基于校園一卡通系統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘研究*

李珊珊，焦寶臣，曲 申，張 瑋，楊 陽，張四海

（南開大學(xué) 信息化建設(shè)與管理辦公室，天津300071）

一、引言

校園一卡通系統(tǒng)是智慧校園的重要組成部分[1-5]，是學(xué)校信息化建設(shè)的重要基礎(chǔ)。目前，人們更多地集中在如何建設(shè)和運營一卡通系統(tǒng)，而對于系統(tǒng)中沉淀的大量消費、行為數(shù)據(jù)，通常缺乏有效的分析、整理和利用。隨著一卡通應(yīng)用的不斷擴展，校園一卡通已由最初的小額消費卡，變?yōu)閷W(xué)生證、借閱證、門禁卡、考勤卡、公交卡，甚至能夠應(yīng)用于學(xué)籍注冊、自助文印、學(xué)費繳納、體育場館預(yù)定、體能測試等場景[6-8]?？梢哉f，一卡通已成為數(shù)字化校園生活最重要的載體和最直觀的體現(xiàn)。

隨著時間的推移，一卡通系統(tǒng)里累積了大量消費和行為數(shù)據(jù)。對一卡通數(shù)據(jù)進行深度分析，特別是基于大數(shù)據(jù)理論，從大量復(fù)雜、無序的原始數(shù)據(jù)中提取有價值的信息，找出數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，具有非常重要的意義[9-12]。

本文首先對南開大學(xué)一卡通系統(tǒng)進行了簡介，然后，以食堂交易流水?dāng)?shù)據(jù)為研究對象，采用抽樣的方法對師生的消費模式和行為規(guī)律進行研究。在對539376條交易流水?dāng)?shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，本科生的食堂就餐比例最高，在一層快餐和二層美食廣場的就餐比例分別高達68.57%和77.88%；教工的就餐比例最低，分別為5.33%和4.55%；師生在工作日和節(jié)假日的就餐習(xí)慣有較大差異，節(jié)假日食堂就餐人數(shù)顯著減少，時間更為分散，用餐高峰更為平緩；對于快餐和美食廣場這兩種不同業(yè)態(tài)的商戶，師生就餐規(guī)律有較大差異，分別對其進行詳細分析；最后探討了新校區(qū)搬遷對本部食堂的影響。研究發(fā)現(xiàn)，搬遷前，食堂工作日午餐高峰時段人數(shù)偏多，F(xiàn)1、F2時段（11:00-12:00）的平均刷卡次數(shù)高達3706次，易發(fā)生擁擠現(xiàn)象；搬遷后，F(xiàn)1、F2時段平均刷卡次數(shù)減少為2373次。新校區(qū)搬遷有效緩解了食堂就餐擁擠的狀況。搬遷后，雖然師生總?cè)藬?shù)減少了一半，但高峰時段就餐人數(shù)只減少了約1/3，這表明改善食堂就餐環(huán)境會吸引更多師生在食堂就餐。對一卡通數(shù)據(jù)進行深入研究，有助于學(xué)校實時掌握師生的行為規(guī)律、給出有效的趨勢預(yù)測、優(yōu)化資源配置，對學(xué)校相關(guān)管理部門進行科學(xué)決策具有重要意義。

二、南開大學(xué)一卡通系統(tǒng)簡介

南開大學(xué)一卡通系統(tǒng)始建于2007年，系統(tǒng)經(jīng)歷了多年的發(fā)展和不斷完善。圖1給出了南開大學(xué)一卡通系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖。它是一個運行在一卡通專用網(wǎng)絡(luò)上、基于C/S架構(gòu)的多應(yīng)用集成系統(tǒng)。按照系統(tǒng)功能，可以劃分為數(shù)據(jù)層、平臺層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。數(shù)據(jù)層是一卡通系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲中心。對內(nèi)，它為一卡通系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持；對外它負責(zé)與全校統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心進行交互和同步，并為教務(wù)、人事、學(xué)工等系統(tǒng)提供預(yù)留接口，從而實現(xiàn)未來與各個系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的對接。平臺層是一卡通系統(tǒng)的運營管理中心，它包括電子支付和身份認證兩大平臺。一卡通專網(wǎng)為系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸和交互提供專用通道。

