張建 陳曉菲

（河北經(jīng)貿(mào)大學 河北省石家莊市 050000）

公平的考試環(huán)境是考試質(zhì)量的基本保證。為提升國家教育考試、事業(yè)考試的嚴密化管理體系,營造公平公正的考場秩序，考場、考點必須建設(shè)健全良好的考試監(jiān)督體系[1]。目前大部分考場監(jiān)考方式采用人工“1+1”前后流動監(jiān)考模式。但隨著各種信息化產(chǎn)品的開發(fā)，學生的能動性增強，教師的可視范圍逐漸縮小，“一靜一動”的傳統(tǒng)模式因其不穩(wěn)定性所引起的專業(yè)人員需求大、考場干擾性強、公平與偏見等問題漸顯。2018 年注冊會計師全國統(tǒng)一考試綜合階段考試中全美在線將“ATA 智能監(jiān)考機器人”投入試點工作，引入人證核驗一體技術(shù)，利用內(nèi)置身份證模塊及深度學習算法實現(xiàn)考生的身份核驗工作及考場行為變化監(jiān)督[2]，在一定程度上實現(xiàn)了無人化的智能監(jiān)考。但是在無平臺解碼下其內(nèi)部使用的傳統(tǒng)學習算法計算量大并且在訓練階段數(shù)據(jù)量需求冗雜，無法支持大規(guī)模、大數(shù)據(jù)庫下的考試場景。此外線上考試的發(fā)展使智能監(jiān)考方式無法實現(xiàn)高嚴密化管理，考場監(jiān)督體系迫切需要引入更高質(zhì)量的智能監(jiān)考技術(shù)。

在線下考試中不僅監(jiān)考過程需要大量的人力物力來支持考試監(jiān)考流程的開展，隨著傳統(tǒng)閱卷向著保密性更強、監(jiān)督效果更強的網(wǎng)上閱卷方式轉(zhuǎn)變，監(jiān)考教師在考后還需要投入大量的時間進行答卷掃描及試題批改。在大型考試的閱卷流程中主要分為人工與機讀閱卷，主要依托計算機及電子掃描儀。其中在任何一種閱卷形式前都需要將每位考生的試題答案錄入為電子版然后展開閱卷。以考研閱卷為例，考研統(tǒng)考科目實行集中統(tǒng)一閱卷，主觀題與客觀題分別要進行人工閱卷與機讀閱卷，考研閱卷基本在十天左右。據(jù)統(tǒng)計在2021 年，河北省共報考147188 人，閱卷教師需要在十天之內(nèi)完成試卷整理、錄入、批閱、登記等工作，可見時間的緊迫性與工作的繁瑣性。

綜上所述，根據(jù)當前考試環(huán)境及網(wǎng)絡(luò)閱卷模式的需要，本文將基于OpenCV 軟件庫與深度學習、Python 技術(shù)、SLAM 技術(shù)等實現(xiàn)“P+S”一體化雙重監(jiān)考保障并實現(xiàn)收卷即判卷的高效率判卷功能，充分融合各系統(tǒng)優(yōu)勢及線上考試的發(fā)展趨勢，充分實現(xiàn)公平公正的監(jiān)考目的并進一步為考生信息的核驗及考試閱卷提供方便。

