基于人流统计的自习教室管理系统设计与实现

覃遵颖，张 哲，李国栋，崔靖茹，折 波，王 强

（西安交通大学 网络信息中心，陕西 西安710049）

一、引言

近年来由于高校规模扩大和教学模式的转变，主动学习氛围日益浓厚，自习的人数越来越多，自习的时间越来越长，受限于学校自习教室资源，很多人找不到自习室，科学、高效、合理地管理自习教室资源，保障正常的教学秩序以及营造良好的学习环境，成为高校教学资源管理研究的一项重要课题。

在以往的管理中，高校的教室通常都采用较为简单的管理模式，即所有教室由后勤管理人员依照学校规定的开放时间全天开放，除上课教室外，学生可自主选择其余教室进行自习。由于学生无法掌握自习教室的空闲程度，在自习教室繁忙程度不均的情况下，需要花费大量的时间寻找合适的自习教室。同时，这种模式带来了包括教室空调、暖气、灯光等设备在内的能源的大量浪费。

近年来国内高校图书馆兴起空间、座位等预约系统的建设，较好地解决了图书馆自习座位的使用，为全校的自习教室管理提供了思路，但是自习教室由于规模大、数量多、分布广，同时也缺乏足够的管理人员，现阶段全部采用预约系统尚不成熟。

随着信息化技术的飞速发展，各类学校业务都积极探索使用信息化手段提高业务办理速度、服务质量和管理水平。目前，国内多家高校都在积极探索研究利用信息技术提升高校自习教室管理水平的系统，本文结合当前西安交通大学智能教室建设现状，探索实现了基于人流统计的自习教室管理系统，通过实时统计分析楼宇人流、教室规模、课表信息、考勤信息、教室视频等多源数据，实时呈现自习教室的空闲程度，引导学生选择合适的自习教室，同时还提出了一种教室实时开放策略，根据自习学生人数实现教室的按需开放和关闭，实现教室的精细化、智能化管理，从而达到营造良好的学习环境，同时实现教室节能减排、建设绿色校园的目标。

二、国内高校自习教室管理现状

当前，国内高校对教室的管理大多采用简单的管理模式，无法对教室进行精细化管理和动态调控。清华大学发表关于自习教室使用率对供暖季室内热环境的影响的文章，提出若对教学楼自习教室的开放时间、开放数量进行有针对性的安排，将能够产生可观的节能效果，[1]江苏大学近年来对教室开放时间区间进行了优化，[2]但都仅仅是调整了教室数量和固定开放时间等。长江大学提出的自习教室开放的优化管理模型也仅仅是一种概算，并且无法对教室进行动态开关。[3]除此之外，国内高校纷纷拥有了空闲教室查询系统，学生可以通过网页、微信等多种形式查询当前空闲教室。[4]但是大多数空闲教室查询都是通过与教务系统、研究生管理系统等的排课信息打通进行，只能为用户提供排课教室和无排课教室的查询功能，实现简单的静态查询。此类系统需要所有的教室全部开放，学生无法查看各个教室内的具体情况，管理人员也无法实现教室的智能开放关闭。

近年来国内高校图书馆纷纷兴起空间、座位等预约系统的建设，这类系统较好地解决了图书馆自习座位和空间的预约使用问题，但依然存在空间和座位的有效管理和使用的问题。山东大学图书馆2014年就创建了基于预约的信息共享空间，但其运用以来一直面临着空间利用率低的问题。[5]广西大学图书馆2016年开始运行座位预约管理系统，但却面临着一系列问题，例如系统使用率低、用户失约和座位滥用等情况。[6]除此之外，大多数图书馆预约系统都面临着缺乏人员管理、教室分布较为分散等制约因素，在与排课系统对接过程中，还会出现临时调课突发因素，直接影响教室的正常预约，还有可能造成教学事故。所以，现阶段在高校内所有教室采用预约系统尚不具备成熟条件。

因此，纵观国内高校自习教室管理现状及问题，本文提出的基于人流统计的自习教室管理系统能够很好地解决以上问题，在教室的实际管理中发挥作用。

三、系统设计与实现

1.系统总体设计

本系统主要由四个部分构成，分别是数据层、学生空闲教室查询子系统、教室管理子系统和教室智能开放子系统，总体架构如图1所示。

数据层依托于智能教室各智能化子系统获取教室的各类数据信息，并将数据提供给上层子系统。教室智能开放子系统对获取到的各类数据进行计算处理，运用教室开放策略，得到教室开放建议，为教室管理人员提供教室开关依据。教室管理人员可以通过教室管理子系统查看楼宇人流、教室状态、开放建议等，并根据各种实时信息进行教室的动态开关，智能化进行教室管理。学生可通过空闲教室查询子系统查看空闲教室和楼宇实时人流状态。

