中小学校园安全监测预警系统的设计与应用研究

戴玉飞刘 跃杨柳青李文波

（1.中国科学院合肥物质科学研究院，安徽 合肥 230031；2.中国科学技术大学，安徽 合肥 230026；3.中国科学技术大学先进技术研究院，安徽 合肥 230088；4.合肥市公安局科技信息化支队，安徽 合肥 230061）

0 引言

近年来，全国中小学校园各类突发应急事件层出不穷，其中校园火灾、校园欺凌、恶性伤人、校内超速、拐卖儿童等事件严重威胁着中小学生的生命安全。2018年4月，陕西省赵某携带匕首进入榆林米脂县三中砍杀，造成19名学生受伤，9人死亡；2019年1月，北京市宣武区师范学校附属第一小学内发生伤害学生事件，造成20名学生受伤；2020年11月，广西柳州柳江区1名小学生被4名欺凌学生用拖鞋抽脸、在衣兜放鞭炮；2021年9月，江苏连云港东海中等专业学校1名学生在校内因琐事纠纷被打身亡。频发的应急事件引起了社会各界的普遍关注，同时由于传统的应急管理方式存在效率低、反应不及时、处理不够妥当、信息传递不透明等弊端，使得社会各界对加强中小学校园应急管理提出了急切的渴求。信息技术的不断发展与深入应用，特别是物联网、大数据、人工智能等技术的发展有力地推动了中小学校园应急管理工作的创新，极大地提高了各中小学校园应急管理的能力与信心。

现代校园安全管理系统通过全网络化部署高清监控应用以及整合访客系统、视频监控、校园安全事件检测等系统，不仅能在突发事故出现时真正做到及时报警、多方联动，确保相关职能部门做出及时回应，而且也大大提升了学校重要场所的监控性能，真正起到对安全事故的预防作用，这有效地解决了传统的应急管理方式的弊端。

1 中小学校园安全监测预警系统构成

中小学校园安全监测预警系统按照感知层、接入层、传输层、支撑层和应用层规划，主要实现了以下目标功能：（1）AI视频分析系统：主要实现行为识别、入侵检测、人群事件检测、视频监控、车辆识别功能；（2）门禁道闸系统：主要实现人脸识别、身份比对、出入控制、黑名单管理、考勤管理功能；（3）火灾报警监控系统：主要由火灾报警主机、独立式烟雾感应器、图像型火灾探测器、电气火灾探测器组成，当设备发生异常或报警时，系统将报警信息上传告知，实现全方位火灾报警监控功能；（4）应急演练系统：主要开展面向师生的火灾预警演练、防暴防恐演练、消防灭火演练、疏散逃生演练；（5）消防水系统监测系统：包含消防水压监测与预警、消防水位监测与预警功能。安全监测系统总体架构如图1所示。

图1 中小学校园安全监测预警系统总体架构

感知层：系统数据基本支撑，包含火灾报警系统（常规火灾探测、独立式火灾探测）、门禁道闸系统、消防水系统监测（包含消防水压、消防水位监测）、AI（人工智能，Artificial Intelligence，简称AI）视频分析系统、应急演练装置等内容，通过感知设备的接入实现火灾视频、温度、压力、安全围栏入侵等数据的采集与传输，开展基于AI视频分析技术的识别与预警，为顶层业务应用提供数据支撑。接入层：包括基础数据中心、用户信息传输装置、智能网关、开发互通接口、统一认证平台和校园基础服务等内容，主要是为中小学校园安全监测预警系统的建设提供统一的接入管理。传输层：基于互联网、5G（第五代移动通信技术，FifthGenerationMobileCommunication Technology，简称5G）、4G（第四代通信技术，FourthGenerationCommunicationTechnology，简称4G）等内容，实现多源异构数据实时上传，为数据传输的变革提供强大的支撑。支撑层：硬件支撑和网络支撑，主要包括网络资源、数据服务器、通信服务器、AI服务器等内容。应用层：通过对基础服务的调用和组合，结合实际需求构建可完成指定工作内容的业务平台，包括校园安全监测预警系统平台，Web端展示平台，第三方公安、学校及教育部门接口等内容，提供校园安全应急管理全方位、可视化应用的支持，提高校园应急管理精细化管理水平。

