基于云計算平臺的國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院智慧校園設(shè)計構(gòu)想

楊祥來 馬鳳霞 喬 磊 丁 揚 馬 濱

國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院信息中心 山東 濟南 250002

0 引言

隨著移動互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)分析等先進信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化校園向智慧校園過渡已經(jīng)成為教育信息化發(fā)展的必然趨勢。智慧校園依托先進的信息化技術(shù)和手段，優(yōu)化校園信息流和業(yè)務(wù)流，整合院區(qū)信息化資源，通過一站式服務(wù)平臺向廣大師生提供個性化、智能化的信息服務(wù)［1］。

國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院自2008年正式組建以來，在一體化平臺及業(yè)務(wù)應(yīng)用建設(shè)、信息安全保障等信息化工作方面都取得了較大進步。截止目前學(xué)院已建成高速、穩(wěn)定的信息內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)，建成內(nèi)外網(wǎng)虛擬資源平臺、云終端系統(tǒng)等數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)平臺，建成ERP、財務(wù)管控、培訓(xùn)管理信息系統(tǒng)等各類業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，提升了學(xué)院在管理運營、培訓(xùn)教學(xué)和綜合服務(wù)等各方面的工作效率，全面建成了穩(wěn)定可控、高效有序的數(shù)字化校園。但是在數(shù)字校園建設(shè)過程中忽視了資源共享和業(yè)務(wù)協(xié)同，存在重建設(shè)輕應(yīng)用、集中建設(shè)分散使用等部分問題，導(dǎo)致各業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間存在一定的信息孤島與數(shù)字鴻溝［2］。智慧校園能夠?qū)崿F(xiàn)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)整合和互聯(lián)互通，將龐大復(fù)雜的培訓(xùn)教學(xué)、運營管理、綜合保障等業(yè)務(wù)應(yīng)用及課件資源，抽象為簡單、便捷、智能且具有良好用戶體驗的個性化定制服務(wù)，最終實現(xiàn)學(xué)院培訓(xùn)教學(xué)資源動態(tài)分配和信息服務(wù)自助化獲取。

1 智慧校園內(nèi)涵特征及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 智慧校園內(nèi)涵特征

國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院智慧校園建設(shè)將遵循 “服務(wù)指導(dǎo)、強化協(xié)同、分步實施”的基本原則，重視基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源整合，融合服務(wù)和管理理念，依托云計算技術(shù)分步分批建成各類業(yè)務(wù)應(yīng)用［3］，充分利用智能手機終端，為學(xué)員學(xué)生和教職員工提供便捷的一站式學(xué)習(xí)生活、培訓(xùn)教學(xué)等信息化服務(wù)。

1）資源共享，網(wǎng)絡(luò)融合

智慧校園建設(shè)將有效整合信息軟硬件資源，實現(xiàn)資源動態(tài)分配、負載均衡，有效提高資源利用率。利用Hadoop云計算平臺搭建服務(wù)器集群，形成多業(yè)務(wù)運行、多資源共享的一體化應(yīng)用平臺；實施“院區(qū)無線全覆蓋”工程，實現(xiàn)信息網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等多網(wǎng)融合的一體化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

2）業(yè)務(wù)協(xié)同，服務(wù)產(chǎn)品化

有效梳理各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)間關(guān)系，建設(shè)集中數(shù)據(jù)中心和異地災(zāi)備中心，實現(xiàn)應(yīng)用接口統(tǒng)一管理、數(shù)據(jù)資源集中共享；專業(yè)設(shè)計培訓(xùn)教學(xué)“服務(wù)化”模型，搭建校園公共服務(wù)體系，實現(xiàn)應(yīng)用服務(wù)產(chǎn)品化。

3）智能管理，科學(xué)決策

智慧校園設(shè)計將充分重視數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)展現(xiàn)能力建設(shè)，將數(shù)據(jù)視為基礎(chǔ)資源，采用大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)構(gòu)建一體化綜合服務(wù)平臺，為學(xué)院師生提供學(xué)習(xí)行為分析，為院區(qū)運營提供智能管理，為學(xué)院發(fā)展提供科學(xué)智慧決策。

1.2 智慧校園關(guān)鍵技術(shù)

1）云計算技術(shù)

