學(xué)生社區(qū)智慧門(mén)禁管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

王景鵬，劉淑嫻，高興林，張怡雯，楊瑩瑩，蘇布努爾·玉山

（新疆大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，烏魯木齊830046）

0 引言

雖然國(guó)內(nèi)新型冠狀病毒肺炎疫情總體上得到控制，但仍然面臨著外部輸入和內(nèi)部局部性傳染的威脅，所以要為長(zhǎng)期防疫抗疫做好準(zhǔn)備。

校園是人群聚集的主要場(chǎng)所之一，學(xué)生返校后的安全問(wèn)題成為社會(huì)關(guān)注的一大熱點(diǎn)。學(xué)生通過(guò)安檢設(shè)備頻繁出入學(xué)生社區(qū)、校園造成的人流擁堵為防疫工作帶來(lái)了巨大的阻礙和挑戰(zhàn)。

目前校園急需一個(gè)能充分展示學(xué)生流動(dòng)情況、進(jìn)出宿舍情況的可視化系統(tǒng)，從而通過(guò)調(diào)控安檢設(shè)備在人流高峰期導(dǎo)通方向，緩解進(jìn)入和外出學(xué)生爭(zhēng)搶安檢通道而造成的擁堵情況。

為解決這一問(wèn)題，本文開(kāi)發(fā)了基于ECharts 的學(xué)生社區(qū)智慧門(mén)禁管理系統(tǒng)。該項(xiàng)目的受眾較廣泛，包含教師、學(xué)生、宿舍樓寓管理人員和學(xué)工辦工作人員等人員，學(xué)生通過(guò)該系統(tǒng)主要進(jìn)行請(qǐng)銷假申請(qǐng)，學(xué)工辦工作人員則主要進(jìn)行請(qǐng)銷假的管理，實(shí)現(xiàn)請(qǐng)銷假的無(wú)紙化管理；而教師通過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)行請(qǐng)銷假管理的同時(shí)可查看學(xué)生目前的是否在校等狀態(tài)；而宿舍樓寓管理人員，則可以通過(guò)系統(tǒng)提供的可視化圖表及預(yù)測(cè)分析信息進(jìn)行更好的管理。

1 系統(tǒng)分析

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用瀏覽器與服務(wù)器交互模式。用戶通過(guò)Web 界面獲取響應(yīng)的信息，同時(shí)進(jìn)行響應(yīng)操作服務(wù)層根據(jù)用戶操作并通過(guò)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)處理用戶請(qǐng)求，最后則反饋至前端用戶界面。為了更好進(jìn)行團(tuán)隊(duì)成員的分工合作和更方便進(jìn)行測(cè)試，采用MVC 模式并結(jié)合前后端分離技術(shù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)任務(wù)可以設(shè)置為定時(shí)任務(wù)，以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，從而更好完成系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[1-2]。系統(tǒng)具體的交互模式及各個(gè)層次的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 客戶端與服務(wù)器模式

1.2 功能劃分

根據(jù)需求分析的結(jié)果將整個(gè)系統(tǒng)分成三大模塊：信息統(tǒng)計(jì)及展示模塊、人流分析及預(yù)測(cè)模塊、請(qǐng)銷假管理模塊。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2 所示。模型。

圖2 系統(tǒng)功能分解結(jié)構(gòu)層次圖

圖3 人流量預(yù)測(cè)分析模型結(jié)果

（1）信息統(tǒng)計(jì)及展示模塊：該模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及利用ECharts 進(jìn)行可視化展示。

（2）人流分析及預(yù)測(cè)模塊：該模塊利用統(tǒng)計(jì)的信息對(duì)分流量進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)人流量進(jìn)行預(yù)測(cè)，供社區(qū)管理人員查看，方便進(jìn)行調(diào)控。

（3）請(qǐng)銷假管理模塊：該模塊實(shí)現(xiàn)學(xué)生在線請(qǐng)銷假功能。

2 關(guān)鍵算法設(shè)計(jì)與分析

根據(jù)可近似認(rèn)為人流量是隨時(shí)間變換的單變量數(shù)據(jù)，則采用時(shí)間序列分析的ARIMA 模型進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析[3]。人流量分析模型的訓(xùn)練分為兩個(gè)階段，第一階段通過(guò)已有的人流量數(shù)據(jù)按照小時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，按照7:3 的比例劃分訓(xùn)練集與測(cè)試集，利用pickle 將訓(xùn)練后的ARIMA 模型進(jìn)行打包，然后將數(shù)據(jù)存放至項(xiàng)目，每當(dāng)有用戶請(qǐng)求時(shí)，直接利用pickle 讀取模型，獲得預(yù)測(cè)的結(jié)果，將預(yù)測(cè)結(jié)果發(fā)送至前端進(jìn)行展示。同時(shí)設(shè)置定時(shí)任務(wù)，在每整點(diǎn)時(shí)統(tǒng)計(jì)前1 小時(shí)的人流量，并更新模型，不斷提高模型的正確率。

