徐進，錢曉

（常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164）

0 引 言

高校是培養(yǎng)高級文化水平人才的場所，具有年輕化和集中化的特點，其校園安全性至關(guān)重要，如果沒有做好安全管理工作，會對學(xué)生的學(xué)習(xí)和生活造成重大影響。近年來，國內(nèi)學(xué)者針對高校校園安全開展了一系列研究。郭魯倩分析了高校校園安全存在的問題，并從社會、學(xué)校、學(xué)生3個方面提出相應(yīng)的對策。王雷基于多準(zhǔn)則決策對校園安全風(fēng)險評估問題進行研究，認(rèn)為利用網(wǎng)絡(luò)分析法能夠識別校園安全的關(guān)鍵目標(biāo)、威脅、后果與脆弱性等因素。王秉相等人基于風(fēng)險預(yù)測對校園安全隱患進行分析，提出需要結(jié)合信息化平臺開展校園管理。王少勇通過智慧校園構(gòu)建了高校安全管理體系，研究表明智慧校園背景下，各種新技術(shù)的出現(xiàn)可以給高校的安全管理體系構(gòu)建提供支撐，通過大數(shù)據(jù)對信息進行分析，能找出校園安全存在的規(guī)律，使得高校安全管理更加科學(xué)。

如何更好地識別校園安全隱患并構(gòu)建校園安全防范體系，如何利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)對校園安全進行判定并預(yù)防事故等，是當(dāng)前研究的重點。數(shù)字底座是多種技術(shù)融合的數(shù)字化模式，整合了包括BIM模型和傳感器數(shù)據(jù)等，是常態(tài)化數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一種應(yīng)用場景。本文針對上述問題，探討了高校安全管理系統(tǒng)建設(shè)方法。

1 高校校園安全的影響因素

1.1 校園內(nèi)人的不安全行為

人的不安全行為是事故發(fā)生的關(guān)鍵原因。校園安全的相關(guān)人包括學(xué)生、教師、學(xué)校管理人員和外來人員，人的不安全行為產(chǎn)生原因是人員安全意識薄弱和安全技能缺失綜合所致，如實驗室操作的不規(guī)范、事故發(fā)生時的決策失誤等。2008年上海商學(xué)院的宿舍火災(zāi)，原因是學(xué)生違規(guī)使用了“熱的快”，并且在使用過程中離開現(xiàn)場，同時發(fā)生事故后沒有采取有效的應(yīng)對措施，導(dǎo)致重大人員傷亡，這都是人的不安全行為所致。人的不安全行為可以通過充分的安全教育培訓(xùn)以及行為信息的采集匯總進行有效預(yù)測。

1.2 校園內(nèi)物品的不安全狀態(tài)

物品的不安全狀態(tài)是事故發(fā)生的主要原因。在校園中存在一些物品的危險源，如實驗室的危險化學(xué)品和機械設(shè)備，如果保存不符合要求、安裝不符合規(guī)定、維護保養(yǎng)不到位，亦或者防護設(shè)施不齊全等，都可能變成隱患從而發(fā)生事故。2019年北京交通大學(xué)實驗室爆炸事故，主要原因在于實驗室違規(guī)存放了危險化學(xué)品鎂粉和磷酸，試驗引發(fā)了鎂粉粉塵云爆炸。對于屬于危險源的物，可以采集相關(guān)物的信息進行定位監(jiān)管，并按照資產(chǎn)或耗材分類，監(jiān)控全過程生命周期。

1.3 校園環(huán)境中的隱患

隨著高校的擴招以及城市化發(fā)展，高校校園在不斷擴大。與此同時，新時代大學(xué)生的生活習(xí)慣改變，校園生活豐富多彩，也造成一定程度上校園內(nèi)環(huán)境的安全問題，校園內(nèi)車輛增加、教學(xué)和生活區(qū)的間隔更遠、校園周邊配套餐飲娛樂場所繁雜等，可能帶來安全隱患。近年來，高校商業(yè)街發(fā)展迅速，人車碰撞頻發(fā)，發(fā)生較多安全事故，成為校園安全監(jiān)管的痛點之一。這些環(huán)境問題，可以通過校園BIM模型，結(jié)合實時數(shù)據(jù)，一方面有效規(guī)劃調(diào)度，另一方面找到環(huán)境的安全問題所在。

1.4 校園安全管理的缺陷

安全管理的問題往往會導(dǎo)致人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)，從而間接引發(fā)校園安全事故。2021年9月5日對外經(jīng)濟貿(mào)易大學(xué)校園內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重交通事故，一名碩士生被快遞車撞后碾壓，不治身亡。事故看出，一方面學(xué)生自己安全意識存在缺乏，另一方面，學(xué)校不僅沒有做到嚴(yán)格把控進出校園車輛，也沒有做好校園內(nèi)人員的安全教育。可見學(xué)校對車輛、人員等安全管理的缺失也是存在的。在高校中，相關(guān)職能部門一般都會制定相應(yīng)安全管理規(guī)定，如學(xué)生守則、實驗室安全管理規(guī)定、危險化學(xué)品規(guī)定等，但實際上，各種安全管理制度不能有效融通，以至于不僅存在管理孤島，還有管理重疊現(xiàn)象，因此在執(zhí)行時難以有效落地。例如，有些高校實驗室管理規(guī)定中要求學(xué)生實驗前需進行安全培訓(xùn)，但沒有明確是何種培訓(xùn)，而學(xué)生在校期間，多少會進行過安全培訓(xùn)，只不過是否對實驗有針對性就另當(dāng)別論，所以實驗室管理人員執(zhí)行時難以把控。因此，建立數(shù)字化系統(tǒng)的安全管理平臺，可以提升校園安全管理效果，保障校園安全性。