云計算技術(shù)在教育領(lǐng)域已經(jīng)得到了較好的推廣應(yīng)用，國內(nèi)外多家教育機構(gòu)都相繼提出了“教育云”概念。云計算以基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）、平臺即服務(wù)（PaaS）、軟件即服務(wù)（SaaS）三層次向用戶提供信息化服務(wù)［4］，具有可靠性高、易擴展、虛擬化等特點，顛覆和改變了傳統(tǒng)的信息化架構(gòu)和業(yè)務(wù)應(yīng)用部署模式。IBM、Google等IT企業(yè)陸續(xù)推出了各自的教育云服務(wù)平臺，但應(yīng)用和開發(fā)成本較高，不適用于普通中高等學(xué)校［5］。智慧校園設(shè)計中將考慮應(yīng)用開源Hadoop平臺搭建云計算平臺［6］，利用學(xué)?？蒲袃?yōu)勢開展相關(guān)研究，為智慧校園建設(shè)提供基礎(chǔ)平臺和業(yè)務(wù)架構(gòu)支撐。

Hadoop平臺是Apache基金會支持開發(fā)的開分布式存儲與計算系統(tǒng)，該平臺框架最核心的設(shè)計是HDFS和Map Reduce。其中HDFS是一個高容錯、高數(shù)據(jù)傳輸率的分布式文件系統(tǒng)（Hadoop Distributed File System），為海量的數(shù)據(jù)提供了存儲平臺，是Google File System （GFS）的開源實現(xiàn)。Map Reduce為分布式并行計算編程模型，為并行處理海量數(shù)據(jù)提供了軟件框架，是Google Map Reduce的開源實現(xiàn)。

2）大數(shù)據(jù)分析技術(shù)

學(xué)院數(shù)字化校園建設(shè)過程中積累了大量的結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，通過利用數(shù)據(jù)挖掘、機器學(xué)習(xí)等技術(shù)手段對海量歷史和實時數(shù)據(jù)進行挖掘分析［7－8］，實現(xiàn)校園信息化建設(shè)從數(shù)字化到數(shù)據(jù)化的過渡，智能分析學(xué)員學(xué)生生活習(xí)慣和學(xué)習(xí)狀態(tài)，為學(xué)院培訓(xùn)教學(xué)業(yè)務(wù)提供科學(xué)的智能決策。

3）移動互聯(lián)技術(shù)

隨著移動通信技術(shù)和智能手機終端的發(fā)展，移動互聯(lián)技術(shù)不斷影響和改變著人們的生活工作習(xí)慣。在院區(qū)內(nèi)推廣應(yīng)用移動互聯(lián)技術(shù)，優(yōu)化整合院區(qū)現(xiàn)有有線、無線網(wǎng)絡(luò)，為智慧校園提供高速、可靠的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

4）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

以傳感器技術(shù)，Zigbee、UWB等短距離無線傳輸技術(shù)發(fā)展為特征的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了人人、人機、人物之間的互聯(lián)互通，為人們提供了智能化的工作生活環(huán)境。在智慧校園建設(shè)過程中搭建覆蓋院區(qū)各類資源的物聯(lián)網(wǎng)［9］，能夠?qū)崿F(xiàn)對學(xué)院實訓(xùn)室、圖書館、浴室、照明等各類基礎(chǔ)設(shè)施的智能化控制管理，推進智慧校園的建設(shè)發(fā)展。

2 基于云計算平臺的國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院智慧校園整體架構(gòu)設(shè)計

2.1 基于云計算平臺的國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院智慧校園系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計

國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院智慧校園整體架構(gòu)設(shè)計將采用開放、共享、安全的云計算服務(wù)平臺，具體分為基礎(chǔ)設(shè)施層IaaS、平臺服務(wù)層PaaS、軟件應(yīng)用層SaaS，最終為學(xué)院師生提供一站式定制服務(wù)［10－11］。

基礎(chǔ)設(shè)施層IaaS是由X86 PC服務(wù)器、磁盤陣列、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等構(gòu)成的軟硬件資源池，向上層提供軟硬件基礎(chǔ)支撐服務(wù)。設(shè)計方案中將采用開源云計算平臺Hadoop搭建云計算集群，為平臺服務(wù)層PaaS提供封裝后的分布式數(shù)據(jù)存儲及計算服務(wù)。Hadoop云計算平臺采用開源技術(shù)，對底層硬件設(shè)備要求較低，能夠為智慧校園建設(shè)提供可靠高效、成本低廉、擴展方便的云計算服務(wù)。