1 監(jiān)考機器人系統(tǒng)整體運行

“P+S”監(jiān)考機器人是基于人臉識別、運動識別、機器識別、指紋識別及機器人定位等技術(shù)對系統(tǒng)進行融合開發(fā)與二次組合的一體化監(jiān)考及輔助掃描閱卷系統(tǒng)。我們在現(xiàn)有的一般電子檢測設(shè)備的基礎(chǔ)上進一步優(yōu)化升級，最終設(shè)計出一款由移動機器人監(jiān)考系統(tǒng)、實時記錄攝像系統(tǒng)、終端監(jiān)考服務(wù)器三個子系統(tǒng)結(jié)合而成的集預(yù)防違紀與檢測違紀雙重功能的一體化監(jiān)考機器人。在線下考試中，我們將移動監(jiān)考機器人嵌入電子掃描儀實現(xiàn)實時高效的判卷功能。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)水平的提高，線上教學方式也廣泛應(yīng)用到大中小學相關(guān)課程的教學中[3]。不少課程也采取遠程監(jiān)考模式，這種遠程考試相較于傳統(tǒng)考試模式其規(guī)范性及公正性問題更為突出。其次教育行業(yè)及社會崗位的應(yīng)聘逐漸向線上PC 端考試模式轉(zhuǎn)變，為了解決各種監(jiān)考模式問題，我們在優(yōu)化監(jiān)考系統(tǒng)的同時通過創(chuàng)新監(jiān)控機器人內(nèi)部子系統(tǒng)的運行狀態(tài)，設(shè)置實時記錄攝像系統(tǒng)的雙狀態(tài)模式，使監(jiān)考機器人系統(tǒng)既可實現(xiàn)線下監(jiān)考工作，又可應(yīng)用于線上考試。

如圖1 所示，為了實現(xiàn)全過程的考試監(jiān)督體系，我們將子系統(tǒng)的運行貫穿于考前、考中、考后全階段。移動監(jiān)考機器人主要設(shè)置有動靜兩種狀態(tài)，即實現(xiàn)違規(guī)產(chǎn)品掃描、自動收發(fā)卷的移動狀態(tài)及考中靜止狀態(tài)?？记皺C器人監(jiān)考系統(tǒng)中提前錄入考生身份信息并在開考前完成考生身份確認工作?？己髾C器人設(shè)置移動狀態(tài)，根據(jù)考試指令完成試題分發(fā)工作并歸位切換為靜止狀態(tài)以防止考中移動對考生的影響。考后移動機器人實現(xiàn)動態(tài)轉(zhuǎn)換及答卷回收工作，在試題收取過程中實現(xiàn)答卷的掃描及客觀題的判卷工作。實時記錄攝像系統(tǒng)執(zhí)行考中情況的指令及異常行為的識別記錄。考前實時記錄攝像系統(tǒng)提前錄入對比采樣信息，考中執(zhí)行考生異常行為捕獲及情況指令識別并反饋到終端監(jiān)考服務(wù)器進行異常行為的識別分揀工作。終端監(jiān)考服務(wù)器作為最終反饋及終端操作環(huán)節(jié)，主要針對異常情況完成系統(tǒng)預(yù)備指令的啟動及反饋終端總監(jiān)考進行人工干預(yù)等工作。

圖1：線下監(jiān)考各個模塊工作流程圖

為適應(yīng)線上監(jiān)考的特點，我們主要是將實時記錄攝像系統(tǒng)與終端監(jiān)考服務(wù)器應(yīng)用到線上監(jiān)考裝置，如圖2 所示。實時記錄攝像系統(tǒng)以狀態(tài)二的模式運行并代替移動機器人實現(xiàn)考生核對、考場監(jiān)督及界面控制等監(jiān)考功能。同時實時記錄攝像系統(tǒng)定時向終端監(jiān)考服務(wù)器記錄反饋考試異常行為，終端監(jiān)考服務(wù)器進行問題的分揀。線上監(jiān)考系統(tǒng)同樣實行全程監(jiān)考模式，通過與線上考試平臺進行WLAN 鏈接即可實現(xiàn)其監(jiān)考功能，并在后臺自動收卷后實現(xiàn)智能閱卷功能。

圖2：線上監(jiān)考各個模塊工作流程圖

2 系統(tǒng)詳細設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 移動機器人監(jiān)考系統(tǒng)