圖1 南開大學(xué)一卡通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

應(yīng)用層是一卡通系統(tǒng)中最復(fù)雜、最貼近用戶的一層，它為用戶提供各種應(yīng)用服務(wù)。具體包括充值系統(tǒng)、消費支付系統(tǒng)、身份認證系統(tǒng)以及其他第三方應(yīng)用系統(tǒng)。南開大學(xué)一卡通充值系統(tǒng)能夠為師生提供現(xiàn)金充值、銀行圈存轉(zhuǎn)賬、網(wǎng)絡(luò)、手機APP四種充值方式，方便廣大師生的使用。消費支付系統(tǒng)支持在食堂、超市、浴室等場所的刷卡消費，同時還支持圖書逾期的自動扣款，網(wǎng)費繳納以及自助文印扣款等應(yīng)用。身份認證系統(tǒng)包括所有需要身份識別的場景，包括宿舍/學(xué)院的門禁系統(tǒng)、圖書館的通道機系統(tǒng)、考試、車輛管理等場景。其他應(yīng)用系統(tǒng)指的是在物理上使用一卡通卡片進行操作，而實際產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不回傳至一卡通數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)通過弱耦合或不耦合的方式與一卡通系統(tǒng)連接，間接應(yīng)用一卡通的卡片信息。這類應(yīng)用包括學(xué)生成績單、在籍證明的自助打印、體能測試、體育館場地預(yù)定、自助洗衣等等。隨著10年來的建設(shè)和不斷完善，南開大學(xué)一卡通系統(tǒng)已經(jīng)形成了以專用網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以一卡通平臺系統(tǒng)為核心，具有相當(dāng)安全性、健壯性和擴展性的應(yīng)用系統(tǒng)。

三、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果

1.預(yù)處理——時間離散化

南開大學(xué)全校共有師生34771人，其中學(xué)生29830人，教職員工4941人。每天產(chǎn)生的消費交易流水?dāng)?shù)據(jù)在5萬條左右，一年的數(shù)據(jù)量有幾千萬條，數(shù)據(jù)文件在10Gb以上。我們采用抽樣的方法對一卡通食堂消費產(chǎn)生的交易流水?dāng)?shù)據(jù)進行詳細分析。南開大學(xué)本部共有三個學(xué)生食堂，其中第二學(xué)生食堂是規(guī)模最大、業(yè)態(tài)最全、產(chǎn)生交易流水?dāng)?shù)量最多的食堂。因此我們選取該食堂的數(shù)據(jù)進行分析。共提取了539,376條交易流水?dāng)?shù)據(jù)，其中包括2015年4月的317,662條和2016年4月的221,714條。

數(shù)據(jù)處理采用Matlab2015b和Origin9.0。首先對一卡通系統(tǒng)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)文件進行預(yù)處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為符合要求的CSV文件，采用Matlab編程進行數(shù)據(jù)清洗。包括格式化數(shù)據(jù)，檢查數(shù)據(jù)一致性，清除無用數(shù)據(jù)，去掉學(xué)生姓名、電話、身份證號等敏感信息等操作。方便對數(shù)據(jù)做進一步的統(tǒng)計分析。

為研究學(xué)生的消費習(xí)慣和規(guī)律，我們首先對時間進行離散化處理，每半小時為一個時段，一天24個小時共分為48個時段。因為食堂的營業(yè)時間是從早6:00至晚21:00，我們僅對這期間的30個時間段進行統(tǒng)計。為研究方便，我們用字母編號來代表每個時間段。表1給出了將食堂營業(yè)時間離散化后，字母編號和相應(yīng)時間段的關(guān)系。

表1 食堂營業(yè)時間離散化——字母編號和各對應(yīng)時段的關(guān)系

這樣，以每半個小時為一個時段，統(tǒng)計每個時段刷卡交易次數(shù)，制作次數(shù)分布表和次數(shù)分布圖，就可以對師生在食堂的消費情況進行詳細分析。

2.整體消費情況分析

南開大學(xué)二食堂一層為普通快餐，二層為美食廣場，兩層的業(yè)態(tài)、經(jīng)營模式和營業(yè)時間都有所不同。因此我們對兩層的數(shù)據(jù)分別進行統(tǒng)計分析。

