■張佳盛，李光耀 Zhang Jiasheng & Li Guangyao

(浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江杭州 311300）

家庭安全問(wèn)題一直是社會(huì)熱議的焦點(diǎn)，隨著社會(huì)的發(fā)展，信息化程度大幅提高，智能化開(kāi)始走進(jìn)各個(gè)行業(yè)，也在促進(jìn)各個(gè)行業(yè)的發(fā)展。家居安防系統(tǒng)從傳統(tǒng)單純的門(mén)鎖到后來(lái)的監(jiān)控系統(tǒng)、警報(bào)系統(tǒng)，再到現(xiàn)在的智能化安防系統(tǒng)，人們的家庭安全問(wèn)題得到有效的保障，但是這其中還是可能會(huì)出現(xiàn)一些大大小小的問(wèn)題，利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，對(duì)家居安防系統(tǒng)進(jìn)行分析優(yōu)化，就可以解決其中的一些問(wèn)題，為人們的家庭安全提供保障。

1 智能家居安防系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

現(xiàn)階段，智能家居的應(yīng)用還比較少，大多數(shù)人群不能接受智能家居，對(duì)其概念比較模糊，認(rèn)為它是高端產(chǎn)品，因此沒(méi)有得到大范圍的普及[1]。而在安防方面人們更是謹(jǐn)慎有加，他們認(rèn)為在家庭安全方面，還是使用傳統(tǒng)的鎖具更能讓他們安心。

智能家居從發(fā)展到今天，已經(jīng)可以逐漸擺脫較為繁瑣和復(fù)雜的布線技術(shù)，如今智能家居的有效應(yīng)用，使得人們的生活更加的智能和安全[2]。但是現(xiàn)代智能家居各個(gè)系統(tǒng)之間互不兼容，很難形成一套完整的系統(tǒng)，智能安防系統(tǒng)也是如此，多以生產(chǎn)單品為主，如智能攝像頭、智能門(mén)鎖等，特定的產(chǎn)品只能發(fā)揮特定的功能，無(wú)法與其他產(chǎn)品產(chǎn)生聯(lián)系，形成互聯(lián)互通。傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)成本高，而且不能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在遠(yuǎn)距離傳輸方面也很受限，不能實(shí)現(xiàn)真正的遠(yuǎn)程監(jiān)控。隨著全球信息化的急速推進(jìn)，家裝數(shù)字化正在慢慢興起，人們的家居生活也在慢慢向智能化方向發(fā)展，安防系統(tǒng)更是人們考慮家居安全問(wèn)題的重中之重。人們需要的不僅僅是家庭的溫馨，同時(shí)他們會(huì)格外重視可能存在的安全隱患，如煤氣的泄漏、意外火災(zāi)、入室盜竊等問(wèn)題，如果能對(duì)這些情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并及時(shí)告知戶(hù)主，就能避免一些重大損失。另外，如果其系統(tǒng)在事故發(fā)生的過(guò)程中能夠進(jìn)行智能判斷并緊急處理，這樣就能為更多的人群帶來(lái)安心。

目前大部分的用戶(hù)家里只是一些單獨(dú)運(yùn)行的智能家電，并非完善的智能家居安防系統(tǒng)[3]。一方面是現(xiàn)有的技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)的互聯(lián)互通，另一方面就是人們很難接受整個(gè)安防都是由一個(gè)系統(tǒng)來(lái)完成，擔(dān)心現(xiàn)有的智能技術(shù)還不成熟。為此，利用現(xiàn)有技術(shù)解決現(xiàn)代家居安防系統(tǒng)不完善的問(wèn)題就成了重中之重，如虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中信息顯示和實(shí)時(shí)反饋是構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)中的關(guān)鍵所在[4]。

2 智能家居安防系統(tǒng)的構(gòu)成部分

2.1 門(mén)禁系統(tǒng)

■圖1 門(mén)禁系統(tǒng)

■圖2 安防監(jiān)控系統(tǒng)

■圖3 警報(bào)系統(tǒng)

