譚向

（重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院，重慶 400016）

1 引言

大學(xué)生日常出勤管理一直是高校教務(wù)管理重要步驟，人工出勤方法已滿足不了當(dāng)代校園出勤管理的需求，存在問題諸多[1]。如，手工統(tǒng)計出勤占用老師教課與學(xué)生學(xué)習(xí)大量時間；因大學(xué)生上課人數(shù)多達(dá)上千人，老師不能保證嚴(yán)格審查任意一名學(xué)生的身份。基于此，大學(xué)生經(jīng)常發(fā)生任意遲到、逃課以及找人替課等情況，降低出勤效率，嚴(yán)重影響大學(xué)生完成學(xué)業(yè)的進(jìn)度，提升大學(xué)生出勤率已成為各院校出勤管理工作重點(diǎn)。

關(guān)于大學(xué)生日常出勤自動化管理的研究諸多。文獻(xiàn)[2]面對學(xué)生出勤管理系統(tǒng)錯檢高和識別率低的問題，采用Mask R-CNN 識別主照相機(jī)拍照圖像中學(xué)生位置并高清放大，再利用MTCNN、FSA-Net獲取學(xué)生人臉姿態(tài)，并根據(jù)FaceNet把得出學(xué)生正臉圖像做特征提取，最后通過SVM分類設(shè)備識別出勤學(xué)生，該方法有效保證結(jié)果精度；文獻(xiàn)[3]針對學(xué)生出勤系統(tǒng)管理效率低問題，綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、IPv6人臉識別以及信息分析等設(shè)計系統(tǒng)，由人臉信息的收集與輸送、人臉對比數(shù)據(jù)處理、出勤數(shù)據(jù)發(fā)出三層構(gòu)成。此系統(tǒng)有效收集學(xué)生人臉信息并進(jìn)行出勤審查，并且輸送性能良好。

本文結(jié)合上述課題優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)用PGIS 平臺把大學(xué)生用戶端所在位置顯現(xiàn)地理地圖中，再使用范圍查詢方法決斷大學(xué)生是否在教室上課，得出學(xué)生出勤信息，完成了大學(xué)生日常出勤自動化管理[4]。

2 PGIS平臺搭建

PGIS 技術(shù)在GPS 定位[5]基礎(chǔ)上對GPS 終端器材進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控管理。而PGIS 平臺與其他系統(tǒng)平臺等同，需要軟件與硬件支持，如圖1所示。

PGIS支持環(huán)境由系統(tǒng)硬件與軟件雙方面支持，其中：硬件支持條件包含信息庫服務(wù)設(shè)備，教室地理信息、軟件運(yùn)用服務(wù)設(shè)備，地圖服務(wù)設(shè)備與存儲設(shè)備等；軟件支持條件由軟件開發(fā)信息庫軟件、網(wǎng)絡(luò)使用插件、GPS定位技術(shù)[6-7]等。

設(shè)定(x，y，z)表示某時間點(diǎn)GPS 接收設(shè)備三維空間坐標(biāo)；(xi，yi，zi)表示衛(wèi)星星歷信息到衛(wèi)星i三維空間坐標(biāo)數(shù)值，按照儲存衛(wèi)星測距碼內(nèi)時間數(shù)據(jù)，接收設(shè)備能夠精準(zhǔn)算出衛(wèi)星信號發(fā)出時長，并按照接收數(shù)據(jù)時間點(diǎn)，得出信號傳輸使用時長，因衛(wèi)星信息傳輸速度與光速c相等，得出用戶與衛(wèi)星之間距離為

當(dāng)中，tu描述了數(shù)據(jù)傳送到衛(wèi)星接收設(shè)備時長；ts描述了衛(wèi)星信號發(fā)出時長；ρ'描述了衛(wèi)星與接收設(shè)備之間距離。

3 基于PGIS的出勤管理系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟硬件環(huán)境

高校大學(xué)生日常出勤自動化管理系統(tǒng)硬件環(huán)境如表1所示。

表1 出勤自動化管理系統(tǒng)硬件環(huán)境

3.2 系統(tǒng)需求

3.2.1 運(yùn)營性能需求

正確性是大學(xué)生日常出勤最關(guān)鍵的性能指標(biāo)之一，正確得出學(xué)生三維空間坐標(biāo)，確保出勤合理性、有效性，基于PGIS的GPS 定位服務(wù)，能夠?qū)⒋髮W(xué)生出勤位置誤差控制在0.01米以內(nèi)。速度響應(yīng)要求系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)迅速響應(yīng)，當(dāng)中，定位使用時間最長，處理定位速度問題能夠極大程度上增強(qiáng)系統(tǒng)響應(yīng)性指標(biāo)，為此使用PGIS 平臺有效解決該問題。大學(xué)生出勤自動化管理系統(tǒng)用戶端設(shè)計與實(shí)踐簡便，進(jìn)而廣泛使用、推廣，取代傳統(tǒng)出勤統(tǒng)計方式。

