高校智慧教育云計算研究

謝日敏 陳 杰 游貴榮

(1.福建商學(xué)院信息管理工程系,福州 350506；2.福建商學(xué)院信息網(wǎng)絡(luò)中心,福州 350506)

目前，國內(nèi)高校云計算服務(wù)主要包括3個層面：IaaS層(基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù))、PaaS層(平臺即服務(wù))、SaaS層(軟件即服務(wù))，其涉及物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)等技術(shù)[1-3]。國外教育云計算的初期研究是以分布式互聯(lián)網(wǎng)計算和科學(xué)研究為主，主要集中在軟硬件架構(gòu)、數(shù)據(jù)管理和云的互操作方面。軟件架構(gòu)研究主要以并行、密集計算為主；數(shù)據(jù)管理研究主要以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和分布式計算為主；云的互操作性強(qiáng)調(diào)虛擬化和開放性。2009年Wheeler提出在校園網(wǎng)的IaaS、PaaS和SaaS提供IT服務(wù)[4]。2010年Armbrust描述了云計算的云網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心在商業(yè)和教育領(lǐng)域的應(yīng)用[5]。隨著云計算的快速發(fā)展，國內(nèi)外高校智慧教育云計算研究都得到了長足的發(fā)展，尤其是在大數(shù)據(jù)方面的應(yīng)用[6-7]。因此，高校智慧教育云計算就是以服務(wù)化理念為先導(dǎo)，重構(gòu)智慧教育云計算服務(wù)架構(gòu)。

1 高校智慧教育云計算建設(shè)要點(diǎn)

(1) 數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)。通過建設(shè)信息標(biāo)準(zhǔn)，提升數(shù)據(jù)管理質(zhì)量，為管理層準(zhǔn)確決策提供數(shù)據(jù)支撐。

(2) 身份管理是輔助。通過統(tǒng)一認(rèn)證服務(wù)加強(qiáng)高校用戶和組織信息的統(tǒng)一存儲，構(gòu)建統(tǒng)一用戶管理體系，實現(xiàn)碎片化服務(wù)的單點(diǎn)登錄。

(3) 服務(wù)是核心。基于自頂向下的建設(shè)思路，以統(tǒng)一高效、互聯(lián)共享為管理原則，通過碎片化服務(wù)的應(yīng)用，不斷提升和改進(jìn)師生管理服務(wù)能力。

(4) 消息是紐帶。主要建設(shè)以消息中心為體驗的快捷響應(yīng)模式，可以提升師生互動能力，增強(qiáng)輿情監(jiān)控和危機(jī)公關(guān)能力。

(5) 決策是方向。通過建設(shè)高校信息系統(tǒng)決策分析平臺，以業(yè)務(wù)主題為模型，提供教學(xué)科研、安防等業(yè)務(wù)查詢功能，同時建立高校學(xué)生學(xué)習(xí)能力分析、高校潛力學(xué)科發(fā)展預(yù)測、網(wǎng)絡(luò)輿情預(yù)警等數(shù)據(jù)服務(wù)，支撐學(xué)校發(fā)展戰(zhàn)略。

因此，高校智慧教育云計算研究可以通過構(gòu)建智慧教育云計算架構(gòu)，以“私有云”公共服務(wù)平臺的形式，強(qiáng)化智慧教育信息系統(tǒng)的擴(kuò)展應(yīng)用，最終形成以服務(wù)為導(dǎo)向，以“人”為中心的全周期流程服務(wù)生態(tài)系統(tǒng)。

2 高校智慧教育云計算架構(gòu)

