基于人工智能的智慧校园安全系统设计与实现

朱 盼,李 烨

(南阳职业学院 河南 南阳 474550)

0 引言

校园安全是保障学校一切活动的基础,一直受到高校各级管理者、广大师生的关注,全国范围内由于校园安全管理不规范造成的校园安全事故频繁发生。现阶段,国内外针对校园安全保障体系的建设进行了大量的研究和实践工作。在校园安全管控防范措施中,建设智慧校园安全系统的优势较为显著,该系统将整合校园信息化系统及软硬件平台,将校园内现有系统的海量数据信息汇集在一起,实现校园内多样资源相互融合,从而在一定程度上提高校园数据的响应速率,为广大师生群体提供优质的服务体验。本文提出基于人工智能的智慧校园安全系统,充分结合校园内部人员、空间、消防、治安等多样化管理需求,实时监测校园内各场所的人流量变化情况,并与校园警报系统相关联,提升校园安全的综合管控能力。

1 相关理论概述

1.1 人工智能技术

人工智能技术是将计算机技术与人工智能相融合形成的一种新型科学技术,该技术在应用过程中需借助计算机软件、硬件系统,所谓的“软硬结合”模式,不仅促进了人工智能技术在多个行业领域的综合发展,也是人工智能技术在实际发展进程中的功能互补,两者之间实现了不同优势的“互利互惠”,使得人工智能技术在高效、精准等方面的优势更加突出[1]。

1.2 Spring框架

Spring框架是一个开放源代码的J2EE应用程序框架,将Spring框架作为系统的框架技术模式,在实际开发运行过程中,将通过MyBatis技术实现Java与智慧校园安全管理系统数据库数据间的交互,并充当系统业务逻辑层与数据库间的媒介。MyBatis技术中的结构化查询语言(structured query language, SQL),在系统开发过程中具有较强的灵活性,可应用于多个行业领域[2]。其中,Spring Boot是基于Spring 4.0进行开发设计的,不仅保持Spring框架的良好特性,将系统开发过程中涉及的流程进行精简,而且Spring还能降低系统数据包间的版本冲突,有效解决不同数据包间的不稳定性等问题,保证系统正常稳定的运行。

1.3 图像预处理技术

基于人工智能的智慧校园安全系统,需要将图片进行预处理,提高输入图片的质量,减少数据采集对测试效果的影响。技术步骤如下:

(1)灰度变换。灰度变换的核心是调整彩色图像中像素的灰度值,通常转化为灰度图为:

Gray=0.299×R+0.587×G+0.114×B

其中三原色(red green blue, RGB)对应彩色数字照片中各像素点红、绿、蓝的值,Gray对应灰度值。

(2)几何变换。目的是解决图像中的角度、尺寸不确定问题。主要操作有平移、剪切、旋转等。平移即为图像中像素点坐标水平或者垂直变动;旋转即将图像进行转动处理,使之符合标准规范。

(3)图像预处理方法的选择。为了能在图像检测过程中达到最佳效果,图像采集时将避免光照等外界不利因素的影响,从而增强图像有用区域的质量,通过前面介绍的预图像处理算法,文中智慧校园安全系统将选用灰度变换、几何变换完成图像的处理。

2 基于人工智能的智慧校园安全系统需求分析

2.1 性能需求分析

基于人工智能的智慧校园安全系统,不仅需要全力支撑系统整体的承载量,而且还能显著提升系统的综合性能。该系统在开发设计过程中涉及的性能需求,主要分为以下3个方面[3]。

(1)数据访问并发性。该系统主要用于校园内保卫处工作人员、全体师生等,在特定时间点需同时满足全校人员的并发登录、数据访问等操作,因此需要对系统的数据访问并发设置相应的阈值,保证系统运行的稳定性。

(2)数据访问响应及时性。数据访问时效性主要体现在系统中数据信息增减、信息检索、课程作业提交等模块,例如当系统在后端位置检索地图信息、加载课程视频时,需要满足高响应的需求,因此该系统最好将运行周期时长控制在3 s内。