由于不能獲得學(xué)生進(jìn)出的實(shí)際數(shù)據(jù)，則通過(guò)模擬的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行模型的訓(xùn)練。假設(shè)人流量近似滿足正態(tài)分布，同時(shí)簡(jiǎn)化實(shí)際規(guī)模，進(jìn)行測(cè)試，模擬的數(shù)據(jù)遵循均值為30，標(biāo)準(zhǔn)差為3 正態(tài)分布，ARIMA 參數(shù)的選擇借助pmdaria 下的auto_arima 完成，訓(xùn)練結(jié)果如圖3所示。

圖中藍(lán)色數(shù)據(jù)表示訓(xùn)練集數(shù)據(jù)，橙色表示測(cè)試集數(shù)據(jù)，綠色則表示測(cè)試數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)于測(cè)試集數(shù)據(jù)相符合，該模型對(duì)應(yīng)的均方根誤差（RSME）為6.58，在可以接受的范圍內(nèi)，則選用該次的訓(xùn)練模型作為最終

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)時(shí)，主要使用10 張數(shù)據(jù)庫(kù)表。系統(tǒng)涉及到眾多實(shí)體并考慮其存在一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)一和多對(duì)多的關(guān)系，采用實(shí)體完整性、參照完整性和用戶自定義完整性確保數(shù)據(jù)的正確性與可靠性，使數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)達(dá)到3NF范式[4]。為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，則在設(shè)計(jì)時(shí)允許部分?jǐn)?shù)據(jù)冗余存在。系統(tǒng)E-R 模型如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)E-R模型

3.2 系統(tǒng)子模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（1）信息統(tǒng)計(jì)及展示模塊

該模塊主要分為數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)展示部分，利用Django 在控制層的操作訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)得到原始學(xué)生出入信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理操作，利用對(duì)QuerySet 的操作API 與常用第三方Python 數(shù)據(jù)分析處理庫(kù)封裝后的函數(shù)及來(lái)將數(shù)據(jù)處理為目標(biāo)結(jié)果。然后通過(guò)前后端約定好的接口，將數(shù)據(jù)發(fā)送至前端，接著前端則利用AJAX技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析成目標(biāo)形式，最后利用ECharts 框架將數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。整個(gè)過(guò)程處理的流程如圖5所示。

圖5 出入信息可視化流程圖

為了更好的可視化效果，該系統(tǒng)采用ECharts 圖表庫(kù)中折線圖、散點(diǎn)圖、餅圖、直方圖等圖表形式，并結(jié)合多維數(shù)據(jù)使傳統(tǒng)雜亂的信息更加清晰直觀[5]。通過(guò)圖形的動(dòng)態(tài)展示，用戶可以綜合對(duì)比學(xué)生信息，方便管理人員跟方便地掌握學(xué)生活動(dòng)規(guī)律，從而增強(qiáng)校園的智慧化管理，學(xué)生安全得到更有力保障。

該模塊功能具有周期性特點(diǎn)，當(dāng)晚上宿舍門(mén)禁關(guān)閉時(shí)，快速篩選出還未歸宿的學(xué)生，借助目前已開(kāi)放的API 使其聯(lián)系人到管理人員那里報(bào)備未歸宿人員的情況。這個(gè)周期性的任務(wù)，可以借助django-crontab庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)任務(wù)，從而減少系統(tǒng)開(kāi)銷，加快系統(tǒng)響應(yīng)速度[6]。全校一周內(nèi)夜不歸宿、請(qǐng)假、晚歸人數(shù)情況如圖6 所示。

（2）人流量分析及預(yù)測(cè)模塊

該模塊的主要功能為解決日常生活中可能存在的進(jìn)出門(mén)禁使存在擁擠現(xiàn)象，在存在多個(gè)閘機(jī)的情況下，可以通過(guò)設(shè)置閘機(jī)的單向進(jìn)出，起到引導(dǎo)作用，從而快速疏通擁堵，帶給學(xué)生更好的體驗(yàn)，同時(shí)降低病毒傳播的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 全校一周內(nèi)夜不歸宿、請(qǐng)假、晚歸人數(shù)情況圖

進(jìn)出閘機(jī)的人流量與許多因素都存在著關(guān)系，例如天氣、學(xué)生個(gè)體性差異和地理位置等因素。但對(duì)其影響最大的則是時(shí)間因素，每到上下課和放學(xué)時(shí)間，通過(guò)閘機(jī)的人數(shù)也會(huì)隨之增多。