門(mén)禁系統(tǒng)在現(xiàn)代社會(huì)應(yīng)用十分廣泛，為了滿足現(xiàn)代智慧城市的發(fā)展需求，門(mén)禁系統(tǒng)也在不斷升級(jí)。門(mén)禁系統(tǒng)從最初的感應(yīng)卡技術(shù)到非接觸式智能卡技術(shù)再到現(xiàn)在的智能門(mén)禁系統(tǒng)，不僅在技術(shù)上有了巨大的提升，安全方面也愈加可靠[5]。近年來(lái)，隨著人們家居安全意識(shí)的提高，門(mén)禁系統(tǒng)也得到飛速發(fā)展，各種利用身份卡、指紋等生物識(shí)別的技術(shù)完善家居安防，門(mén)禁系統(tǒng)也隨之漸漸進(jìn)入成熟期（圖1）。門(mén)禁系統(tǒng)能夠通過(guò)記錄存儲(chǔ)所有人員的進(jìn)出記錄，然后通過(guò)管理平臺(tái)進(jìn)行查詢(xún)管理。管理人員還能根據(jù)實(shí)際對(duì)突發(fā)狀況進(jìn)行合理授權(quán)，這樣也大大節(jié)省在人員管理上的時(shí)間。隨著人工智能的逐漸完善，各種門(mén)禁系統(tǒng)基本利用生物識(shí)別的技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其未來(lái)發(fā)展將越來(lái)越趨向于智能化。未來(lái)的門(mén)禁系統(tǒng)不僅僅是防止陌生外來(lái)人員的進(jìn)入、查看訪客記錄等，它可以?xún)?chǔ)存各類(lèi)人員的身份信息，并為其創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別、精準(zhǔn)認(rèn)證等。門(mén)禁系統(tǒng)將在管理和安全方面有一個(gè)巨大的飛躍，減少了不必要的操作流程，更好地保障人們的家庭安全。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)

傳統(tǒng)的家居監(jiān)控系統(tǒng)就是攝像頭監(jiān)控，人們不能一直看著監(jiān)控，所以就不能實(shí)時(shí)觀測(cè)突發(fā)狀況，基本都是在事后查詢(xún)?cè)颍@就造成了效率低下的問(wèn)題。另外，它們無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，智能化程度不高，所以現(xiàn)代智能家居監(jiān)控系統(tǒng)就需要解決這些問(wèn)題。這類(lèi)系統(tǒng)通過(guò)視頻監(jiān)控，可以辨別出視頻中的動(dòng)態(tài)事物，然后自動(dòng)拍攝照片，通過(guò)短信、郵件提醒戶(hù)主。當(dāng)然，這其中也可能會(huì)由于動(dòng)物的誤觸造成誤報(bào)，所以就需要感應(yīng)器對(duì)目標(biāo)體型和大小進(jìn)行分析判斷，避免類(lèi)似的問(wèn)題。在夜晚場(chǎng)景，攝像頭監(jiān)測(cè)的畫(huà)面可能會(huì)不清晰，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)的人形偵測(cè)技術(shù)就可以判斷是否有人進(jìn)入。

現(xiàn)代黑客利用科技手段，對(duì)各類(lèi)安防系統(tǒng)進(jìn)行破解，尤其監(jiān)控系統(tǒng)受害最為嚴(yán)重。他們能控制監(jiān)控系統(tǒng)，使監(jiān)控的畫(huà)面一直定格在某一瞬間，這樣監(jiān)控系統(tǒng)就不能監(jiān)測(cè)到異常，也就無(wú)法發(fā)出警報(bào)提醒戶(hù)主了。未來(lái)隨著AI技術(shù)和5G網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展，利用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等方法可以使家庭安防監(jiān)控系統(tǒng)更加完善，不僅僅是簡(jiǎn)單的畫(huà)面監(jiān)測(cè)，還包含對(duì)家庭室內(nèi)溫度、濕度、空氣質(zhì)量、煙霧情況等的遠(yuǎn)程監(jiān)控。安防監(jiān)控系統(tǒng)所包含的攝像、傳輸、控制、顯示以及存儲(chǔ)系統(tǒng)，能夠?qū)φ麄€(gè)家庭情況更加全面的了解（表1）。監(jiān)控過(guò)程中若發(fā)生緊急情況，就會(huì)通過(guò)警報(bào)系統(tǒng)提醒戶(hù)主。

2.3 警報(bào)系統(tǒng)

家庭警報(bào)系統(tǒng)主要是進(jìn)行家庭內(nèi)部防衛(wèi)探測(cè)，通過(guò)傳感器探測(cè)室內(nèi)異常情況，如聲音探測(cè)器、紅外探測(cè)器、雙鑒移動(dòng)探測(cè)器等。一旦這些傳感器被觸發(fā)，就會(huì)自動(dòng)向戶(hù)主發(fā)送警報(bào)信息，此外還會(huì)向物業(yè)管理中心提交報(bào)警數(shù)據(jù)，系統(tǒng)也會(huì)實(shí)時(shí)顯示具體報(bào)警地點(diǎn)和詳細(xì)信息，以便及時(shí)高效地處理事件。