平臺服務(wù)層PaaS向智慧校園服務(wù)創(chuàng)造者提供業(yè)務(wù)應(yīng)用開發(fā)環(huán)境支撐服務(wù)，通過云計算Web Service標(biāo)準(zhǔn)向軟件應(yīng)用層SaaS提供完善的應(yīng)用服務(wù)引擎和應(yīng)用編程接口，隱藏底層平臺具體實現(xiàn)，實現(xiàn)接口調(diào)用服務(wù)化，使智慧校園服務(wù)創(chuàng)造者專注于業(yè)務(wù)需求挖掘和業(yè)務(wù)應(yīng)用開發(fā)。

軟件應(yīng)用層SaaS部署智慧校園業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)［12］，用戶可通過相關(guān)客戶端軟件科獲得軟件應(yīng)用服務(wù)。通過配置各類業(yè)務(wù)應(yīng)用使用權(quán)限，為不同角色用戶提供個性化定制服務(wù)（見圖1）。

2.2 基于云計算平臺的國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院智慧校園物理拓撲架構(gòu)設(shè)計

國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院智慧校園建設(shè)采用校園私有云架構(gòu)設(shè)計，利用開源Hadoop技術(shù)搭建底層分布式計算與分布式存儲平臺。Hadoop平臺對硬件設(shè)備要求相對較低，依托性能及配置中等PC服務(wù)器即可搭建具備較高分布式計算水平及分布式存儲能力的服務(wù)器集群。Hadoop平臺搭建及研究開發(fā)相關(guān)軟件基本為開源，大大降低了軟件使用和研發(fā)成本。

底層基礎(chǔ)設(shè)施將包括分布式服務(wù)器云計算集群、校園信息網(wǎng)絡(luò)、校園物聯(lián)網(wǎng)、校園監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，整合結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)流資源，構(gòu)建集中數(shù)據(jù)中心和異地災(zāi)備系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集中管理、業(yè)務(wù)交叉應(yīng)用。Hadoop平臺封裝屏蔽了以上基礎(chǔ)設(shè)備，將備份容災(zāi)、負載均衡屏蔽在基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層，通過Web服務(wù)器以Web Service的形式向用戶提供支撐平臺服務(wù)［13］，業(yè)務(wù)應(yīng)用開發(fā)人員將不考慮底層基礎(chǔ)架構(gòu)實現(xiàn)，只需關(guān)注于軟件開發(fā)過程（見圖 2）。

3 基于角色的個性化定制服務(wù)和業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計

3.1 基于角色的個性化定制服務(wù)

國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院、國家電網(wǎng)公司團校、山東電力高等?？茖W(xué)校和山東省電力學(xué)校一體化運營，承擔(dān)了國家電網(wǎng)公司新入職員工培訓(xùn)、國家電網(wǎng)員工技術(shù)技能培訓(xùn)、中高等教育教學(xué)等多種培訓(xùn)教學(xué)任務(wù)，國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院智慧校園服務(wù)對象將包括長期班學(xué)員、短期班學(xué)員、專職培訓(xùn)師、兼職培訓(xùn)師、中高等教育教師、中高等教育學(xué)生、學(xué)院管理人員等院區(qū)用戶，相比較普通高等學(xué)校，學(xué)院智慧校園用戶構(gòu)成類型復(fù)雜、數(shù)量較大，給智慧校園用戶組及角色設(shè)計帶來較大的挑戰(zhàn)。

圖1 基于云計算平臺的國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院智慧校園系統(tǒng)功能架構(gòu)

本文依據(jù)各類型用戶工作學(xué)習(xí)內(nèi)容的不同，基于用戶角色將一站式智能服務(wù)劃分七類服務(wù)應(yīng)用平臺，具體包括管理人員服務(wù)平臺、兼職培訓(xùn)師服務(wù)平臺、專職培訓(xùn)師服務(wù)平臺、教師服務(wù)平臺、學(xué)員服務(wù)平臺、學(xué)生服務(wù)平臺、公共服務(wù)平臺。前六類服務(wù)平臺為長期在校人員提供各類基于不同角色的服務(wù)，而公共服務(wù)平臺則針對初次到校人員或短期內(nèi)在校人員，提供學(xué)院介紹、院區(qū)智能導(dǎo)航等公共基礎(chǔ)服務(wù)。

基于軟件應(yīng)用服務(wù)平臺接口開發(fā)智能手機終端軟件，為不同類型的智慧校園用戶配置不同的使用權(quán)限，移動終端應(yīng)用軟件將替代學(xué)院統(tǒng)一門戶，成為用戶獲得各類信息化服務(wù)的窗口平臺，智能手機將最終變成身份識別和支付終端并替換校園一卡通，軟件服務(wù)逐漸產(chǎn)品化，學(xué)院廣大師生通過智能移動終端將獲得豐富多彩、智慧便捷的信息化服務(wù)。