圖2 不同身份群體在食堂刷卡消費所占比例

圖2給出了不同身份群體在食堂刷卡消費所占的比例?？梢钥闯觯究粕谑程镁筒偷谋壤畲?，一層為68.57%，二層為77.88%。碩士和博士在食堂就餐的比例接近，且在一層就餐的比例更大。而教工在食堂就餐的比例最低。這主要是因為教工群體總?cè)藬?shù)較少，且很多住在學(xué)校附近的教工會選擇回家吃飯。表2給出了本科生、碩士、博士和教工在食堂的平均消費?？梢钥闯觯谑程靡粚硬煌矸莸南M群體平均消費非常接近，在6.03元-6.43元之間。在二層美食廣場，本科生的平均消費最低，為9.35元；碩士和博士的平均消費接近，分別為10.32元和10.64元；教工的平均消費最高，為11.12元。

表2 不同身份群體在食堂的平均消費

3.基于時段的食堂消費數(shù)據(jù)分析

前面我們已經(jīng)將食堂交易流水信息按照發(fā)生時間進行離散化。統(tǒng)計不同時段食堂消費的刷卡次數(shù)，能夠讓我們清晰的看到食堂的就餐曲線圖，找到每日的就餐高峰，分析食堂資源配置是否合理。

圖3給出了食堂一層在不同時段刷卡的次數(shù)分布圖。其中橫坐標(biāo)為時段，字母編號和時間段的對應(yīng)關(guān)系如表1所示；縱坐標(biāo)為在某一時間段內(nèi)的平均刷卡次數(shù)，該值為2015年4月份30天刷卡的平均值?？梢钥闯觯谥形绾屯砩戏謩e出現(xiàn)兩個用餐高峰，中午為11:00-12:00（F1，F(xiàn)2 時段），晚上為 17:00-18:00（L1，L2 時段）。午餐的用餐高峰更加尖銳，說明中午師生用餐更加集中，更容易發(fā)生擁擠。交易次數(shù)最多的時段為11:00-11:30，共刷卡1327次。晚上的用餐高峰較為平緩，說明師生晚上就餐較為分散。刷卡次數(shù)最多的時段為17:00-17:30，共刷卡798次，遠少于中午高峰時段的刷卡次數(shù)。

圖3 食堂一層不同時段的刷卡次數(shù)分布圖

圖3同時也給出了每個時間段刷卡次數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差?？梢钥吹?，在用餐高峰，刷卡次數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差非常大。說明師生每天的刷卡次數(shù)有較大差異。這主要是由于工作日和節(jié)假日用餐人數(shù)和用餐時間會有較大差別。因此有必要分別對工作日和節(jié)假日的消費數(shù)據(jù)進行討論。

圖4 食堂一層工作日和節(jié)假日的刷卡次數(shù)分布對比圖

圖4給出了食堂一層工作日和節(jié)假日的消費數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，兩條曲線發(fā)生顯著分裂，高峰時段刷卡次數(shù)數(shù)值有較大差異，且兩組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差顯著減少，這說明節(jié)假日和工作日的消費數(shù)據(jù)的確存在很大差距。由圖可知，節(jié)假日和工作日的刷卡次數(shù)分布具有相同的趨勢，在中午和晚上都同樣出現(xiàn)了兩個用餐高峰。中午刷卡次數(shù)最多的時段都為11:00-11:30，其中工作日平均刷卡次數(shù)為1567次；節(jié)假日平均刷卡次數(shù)為769次，約為工作日的一半。晚上刷卡次數(shù)最多的時段為17:00-17:30，其中工作日平均刷卡次數(shù)為912次；節(jié)假日平均刷卡次數(shù)為532次，同樣約為工作日的一半。因此節(jié)假日的用餐人數(shù)更少，用餐高峰更為平緩，不會出現(xiàn)人多擁擠的情況。食堂可以少準(zhǔn)備一些食材，或關(guān)閉部分窗口，以提高資源利用率。