移動機器人監(jiān)考系統(tǒng)主要進行考場智能化檢查，實現(xiàn)靜置與移動兩種狀態(tài)，在執(zhí)行實時監(jiān)考的基礎(chǔ)任務(wù)的同時還可以在考后實現(xiàn)智能掃描及判卷功能?；诖宋覀儗⒁苿颖O(jiān)考機器人整體上分為操作系統(tǒng)層、硬件執(zhí)行層兩個部分，操作系統(tǒng)層主要應(yīng)用OpenCV 人臉識別庫、SLAM 同步定位及指紋識別系統(tǒng)實現(xiàn)，如圖3 所示。機器人各模塊之間的協(xié)調(diào)工作為移動監(jiān)考機器人實現(xiàn)身份識別與定軌分發(fā)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)及技術(shù)支持。

圖3：移動機器人整體框架

2.1.1 操作系統(tǒng)層

移動機器人通過OpenCV 視覺庫實現(xiàn)考生人臉識別掃描。OpenCV 作為一個記憶開源的跨平臺計算機視覺和機器學習庫，有圖像分割、人臉識別、動作識別等功能，可以在Linux、Windows、Android、Mac OS 等操作系統(tǒng)上運行[4]。本文使用OpenCV 視覺庫與深度學習（DNN 模塊）的結(jié)合，通過考前在OpenCV 視覺庫的PCA 分類器中提前錄入考生的人像信息、考試證件碼及各種人機動態(tài)數(shù)據(jù)等增加數(shù)據(jù)標簽，并通過PCA 人臉分類器對導(dǎo)入的考生樣本信息進行訓練并形成集成數(shù)據(jù)庫。移動機器人在考前實現(xiàn)考生人臉監(jiān)測掃描、生成圖像數(shù)據(jù)并與訓練數(shù)據(jù)庫進行精度對比達到深度識別效果，保證考生身份的準確性，如圖4 所示。在學生考場分配確定后終端監(jiān)考服務(wù)器負責及時將相應(yīng)的考生信息分配至各考場的監(jiān)考系統(tǒng)中，根據(jù)反饋與監(jiān)測結(jié)果，移動監(jiān)考機器人進行考場準入與異常提示并將異常反饋至終端。

圖4：OpenCV 信息識別流程

單一的人臉識別具有一定的誤差，而應(yīng)用范圍作為物證之首的指紋識別以其特征的唯一性和不變性已經(jīng)得到公認和歷史的檢驗[5]。因此為了精確識別考生身份信息，移動監(jiān)考機器人還設(shè)置了指紋識別功能進行考生實時身份認證以實現(xiàn)精準識別考生身份。一個典型的指紋識別過程主要包括：指紋數(shù)據(jù)圖像的采集、特征點提取與模板指紋相似度比較，從而判斷采集的指紋與模板指紋是否來自于同一手指。移動監(jiān)考機器人內(nèi)部指紋識別系統(tǒng)模板的采集、生成以及指紋的比對過程，如圖5 所示。移動機器人采用嵌入式識別系統(tǒng)，在指紋IC 卡的基礎(chǔ)上加裝指紋識別系統(tǒng)進行現(xiàn)場考生指紋數(shù)據(jù)采集，同時連接PC 端桌面應(yīng)用系統(tǒng)，使用指紋IC 卡讀卡機對考生指紋信息進行降噪增強及二值化處理，提取考生指紋特征點進行分析比對。

圖5：移動監(jiān)考機器人指紋識別過程

考慮到各個考場的布局及考場設(shè)置的不同，移動監(jiān)考機器人通過SLAM 即時定位及地圖構(gòu)建實現(xiàn)多場景下的試題分發(fā)工作。在SLAM 定位過程中，移動機器人利用自身攜帶的傳感器識別考場未知環(huán)境完成考場地圖構(gòu)建，然后根據(jù)機器人與指定標志（考試課桌）之間的相對位置和里程計的讀數(shù)估計監(jiān)考機器人和指定標志的的相對坐標。通過后臺模塊設(shè)置的坐標差值進行定位，機器人內(nèi)部根據(jù)考場路線藍圖提前制定并輸入收發(fā)試卷路線軌跡的運行程序，從而實現(xiàn)考前與考后試題的按序精準收發(fā)。