本次研究在云計算服務(wù)擴(kuò)展方面，引入DaaS(數(shù)據(jù)即服務(wù))層，通過集成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)及安全防護(hù)技術(shù)，重構(gòu)智慧校園云計算信息化。IaaS層引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用不同提供商的感知設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后存儲到虛擬化云數(shù)據(jù)中心，為DaaS層數(shù)據(jù)挖掘提供更加豐富的源數(shù)據(jù)信息，使得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)更加智能。DaaS層引入大數(shù)據(jù)，通過建立大數(shù)據(jù)平臺和數(shù)據(jù)倉庫，將非結(jié)構(gòu)化和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、清理、轉(zhuǎn)換、加載等，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)相互交換，更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)計算和數(shù)據(jù)管控服務(wù)。PaaS層引入身份認(rèn)證平臺、消息引擎、BPM(業(yè)務(wù)流程管理)引擎、ESB(企業(yè)服務(wù)總線)引擎和數(shù)據(jù)挖掘分析平臺等，在這些平臺的基礎(chǔ)上，建立API能力開放平臺，更好地服務(wù)于業(yè)務(wù)管理和教學(xué)信息化。SaaS層將傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)，建立重服務(wù)和輕服務(wù)軟件應(yīng)用體系。其中，重服務(wù)包括教學(xué)、科研、行政管理、生活管理、社會管理和文化管理等服務(wù)；輕服務(wù)以一站式服務(wù)大廳為主建立服務(wù)注冊、申請、審批、授權(quán)、安裝、卸載、推薦和日志等功能，其架構(gòu)如圖1所示。

在高校智慧教育云計算服務(wù)中，IaaS的主要任務(wù)是整合數(shù)據(jù)中心的所有軟、硬件資源，實現(xiàn)服務(wù)器虛擬化、存儲虛擬化與網(wǎng)絡(luò)虛擬化。一方面可以將單臺物理主機(jī)資源分割給多個用戶或多個業(yè)務(wù)使用，實現(xiàn)“一虛多”功能；另一方面可以將多臺物理主機(jī)資源，利用負(fù)載均衡、并行計算等技術(shù)為單個用戶或業(yè)務(wù)服務(wù)，實現(xiàn)“多虛一”功能。目前存儲虛擬化的實現(xiàn)主要有基于主機(jī)、基于存儲、基于網(wǎng)絡(luò)3種形式，其中，SDS(軟件定義存儲)和SDN(軟件定義網(wǎng)絡(luò))催生了HCI(超融合架構(gòu))。目前，常用的虛擬化技術(shù)軟件主要有商業(yè)授權(quán)的VMware、HyperV，及開源的Xen、KVM等產(chǎn)品；而HCI主要采用HCIA(超融合基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)備)和HCIS(超融合基礎(chǔ)架構(gòu)軟件)。

2.2 DaaS層

DaaS層的關(guān)鍵是建設(shè)數(shù)據(jù)中心管理平臺。首先，建立滿足自身高校業(yè)務(wù)管理的服務(wù)化信息標(biāo)準(zhǔn)，并從高校信息業(yè)務(wù)系統(tǒng)中抽取核心數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、清洗。對基于標(biāo)準(zhǔn)模型的數(shù)據(jù)提供信息化管理手段，以利于后期的管理與維護(hù)。在融合了結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)之后，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)計算和管控。其中，數(shù)據(jù)計算工作的關(guān)鍵是進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、流計算、圖計算、OLAP操作等；而數(shù)據(jù)管控主要進(jìn)行主數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)質(zhì)量的管理工作。然后，在數(shù)據(jù)擴(kuò)展應(yīng)用方面，針對個人數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)部門數(shù)據(jù)和校級數(shù)據(jù)進(jìn)行深度數(shù)據(jù)分析和挖掘，實現(xiàn)“以用促建”的目標(biāo)。例如，高校的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)服務(wù)，可以利用Hive、Spark、Hadoop、HBase、MongoDB等對數(shù)據(jù)進(jìn)行清理轉(zhuǎn)換，并應(yīng)用數(shù)據(jù)分析技術(shù)抽取高附加價值的數(shù)據(jù)信息，并轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。其關(guān)鍵是利用Apache Sqoop技術(shù)對MYSQL和HDFS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行互導(dǎo)，最終將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)集市上，構(gòu)成多分類的數(shù)據(jù)集市。

