论文部分内容阅读
[摘 要] 随着信息采集和智能计算技术的迅速发展和互联网与移动通信网的广泛应用，大规模发展物联网和相关产业的时机日趋成熟，欧美等发达国家将物联网作为未来发展的重要领域。我国早在十年前就开始了物联网的相关研究，突破了一些关键技术，形成了一定的产业规模，并在国际物联网相关标准制定中取得了一定的话语权，物联网的示范应用也初步展开。随着大学开放式教育、后勤社会化、学生智能化管理，校园安全问题日趋突出，如何解决大学校园中存在的各种安全威胁？通过引入物联网相关技术，建立一种校园智能探测系统，及时解决潜在的安全威胁，确保大学校园的安全。
[关 键 词] 校园安全；物联网技术；传感器
[中图分类号] G717 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2016）25-0140-02
随着科学技术与教育技术的快速发展和经济的全球化发展，教育的对外开放已是大势所趋。合作办学、合作研究、交换学生等各种交流活动，使高校办学模式日趋多元化。学校规模化、校园开放化、后勤社会化以及人事制度改革则直接导致校园内人员的复杂化。有害信息的网络扩散、国内外敌对势力的渗透、人民内部矛盾激化引发不安定因素，校园内的违法犯罪案件增多；政治敏感问题以及安全事故可能引发校园群体性事件。反映出的根本问题是当前的校园安全不能为高校的稳定发展保驾护航。为了改善校园安全问题，许多高校建立了数字校园，提供了基本的安全报警等信息技术，结合校园设施建设或改造，设立了门禁系统、消防系统、监控系统、电子巡更系统等，这些设施和技术的应用，从一定程度上缓减了校园安全的压力，但仍未从根本上解决校园安全问题。例如，监控系统按经验或人为布点，感知设施单一，案发后才能追溯等，导致案发监控盲区、缺乏预测控制等现有校园安全系统经常面临却又无法解决的现象。针对上述问题，本论文充分利用物联网理论和技术，解决当前校园安全存在的若干问题及其关键技术，对提升数字校园的功能和效力、促进平安校园建设、确保高校的稳定发展具有显著的意义。
一、研究目标
本论文研究将以校园安全为应用背景，采用理论分析、计算机仿真和工程建设实践相结合的研究手段，系统地研究校园安全物联网的构建方法和实现技术，在校园安全智能探测、监控点覆盖控制、校园安全预测控制等方面取得进展。具体目标是：
1.建立基于图像、声音、振动、倾角、地磁、微波和组合气象等多传感器数据融合的高智能探测系统，克服传统探测系统受树叶、小动物等目标的干扰，使其适应气候、温度和环境的变化，提升报警实时性，降低误报和漏报。
2.提出校园安全探测系统布点的覆盖控制算法，解决覆盖不全导致的安全隐患和过度冗余导致的低效率问题。
3.结合通信服务商实施的学校智能校园基础设施建设，实践校园安全物联网的平台建设，基于该平台，提出校园安全预测和预警方法。
二、拟解决的關键问题
1.校园安全探测系统中多传感器数据融合和特征提取是本论文解决的关键问题之一。多传感器的引入可以有效解决单一传感器难以有效探测校园安全关联的人和物的问题，但随之而来的是信息噪声、冗余和体征提取问题。本论文已在这方面开展了初步的研究和实验，为解决这一关键问题奠定了基础。
2.校园突发事件的预测方法是本论文要解决的另一个关键问题。实施校园安全的最终目的是要保障学校的财产和师生员工的生命、财产安全，将其可能发生的损失减到最小。基于探测系统给出的信息，进行有效特征提取，建立分析和预测模型，通过跟踪和模型训练，有望对安全事件做出预测，从而将其控制在萌芽状态和消除安全隐患。
三、国内外现状