2 校園安全管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)

校園安全管理系統(tǒng)以智慧物聯(lián)為基礎(chǔ)，以BIM模型為載體，創(chuàng)新性地將校園內(nèi)的各類傳感器數(shù)據(jù)整合至輕量化的BIM模型中，能夠?qū)崟r、有效、準(zhǔn)確地預(yù)測校園的安全事故。整個系統(tǒng)采用三層C/S體系構(gòu)架，包括數(shù)據(jù)層、功能層、界面層，如圖1所示。

圖1 安全管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)

數(shù)據(jù)層即整個校園安全管理系統(tǒng)的數(shù)字底座，包括兩部分：一是靜態(tài)模型產(chǎn)生的靜態(tài)數(shù)據(jù)；二是由傳感器或其他終端采集的校園活動實時數(shù)據(jù)，即動態(tài)數(shù)據(jù)。功能層包括校園風(fēng)險管理模塊、風(fēng)險數(shù)據(jù)更新模塊、風(fēng)險預(yù)測預(yù)警及事故應(yīng)急處置等模塊，隨著算法的更新與數(shù)據(jù)采集手段的豐富，功能層將不斷補充新模塊。界面層用于提供用戶與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互，用戶可以通過可視化技術(shù)獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)底座構(gòu)建

3.1 靜態(tài)模型構(gòu)架

靜態(tài)模型是應(yīng)用建筑信息模型（Building Information Modeling, BIM）建立的校園三維信息模型，用于收集與校園相關(guān)的所有信息。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型相比，BIM模型能夠更好地進行數(shù)據(jù)存儲與展示，從而直觀地反映問題。靜態(tài)模型內(nèi)容包括四方面：一是對校園建筑、設(shè)施、大型設(shè)備等建立各自區(qū)域的三維信息模型；二是包括各類校園安全管理規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)的評判體系數(shù)字化；三是應(yīng)急預(yù)案和應(yīng)急資源情況；四是用戶信息和操作信息等。數(shù)字底座靜態(tài)模型架構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)字底座靜態(tài)模型架構(gòu)

模型架構(gòu)采用“BIM+”的思路，采用多種技術(shù)融合構(gòu)建校園數(shù)字模型。如BIM與地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System, GIS）、WebGL相互結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通、信息共享。從宏觀維度（GIS）到微觀維度（BIM），從重量信息模型軟件（Revit）繪制到輕量模型網(wǎng)頁展示（WebGL），從校園環(huán)境的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集匯總（Dynamo）到清洗，實現(xiàn)校園安全相關(guān)基礎(chǔ)信息的收集。其中，校園模型是整個系統(tǒng)的靜態(tài)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，理論上，模型越詳細，數(shù)據(jù)越翔實，分析的效果越可靠。但是，隨著模型復(fù)雜度和數(shù)據(jù)量的增加，系統(tǒng)的體量也會大幅增加，導(dǎo)致系統(tǒng)平臺加載速度變慢，所以在建模時需要把控數(shù)據(jù)的量度，必要時可以采用體量代替實體模型。同時，BIM模型中有大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以通過Dynamo進行整理、清洗并導(dǎo)出相關(guān)數(shù)據(jù)格式。相關(guān)數(shù)據(jù)與模型的同步，也可以通過Dynamo進行回寫。

3.2 動態(tài)數(shù)據(jù)采集

動態(tài)數(shù)字是指通過校園內(nèi)感知硬件，如視頻監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、校園一卡通、門禁系統(tǒng)等，對校園安全情況在線監(jiān)控，并采集到的實時數(shù)據(jù)。結(jié)合這些動態(tài)采集的數(shù)據(jù)和歷史事故數(shù)據(jù)，使用算法進行數(shù)據(jù)清洗、聚類和分析，可以評估校園風(fēng)險，并對校園安全情況進行分級分類。

動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)針對校園內(nèi)的實驗室、圖書館、道路等主要建筑，根據(jù)消防、安全、環(huán)保等需要，部署感知終端，采集人流量、車速、火災(zāi)報警、溫濕度及光照度等感知數(shù)據(jù)。動態(tài)數(shù)據(jù)采集硬件主要包括安裝在校園環(huán)境里的各類傳感器、傳輸導(dǎo)線以及計算機等，主要用于對傳感器輸出的各種信號進行調(diào)理、采集、傳送和存儲。信號的傳送方式有直接電纜傳輸和無線傳輸兩種。動態(tài)數(shù)據(jù)采集還包括各類數(shù)字信號的處理，如數(shù)字濾波、消除噪聲、統(tǒng)計分析以及參數(shù)識別等，主要是從采集到的各種原始信息中提取有用信息，為校園安全隱患識別和風(fēng)險評估積累數(shù)據(jù)信息。