(3)系统具备稳定可靠性。该系统在实际运行过程中需保持系统的安全稳定,在进行数据信息加载、界面切换时周期时长控制在3 s内,系统的数据库等服务设备应保证24 h×7 d无停歇运转。

2.2 功能需求分析

本文提出的基于人工智能的智慧校园安全系统设计,系统功能需求主要有以下3点。

(1)监测管理机制。将校内师生、其他管理服务人员、危险预警设备等进行统一管理,建立规范化的警报监测管理机制,配置科学合理的应急响应管理流程,制定重大危机预警的应急响应预案。一旦校园内发生紧急危险事件,可在第一时间内保证应急响应方案落实到位,降低事故的危险性,保障人员的生命安全。

(2)系统安全部署。该系统的有效运行,能够实现校园内安全事件的审批请示、任务分配及下发等,高校管理人员可通过该系统部署安全等相关任务,并将任务下发至指定工作人员处,保证任务的时效性。

(3)模块功能融合。该系统将视频监控、应急指挥、危险预警等模块进行充分融合,实现校园内的外界入侵检测、人群聚集检测等多元化功能,为智慧校园的安全贡献全部力量。

3 基于人工智能的智慧校园安全系统总体设计

3.1 系统总体设计概况

基于人工智能的智慧校园安全系统在满足基本需求的同时,也需遵循系统的总体设计原则。

(1)技术实用性原则。基于人工智能的智慧校园安全系统采用Spring Boot框架的开发模式,其中Spring轻量级技术能够将整个系统各个层级的数据信息充分展示出来,业务逻辑层主要负责系统的业务功能实现、全量业务支撑等;数据应用层主要负责页面展示及应用[4]。

(2)开发标准化原则。系统在开发设计过程中,必须严格遵守软件工程系统建设的规范及标准,降低系统发生错误的概率,避免发生不必要的迁移问题,如关系型数据库在设计过程中需严格按照数据字典模式进行相关定义操作。

(3)页面可扩展性原则。系统需满足用户群体的基本需求,并为用户提供良好的使用体验感,用户在浏览系统界面时不仅能够达到一定的流畅度,而且还具有显著的兼容特性,较快的响应速率等。

3.2 系统逻辑架构设计

基于人工智能的智慧校园安全系统的逻辑架构,主要包括3个层级,分别是数据信息层、业务逻辑层、数据应用层,具体如图1所示。

图1 系统逻辑架构设计图

通过图1的系统逻辑架构设计可知,各层级负责的任务存在显著的不同。

(1)数据信息层。主要用于存储数据信息的物理特性、逻辑特性等,为业务数据的操作处理提供数据支撑,在满足系统需求的基础上将源数据进行汇总分类管理,并做好数据的备份工作,防止出现意外情况时数据信息丢失风险的发生,保证系统数据信息的安全性。

(2)业务逻辑层。主要是指用户与系统间的交互操作,通过Action调用该层级的业务规则,实现不同业务数据间的交换,并采用Spring框架完成数据信息的验证,确保数据信息的可靠性,提高系统的整体应用价值。

(3)数据应用层。主要是通过Html/CSS/JavaScript、Vue、Bootstrap等技术,将系统各个模块的功能充分展示在界面上,并为业务逻辑层的安全台账管理、应急指挥等模块提供服务接口,实现数据信息间的互联。

3.3 系统功能模块设计

对于基于人工智能的智慧校园安全系统的功能模块而言,系统管理模块主要负责校园内各群体、组织的权限审批、赋权等;安全台账管理模块主要用于校园安防部门内部的综合管理,涉及校园安全台账的记录、校园安全管理人员分配的记录等,做到“专岗专人”,将安全任务落实到具体人员;办公管理模块主要包括安全审批请示、工作请示等;指挥调度模块主要包括报警求助、报警联动、应急指挥等,主要用于完成校园内安防指挥调度等工作;区域监测模块主要包括区域入侵和人群聚集2个部分,主要用于对校园内特定区域、场景的实时监测,保障整个校园的安全,具体如图2所示。