随着高校的规模化和校园人员、校园环境的复杂化，校园安全形势日趋严峻，如何有效保护公共财产、师生员工的生命和财产安全，避免违法犯罪案件和群体性事件，已经引起国内外的高度关注。为了缓减校园安全的压力，各高校相继启动了数字校园建设工程，将其和门禁系统、消防系统、电子巡更系统和监控系统集成，为平安校园建设提供了最为基本的途径和安全报警信息通路。当前的数字校园提供的校园安全子系统，难以满足高校快速发展的需求。物联网是通过传感器、射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络。将物联网理论和技术引入校园安全工程，可以改善校园安全的平台结构和技术体系，通过校园安全物联网确保校园安全中的探测、预测和预警，已引起当前校园安全工程界和学术界的高度关注。在校园安全物联网平台的建设中，采用多传感器融合的智能探测系统取代传统的单一传感器或监控系统，可以显著提高校园安全关联信息的有效性和真实性。校园安全探测网络由多传感器组成，也包括无线传感器网络，其如何布点才能避免监控盲区和过度冗余问题，已经成为校园安全探测系统覆盖控制策略的研究热点。国内外的这些研究表明，校园安全物联网涉及的智能探测系统、布点覆盖控制以及安全事件的预测方法等，仍是一个新兴的研究课题，对此从事研究具有较大的学术价值和显著的社会意义。
四、存在的问题
1.现有的校园安全工程中采用较为单一的传感器，无法动态可靠地提供校园安全关联的有效信息和用于安全预测所需的足够信息。
2.现有的校园探测系统或传感器的布点存在覆盖不足或过度冗余现象，由此将引起监控盲区或因过度冗余导致的安全事件预警延迟问题。
3.现有的校园安全工程或数字校园附属的校园安全子系统，缺乏安全事件预测功能，仅仅为监控员工提供了许多开环的监控信息，尚不具备或不完全具备通过预测，将安全事故隐患消除在萌芽状态的技术和功能。
五、关键技术的研究
1.研究出校园安全智能探测系统，可以有效感知校园安全信息及其关联信息，提升报警实时性，降低误报和漏报；建立的探测系统布点多目标覆盖控制策略，可以有效避免校园安全的监控盲区和过度冗余导致的高成本和信息滞后问题，提出的安全事件预测方法，可以根据探测系统反馈的信息提取其动态变化特征，将可能发生的校园安全事件消灭在萌芽状态，从而促进平安校园的建设。 2.分析校园安全智能探测系统的实现技术和方法。在分析多传感器降噪、数据融合和特征提取理论和技术的基础上，研究基于图像、声音、振动、倾角、地磁、微波和组合气象等多传感器校园安全智能探测系统中的数据融合技术和特征提取方法。将模糊、聚类及神经网络等技术应用到多傳感器数据融合中，实现校园安全探测系统多传感器数据的智能融合和自适应融合。
3.构建校园安全探测系统布点的覆盖控制算法。在分析无线传感网络覆盖控制算法的基础上，构建校园安全探测系统网络模型，并以覆盖率、能耗和网络能耗均衡为优化目标，设计针对自由搜索算法的自适应函数和编码方案，建立其多目标优化覆盖控制策略。
4.研究校园安全中的突出事件的预测、预警和控制方法。结合重庆移动和重庆电信实施的我校智能校园基础设施建设，构建校园安全物联网平台，在此基础上，采用神经网络、核方法等技术，构建其分析和预测模型，实现校园安全事件的预测和控制。
六、具体实施方案
本论文采用理论分析、计算机仿真和工程建设实践相结合的研究手段，系统地研究校园安全物联网的构建方法和实现技术。
1.理论分析。流程为：校园安全探测系统多传感器数据融合→特征提取→探测器布点的覆盖控制→安全事件模型预测。
2.计算机仿真。流程为：理论分析的仿真→数字校园仿真→物理设施信息接入仿真→功能模块（身份识别、防侵入、消防、门禁、监控、破碎声音、特征变化、异常启停、预警、预测等）仿真→校园安全物联网仿真。
3.校园安全物联网工程建设实践。流程为：智能校园（通信网络提供商承建）→校园传感器网络平台→软件开发与集成→校园安全物联网。
参考文献：
[1]董丽敏.高校校园安全面临的挑战与对策[J].人民论坛，2010，296（7）：266-267.
[2]宗平，朱洪波，黄刚，等.智慧校园设计方法的研究[J].南京邮电大学学报，2010，30（4）：15-19.
[3]Luigi Atzori， Antonio Iera， Giacomo Morabito.The Internet of Things： A survey[J].Computer Networks， 2010（54）：2787-2805.
