数据保存在数据库中。管理人员可以通过电脑或手机等终端访问数据库，进行实验室监控数据的查询等操作。

图3 摄像头安全监测及控制系统架构图

摄像头监控装置用来采集实验室学生的实验过程数据，系统中采用海康网络数字摄像机。摄像头监控装置的核心由输入接口单元、信息处理单元、预警报警单元、行人检测单元和输出接口单元构成(见图4)。各组成单元的功能如下：

图4 摄像头子模块组成图

(1) 输入接口单元主要负责接收摄像头的输入信号，对于开关量输入可直接输入接口单元与信息处理单元连接；对于模拟量输入接口单元将模拟量信号转换为数字信息再传输给信息处理单元。

(2) 信息处理单元用于接收输入接口单元的监测数据，并对其进行逻辑运行和逻辑判断。当监测的数据达到预设的报警值时，信息处理单元将报警信息发送给预警报警单元。

(3) 预警报警单元接收到信息处理单元发送的预警或报警信息，立刻发出声光报警提示，以提醒实验人员立刻撤离实验台。

(4) 行人检测单元通过接收信息处理单元的信息，检测凌晨1点～4点非工作时段是否有人进入实验室等情况，如果检测到，则将信号通过信息处理单元发送至预警单元，发出声光报警。

(5) 输出接口单元主要接收信息处理单元发出的状态信息和报警信息，并通过输出接口单元实现系统的扩展，如将状态信息和报警信息发送到远程服务器。

视频监控系统采用基于HOG及SVM进行摄像头的视频行人行为检测和异常检测，能有效地对视频中的监控对象进行异常行为的检测[6]。其中，HOG(histogram of oriented gradient)为梯度向量直方图，应用于图像处理和计算机视觉领域，可实现目标检测，并以图像局部梯度的方向信息统计值作为特征值[7]；SVM(support vector machine)为支持向量机，依靠有限的训练样本信息并针对未知样本进行预测准确性学习，在高维空间找出最优的超平面作为分类曲面进行二分分类问题的求解，从而求出最低的误分率。

图5 行人检测及异常检测图

将行人检测及异常检测用于实验安全的监控流程(见图5)，主要包括以下步骤：

第一步：对原始的视频信息，使用局部正规化的梯度直方图方法(HOG)提取出特征值，构成一个鲁棒的人体特征集。其中提取 HOG 特征值的流程为：预处理待识别图像、逐像素求解梯度值、对细胞单元的梯度方向直方图进行统计，最后归一化区间内细胞直方图方向模值，输出HOG特征向量值。

第二步：采用线性 SVM(support vector machine)分类器，对训练样本进行特征值分类。

第三步：对人体轮廓进行划定并形成初步的检测框，在得出初步的检测框之后，在框中的 1/4 以上的位置进行头部检测，从而可以降低误检率。

第四步：基于光流法和Markov Random Field(MRF)即马尔科夫随机场模型进行异常行为检测，首先，将视频序列中的帧划分成若干个区块作为MRF模型的节点，接着统计出每个子区域中的光流信息，再对统计完的光流信息用视觉词袋做处理，最后就可以得出每个节点块的特征描述符。

3 门禁系统工作机制

对实验室安装门禁控制系统就可对实验室的出入通道进行管理，既可控制人员的出入，也可控制人员在楼内及其相关区域的活动，从而代替保安人员、门锁和围墙的控制作用。它能够让已授权的人员凭有效的身份证明(如卡片)进入，对未授权人员将拒绝其入内，并报警，对某时间段内人员的出入情况、在场人员名单等资料进行统计、查询并打印输出。在门禁控制系统中安装报警装置，当检测到有未经许可的出入，以及门被强行打开或保持开门状态时间过长等情况将发出报警信号。

门禁系统的系统管理主要是通过实时监控管理软件来实现的。该实时监控管理软件主要实现了对各种基本信息的管理功能(见图6)。门禁系统利用无线射频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据；数据传输利用 TCP/IP 协议及简单的应用层协议实现门禁控制器硬件的网络互联。