图2 系统功能模块设计图

3.4 系统数据接口设计

基于人工智能的智慧校园安全系统的数据接口部分,主要包括外部接口设计和内部接口设计,其中接口服务模式类型选用Web Service技术,在系统运行环境中能够灵活地扩展,并具有显著的独立特性。该系统在实际报警监测过程中,将与摄像机建立联系,实现视频数据信息的交互,从而完成校园内的视频监控。

与此同时,系统需与报警柱、消防等设备进行相应的关联,实现校园内安防、消防等报警联动机制;与数据库进行交互,完成基础数据信息的有效存储;与登录访问界面交互,实现校园用户的安全登录,保证个人隐私数据信息的安全性;与数据信息的模型开发接口连接,完成校园内不同区域间的监测功能;与校园地图信息进行交互,实现校园区域范围内地理空间网格化的综合管理等。

以报警柱为例,在系统数据接口对接过程中涉及的具体参数如表1所示,其他对接功能模块均类似。

表1 报警设备信息表结构设计

4 基于人工智能的智慧校园安全系统的测试与实现

4.1 测试方式及工具

在智慧校园安全系统的开发设计过程中,将在系统项目管理阶段选用Project工具;系统的版本工具选用Git;系统缺陷管理工具选用Bugzilla;压力测试工具选用LoadRunner;原型设计工具选Dreamweaver,具体测试内容及方式如表2所示[5]。

表2 系统测试内容与方法

4.2 系统测试结果

4.2.1 功能性测试

对基于人工智能的智慧校园安全系统进行功能性测试,主要采用的测试方式是黑盒测试,通过黑盒测试方式对该系统的各个功能进行验证。在功能测试结束后还需对系统的整体安全性进行测试检验,降低系统发生错误的概率,提升用户的综合体验感。测试结果表明,该系统基本满足需求分析中的具体要求,并具有以下几点优势。

(1)该系统采用的开发设计架构较为简洁、易操作。系统选用Spring Boot框架,后端支持SQL Server 2020数据库,整体架构清晰简洁,可满足智慧校园安全的基本需求。

(2)系统功能全面。该系统将安全台账管理、办公管理、指挥调度等多个模块进行整合,实现了多模块的互联互通,一旦校园遇到紧急安全事故,系统能够在3 s时间内进行报警响应,并在第一时间内采取应急措施,降低事故的危害程度,保障人员的安全。

(3)系统具有高可靠性。当外界出现掉电、网络异常,内部出现强行关机等异常状况时,该系统能够在第一时间及时响应安全机制,并提供数据备份验证。当用户在系统操作界面遇到错误提示时,可在系统帮助模块发起申请,系统将会立即响应申请,并给予相应的帮助,为用户解决问题。

4.2.2 安全性测试

对于智慧校园安全系统的安全性检测而言,检测内容主要包括2个方面,即应用程序、数据信息;其中应用程序需从系统Web部署环境及数据安全2个维度进行维护,防止外界病毒、黑客的恶意攻击及数据篡改。

通过模拟非法用户进行身份验证,并采用暴力破解的模式对非法用户进行登录授权,此时将XSS. Struct2漏洞以Web渗透攻击的方式接入系统进行测试。利用恶意文件对系统内部的文件下载和上传进行限制,此时通过人工智能的数据加密技术对系统内部的数据进行加密设置,保证系统内数据的安全性,还可配合系统漏洞拦截工具将非法用户阻挡在系统外部。经过一系列的测试操作,说明系统可安全运行。

5 结语

综上所述,校园安全的核心主要体现在以“人”为中心的监控模式、危机预警的提前预防、事故发生后的紧急处理等方面,鉴于目前技术手段的不断更新,利用人工智能等技术手段,构建智慧校园日趋重要。本文针对现阶段校园安全问题,提出了基于人工智能的智慧校园安全系统,该系统的实现将缓解校园安防管理者的工作强度,提升校园安全事故的应急处理能力,简化校园安全审批处理流程,实现平安校园的美好愿景。