然而，目前大部分的警報(bào)系統(tǒng)只是停留在提醒人群的階段，不能做到自主處理緊急事件，這就可能會(huì)錯(cuò)過(guò)處理的最佳時(shí)間（圖2）。所以，要實(shí)現(xiàn)警報(bào)系統(tǒng)真正意義上的智能化設(shè)計(jì)，就需要利用現(xiàn)有的智能化技術(shù)，對(duì)家庭警報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和完善。一旦家庭警報(bào)被觸發(fā)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)被觸發(fā)的傳感器類(lèi)型進(jìn)行分析是何種事件，然后第一時(shí)間通過(guò)緊急信息和郵件發(fā)送給戶(hù)主，若戶(hù)主能夠及時(shí)看到信息并給出合適的處理方法，系統(tǒng)就可以根據(jù)其方法及時(shí)處理，但如果戶(hù)主不能及時(shí)處理或者無(wú)應(yīng)對(duì)對(duì)策時(shí)，系統(tǒng)可以自主分析實(shí)際情況，然后選擇最優(yōu)解進(jìn)行處理。這樣不僅可以提高事件處理的效率，還能避免重大損失。

3 機(jī)器學(xué)習(xí)方法在智能家居安防系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 監(jiān)督學(xué)習(xí)和無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)

機(jī)器學(xué)習(xí)算法根據(jù)訓(xùn)練樣本是否帶有標(biāo)記，可以將學(xué)習(xí)算法分為監(jiān)督學(xué)習(xí)和無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)[6]。監(jiān)督學(xué)習(xí)最大的特點(diǎn)可以控制誤差范圍，無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)其主要的特點(diǎn)就是輸入的數(shù)據(jù)沒(méi)有人為的標(biāo)注，計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)分析，把相關(guān)的數(shù)據(jù)整合到一起，就是所謂的聚類(lèi)分析[7]。利用監(jiān)督式學(xué)習(xí)，可以對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，并得出誤差值，然后我們對(duì)誤差值進(jìn)行分析比較，并適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，得到允許范圍內(nèi)的誤差值，這樣我們就能提前得知比較理想的結(jié)果。監(jiān)督式學(xué)習(xí)依賴(lài)于數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的結(jié)果，這在解決一般問(wèn)題時(shí)比較方便高效，但是遇到無(wú)法預(yù)知的錯(cuò)誤時(shí)，這種學(xué)習(xí)方法也無(wú)法適用了。而無(wú)監(jiān)督式學(xué)習(xí)可以根據(jù)外界環(huán)境的變化進(jìn)行自身參數(shù)和結(jié)構(gòu)的調(diào)整，靈活性大大提升。將其應(yīng)用在智能家居安防系統(tǒng)中，可以提高系統(tǒng)的自我學(xué)習(xí)能力，為以后系統(tǒng)的優(yōu)化和升級(jí)打好基礎(chǔ)。在智能化門(mén)禁系統(tǒng)中，就可以利用監(jiān)督學(xué)習(xí)和無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)的方法對(duì)進(jìn)出入人群進(jìn)行聚類(lèi)分析，然后通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，對(duì)新訪客進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份，每過(guò)一段時(shí)間集中整理。這樣，以后在對(duì)來(lái)往人員進(jìn)行查找時(shí)也會(huì)十分方便高效。

3.2 智能模擬

機(jī)器學(xué)習(xí)方法可以模擬以人類(lèi)為基礎(chǔ)的生活方式，搭建生理學(xué)模型模擬人類(lèi)行為方式機(jī)制[8]，這樣能更好地讓安防系統(tǒng)與人類(lèi)生活方式相互配套，也能更好地適應(yīng)人的生活習(xí)慣。另外，利用智能模擬搭建實(shí)用的學(xué)習(xí)模型和輔助工具，不僅可以在智能安防方面積累更多的知識(shí)，還可以在系統(tǒng)完善和智能控制等方面獲取更強(qiáng)的智能水平。在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，機(jī)器學(xué)習(xí)將從人類(lèi)的學(xué)習(xí)能力出發(fā)，完全可以作為學(xué)習(xí)輔助手段與人類(lèi)生活密切結(jié)合，這將大大縮短學(xué)習(xí)時(shí)間，還能代替完成一些復(fù)雜繁瑣的工作。智能監(jiān)控系統(tǒng)就可以通過(guò)模擬各類(lèi)情況進(jìn)行自主判斷異常，如模擬外人進(jìn)入和動(dòng)物誤闖誤觸的情形，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)威脅的等級(jí)進(jìn)行不同方式的處理。