2.数据层

数据层为其他各子系统提供基础数据，是整个系统的核心模块，系统之间的数据交互都是通过该层进行完成和实施的。这些数据包括：教室名称、空间大小、座位数等教室基础数据，楼宇教室统计数据，学生考勤数据，教室视频监控数据等。

下面着重介绍各类数据用途及如何获取：

（1）教室基础信息数据。该数据作为系统基础数据，用于系统中教室的展示、楼宇自习人数统计、教室开放优先级队列等。数据从教务系统数据库中获取，对数据库进行全查询后存储至系统数据库中。

（2）楼宇教室统计数据。该数据包括了楼宇内所有教室列表，数据从教务系统数据库中获取，对数据库进行全查询后存储至系统数据库中。

（3）学生考勤数据。我校的考勤系统已经成熟运行3年多，所有教室都配置有考勤机，通过考勤刷卡数据，可以得到所有上课教室的学生人数，用于楼宇内自习人数计算。获取考勤数据的过程如下：首先，我们需要确定当前时间是当前学校上课的第几周、第几节课；然后，对所在楼宇中的教室，按照教务系统的教室编号，对接教务系统，查询该教室当前课程的课程名称与课程编号，通过课程编号获取该课程的课程信息，从而取得该课程的应到人数和该时间的考勤人数。

（4）教室内部图片数据。通过我校的智能教室建设，所有教室均实现了安防及常态录播功能，能够实时查看教室内部的座位占用情况。通过常态录播系统，可以获取每间教室内部的视频数据。我校摄像头分为两种，一种是海康威视，另一种是浙江大华公司，对教室内的摄像头我们按照教室编号和对应的摄像头地址，进行遍历查询，每间隔五分钟获取一次摄像头的图片以文件的形式存入我们创建的对应目录里。

我们对这些数据进行分类，分为格式化数据和非格式化数据。其中，教室基础信息数据、楼宇教室统计数据、楼宇实时人流数据、学生考勤数据为格式化数据，教室内部图片数据为非格式化数据。对于格式化数据我们将其存入数据库，本系统采用MYSQL数据库来进行存储，非格式化数据按照目录文件进行存储。

3.教室智能开放子系统

教室智能开放子系统提供各楼宇所有教室的当前使用情况数据、教室实时开放状态，并为其他子系统提供服务接口，并对接教务系统和教室视频监控系统，获取考勤数据、教室内部实时视频数据等。

（1）楼宇实时人流统计

人流统计是一种基于视频图像分析技术进行观测区域内人流量统计的视频智能化应用系统。由人数统计智能前端摄像机及后台管理平台软件两部分组成，智能前端摄像机主要通过视频流中人物结构化萃取技术计算进/出两个方向的人数情况，管理平台软件负责对所有智能前端摄像机的统一管理、控制及人数进/出统计。当前人流统计系统已经是一种非常成熟的产品，被广泛应用在社会的各个领域，包括街道十字路口、商场、大楼等人流密集区域，用户可以在查看观测区域内实时动态视频数据信息的同时，及时得到区域内准确的进出人数和人群流量数据，使管理单位更高效地组织工作，为分析、研究和科学决策提供数据支持。

通过2015年至2017年三期建设，西安交通大学完成了全校394间教室的智能化建设，实现了学校全部公共教室的视频集中管控，以及能对楼宇内部进出人数进行实时精准统计的人流统计系统，此系统可以为教室智能管理系统提供数据来源。而当前国内高校还没有基于人流统计数据进行教室管理的案例。

通过智能教室楼宇人流统计系统的人流数据库可以获取到每个大门的人流统计数据，每栋楼宇门口安装有人流统计摄像头，获取到的数据包括当前进入人数、当前离开人数、当前存量、最近5分钟进入人数、最近5分钟离开人数、最近5分钟存量。

按照每个楼宇依次遍历每个楼宇所有大门的摄像头，获取摄像头中人流统计数据，通过合并，我们可以获得当前楼宇的进入、离开，还有存量人数。通过每五分钟对人流统计摄像头的人流情况进行一次访问，获得每隔五分钟的人流变化数据，按照楼宇的编号和获取的时间进行存储，实现按照每个楼宇的编号查询获取楼宇实时人数统计结果的功能。