[4]袁小明，黄亦明，郭骅.基于物联网的校园安全防范系统研究[J].智能建筑，2010，121（9）：30-32.
[5]梁天，周晖，谢静，等.无线传感器网络的多目标覆盖控制策略[J].传感技术学报，2010，23（7）.
[关 键 词] 校园安全；物联网技术；传感器
[中图分类号] G717 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2016）25-0140-02
随着科学技术与教育技术的快速发展和经济的全球化发展，教育的对外开放已是大势所趋。合作办学、合作研究、交换学生等各种交流活动，使高校办学模式日趋多元化。学校规模化、校园开放化、后勤社会化以及人事制度改革则直接导致校园内人员的复杂化。有害信息的网络扩散、国内外敌对势力的渗透、人民内部矛盾激化引发不安定因素，校园内的违法犯罪案件增多；政治敏感问题以及安全事故可能引发校园群体性事件。反映出的根本问题是当前的校园安全不能为高校的稳定发展保驾护航。为了改善校园安全问题，许多高校建立了数字校园，提供了基本的安全报警等信息技术，结合校园设施建设或改造，设立了门禁系统、消防系统、监控系统、电子巡更系统等，这些设施和技术的应用，从一定程度上缓减了校园安全的压力，但仍未从根本上解决校园安全问题。例如，监控系统按经验或人为布点，感知设施单一，案发后才能追溯等，导致案发监控盲区、缺乏预测控制等现有校园安全系统经常面临却又无法解决的现象。针对上述问题，本论文充分利用物联网理论和技术，解决当前校园安全存在的若干问题及其关键技术，对提升数字校园的功能和效力、促进平安校园建设、确保高校的稳定发展具有显著的意义。
一、研究目标
本论文研究将以校园安全为应用背景，采用理论分析、计算机仿真和工程建设实践相结合的研究手段，系统地研究校园安全物联网的构建方法和实现技术，在校园安全智能探测、监控点覆盖控制、校园安全预测控制等方面取得进展。具体目标是：
1.建立基于图像、声音、振动、倾角、地磁、微波和组合气象等多传感器数据融合的高智能探测系统，克服传统探测系统受树叶、小动物等目标的干扰，使其适应气候、温度和环境的变化，提升报警实时性，降低误报和漏报。
2.提出校园安全探测系统布点的覆盖控制算法，解决覆盖不全导致的安全隐患和过度冗余导致的低效率问题。
3.结合通信服务商实施的学校智能校园基础设施建设，实践校园安全物联网的平台建设，基于该平台，提出校园安全预测和预警方法。
二、拟解决的關键问题
1.校园安全探测系统中多传感器数据融合和特征提取是本论文解决的关键问题之一。多传感器的引入可以有效解决单一传感器难以有效探测校园安全关联的人和物的问题，但随之而来的是信息噪声、冗余和体征提取问题。本论文已在这方面开展了初步的研究和实验，为解决这一关键问题奠定了基础。
2.校园突发事件的预测方法是本论文要解决的另一个关键问题。实施校园安全的最终目的是要保障学校的财产和师生员工的生命、财产安全，将其可能发生的损失减到最小。基于探测系统给出的信息，进行有效特征提取，建立分析和预测模型，通过跟踪和模型训练，有望对安全事件做出预测，从而将其控制在萌芽状态和消除安全隐患。
三、国内外现状
随着高校的规模化和校园人员、校园环境的复杂化，校园安全形势日趋严峻，如何有效保护公共财产、师生员工的生命和财产安全，避免违法犯罪案件和群体性事件，已经引起国内外的高度关注。为了缓减校园安全的压力，各高校相继启动了数字校园建设工程，将其和门禁系统、消防系统、电子巡更系统和监控系统集成，为平安校园建设提供了最为基本的途径和安全报警信息通路。当前的数字校园提供的校园安全子系统，难以满足高校快速发展的需求。物联网是通过传感器、射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络。将物联网理论和技术引入校园安全工程，可以改善校园安全的平台结构和技术体系，通过校园安全物联网确保校园安全中的探测、预测和预警，已引起当前校园安全工程界和学术界的高度关注。在校园安全物联网平台的建设中，采用多传感器融合的智能探测系统取代传统的单一传感器或监控系统，可以显著提高校园安全关联信息的有效性和真实性。校园安全探测网络由多传感器组成，也包括无线传感器网络，其如何布点才能避免监控盲区和过度冗余问题，已经成为校园安全探测系统覆盖控制策略的研究热点。国内外的这些研究表明，校园安全物联网涉及的智能探测系统、布点覆盖控制以及安全事件的预测方法等，仍是一个新兴的研究课题，对此从事研究具有较大的学术价值和显著的社会意义。