2.1.2 硬件執(zhí)行層

為機器人提供做機械運動、采集外部環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)提供支持[6]，整體可分為移動硬件及固定硬件兩部分。機器人運動控制系統(tǒng)是移動機器人實現(xiàn)操作的核心。本系統(tǒng)電機驅(qū)動裝置固定硬件采用OEM 系列PC104 接口的PMAC2 型運動控制卡，可以實現(xiàn)監(jiān)考機器人點到點快速移動，同時還可以實現(xiàn)移動及試題收發(fā)等多任務(wù)功能。其次移動硬件采用Mecanum 全向輪，如圖6 所示?？稍诓桓淖冏陨碜藙莸那闆r下獨立全向旋轉(zhuǎn)運動，并且在實現(xiàn)運動平穩(wěn)性的同時最大程度地降低監(jiān)考機器人移動所帶來的噪音，實現(xiàn)無干擾化的監(jiān)考環(huán)境。

圖6：右圖為Mecanum 全向輪

隨著文字識別技術(shù)的發(fā)展，具備試卷分析與讀卡能力的試題掃描系統(tǒng)得到開發(fā)和利用。移動監(jiān)考機器人作為監(jiān)考系統(tǒng)及掃描判卷系統(tǒng)的一體化裝置在系統(tǒng)硬件上加裝一體化智能掃描儀以實現(xiàn)試題的智能化掃描。不僅在考前與考中可以實時監(jiān)考，在考后階段還可以進行試題掃描與評判。

（1）在考后智能收卷過程中啟動掃描儀進行試題的掃描錄入工作。嵌入式掃描系統(tǒng)連接終端服務(wù)器實現(xiàn)掃描數(shù)據(jù)圖像的存儲。

（2）完成試題篩選及分揀工作。通過掃描將紙質(zhì)答題紙內(nèi)的試卷信息轉(zhuǎn)化為圖片，再將試題的圖片信息轉(zhuǎn)化為文檔信息并對版面進行分析，自動提取識別題答題內(nèi)容。根據(jù)考試科目的不同，支持中、英、日等多種語言場景的識別，分揀后的主觀題根據(jù)試題答案進行比對分析并記錄得分情況。客觀題部分可在提取結(jié)果上二次開發(fā)并針對不規(guī)則的手寫字體進行專項優(yōu)化，提升判卷工作效率及質(zhì)量，促進教學管理的數(shù)字化和智能化。掃描判卷過程，如圖7 所示。

圖7：移動機器人掃描判卷過程

由于線上數(shù)據(jù)成像的智能化，本系統(tǒng)可使線上考試的試題內(nèi)容提取及判卷工作更為高效。除去試題掃描等過程，只需通過服務(wù)器對試題內(nèi)容進行分揀即可完成主觀題及客觀題答案的判定。并且在客觀題的判定上，由于電子內(nèi)容書寫的格式化，可以進一步對主觀題內(nèi)容進行自動識別，實現(xiàn)考卷的線上批閱及答案數(shù)據(jù)的自動分析，大幅度提升教師工作效率及質(zhì)量。

2.2 實時記錄攝像系統(tǒng)

實時記錄攝像系統(tǒng)實質(zhì)上是一個考試影像采集及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，同時聯(lián)系移動監(jiān)考機器人系統(tǒng)及終端監(jiān)考服務(wù)器負責子系統(tǒng)間的反饋與負反饋功能。根據(jù)系統(tǒng)的運行需要可分為硬件采集設(shè)備、服務(wù)器及OpenCV 視覺庫三部分，如圖8所示。系統(tǒng)采集設(shè)備內(nèi)置360 度全景監(jiān)控攝像頭，外置附屬配套設(shè)備（攝像支架、保護裝置等），定時抓拍學生考試過程動態(tài)。