图6 门禁管理功能结构图

监控管理软件主要包括4个模块，其中用户管理模块主要实现对管理员、教师和学生权限的分配，人员姓名、性别等基本信息的初始化，人员基本信息的增加、删除、修改、查找。人员管理模块是对人员所在部门、电话、职称等扩展信息的增加、删除、修改、查找。射频卡管理模块实现对新卡的注册管理，对丢失或由于某些原因不能使用的卡片进行注销。门禁管理模块实现卡片的门禁权限的管理工作，黑名单信息管理、白名单信息管理，同时，可以对人员的出入信息进行管理。

门禁系统的流程(见图7)：对卡片进行初始化管理、人员信息管理、门禁权限的管理，如果有权限刷卡后可开门，否则会发出蜂窝报警，并将门禁卡片信息存储在数据库中，管理员或教师可以对学生出入实验室的信息进行查询等操作。对于经常损坏实验室设备或预约成功后不准时进行实验的学生，将其信息加入黑名单进行管理。

图7 门禁系统流程图

设计的门禁系统控制工作流程(见图8)。射频卡为校园一卡通，采用射频电磁感应原理。射频卡的读写操作只需将卡放在读写器射频能力范围内就能实现数据交换。当射频卡接近读卡器的读写范围时，读卡器便读取卡片中的信息并将卡片信息传递给门禁控制器。通过比对服务器传递给控制器的门禁信息与读卡器传递的信息，判断是否是合法人员并且是否是在实验室工作时间内。如果是，则将电控锁置于开放状态并开门，同时将人员信息传递给系统管理软件，否则启动报警装置。

图8 门禁系统控制流程图

4 相关工作

实验室发展越来越迅速，规模也越来越大，传统的实验室安全管理体系及方法已不能完全满足实验室发展的需求，将互联网+技术与实验室安全管理有机结合起来创建智能型实验室，为实验室安全提供有力保障。罗军舟等人提出移动互联网的应用[8]，指出互联网对国家信息产业整体发展具有重要的现实意义以及分析了移动终端、接入网络、应用服务及安全与隐私保护等方面的研究进展。明安龙等人提出了利用贝叶斯因果网进行人物角色识别[9]，基于一些人物视觉特征、时间特征、空间统计特征和一些其他特征构成特征向量，并将这些特征向量的概率分布参数化，最后通过提取的特征来计算概率以识别人物角色，从而达到监控的目的。杨柏松等人提出了设计开放性实验室自动消防供配电一体化管理系统[10]，将门禁考勤、自动消防供配电、视频监控、联动组态等技术结合起来，提高开放实验室自动化管理程度。但是这些方法或系统存在系统不稳定、复杂，不能实时监控实验室等缺陷；针对无线网传感器，无法实时、及时地传输实验室室内信息并发出预警；针对自动消防供配电系统，系统过于繁杂，只提供一系列的理论设想，没有解决实验室安全监控的实际问题。

针对构建监控管理系统来对实验室安全进行管理，李丹等人提出了基于RFID(radio frequency identification)技术的实验室管理系统设计[11]，基于RFID技术的门禁系统实现门禁管理，同时实现人员管理、项目管理、设备及耗材的管理来保证实验室的安全。宋海兰等人提出了基于TCP/IP协议的射频卡门禁系统设计[12]，设计一套能够为射频卡门禁系统使用的符合 TCP、UDP 协议的单片机系统，通过门禁控制器完成对射频卡阅读器信息的校验、传递、存储及利用TCP/IP协议与计算机管理系统通信。朱文锦等人提出了智能视频监控系统的设计与实现[13]，基于Matlab进行软件开发，采用IP摄像机作为视频源，主要功能包括人脸识别和入侵检测。但这些方法多数只针对门禁或摄像头等进行实验室的安全监控，无法做到实时而准确的监控；针对人脸识别问题，无法解决系统数据过大，处理时间过长等问题。

