分布式架構(gòu)的智慧實驗室的設(shè)計

吳伊萍

(1.泉州師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院，福建 泉州 362000；

2.福建省大數(shù)據(jù)管理新技術(shù)與知識工程重點實驗室，福建 泉州 362000；

3.智能計算與信息處理福建省高等學(xué)校重點實驗室，福建 泉州 362000)

2012年3月教育部發(fā)布《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》，指出高等教育信息化重點推動信息技術(shù)與高等教育的深度融合，促進教學(xué)手段和方法現(xiàn)代化，推進教學(xué)實驗平臺信息化建設(shè)[1]等。2017年10月，黨的第十九次代表大會報告中指出優(yōu)先發(fā)展教育事業(yè)。加快一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)，實現(xiàn)高等教育內(nèi)涵式發(fā)展。

近年來各級政府、教育主管部門、學(xué)校、教育行業(yè)等相關(guān)企事業(yè)單位加大了對教育信息化的研發(fā)和投入，各高校教育信息化水平不斷提高，但仍存在著一些問題。如，國內(nèi)各高校的信息化建設(shè)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范；校內(nèi)師生不清楚校內(nèi)實驗室所具備的軟硬件資源，實驗教學(xué)信息化程度和實驗室服務(wù)水平還不足以滿足師生個性化、多樣化的教學(xué)、學(xué)習(xí)和科研需求；部分高校實驗室信息化管理水平較低，實驗室安全隱患多、實驗資源分布不均、設(shè)備更新速度慢、設(shè)備利用率低，實驗技術(shù)隊伍建設(shè)滯后等問題。

對我校智慧實驗室建設(shè)中的思路及應(yīng)用場景進項梳理。首先分析了智慧實驗室的內(nèi)涵；其次介紹了我校實驗教學(xué)中心的工作需求，及采用分布式架構(gòu)設(shè)計智慧實驗室的優(yōu)勢；最后詳細介紹了智慧實驗室的系統(tǒng)設(shè)計及在實際工作中的應(yīng)用，具體包括虛擬仿真實驗教學(xué)平臺、智能實驗室管理平臺以及實驗中心門戶網(wǎng)站的設(shè)計及應(yīng)用。

1 智慧實驗室的內(nèi)涵

智慧實驗室是高校發(fā)展智慧教育，培養(yǎng)智慧型人才，建設(shè)智慧校園，提升教學(xué)質(zhì)量的重要陣地。伴隨著智慧教育的發(fā)展，智慧校園的建設(shè)，智慧實驗室作為智慧教育和智慧校園的重要組成部分，各級教育主管部門啟動了虛擬仿真實驗教學(xué)中心，國家級實驗教學(xué)示范中心，省級實驗教學(xué)示范中心、虛擬仿真實驗教學(xué)項目等的建設(shè)與評審。智慧實驗室的建設(shè)成為高校提升辦學(xué)水平的重要內(nèi)容。

關(guān)于智慧實驗室的研究主要有兩點。第一，借助新興信息技術(shù)，推動實驗教學(xué)改革，建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)中心，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)實驗資源共享，提高資源利用率。王衛(wèi)國等[2]介紹了國外高校以信息技術(shù)推動實驗教學(xué)改革，應(yīng)用信息可視化、立體顯示、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、3D打印、人機交互等新興信息技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域。劉亞豐等[3]指出利用云計算、云存儲等技術(shù)，可實現(xiàn)教學(xué)實驗資源的優(yōu)化與共享，提高教學(xué)資源利用率。周世杰等[4]以網(wǎng)絡(luò)信息安全中的攻防實驗為例，依托虛擬仿真技術(shù)，開展網(wǎng)絡(luò)攻擊、病毒注入等實驗，避免了在真實環(huán)境中開展實驗的破壞性，突出了實驗教學(xué)中虛擬仿真實驗的必要性。第二，智慧實驗室依托校園網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實現(xiàn)實驗室管理的智能化與網(wǎng)絡(luò)化，提高實驗室的管理與服務(wù)水平。李偉等[5]基于分布式架構(gòu)構(gòu)建了大規(guī)模在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)，解決了因鏈路帶寬不足和傳輸數(shù)據(jù)量過大而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)擁堵。彭一明等[6]利用物聯(lián)網(wǎng)、智能控制等信息技術(shù)，構(gòu)建物聯(lián)、互聯(lián)、智能化的智慧計算機實驗室，以規(guī)范實驗室的儀器設(shè)備、教學(xué)實踐和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等工作以及提高儀器設(shè)備的使用效率。周瑞等[7]指出智慧實驗室系統(tǒng)是依托校園網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)實驗室管理人員與師生互動的智能化、網(wǎng)絡(luò)化的開放管理平臺。崔貫勛[8]介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗室智能綜合管理系統(tǒng)，降低了實驗室管理工作量。