3.2.2 安全需求

大學(xué)生出勤自動化管理系統(tǒng)安全需求就是數(shù)據(jù)安全。數(shù)據(jù)安全要求學(xué)生管理數(shù)據(jù)與出勤記載數(shù)據(jù)的審查、修改需要經(jīng)過系統(tǒng)嚴(yán)格管理，保證出勤數(shù)據(jù)的安全性、可靠性，不能隨意修改。

移動電話客戶端：加入權(quán)限管理審查制度，將系統(tǒng)界面操作與信息操縱進(jìn)行權(quán)域分割與匹配，解決跨域信息訪問與修改；出勤服務(wù)端：將業(yè)務(wù)服務(wù)種類設(shè)定實(shí)施嚴(yán)格訪問控制。

3.2.3 接口需求

大學(xué)生出勤管理系統(tǒng)設(shè)置內(nèi)接口端與外接口端：

內(nèi)部接口端由移動電話用戶端和出勤服務(wù)設(shè)備接口構(gòu)成，出勤服務(wù)設(shè)備以Web 的應(yīng)用程序構(gòu)架在Tomcat 組件中，并允許用戶端經(jīng)過Java Web 服務(wù)引擎訪問與接收反饋。外部端口主要關(guān)于短信網(wǎng)關(guān)接口，可以采用電信企業(yè)總機(jī)短信送出網(wǎng)關(guān)接口，屬于Web應(yīng)用程序調(diào)用的一種方法。

3.3 系統(tǒng)構(gòu)架

文中設(shè)計基于PGIS平臺的大學(xué)生日常出勤自動化管理系統(tǒng)主要分為業(yè)務(wù)層接口、用戶端/web 服務(wù)設(shè)備端口與信息庫三部分，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

用戶端口采用GPS定位方法與PGIS地理信息服務(wù)完成LBS 的增值服務(wù)。其中，LBS 使用調(diào)控SP 方式提供GPS 與移動通信網(wǎng)絡(luò)功能，出勤管理系統(tǒng)采用移動通信網(wǎng)絡(luò)和SP定位連接，SP 定位負(fù)責(zé)解決服務(wù)設(shè)備發(fā)出定位邀請和運(yùn)行商定位網(wǎng)關(guān)相銜接。系統(tǒng)服務(wù)設(shè)備經(jīng)過移動通信網(wǎng)絡(luò)與PGIS 服務(wù)設(shè)備連接，使學(xué)生直接通過客戶端口就能連入運(yùn)行商網(wǎng)絡(luò)登錄系統(tǒng)，最終完成此次出勤任務(wù)。

3.3.1 信息管理模塊

信息管理模塊即教務(wù)管理人員、教師可以直接查閱大學(xué)生信息、課程信息與選課頁面的內(nèi)容，經(jīng)過頁面操縱來檢測模塊功能，檢測結(jié)果如表2可知。

表2 信息管理模塊檢測結(jié)果

3.3.2 注冊登記模塊

注冊登記模塊：客戶在首次注冊/登錄過程中，系統(tǒng)會出現(xiàn)賬號/密碼不能為空與密碼必須六位以上數(shù)據(jù)提醒。運(yùn)用JWT 結(jié)構(gòu)處理使用人員Token 驗(yàn)證問題，客戶任意一次交互邀請時均會給予服務(wù)設(shè)備特定Token數(shù)值，按照數(shù)值情況判定客戶數(shù)據(jù)，就不用在服務(wù)端儲存認(rèn)證數(shù)據(jù)。使用Shiro結(jié)構(gòu)處理身份認(rèn)證、權(quán)限管理以及加密調(diào)控等情況。經(jīng)過頁面操縱檢測注冊登記模塊功能，檢測結(jié)果如表3所示。

表3 信息管理模塊檢測結(jié)果

3.3.3 出勤管理模塊

出勤管理模塊是整個系統(tǒng)最關(guān)鍵一環(huán)節(jié)，該部分由定位子系統(tǒng)、區(qū)間范圍查詢子系統(tǒng)以及PGIS 地理地圖子系統(tǒng)共同完成出勤自動化管理[8]。

(1) 定位子系統(tǒng)

用戶端程序接口收到終端定位邀請，調(diào)控定位接收端口供給GPS定位服務(wù)并更新位置，得出實(shí)時衛(wèi)星信息。定位成功后，先根據(jù)GeoCoder類把用戶端經(jīng)度、維度地理位置數(shù)據(jù)做處理并添入信息表，再調(diào)節(jié)區(qū)間查找子系統(tǒng)判定學(xué)生是否出勤，最后把出勤數(shù)據(jù)保存在信息庫中。

(2) 區(qū)間范圍查詢子系統(tǒng)