3.3 數(shù)字孿生校園

將數(shù)字模型和實際模型相結(jié)合，利用BIM模型（靜態(tài)模型）、傳感器數(shù)據(jù)（動態(tài)數(shù)據(jù)）、歷史數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度及多概率的校園模型，完成物理空間校園的數(shù)字映射，從而監(jiān)測校園安全的實際狀態(tài)，對校園安全性做出及時、有效的評估。數(shù)字模型與物理模型相互映射的關(guān)系如圖3所示。

圖3 數(shù)字模型與實際模型相互映射

4 系統(tǒng)功能設(shè)計

4.1 校園信息管理模塊

校園信息管理模塊能夠為用戶提供直觀、可視化的數(shù)據(jù)管理界面，便于對校園安全相關(guān)數(shù)據(jù)庫中的信息進行查詢和修改。系統(tǒng)對校園模型的基本信息包括參數(shù)信息、空間信息，狀態(tài)信息等進行整理，在Web客戶端讀取之后通過WebGL技術(shù)生成三維模型，再將三維模型添加到場景中，并結(jié)合動態(tài)采集的數(shù)據(jù)進行展示。校園安全管理人員可以在Web端對校園模型進行交互式瀏覽，從而對校園安全情況有準(zhǔn)確、實時的了解。

4.2 風(fēng)險數(shù)據(jù)更新模塊

在校園安全管理中，為了滿足實驗實訓(xùn)的需要，需要變更實驗設(shè)備或?qū)嶒灢牧?，在實施變更時會引入新風(fēng)險，所以需要通過風(fēng)險數(shù)據(jù)更新模塊對變更帶來的風(fēng)險進行辨識，使得潛在的危險得到預(yù)防和控制。同時，學(xué)校職能部門根據(jù)發(fā)展的需要也常常變更相關(guān)安全管理規(guī)定，因為管理規(guī)定發(fā)生變化，管理過程就會變得滯后。因此，風(fēng)險更新模塊能夠通過變更參數(shù)從而評估校園風(fēng)險的變化，并且模塊需要進一步比對風(fēng)險變更前的信息，以及風(fēng)險變更后的信息，根據(jù)實際情況對數(shù)字底座中風(fēng)險數(shù)據(jù)進行更新，從而保證風(fēng)險數(shù)據(jù)的時效性和準(zhǔn)確性。

4.3 風(fēng)險預(yù)測預(yù)警模塊

從校園事故發(fā)生的可能性、事故發(fā)生的后果以及風(fēng)險是否可接受3個方面建立校園安全評價體系，并以此建立校園風(fēng)險預(yù)測預(yù)警模塊，動態(tài)評估校園安全風(fēng)險，同時根據(jù)數(shù)字底座的參數(shù)修正與分析確定不同的危險等級與閾值，形成多等級的預(yù)警機制。為了達到不同風(fēng)險等級狀態(tài)下采取不同的對應(yīng)措施，可以將風(fēng)險分級預(yù)警，如定義綠、橙、紅3色，加入BIM模型的屬性中，以輔助學(xué)校安全管理人員預(yù)測可能發(fā)生的事故。

4.4 事故應(yīng)急處置模塊

校園事故一旦發(fā)生，會造成人身傷害或重大設(shè)備損壞。事故應(yīng)急處置模塊用來在事故發(fā)生后啟動的應(yīng)急程序。其主要功能在整合系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的應(yīng)急信息，結(jié)合校園應(yīng)急預(yù)案和數(shù)字底座其他數(shù)據(jù)，在異常狀況不能消除時，緊急啟動應(yīng)急預(yù)案流程，并針對事故應(yīng)急處置評估對策的有效性。

5 結(jié) 論

校園安全是高校建設(shè)和發(fā)展的基石，也關(guān)乎社會穩(wěn)定，因其復(fù)雜性，在安全管理上存在很多困難，建立校園安全管理系統(tǒng)可以有效保障校園的安全，解決存在的問題?；贐IM和GIS的數(shù)字底座，是校園安全管理系統(tǒng)的數(shù)字化基礎(chǔ)。本文認(rèn)為在數(shù)字底座基礎(chǔ)上，針對校園的主要風(fēng)險因素，開發(fā)相應(yīng)的系統(tǒng)功能模塊，并結(jié)合深度學(xué)習(xí)技術(shù)建立分析模型，綜合考慮校園安全數(shù)據(jù)的相關(guān)性、重要度、發(fā)生概率等，從而建設(shè)高校校園的安全管理系統(tǒng)。通過這樣的校園安全管理系統(tǒng)，可以對校園內(nèi)的“人、物、環(huán)”進行有效管理，有效降低高校校園內(nèi)的安全事故。