四、存在的问题
1.现有的校园安全工程中采用较为单一的传感器，无法动态可靠地提供校园安全关联的有效信息和用于安全预测所需的足够信息。
2.现有的校园探测系统或传感器的布点存在覆盖不足或过度冗余现象，由此将引起监控盲区或因过度冗余导致的安全事件预警延迟问题。
3.现有的校园安全工程或数字校园附属的校园安全子系统，缺乏安全事件预测功能，仅仅为监控员工提供了许多开环的监控信息，尚不具备或不完全具备通过预测，将安全事故隐患消除在萌芽状态的技术和功能。
五、关键技术的研究
1.研究出校园安全智能探测系统，可以有效感知校园安全信息及其关联信息，提升报警实时性，降低误报和漏报；建立的探测系统布点多目标覆盖控制策略，可以有效避免校园安全的监控盲区和过度冗余导致的高成本和信息滞后问题，提出的安全事件预测方法，可以根据探测系统反馈的信息提取其动态变化特征，将可能发生的校园安全事件消灭在萌芽状态，从而促进平安校园的建设。 2.分析校园安全智能探测系统的实现技术和方法。在分析多传感器降噪、数据融合和特征提取理论和技术的基础上，研究基于图像、声音、振动、倾角、地磁、微波和组合气象等多传感器校园安全智能探测系统中的数据融合技术和特征提取方法。将模糊、聚类及神经网络等技术应用到多傳感器数据融合中，实现校园安全探测系统多传感器数据的智能融合和自适应融合。
3.构建校园安全探测系统布点的覆盖控制算法。在分析无线传感网络覆盖控制算法的基础上，构建校园安全探测系统网络模型，并以覆盖率、能耗和网络能耗均衡为优化目标，设计针对自由搜索算法的自适应函数和编码方案，建立其多目标优化覆盖控制策略。
4.研究校园安全中的突出事件的预测、预警和控制方法。结合重庆移动和重庆电信实施的我校智能校园基础设施建设，构建校园安全物联网平台，在此基础上，采用神经网络、核方法等技术，构建其分析和预测模型，实现校园安全事件的预测和控制。
六、具体实施方案
本论文采用理论分析、计算机仿真和工程建设实践相结合的研究手段，系统地研究校园安全物联网的构建方法和实现技术。
1.理论分析。流程为：校园安全探测系统多传感器数据融合→特征提取→探测器布点的覆盖控制→安全事件模型预测。
2.计算机仿真。流程为：理论分析的仿真→数字校园仿真→物理设施信息接入仿真→功能模块（身份识别、防侵入、消防、门禁、监控、破碎声音、特征变化、异常启停、预警、预测等）仿真→校园安全物联网仿真。
3.校园安全物联网工程建设实践。流程为：智能校园（通信网络提供商承建）→校园传感器网络平台→软件开发与集成→校园安全物联网。
参考文献：
[1]董丽敏.高校校园安全面临的挑战与对策[J].人民论坛，2010，296（7）：266-267.
[2]宗平，朱洪波，黄刚，等.智慧校园设计方法的研究[J].南京邮电大学学报，2010，30（4）：15-19.
[3]Luigi Atzori， Antonio Iera， Giacomo Morabito.The Internet of Things： A survey[J].Computer Networks， 2010（54）：2787-2805.
[4]袁小明，黄亦明，郭骅.基于物联网的校园安全防范系统研究[J].智能建筑，2010，121（9）：30-32.
[5]梁天，周晖，谢静，等.无线传感器网络的多目标覆盖控制策略[J].传感技术学报，2010，23（7）.