2.3 PaaS層

PaaS層主要包括統(tǒng)一身份認(rèn)證、消息引擎、BPM引擎、ESB引擎、數(shù)據(jù)挖掘引擎等。統(tǒng)一身份認(rèn)證可以采用CAS認(rèn)證[8]；消息引擎可以將Apache RocketMQ作為消息中間件；BPM是一個規(guī)則，包括流程的建模、執(zhí)行、監(jiān)控、分析、挖掘、改進(jìn)等，工作流一定是BPM系統(tǒng)的核心技術(shù)，Activiti就是一種基于Apache的開源BPM平臺；ESB引擎適合傳統(tǒng)企業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用下系統(tǒng)間的短消息同步服務(wù)交互場景，Dubbo是一種分布式服務(wù)框架，適合互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用下系統(tǒng)間的短消息同步服務(wù)交互場景，如果高校服務(wù)過少，可以利用WebService進(jìn)行過渡，無需ESB；數(shù)據(jù)挖掘引擎可以包含數(shù)據(jù)收集服務(wù)、數(shù)據(jù)分析服務(wù)和數(shù)據(jù)計算預(yù)測等功能。

當(dāng)前，高校應(yīng)用集成開發(fā)接口主要包括認(rèn)證接口、消息接口、數(shù)據(jù)接口等，以這些接口為基礎(chǔ)，可以建立適合高校數(shù)據(jù)管理的API能力開放平臺。高校智慧教育通過API能力開放平臺，使得數(shù)據(jù)中心可以與業(yè)務(wù)系統(tǒng)做好數(shù)據(jù)對接的同時，能更好地讓數(shù)據(jù)服務(wù)于教師和學(xué)生，讓教師和學(xué)生可以進(jìn)行二次開發(fā)和課題研究。這樣可以豐富產(chǎn)品線，為教學(xué)管理、科研管理、學(xué)生管理和校園服務(wù)等提供有利的數(shù)據(jù)服務(wù)保障。

2.4 SaaS層

目前，SaaS層主要以“一站式”服務(wù)大廳為業(yè)務(wù)管理平臺。首先，“一站式”服務(wù)大廳管理要先行，要建立CIO制度，對各部門管理流程進(jìn)行全面梳理。其次，以服務(wù)為驅(qū)動，構(gòu)建獨(dú)立于業(yè)務(wù)系統(tǒng)的服務(wù)平臺，通過服務(wù)驅(qū)動的方式展開建設(shè)。接著，利用快速開發(fā)工具，對業(yè)務(wù)進(jìn)行梳理和優(yōu)化，通過技術(shù)手段逐步完成平臺建設(shè)。最后，以全局視野進(jìn)行業(yè)務(wù)梳理，通過簡化、優(yōu)化服務(wù)流程，在服務(wù)中體現(xiàn)管理思路，其關(guān)鍵是界定好微服務(wù)、輕服務(wù)和重服務(wù)的區(qū)別，及針對不同服務(wù)類型采取的業(yè)務(wù)處理技術(shù)。

3 高校智慧教育云計算擴(kuò)展應(yīng)用

針對大數(shù)據(jù)信息化快速發(fā)展的趨勢，為更好地服務(wù)高校信息化，在DaaS層數(shù)據(jù)計算的基礎(chǔ)上，構(gòu)建以下模型系統(tǒng)：

(1) 基于學(xué)生心理活動的學(xué)習(xí)情感計算系統(tǒng)，實現(xiàn)主動式導(dǎo)向的學(xué)生學(xué)習(xí)情景建設(shè)。

(2) 基于深度學(xué)習(xí)和人工智能的學(xué)習(xí)情景系統(tǒng)，減少受教育情境問題的不確定性影響。

(3) 信息化決策支持系統(tǒng)，實現(xiàn)對學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的智能分析，降低教學(xué)服務(wù)壓力。

(4) 在數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)高校智慧教育學(xué)生學(xué)習(xí)路徑系統(tǒng)的個性化服務(wù)。

(5) 悅?cè)せ瘜W(xué)習(xí)行為系統(tǒng)，以寓教于樂的方式，增加學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。

通過以上基于大數(shù)據(jù)的重服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)，能夠深度挖掘高校信息化潛能，為師生提供更貼心的信息化服務(wù)。

4 結(jié) 語

高校智慧教育云計算是以服務(wù)為導(dǎo)向，以師生服務(wù)為中心，利用IaaS、DaaS、PaaS和SaaS等關(guān)鍵技術(shù)，建設(shè)適合高校發(fā)展的智慧教育云計算架構(gòu)，服務(wù)于高校業(yè)務(wù)的生態(tài)系統(tǒng)，能為管理層決策提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。