圖2 基于云計算平臺的國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院智慧校園物理拓撲架構(gòu)

3.2 業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計

業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)是智慧校園設(shè)計的關(guān)鍵，將會直接影響用戶的使用體驗。業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計將遵循“新建與改造并舉、強調(diào)應(yīng)用、分步實施”的原則，有效發(fā)揮支撐應(yīng)用平臺服務(wù)功能，為智慧校園應(yīng)用系統(tǒng)部署提供開發(fā)平臺和數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源集中共享，根本上消除信息孤島與信息煙囪。

依據(jù)應(yīng)用功能和服務(wù)用戶的不同將業(yè)務(wù)系統(tǒng)分為院區(qū)運營管理、培訓(xùn)教學(xué)、綜合保障（校園一卡通）、科研實訓(xùn)、數(shù)字化圖書館五大類。具體如下：

院區(qū)運營管理部分包括輔助決策、ERP、協(xié)同辦公、規(guī)劃設(shè)計、人資管控、財務(wù)管控、OA、學(xué)院網(wǎng)站、官方微信、官方微博等應(yīng)用服務(wù)。

培訓(xùn)教學(xué)部分包括培訓(xùn)管理、網(wǎng)絡(luò)大學(xué)、微課資源、課件作業(yè)、教務(wù)管理、精品課程、學(xué)員學(xué)生交流、師生互動、學(xué)員學(xué)生活動、多媒體資源、試題庫、學(xué)員學(xué)生檔案、實訓(xùn)室狀態(tài)查詢、教師狀態(tài)查詢、在線備課、名師講壇、技能競賽、學(xué)習(xí)行為分析、培訓(xùn)質(zhì)量測評、教學(xué)質(zhì)量測評等應(yīng)用服務(wù)。

綜合保障部分包括一卡通消費查詢、宿舍電量管理、餐廳菜單提示、餐廳狀態(tài)查詢、浴室狀態(tài)查詢、校醫(yī)院就診服務(wù)、工會活動安排、體育設(shè)施狀態(tài)查詢、院區(qū)導(dǎo)航地圖、公寓狀態(tài)查詢、周邊餐飲指南、周邊住宿指南、車位查詢、公車管理、心理咨詢、信息通信運維、會議室預(yù)約、網(wǎng)絡(luò)視頻會議管理、短信平臺、一體化監(jiān)控等應(yīng)用服務(wù)。

科研實訓(xùn)部分包括科研項目管理、技能大師工作室、專利論文、科研交流、科研講座、院士論壇、實訓(xùn)室管理、實訓(xùn)設(shè)備維護、國際合作等應(yīng)用服務(wù)。

數(shù)字圖書館部分包括個人信息、圖書查詢、圖書借閱、知識中心、電子書下載、讀書交流、新書推薦、CNKI、國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院學(xué)報、國網(wǎng)數(shù)字圖書館等應(yīng)用服務(wù)。

智慧校園設(shè)計中將考慮利用大數(shù)據(jù)和學(xué)習(xí)分析技術(shù)對各類業(yè)務(wù)應(yīng)用歷史和實時數(shù)據(jù)進行挖掘分析［14］。分析海量培訓(xùn)教學(xué)資源，構(gòu)建知識架構(gòu)圖，為學(xué)員學(xué)生提供開放式、智能化、個性化的培訓(xùn)教學(xué)和自主學(xué)習(xí)服務(wù)；分析學(xué)生生活習(xí)慣、學(xué)習(xí)記錄、圖書借閱歷史等數(shù)據(jù)，挖掘?qū)W生學(xué)習(xí)興趣和心理狀態(tài)，必要情況下進行適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)干預(yù)，進而調(diào)整教師教學(xué)手段、提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率。

4 總結(jié)與展望

本文中我們依托云計算、大數(shù)據(jù)等先進信息化技術(shù)，構(gòu)想了國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院智慧校園設(shè)計方案。智慧校園建設(shè)將打破各業(yè)務(wù)系統(tǒng)間信息孤島，實現(xiàn)數(shù)字校園向智慧校園的順利過渡；統(tǒng)籌培訓(xùn)教學(xué)資源，實現(xiàn)資源動態(tài)合理分配、數(shù)據(jù)高效集中共享，進一步優(yōu)化培訓(xùn)教學(xué)手段，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力；為學(xué)院管理人員提供輔助決策，推動學(xué)院管理制度創(chuàng)新，最終實現(xiàn)培訓(xùn)教學(xué)信息化、管理決策科學(xué)化。

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