綜上分析，智慧實驗室是在傳統(tǒng)實驗室的基礎(chǔ)上依托校園網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬仿真等信息技術(shù)，實現(xiàn)實驗室軟硬件資源管理與利用的網(wǎng)絡(luò)化與智能化，實現(xiàn)實驗教學(xué)信息化。智慧實驗室的建設(shè)，有利于推進虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)，提高優(yōu)質(zhì)教學(xué)實驗資源的共享率和利用率，降低實驗室管理工作量，提升實驗室管理與服務(wù)水平。未來，智慧實驗室建設(shè)以滿足教學(xué)、科研和社會需求的個性化與多樣化為導(dǎo)向，創(chuàng)新實驗室管理和服務(wù)，建立以人為本的高校智慧實踐教育新陣地，不斷提升高校辦學(xué)水平。

2 智慧實驗室系統(tǒng)設(shè)計

2.1 需求分析

以泉州師范學(xué)院信息技術(shù)實驗教學(xué)中心的智慧實驗室建設(shè)為例。2015年申報福建省高等學(xué)校實驗教學(xué)示范中心建設(shè)項目，成功入選2015年省級實驗教學(xué)示范中心建設(shè)項目。實驗教學(xué)中心現(xiàn)有計算機公共機房9間，專業(yè)實驗室10間，在建實驗室6間，年服務(wù)人時數(shù)達到五十多萬，設(shè)備數(shù)超1500件。主要工作內(nèi)容包括：第一，全校計算機公共基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)與考試；第二，教育科學(xué)學(xué)院、物理與信息工程學(xué)院、化工與材料學(xué)院、紡織與服裝學(xué)院等11個學(xué)院的近百門計算機輔助設(shè)計類課程的實踐教學(xué)；第三，數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程、計算機科學(xué)與技術(shù)等四個專業(yè)的專業(yè)實驗課；第四，承辦各類計算機等級考試及大學(xué)生信息技術(shù)類競賽；第五，服務(wù)社會，為企事業(yè)單位信息化培訓(xùn)考試等提供技術(shù)、設(shè)備和場所等服務(wù)。

2.2 分布式架構(gòu)下的智慧實驗室設(shè)計

為提高實驗技術(shù)隊伍工作效率，提升實驗資源的共享率與利用率，推動實驗教學(xué)改革，提升實驗室管理水平，本文介紹了采用分布式架構(gòu)，依托校園網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬仿真等信息技術(shù)，設(shè)計智慧實驗室。分布式架構(gòu)具有利用小型服務(wù)器代替大型機[5]，分布式處理數(shù)據(jù)的能力優(yōu)于單個大型機[5]，單個軟硬件資源的故障不會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓[9]，后期擴展性更好等優(yōu)點。由于我校屬于地方高校，每年投入到實驗教學(xué)的經(jīng)費有限，采用分布式架構(gòu)，實現(xiàn)了分期建設(shè)，逐期擴展，較好的解決了一次投入成本高的問題，保障了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

智慧實驗室的設(shè)計，采用分布式架構(gòu)，按照業(yè)務(wù)需求劃分各個子系統(tǒng)，將智慧實驗室分為虛擬仿真實驗教學(xué)平臺、智能實驗室管理平臺和實驗教學(xué)中心門戶網(wǎng)站三部分，如圖1智慧實驗室功能結(jié)構(gòu)圖所示。虛擬仿真實驗教學(xué)平臺由一系列實驗教學(xué)軟件和實驗教學(xué)管理平臺組成，實驗教學(xué)管理平臺包括平臺行政中心、實驗教學(xué)子系統(tǒng)、資源管理與共享子系統(tǒng)和交流中心子系統(tǒng)四部分。智能實驗室管理平臺由實驗室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、實驗室視頻監(jiān)控系統(tǒng)、實驗室門禁管理系統(tǒng)、以及實驗室開放預(yù)約服務(wù)系統(tǒng)組成。實驗中心門戶網(wǎng)站是實驗教學(xué)中心對外服務(wù)的窗口。