■表1 安防監(jiān)控系統(tǒng)

智能模擬需要提前預(yù)設(shè)模型，對(duì)各種場(chǎng)景進(jìn)行真實(shí)還原，然后增設(shè)目標(biāo)物，提前預(yù)知可能出現(xiàn)的所有結(jié)果，這樣就可以避免實(shí)驗(yàn)失敗而重新設(shè)置場(chǎng)景模型。模擬成功后，就可以將其應(yīng)用在真實(shí)場(chǎng)景中，以便快速地融入和適應(yīng)當(dāng)前場(chǎng)景。智能模擬駕駛就是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)預(yù)設(shè)駕駛場(chǎng)景，以便人們有更真實(shí)的駕駛體驗(yàn)（圖3）。目前還有智能模擬人用于臨床實(shí)踐，它會(huì)模擬各種臨床病例中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，可以大大鍛煉臨床技能。

3.3 智能決策

利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法可以代替人工進(jìn)行智能決策。智能決策所依靠的是數(shù)據(jù)庫(kù)中的大量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整合，然后為決策提供更多的選擇，并從中找出最優(yōu)解。人類(lèi)在遇到緊急情況時(shí)，可能會(huì)因?yàn)橐粫r(shí)的著急而做出不是很正確的判斷，而智能決策裝置就可以在此時(shí)發(fā)揮作用，處理較為關(guān)鍵的問(wèn)題。尤其在安防這類(lèi)極為重要的系統(tǒng)中，越是在緊急的情況下，越是要頭腦冷靜。利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，將其應(yīng)用在智能家居安防系統(tǒng)中，不僅可以節(jié)省大量的人腦思考時(shí)間，還能為智能家居領(lǐng)域提供一個(gè)好的借鑒范例。當(dāng)今世界發(fā)展已進(jìn)入一個(gè)前所未有的階段，機(jī)器逐漸代替人類(lèi)完成一系列復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析和判斷的工作，人工智能也隨著智能決策的出現(xiàn)完成重大突破，機(jī)器學(xué)習(xí)的方法在今后的發(fā)展中將會(huì)越來(lái)越重要。機(jī)器學(xué)習(xí)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)人工智能的算法，還能在此基礎(chǔ)上衍生出更多的新型算法，為以后可能出現(xiàn)的陌生場(chǎng)景問(wèn)題提供解決方案。另外，智能決策中的自主對(duì)抗決策通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理而預(yù)測(cè)出具有威脅的目標(biāo)，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行干擾和控制模擬，根據(jù)大量數(shù)據(jù)的計(jì)算得出每種決策背后可能造成的后果，從而找到最優(yōu)對(duì)抗決策[9]。

在智能警報(bào)系統(tǒng)中，利用智能決策就可以對(duì)觸發(fā)警報(bào)的目標(biāo)進(jìn)行分析判斷并在第一時(shí)間自主處理，不僅可以及時(shí)處理威脅，還能在最大程度降低損失[10]。智能決策使得家居系統(tǒng)逐漸趨向人性化，不再需要人為的干預(yù)，進(jìn)而節(jié)省大量時(shí)間，為人們分擔(dān)更多復(fù)雜瑣碎的事情[11]。門(mén)禁、監(jiān)控和警報(bào)系統(tǒng)決定了整個(gè)家居安防的穩(wěn)固性，這三個(gè)部分是密切聯(lián)系且不可分割的，要實(shí)現(xiàn)整個(gè)安防系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定，必須要達(dá)到系統(tǒng)間的互聯(lián)互通。利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，通過(guò)監(jiān)督學(xué)習(xí)、智能模擬、智能決策等，可以讓傳統(tǒng)家居系統(tǒng)發(fā)生翻天覆地的變化，適應(yīng)現(xiàn)代智慧城市的發(fā)展，為人們創(chuàng)造一個(gè)安全、舒適、和諧的大家居環(huán)境[12]。

4 結(jié)語(yǔ)

智能家居在近年來(lái)得到了巨大的發(fā)展，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器學(xué)習(xí)方法也在不斷優(yōu)化，安防系統(tǒng)也會(huì)因此更加穩(wěn)固。在目前看來(lái)，智能安防系統(tǒng)還不夠完善，而利用現(xiàn)有的學(xué)習(xí)方法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使其達(dá)到互聯(lián)互通，為人們的家庭安全提供更有效的保障，這也是未來(lái)需要繼續(xù)深化研究和不斷完善的。