每天上下課和放學(xué)時(shí)間的變化均為固定，則人流量的變化存在著一定的周期性，可近似認(rèn)為人流量是隨時(shí)間變化的單變量數(shù)據(jù)。則可以通過(guò)時(shí)間序列分析的ARIMA 模型[3]，來(lái)進(jìn)行人流量的分析及預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)可以在疏通擁堵提供一定的參考作用。人流量分析預(yù)測(cè)模塊流程圖如圖7 所示。

圖7 人流量預(yù)測(cè)模塊流程圖

人流量預(yù)測(cè)分析展示圖采用折線圖，以小時(shí)為單位，總共顯示24 小時(shí)即橫坐標(biāo)：0:00-23:00（1:00 對(duì)應(yīng)縱坐標(biāo)表示的是0:00-0:59 之間通過(guò)的人數(shù)），預(yù)測(cè)是對(duì)當(dāng)天剩下時(shí)間按照小時(shí)進(jìn)行預(yù)測(cè)，已經(jīng)歷過(guò)時(shí)間對(duì)應(yīng)人流量則通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，人流量分析預(yù)測(cè)結(jié)果如圖8 所示。

圖8 橫軸表示時(shí)間，縱軸表示當(dāng)前小時(shí)對(duì)應(yīng)的小時(shí)人流量，據(jù)圖顯示早上9-10 點(diǎn)由于學(xué)生起床上課會(huì)迎來(lái)一個(gè)人數(shù)的小高峰，則管理人員可以根據(jù)結(jié)果引導(dǎo)人員快速通過(guò)，以緩解人流量擁擠的情況，提高宿舍樓的安全性。

圖8 人流量分析預(yù)測(cè)結(jié)果

（3）請(qǐng)銷假管理模塊

請(qǐng)銷假管理則主要包含請(qǐng)假、延長(zhǎng)假期管理和銷假管理三部分組成，請(qǐng)假管理首先由學(xué)生填寫(xiě)請(qǐng)假申請(qǐng)，而后教師端則會(huì)對(duì)請(qǐng)假進(jìn)行審批，根據(jù)請(qǐng)假時(shí)長(zhǎng)劃分為不同等級(jí)，逐級(jí)審批。老師在進(jìn)行審批時(shí)需要輸入預(yù)先設(shè)置的6 位數(shù)密碼，來(lái)增強(qiáng)審批的安全性。在請(qǐng)假獲批后則同時(shí)更新其在校狀態(tài)；延長(zhǎng)假期則主要為了應(yīng)對(duì)突發(fā)情況下需延長(zhǎng)假期的情況，其流程跟請(qǐng)假管理大致相似，而銷假管理則跟據(jù)學(xué)生返校進(jìn)出記錄，自動(dòng)完成銷假功能。各學(xué)院請(qǐng)假各種類型及比例如圖9 所示。

圖9 各學(xué)院請(qǐng)假各種類型及比例

請(qǐng)假界面如圖10 所示。

4 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)結(jié)合學(xué)生和校園的實(shí)際需求為目標(biāo)，搭建了一套完整的學(xué)生社區(qū)智慧門(mén)禁管理系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了人流預(yù)測(cè)及分析，并展示在網(wǎng)頁(yè)中，方便學(xué)生社區(qū)管理人員提前進(jìn)行調(diào)控，在一定程度上緩解了學(xué)生社區(qū)出入口擁堵情況，實(shí)現(xiàn)了安檢閘機(jī)自動(dòng)查寢功能，緩解了學(xué)生會(huì)工作壓力；實(shí)現(xiàn)了無(wú)紙化在線請(qǐng)銷假功能，為學(xué)生請(qǐng)假提供便利。

圖10 請(qǐng)假界面

目前該系統(tǒng)仍然存在一些不足：

（1）模型分析顆粒度較大。

（2）在用戶交互方面有待改進(jìn)。

（3）并發(fā)處理能力較弱。

針對(duì)這個(gè)系統(tǒng)，后續(xù)的計(jì)劃是：

（1）在保持現(xiàn)有的用戶類型下，將學(xué)生和教師類型及職位進(jìn)行細(xì)分，使不同的角色能夠看到更詳細(xì)的可視化界面。

（2）對(duì)部分代碼進(jìn)行優(yōu)化，使用效率更高的算法，提高效率，降低系統(tǒng)資源消耗提高準(zhǔn)確率，增加并發(fā)處理能力。

（3）與校園閘機(jī)進(jìn)行對(duì)接，是平臺(tái)正式運(yùn)營(yíng)起來(lái)。

后續(xù)將不斷地完善該系統(tǒng)，力爭(zhēng)把系統(tǒng)進(jìn)行更完整完善的改進(jìn)，給用戶呈現(xiàn)更詳細(xì)的可視化展示。