圖8：線下監(jiān)考模式下實時記錄攝像系統(tǒng)整體框架

圖像分類、分割以及目標檢測是計算機視覺領(lǐng)域的三大重要任務(wù)[7]，基于OpenCV 技術(shù)所擁有的動作識別、圖像分割等功能，實時記錄攝像系統(tǒng)將學生字體采樣數(shù)據(jù)、專用紙采樣數(shù)據(jù)、運動原理采樣數(shù)據(jù)提前錄入OpenCV 視覺庫。操作控制系統(tǒng)下的服務(wù)器將采集到影像信息使用低碼流的MPEG-4 視頻編碼技術(shù)進行編碼。在對監(jiān)控記錄下的人體運動進行數(shù)字化處理后，根據(jù)數(shù)據(jù)庫比對進行考生異常動態(tài)分析與檢測，針對考生因試題錯印、漏印等情況所作出的動作，啟動預(yù)備指令，反饋終端總監(jiān)考。針對考中無關(guān)的異常動態(tài)，分析作弊情況；根據(jù)考場學生字體采樣數(shù)據(jù)對比，識別捕獲代考情況；根據(jù)考場考試專用紙采樣數(shù)據(jù)對比，核查與考試無關(guān)用紙，識別作弊情況，以上三種情況在確定異常動態(tài)的同時將違紀記錄存儲數(shù)據(jù)庫便于后期復(fù)查。

針對線上考試的差異性，實時記錄攝像模塊運行狀態(tài)二模式。遠程監(jiān)考下的實時記錄攝像系統(tǒng)不僅要實現(xiàn)考生核對及實時監(jiān)測功能還要達到自動化界面控制及自動服務(wù)效果。具體實現(xiàn)：

（1）考生核對。利用系統(tǒng)OpenCV 技術(shù)的基礎(chǔ)功能定時進行預(yù)設(shè)識別功能，監(jiān)測是否全程為考生本人；WLAN鏈接屬性下監(jiān)測考生IP 地址，防止代考現(xiàn)象。

（2）控制界面?？忌M入考試后，學生考試的設(shè)備無法退出考試界面及進行其它違規(guī)操作。

（3）實時監(jiān)測。按照人機關(guān)系設(shè)定考生屏幕中出現(xiàn)面部的合理位置并進行異常反饋。

（4）自動服務(wù)。考生出現(xiàn)卡機閃退等設(shè)備影響考試的問題由系統(tǒng)判斷后啟動預(yù)備指令重新開卷或自動反饋信息給總考官進行人工解決。

2.3 終端監(jiān)考服務(wù)器

終端監(jiān)考服務(wù)器作為監(jiān)考機器人的終端環(huán)節(jié)，主要是實現(xiàn)子系統(tǒng)與子系統(tǒng)和系統(tǒng)與總監(jiān)考的快捷反饋，在必要時由總監(jiān)考進行人工操作解決?？偙O(jiān)考通過登錄終端監(jiān)考服務(wù)器的控制總臺接收正常開考與結(jié)束指令，反饋至各級子系統(tǒng)。

（1）根據(jù)實時監(jiān)考場景啟動各系統(tǒng)相應(yīng)的監(jiān)考狀態(tài)并作為PC 終端實時保存考試過程中違規(guī)監(jiān)控數(shù)據(jù)。

（2）通過終端服務(wù)器的遠程設(shè)置及實時操控，在線下監(jiān)考模式中完成移動監(jiān)考機器人模式的動靜轉(zhuǎn)換。

（3）在考試過程中接收考試初級的異常指令，如考試遲到、交頭接耳嚴重違反考試紀律等，通過OpenCV 視覺庫的分析比對結(jié)果直接執(zhí)行延考、禁考等違規(guī)處理并附上電子證據(jù)；接收考試高級異常指令反饋，啟動預(yù)備方案或執(zhí)行發(fā)布指令功能，將突發(fā)狀況反饋至總監(jiān)考解決。

3 人工智能監(jiān)考機器人的優(yōu)勢

定點機器人動靜模式切換與嵌入式監(jiān)考系統(tǒng)相結(jié)合。移動監(jiān)考機器人系統(tǒng)設(shè)置雙狀態(tài)的動、靜、動的雙向切換；嵌入式攝像頭實時記錄考試動態(tài)；其次對于大型考試，考生往往會焦慮不安并對周圍的環(huán)境更為敏感。移動監(jiān)考機器人的動靜切換模式即嵌入式監(jiān)考設(shè)計正好有效解決了考場環(huán)境問題，在保持考場秩序的同時減輕教師的監(jiān)考壓力及考生的緊張心理，從而達到將易干擾型考場向無干擾型升級的目標。