圖1 智慧實驗室功能結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Functional structure of smart laboratory

在系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計上，采用分層結(jié)構(gòu)，按照從高到低分為：應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和基礎(chǔ)設(shè)施層，如圖2智慧實驗室系統(tǒng)架構(gòu)圖所示。各層功能如下：

（1）應(yīng)用層：由不同功能的子系統(tǒng)組成，保障智慧實驗室的正常服務(wù)。具體包括虛擬仿真實驗教學(xué)平臺、智能實驗室管理平臺及實驗中心門戶網(wǎng)站。虛擬仿真實驗教學(xué)平臺實現(xiàn)了遠程在線實驗和實驗教學(xué)管理等功能。該平臺可滿足師生個性化、多樣化的實驗教學(xué)服務(wù)，有利于優(yōu)質(zhì)實驗資源共享。智能實驗室管理平臺依托校園網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)實驗場所的環(huán)境監(jiān)測、視頻監(jiān)控與門禁管理，實現(xiàn)在線預(yù)約實驗室及儀器設(shè)備等服務(wù)。實驗中心網(wǎng)站包括中心介紹、通知公告、實驗教學(xué)、規(guī)章制度、實驗平臺等欄目，便于師生及時了解實驗教學(xué)中心的各種資源，保障信息的透明化。

（2）網(wǎng)絡(luò)層：該層為智慧實驗室的正常網(wǎng)絡(luò)通信提供保障，由千兆以太網(wǎng)組成，實現(xiàn)視頻、傳感器、門禁、對講系統(tǒng)、應(yīng)用層各個系統(tǒng)等各類數(shù)據(jù)的可靠傳輸，為智慧實驗室的各項實驗教學(xué)與管理服務(wù)提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

（3）基礎(chǔ)設(shè)施層：該層是智慧實驗室的最底層，負責(zé)數(shù)據(jù)采集、環(huán)境感知和數(shù)據(jù)存儲，由服務(wù)器、增強型一體機、磁盤陣列、甲醛傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器、濕度傳感器、刷卡機等設(shè)備組成。其中，攝像頭負責(zé)實時采集實驗室空間視頻數(shù)據(jù)，傳感器用于采集實驗室甲醛、溫度、濕度、煙霧等環(huán)境數(shù)據(jù)，刷卡機負責(zé)讀取用戶出入的一卡通信息，服務(wù)器、一體機、磁盤陣列等用來存儲處理數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)智慧實驗室的環(huán)境的全面感知和遠程智能控制。

圖2 智慧實驗室系統(tǒng)架構(gòu)圖Figure 2 Architecture of smart laboratory

3 智慧實驗室的實現(xiàn)

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

智慧實驗室的實現(xiàn)運用了虛擬仿真技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和軟件開發(fā)技術(shù)等。虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的開發(fā)應(yīng)用了計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、電子技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)等，構(gòu)建了新型的實驗教學(xué)模式，采用J2EE開發(fā)，用Java語言實現(xiàn)。實驗室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)基于云平臺的框架搭建，采用瀏覽器/服務(wù)器模式（B/S模式）設(shè)計，數(shù)據(jù)庫操作層中間件Hibernate，業(yè)務(wù)邏輯處理中間件Spring，界面模型中間件Struts，開發(fā)工具為Myeclipse，web發(fā)布容器Tomcat，數(shù)據(jù)庫MySQL。該系統(tǒng)核心模塊是接收設(shè)備數(shù)據(jù)的線程、定時器線程和數(shù)據(jù)管理線程。實驗室門禁系統(tǒng)配置2.8寸LCD顯示屏、200萬高清攝像頭，設(shè)備支持TCP/IP與Wi-Fi通訊。實驗室視頻監(jiān)控系統(tǒng)配置高清攝像頭、網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機、網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器、IPCamera等設(shè)備及視音頻編解碼卡，支持實時預(yù)覽、錄像存儲、遠程回放和下載等功能。實驗教學(xué)中心門戶網(wǎng)站是基于Web Plus Pro網(wǎng)站群平臺實現(xiàn)的。