（2）教室实时开放策略

在制定教室实时开放策略时，我们首先考虑到以下几种情况：

一是当前正在上课的教室不能关闭。

二是教室当前上座率小于10%，建议关闭。

三是若当前楼内人流数大于楼内教室座位总数的80%，则开放所有教室，并建议学生到其他楼上自习。

四是除上课教室外，可动态设定教室最佳容纳人数。

假设当前楼宇内人数存量为m，楼宇内上课的人数为n。

以此为前提参数下，我们教室的开放策略如图2所示。

第一，需要上课的教室必须开放，楼宇内上课人数n可通过获取当前楼宇内所有教室编号，对接考勤系统，依次计算出相应教室的课程和考勤人数，计算总和得出实时上课总人数n；

第二，前来上自习的人数为m-n，普遍情况下考虑到学生上自习的舒适度和节约原则，我们按照上座率为70%的条件下分配教室，则按此情况下我们需要提供的可开放的教室容纳人数为p：

根据教室管理人员的建议，每栋楼宇的教室开放设置优先级队列，依次开放教室序列X={x1，x2，……，xi，……，xn}，ci代表开放的教室xi能容纳的人数，则总容纳人数为：

直到C大于等于p，不再继续开放教室，则开放教室序列建议为 X 的子集{x1，x2，……，xi}。

图2 开放策略流程图

（3）考勤数据与模糊图片查询

为了让教室管理人员更加便捷地了解每间教室内部座位情况，而不用逐间教室查看，通过与考勤系统对接，可以实时查询到指定教室的考勤情况，通过与教室常态录播系统对接，为教室管理人员提供教室内部图片查询。

考勤数据通过当前时间和当前教室的编号，对接考勤系统查询出该教室当前时间所上课的课程编号，通过课程编号查询出该课程编号当前的考勤人数。具体流程如图3所示。

图3 考勤数据获取流程

教室内部模糊图片通过当前教室编号与摄像头IP地址映射表，通过该摄像头所提供的SDK抓取该教室内部图片；为了保护教室内师生的隐私，我们对所抓取的图片进行了模糊处理，使用户既能查看图片，又不会侵犯其他人的个人隐私。其中模糊处理采用OpenCV所提供的高斯模糊方法，模糊系数设置为15个像素，能够达到保护隐私的要求，具体流程如图4所示。

图4 教室内部模糊图片获取流程

4.教室管理子系统

教室管理子系统主要为教室管理人员提供教室使用状态查询、教室开放关闭管理以及教室开放关闭建议等功能。

（1）教室开放建议

通过数据层的教室开放策略计算，得到建议开放教室列表，在系统中进行展示，每隔五分钟实时刷新，并提供一键式应用教室开放建议，自动化地变更教室开放状态。

（2）教室状态管理

除自动化地变更教室状态外，系统还为教室管理人员提供了手动开关教室的功能。

在教室的初始状态下，系统获取当前教室课表和当前时间，根据当前时间和当前教室课表判断当前教室是否在上课，若上课，则该教室状态为开放，上课中；若无课，则为关闭状态。

教室管理人员可以进行如下操作：

一是开放教室：若当前教室状态为关闭状态，则管理员可以直接通过，并开放当前教室。

二是关闭教室：若当前教室状态为开放状态，且当前教室无课，则管理员可以关闭当前教室。

（3）教室状态查询

根据当前楼宇的编号，查询所有的教室，依次遍历教室状态，实时图形化展示当前楼宇开放教室的结果。（见图 5）

图5 教室状态查询

（4）人流数据实时查询

系统所有楼宇的人流统计实时图如图6所示。

图6 教室人流数据实时查询

（5）教室实时模糊图片查询

通过点击教室实时模糊图片查询按钮，可以查看当前教室的实时模糊图片，如图7所示。

图7 教室内部模糊图片查询

（6）系统管理

系统采用角色权限管理。对于普通用户，可以查询当前楼宇人流情况、教室开放情况、教室课表。对于教室管理人员则可以查询当前楼宇人流情况、教室开放情况、教室课表、开放教室、关闭教室等。

5.学生空闲教室查询子系统

学生空闲教室查询子系统主要为学生提供教室实时开放关闭信息。

（1）空闲教室查询：树形展示各楼宇的教室使用情况，并提供按楼宇名称的空闲教室查询功能。

（2）楼宇实时人数查询：展示各楼宇的实时人流图表，为学生选择自习教室提供人流信息。

四、结束语

本文设计实现了一种基于人流统计的空闲教室智能管理系统，该系统利用西安交通大学智能教室现有人流统计系统的楼宇人流进出数据，结合楼宇教室实际情况，提出了一种教室实时开放策略，为教室空调、暖气、灯光等配给设备的按需供给提供重要数据依据，实现空闲教室按需集中开放的智能管控，系统目前能够对西安交通大学的多栋教学楼进行智能管理，真正做到按需供给、节能减排，实现后勤的精细化、智能化动态调控，并为师生提供实时便捷的自习教室查询功能，用信息化手段助力学校建设绿色校园的目标。