2 信息技术在中小学校园应急管理中的应用

近年来，以物联网、大数据、人工智能等技术为代表的新一代信息技术取得了迅猛的发展，在中小学校园应急管理过程中不断融合，产生了巨大的经济和社会价值。

（1）物联网：物联网是利用射频识别、红外感应器以及全球定位系统等一些感知设备，按照约定好的通信传输协议，将所有物品以及互联网之间进行连接，展开信息交换以及通信，进而可以实现智能化的识别、定位、跟踪以及监控和管理的网络[1]。基于物联网技术，在感知层可实现校园内消防设施、烟感系统、压力传感信息、水箱液位等数据的实时状态监测、采集与传输，为平安校园建设提供全面的数据感知支撑。

（2）大数据：大数据指运用新的计算机应用软件对数据进行捕捉、归类、分化、管理和处理这一周而复始的过程，以获得更有洞察力和分析力的新的数据。大数据是一种信息化的数据资产，它具有量大、高增长性、高价值性和多样化等特点。通过互联网实现单一分化数据的互联、集成与创新，从而为各行各业提供全新的管理方式[2]。校园安全监测预警系统通过整合内外部数据资源，利用大数据技术数据量大、速度快、类型多等特点，建立计划、调度、运行、应急等领域的统一的校园应急管理平台，实现了统一的数据模型和分析预测，支持及时决策、科学决策，发挥了大数据资源平台的极大优势。

（3）人工智能：人工智能的概念于20世纪50年代提出，其研究初衷是理解并模拟人类智能，旨在通过计算机算法实现对于人类智能的模拟。人工智能领域包括多个分支，例如，有规划调度、进化计算、机器学习、推荐系统、机器人感知等[3]。其本质是机器“学习”，即让计算机具有“学习”能力，通过对数据分析，“训练”出一个模型对新数据进行预测[4]。在校园安全监测预警系统中，通过嵌入计算机视觉、机器学习等人工智能技术，实现校园突发事件自感知、自学习、提前预警，例如，在校园火灾预警报警系统中，通过装备人工智能烟火识别服务器，可在火灾发生的极早期提前进行预警处置；在可疑人员管理系统中，通过与公安局数据库联动训练，可迅速对校门口可疑人员、校内可疑人员进行甄别，提前报警。

3 肥西县桃花镇中心学校校园安全监测预警系统

肥西县桃花镇中心学校校园安全监测预警系统是基于物联网、大数据、人工智能等信息技术为一体的综合应用的应急管理监测预警平台，该系统的开发为校园周边、生活区、教学区及公共区等整体校园的安全提供了保障。系统具有人脸识别访客控制、安防视频监控及人工智能事件行为分析、火灾自动报警系统监测、车辆识别监控、应急管理演练等功能，系统可实现安全威胁提前预警、突发事件报警，保证了安全关口前移和报警联动，使得校园安全水平大幅度提高。

该系统创新性地运用了基于人工智能的火灾图像和异常行为识别、大视场视频全景拼接技术，通过接入AI烟火复合分析服务器、校园安全事件分析服务器等设备，实现了对学校的围墙周界、大门、财务室、档案室、校园食堂以及学校危险地带的烟雾和火焰识别报警、危险活动检测。当出现应急事件时，系统根据应急事件内容和程度等级自动触发三级应急预案。系统预案采用红、黄、蓝三色一键报警装置分别对应一级警报、二级警报和三级警报。一级警报为特大警报，当发生校园火灾、校内超速、暴力袭击、恶意伤人、社会人员来校闹事且较为严重事件时立即触发红色报警，此时，教师和学生等应立即紧急疏散躲避，校领导等第一时间与保卫处联系处理应急事件，并将报警信息通过短信通信等方式第一时间上报属地公安，达到应急事件联动预警目的；二级警报为重大警报，当发生校园欺凌、可疑人员、实验伤害事件时立即触发黄色报警，此时，教师应立即停止课程，维护好学生秩序，校领导等第一时间与保卫处联系，了解情况，到达应急事件现场，处理应急事件；三级警报为一般警报，当发生急性伤病、学生打架、校门口一般闹事事件时立即触发蓝色报警，此时，校领导等第一时间与保卫处联系了解情况，到达应急事件现场，处理应急事件；系统运行可准确反映应急事件危害程度，提升中小学校园应急管理能力。

4 结语

新一代信息技术的迅速发展为中小学校园应急管理的发展提供了新的契机，物联网、大数据、人工智能技术的普遍应用为校园安全应急管理提供了全面的数据感知、数据传输、数据计算与分析能力支撑。基于物联网等技术与校园安全应急管理的结合应用为中小学校园应急管理工作的开展提供了新的途径，给中小学师生提供了坚定的安全保障。