3.2 智慧實驗室運行機制

智慧實驗室的部署與實施依托國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)強有力的技術(shù)團隊支撐。實驗技術(shù)隊伍需要在工作中學(xué)習(xí)新技術(shù)并運用于工作中，不斷更新服務(wù)方式，提高工作效率。智慧實驗室的有效運作，依賴于實驗教學(xué)中心規(guī)范化的管理制度以及教師、學(xué)生、實驗技術(shù)隊伍和管理層的支持。如圖3，全校師生通過互聯(lián)網(wǎng)訪問實驗中心門戶網(wǎng)站，通過該網(wǎng)站可直接訪問虛擬仿真實驗教學(xué)平臺或智能實驗室管理平臺，了解中心所擁有的軟硬件實驗資源，預(yù)約使用實驗室及相關(guān)儀器設(shè)備。實驗技術(shù)隊伍訪問智能實驗管理平臺，根據(jù)權(quán)限處理各個子系統(tǒng)的事務(wù)，實時查看實驗室動態(tài)、環(huán)境、處理師生預(yù)約、發(fā)布各類通知等。學(xué)生能訪問相關(guān)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源，部分實驗可在線完成實驗的預(yù)習(xí)、操作、提交實驗報告、向教師提問等。教師能在線部署實驗內(nèi)容（含操作小視頻、實驗指導(dǎo)手冊、實驗要求等），為學(xué)生答疑等。

圖3 智慧實驗室運作機制圖Figure 3 Operation mechanism of smart laboratory

4 智慧實驗室在實驗教學(xué)與管理中的應(yīng)用

從實驗教學(xué)的角度，師生通過虛擬仿真實驗平臺實現(xiàn)了實驗教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)化、信息化和智能化，實驗教學(xué)效果有較好地提升，學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力得到了較好訓(xùn)練。第一，解決了傳統(tǒng)實驗教學(xué)中高能耗、高危險、破壞性大、在實體實驗設(shè)備上難以實現(xiàn)等問題。例如《模擬電路》通過Proteus實現(xiàn)了差分放大器特性的對稱性驗證；《網(wǎng)絡(luò)信息安全》通過VMWARE等虛擬機環(huán)境實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)攻防與病毒攻防等實驗；《物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)》借助虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)了停車場收費管理系統(tǒng)實驗?！疤搶嵔Y(jié)合”的實驗教學(xué)模式，使學(xué)生在虛擬仿真的實驗環(huán)境中充分運用所學(xué)理論知識，在實踐中提升動手操作能力和創(chuàng)新能力。第二，在線實驗教學(xué)環(huán)境打破了時空限制，學(xué)生通過自主反復(fù)多次練習(xí)，在課堂上實驗操作效果更好。

從實驗室管理的角度，傳統(tǒng)模式下一個實驗室工作人員只能管理臨近的幾個實驗室。在智能實驗室管理平臺的幫助下，一個實驗室工作人員通過實驗室視頻監(jiān)控系統(tǒng)，能實時查看整個中心所有攝像頭采集的實驗室內(nèi)外數(shù)據(jù)（如圖4監(jiān)控視頻所示），大大提高了實驗室工作人員的工作效率，保障了實驗室的安全。同理，通過環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)（如圖5環(huán)境監(jiān)測），能實時查看實驗室溫度、濕度、煙感、甲醛、空氣質(zhì)量，提醒實驗室工作人員及時通風(fēng)，保證實驗室空氣質(zhì)量，為師生提供更優(yōu)質(zhì)的實驗室環(huán)境。

圖4 監(jiān)控視頻Figure 4 Surveillance Video

圖5 環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)Figure 5 Environmental monitoring data

5 結(jié)束語

智慧實驗室建設(shè)是推進信息技術(shù)與高等教育深度融合，實現(xiàn)高等教育的內(nèi)涵式發(fā)展的必然需求。本文依托校園網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬仿真等信息技術(shù)，采用分布式架構(gòu)，實現(xiàn)了智慧實驗室。它由虛擬仿真實驗教學(xué)平臺、智能實驗室管理平臺和實驗中心門戶網(wǎng)站組成。智慧實驗室的建設(shè)推進了實驗教學(xué)信息化與實驗室管理與服務(wù)的智能化與網(wǎng)絡(luò)化，提高了實驗室工作人員的工作效率，實現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)教學(xué)實驗資源的共享，提高了實驗資源的利用率，促進了本科教學(xué)質(zhì)量的提升。