圖5 食堂二層美食廣場工作日和節(jié)假日的刷卡次數(shù)分布對比圖

對于二層美食廣場，我們同樣給出區(qū)分工作日和節(jié)假日的刷卡次數(shù)分布圖。如圖5所示，與一層快餐類似，二層美食廣場節(jié)假日和工作日不同時段的刷卡次數(shù)分布具有相同的趨勢，同樣在中午和晚上出現(xiàn)兩個用餐高峰。中午刷卡次數(shù)最多的時段為11:30-12:00，比一層晚半個小時，其中工作日平均刷卡次數(shù)為680次；節(jié)假日平均刷卡次數(shù)為423次，約為工作日的2/3。而在13點以后，節(jié)假日就餐人數(shù)略多于工作日。工作日晚上刷卡次數(shù)最多的時段為17:00-17:30，日均刷卡次數(shù)為535次；而節(jié)假日晚上用餐高峰較為平緩，在17:00-17:30，17:30-18:00，18:00-18:30三個時段的刷卡次數(shù)比較接近，分別為386，395和372次。這說明師生的晚餐時間更為分散，因此不會出現(xiàn)人多擁擠的情況。同樣，在18點以后，節(jié)假日就餐人數(shù)也要略多于工作日?？傮w來說二層美食廣場節(jié)假日的就餐人數(shù)只是略少于工作日，對商戶沒有顯著影響。

圖6 食堂一層和二層的刷卡次數(shù)分布對比圖

接下來討論師生在不同業(yè)態(tài)商戶的就餐規(guī)律。圖6給出了工作日二食堂一層快餐和二層美食廣場的刷卡次數(shù)對比圖。由圖可知，在用餐高峰，一層的刷卡次數(shù)遠大于二層美食廣場。一層的用餐高峰更加尖銳，說明一層用餐更加集中。二層用餐高峰相對平緩，這說明二層用餐時間相對分散。在午餐時間，一層刷卡次數(shù)峰值出現(xiàn)在11:00-11:30，超過12:30刷卡次數(shù)急劇減小。而二層美食廣場，在13:00-13:30平均刷卡次數(shù)仍然超過100次。這說明二層美食廣場采取單點現(xiàn)做的方式，延長營業(yè)時間，能夠為錯過用餐時間，或想錯峰就餐的師生更好的提供餐飲服務(wù)。這能夠有效的緩解就餐高峰壓力。晚間就餐情況也出現(xiàn)類似的趨勢，一層18：30以后就餐人數(shù)非常少，而二層美食廣場直到21點仍有人刷卡就餐。

最后，我們想討論校區(qū)搬遷對食堂就餐人數(shù)的影響。南開大學(xué)于2015年9月開始部分搬遷到新校區(qū)。搬遷師生的數(shù)量約為師生總數(shù)的一半。統(tǒng)計2015年4月和2016年4月食堂工作日每個時段的平均刷卡次數(shù)（包括一層和二層），如圖7所示。從圖中可以看出，雖然本部有約一半的師生搬遷到新校區(qū)，但由于食堂就餐環(huán)境的改善，高峰時段就餐擁擠狀況的緩解，食堂的就餐人數(shù)并沒有減少為原來的一半。搬遷前，食堂午餐高峰時段F1，F(xiàn)2（11:00-12:00）的平均刷卡次數(shù)為 3706次；搬遷后，刷卡次數(shù)變?yōu)?373次，人數(shù)減少了約1/3。搬遷前，晚餐 L1、L2時段（17:00-18:00）的平均刷卡次數(shù)為2378次，搬遷后變?yōu)?481次，同樣減少了約1/3。這說明搬遷后，由于本部食堂環(huán)境改善，就餐擁擠情況得到了有效緩解，使得一部分之前在校外就餐的師生重新選擇在食堂就餐。

圖7 2015年4月和16年4月食堂刷卡次數(shù)對比

四、總結(jié)和展望

一卡通系統(tǒng)猶如一臺日夜不停的采礦機，采集的數(shù)據(jù)就好比大量粗礦石，等待我們?nèi)闹刑釤捊鹱?。原始?shù)據(jù)都是孤立和無序的，需要采用科學(xué)合理的算法構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，找到數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)。在此基礎(chǔ)上，如果能進一步開發(fā)出一套有效的決策支撐系統(tǒng)，將會為校領(lǐng)導(dǎo)和相關(guān)部門的科學(xué)決策提供非常有力的數(shù)據(jù)支撐。這些工作值得我們付出大量時間和精力去深入研究。

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