本文基于视频监控和门禁管理技术，对实验室的进出人员及实验过程进行监控管理，同时对实验过程进行实时监控及分析处理，能有效地为实验室设备和师生的安全提供保障。

5 结语

随着高校智慧校园建设步伐的加快，以智慧实验室安全监控管理为出发点的实验室管理将为智慧校园的建设提供一个很好的契机。实验室安全监控系统的设计实现了实验室安全管理方式的转变，使实验室安全管理由被动的事故处理向主动消除隐患的安全管理模式转变。

基于互联网的智慧实验室安全监控管理系统将为实验室开放提供全方位的安全保障，同时能够保障师生的人身安全和学校的财产安全不受侵害，降低实验室工作人员的劳动强度，从而有更多的时间与精力开发出有利于提高学生创新能力的开放型实验项目。本文所提出的安全管理系统结合了摄像监控技术、门禁控制技术、数据库程序设计技术、Web 服务程序设计等技术，将系统软硬件通过互联网紧密结合在一起，用于高校实验室安全监控，能有效地保障实验室的安全，同时能够提高实验设备的利用率，让师生能够更好地从事教学和科研工作。

References)

[1] 廖庆敏. 高校实验室安全管理之思考[J]. 实验室研究与探索, 2010, 29(1):174-176.

[2] 徐静年, 郭奋. 新时期高校实验室安全管理的分析与思考[J]. 中国安全科学学报, 2005, 15(4):37-39.

[3] 谢高岗, 张玉军, 李振宇,等. 未来互联网体系结构研究综述[J]. 计算机学报, 2012, 35(6):1109-1119.

[4] 张伟, 宋莹, 阮利,等. 面向Internet数据中心的资源管理[J]. 软件学报, 2012, 23(2):179-199.

[5] 陈海明, 崔莉. 面向服务的物联网软件体系结构设计与模型检测[J]. 计算机学报, 2016, 39(5):853-871.

[6] 向征, 谭恒良, 马争鸣. 改进的HOG和Gabor,LBP性能比较[J]. 计算机辅助设计与图形学学报, 2012, 24(6):787-792.

[7] 陈锐, 彭启民. 基于稳定区域梯度方向直方图的行人检测方法[J]. 计算机辅助设计与图形学学报, 2012, 24(3):372-377.

[8] 罗军舟, 吴文甲, 杨明. 移动互联网:终端、网络与服务[J]. 计算机学报, 2011, 34(11):2029-2051.

[9] 明安龙, 马华东, 傅慧源. 多摄像机监控中基于贝叶斯因果网的人物角色识别[J]. 计算机学报, 2010, 33(12):2378-2386.

[10] 杨柏松, 郑桂彬, 李长庚. 开放性实验室自动消防供配电一体化管理系统[J]. 电子设计工程, 2016, 24(3):82-85.

[11] 李丹. 基于RFID技术的实验室管理系统设计与实现[J]. 微型电脑应用, 2016, 32(3):40-41.

[12] 宋海兰. 基于TCP/IP协议射频卡门禁系统的设计[D]. 长春：吉林大学, 2004.

[13] 朱文锦. 实验室智能视频监控系统设计与实现[D]. 昆明：云南大学, 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年全国高等院校计算机基础教育研究会计算机基础教学改革课题(项目编号:2016066)、2016年赛尔网络下一代互联网技术创新项目(项目编号: NGII20160210，NGII20160614，NGII20160325)资助

蔡晓红(1991—)，女，河南信阳，硕士，实验室助理，主要研究方向为服务计算、软件工程、物联网

E-mail：13818378607@163.com

楚丹琪(1958—)，女，上海，硕士，副教授，实验室设备处处长，主要研究方向为实验室管理及信息化技术.

E-mail：dqchu@shu.edu.cn

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1002-4956(2017)06-0246-05