兼顧考前違紀預(yù)防、考中違紀監(jiān)查及考后試題掃描判卷功能。監(jiān)考機器人系統(tǒng)考前進行考生身份信息的確認并預(yù)防考生攜帶違規(guī)品，實現(xiàn)考前違紀預(yù)防功能?？贾袑崟r記錄攝像系統(tǒng)全程監(jiān)查考試異常狀態(tài)，通過終端反饋系統(tǒng)高效解決考場異常狀態(tài)，維護考場秩序?？己罄脪呙柘到y(tǒng)完成試題掃描及主觀題判卷工作，極大的緩解了后期判卷的工作壓力。

系統(tǒng)擁有WEB 雙向反饋系統(tǒng)。不同于傳統(tǒng)監(jiān)考方式下對監(jiān)考影像的全盤存儲，加大了后期復(fù)查的困難性，“P+S”監(jiān)考機器人的雙向反饋，在線下考試中，對預(yù)先設(shè)定的初級問題可自行反饋解決，突發(fā)問題可反饋總監(jiān)考解決；在線上考試中，對考試客觀可預(yù)見問題反饋至移動監(jiān)考機器人解決，對不可預(yù)見的主觀問題緊急聯(lián)系總考官解決，使監(jiān)考數(shù)據(jù)龐雜化向有序化改進。

解放勞動力，節(jié)約資源成本。考試前后移動監(jiān)考機器人實現(xiàn)定軌按序收發(fā)，替代人工監(jiān)考不僅從技術(shù)的角度提升了考試的公平與效率，集成性的試題收發(fā)及考場監(jiān)督還減輕了監(jiān)考人員負擔，傳統(tǒng)監(jiān)考過程的冗雜化向嚴謹化轉(zhuǎn)型。此外移動監(jiān)考機器人的掃描判卷功能也極大減輕了人員的判卷壓力，在解放勞動力的同時一定程度上還提高了判卷結(jié)果的準確性，促進判卷過程的公平公正。

線上+線下全面監(jiān)考系統(tǒng)。一體化機器人考慮到教育行業(yè)線上線下的考試趨勢，創(chuàng)新系統(tǒng)實現(xiàn)雙狀態(tài)設(shè)置既可實現(xiàn)線下監(jiān)考工作，又可應(yīng)用于線上考試系統(tǒng)，成功地將單一化監(jiān)考模式在智能化方式的創(chuàng)新下實現(xiàn)跨地域的無限制監(jiān)考效果。

4 結(jié)語

“P+S”監(jiān)考機器人的違紀預(yù)防與監(jiān)控優(yōu)勢主要體現(xiàn)在合理匹配現(xiàn)有技術(shù)達到線上線下規(guī)范化、嚴格化監(jiān)考目的。對于“P+S”監(jiān)考機器人，我們主要進行了幾個方面的研究：在現(xiàn)有監(jiān)考機器人的基礎(chǔ)上進行了功能的完善，增加字體采樣、試紙采樣等多種對比分析提高了監(jiān)測的準確性；創(chuàng)新實現(xiàn)各子系統(tǒng)的優(yōu)化組合，實現(xiàn)子系統(tǒng)間的串聯(lián)式反饋，增強了實時監(jiān)考的規(guī)范性；增加移動監(jiān)考機器人的掃描判卷功能，提高后期判卷的效率及判卷結(jié)果的準確性。目前教育考試形式不斷變化，但是對監(jiān)考人員的需求量依舊很大，“P+S”監(jiān)考機器人不僅可以增強監(jiān)考體系的嚴密性，還可以降低監(jiān)考工作的用工成本，促進教育體系的優(yōu)化升級，應(yīng)用前景非常廣闊。