用戶端定位成功后，把學(xué)生出勤信息存儲在Web 服務(wù)設(shè)備端，Web服務(wù)設(shè)備收到有關(guān)范圍查找邀請后，自動找出信息庫中被定位的位置數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)情況判定學(xué)生是否在教室內(nèi)上課，得出學(xué)生實(shí)際出勤數(shù)據(jù)。若學(xué)生出勤位置數(shù)據(jù)在規(guī)定上課范圍內(nèi)，則認(rèn)定學(xué)生在教室內(nèi)上課，反之，沒有在教室內(nèi)上課。區(qū)間范圍查詢子系統(tǒng)采用點(diǎn)和多邊性關(guān)系判定大學(xué)生是否在教室內(nèi)上課，該過程如圖3所示。

圖3 自動化周期定位尋找過程

3.3.4 出勤結(jié)果可視化模塊

出勤結(jié)果模塊主要反映學(xué)生出勤情況。本學(xué)期即將結(jié)束時，學(xué)生可以登錄出勤系統(tǒng)查詢自己整學(xué)期出勤情況，學(xué)生可以向系統(tǒng)管理人員反饋?zhàn)约撼銮诮Y(jié)果的評價，與系統(tǒng)管理人員進(jìn)行交流，詳細(xì)流程如圖4所示。

圖4 出勤結(jié)果流程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了提升系統(tǒng)適用性與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性，本實(shí)驗(yàn)以應(yīng)用廣泛的物聯(lián)網(wǎng)為實(shí)驗(yàn)環(huán)境，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)限制在200m×200m 范圍內(nèi)，該部分左下角標(biāo)為(-100，-100)，右上角標(biāo)為(100，100)。未知節(jié)點(diǎn)處于原點(diǎn)(0，0)，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)不均勻分布該范圍內(nèi)，無線信號載波頻率約為5GHz。

采用所設(shè)計基于PGIS平臺的大學(xué)生日常出勤自動化管理系統(tǒng)對大學(xué)生用戶進(jìn)行定位，系統(tǒng)定位界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)定位界面

為了證實(shí)本系統(tǒng)定位精準(zhǔn)度，將本文系統(tǒng)與文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位誤差情況進(jìn)行對比，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)誤差越小，表明大學(xué)生日常出勤自動化管理系統(tǒng)的定位精度越高。系統(tǒng)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位誤差對比情況如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位誤差對比情況

通過圖6可知，文獻(xiàn)系統(tǒng)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位誤差每次都大于本文系統(tǒng)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位誤差，這是因?yàn)楸疚南到y(tǒng)通過用戶端接收定位邀請，自動調(diào)節(jié)定位接收端口的定位服務(wù)，并能實(shí)時更新位置，有效降低定位誤差。

根據(jù)圖7 可知，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)從0 開始，通信半徑從0 開始，按照步長為20m 一直增加到120m。隨著節(jié)點(diǎn)通信半徑增大，定位誤差曲線波動變越來越小，三種方法均能降低定位誤差，但文獻(xiàn)系統(tǒng)沒有使用GPS定位技術(shù)，不能將大學(xué)生出勤情況保存在Web 服務(wù)設(shè)備中，Web 服務(wù)設(shè)備無法進(jìn)行范圍查找，使得大學(xué)生定位誤差結(jié)果大于本文系統(tǒng)，為此本系統(tǒng)有效降低通信半徑定位誤差。

圖7 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)通信半徑下定位誤差對比情況

進(jìn)一步驗(yàn)證本文系統(tǒng)性能良好，將本文系統(tǒng)與文獻(xiàn)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)處理能力進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖8所示。

圖8 業(yè)務(wù)處理對比結(jié)果

圖8 中虛線為業(yè)務(wù)處理標(biāo)準(zhǔn)值500 個，可以看出本文方法在標(biāo)準(zhǔn)值之上，可得出系統(tǒng)并行管理能力強(qiáng)，反觀文獻(xiàn)方法并沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，是因?yàn)槲墨I(xiàn)方法沒有將維度地理位置數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與添入信息表中，并行處理能力不佳，處于標(biāo)準(zhǔn)線下，沒有辦法處理海量學(xué)生實(shí)時出勤信息。綜上本文系統(tǒng)業(yè)務(wù)處理效果極佳，更好地實(shí)現(xiàn)大學(xué)生日常出勤自動化管理。

5 結(jié)束語

智能設(shè)備不但擴(kuò)展數(shù)據(jù)獲取的途徑，還推動數(shù)據(jù)傳輸速度。人工智能、GPIS 定位技術(shù)以及自動化管理吸引人們的關(guān)注，從傳統(tǒng)教師手工記錄大學(xué)生出勤情況到定位自動化出勤；從教務(wù)人員手動查閱大學(xué)生出勤到網(wǎng)上自動查詢，學(xué)生出勤自動化管理系統(tǒng)愈來愈完善。本文系統(tǒng)雖取得一定效果，但課題研究時間有限，今后可以引入RFID、B/S 與C/S方法做更深一步研究。