徐進，錢曉

（常州工程職業(yè)技術(shù)學院，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，會對學生的學習和生活造成重大影響。近年來，國內(nèi)學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、學校、學生3個方面提出相應(yīng)的對策。王雷基于多準則決策對校園安全風險評估問題進行研究，認為利用網(wǎng)絡(luò)分析法能夠識別校園安全的關(guān)鍵目標、威脅、后果與脆弱性等因素。王秉相等人基于風險預(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。

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)人包括學生、教師、學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年上海商學院的宿舍火災(zāi)，原因是學生違規(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，新時代大學生的生活習慣改變，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)易大學校園內(nèi)發(fā)生嚴重交通事故，一名碩士生被快遞車撞后碾壓，不治身亡。事故看出，一方面學生自己安全意識存在缺乏，另一方面，學校不僅沒有做到嚴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?？梢妼W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，如學生守則、實驗室安全管理規(guī)定、危險化學品規(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)定中要求學生實驗前需進行安全培訓，但沒有明確是何種培訓，而學生在校期間，多少會進行過安全培訓，只不過是否對實驗有針對性就另當別論，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)。功能層包括校園風險管理模塊、風險數(shù)據(jù)更新模塊、風險預(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、標準的評判體系數(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，隨著模型復雜度和數(shù)據(jù)量的增加，系統(tǒng)的體量也會大幅增加，導致系統(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確、實時的了解。

4.2 風險數(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險，所以需要通過風險數(shù)據(jù)更新模塊對變更帶來的風險進行辨識，使得潛在的危險得到預(yù)防和控制。同時，學校職能部門根據(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，風險更新模塊能夠通過變更參數(shù)從而評估校園風險的變化，并且模塊需要進一步比對風險變更前的信息，以及風險變更后的信息，根據(jù)實際情況對數(shù)字底座中風險數(shù)據(jù)進行更新，從而保證風險數(shù)據(jù)的時效性和準確性。

4.3 風險預(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，并以此建立校園風險預(yù)測預(yù)警模塊，動態(tài)評估校園安全風險，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。為了達到不同風險等級狀態(tài)下采取不同的對應(yīng)措施，可以將風險分級預(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)。本文認為在數(shù)字底座基礎(chǔ)上，針對校園的主要風險因素，開發(fā)相應(yīng)的系統(tǒng)功能模塊，并結(jié)合深度學習技術(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。