面向大數(shù)據(jù)的高校智慧校園系統(tǒng)構(gòu)建研究

陳氫 徐光明

摘? 要：隨著社會信息化程度的不斷提升，數(shù)據(jù)已經(jīng)成為這個時代極為重要的產(chǎn)物，大數(shù)據(jù)憑借對海量數(shù)據(jù)的管理、挖掘與應(yīng)用，在各行各業(yè)展現(xiàn)了強(qiáng)大的生產(chǎn)力。探討了高校智慧校園系統(tǒng)構(gòu)建思路，提出了智慧校園系統(tǒng)的總體框架，闡述了框架中數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)傳輸、大數(shù)據(jù)挖掘、智慧應(yīng)用與支撐保障體系等五個主要層次布局，構(gòu)建了一個具有高價值性的數(shù)據(jù)循環(huán)生態(tài)，將教育大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橥七M(jìn)高?？茖W(xué)決策與發(fā)展的強(qiáng)大生產(chǎn)力。

關(guān)鍵詞：智慧校園;大數(shù)據(jù);系統(tǒng)構(gòu)建

中圖分類號：TP311? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：With the continuous improvement of the level of social informatization，data has become extremely important in this era.Big data，with its management，mining and application of massive data，has demonstrated strong productivity in all walks of life.In this paper，the construction idea of university intelligent campus system is discussed and the overall framework of intelligent campus system is proposed.In the framework，the layout of five main levels are expounded，including data perception，data transmission，big data mining，intelligent application，support and guarantee system.The construction of a high-value data recycling ecosystem transforms educational big data into a powerful productivity that promotes scientific decision-making and development in universities.

Keywords：intelligent campus;big data;system construction

1? ?引言（Introduction）

隨著社會信息化程度的不斷提升，數(shù)據(jù)已經(jīng)成為了這個時代極為重要的產(chǎn)物。大數(shù)據(jù)憑借對海量數(shù)據(jù)的管理、挖掘與應(yīng)用，在各行各業(yè)展現(xiàn)了強(qiáng)大的生產(chǎn)力。我國的高校信息化在經(jīng)歷了從校園網(wǎng)絡(luò)到數(shù)字校園的轉(zhuǎn)變后，隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新興信息技術(shù)的出現(xiàn)，正在實現(xiàn)從數(shù)字校園到智慧校園的變革。如果說數(shù)字校園的建設(shè)實現(xiàn)了在辦公、教務(wù)、招生、就業(yè)、師資、后勤、教育評價、教學(xué)研究、資源支持等全領(lǐng)域由線下管理轉(zhuǎn)為線上管理的模式轉(zhuǎn)變，那么智慧校園的建設(shè)則是在此基礎(chǔ)上向深度和廣度挖掘價值[1]。智慧校園依托先進(jìn)的現(xiàn)代信息技術(shù)，將校園的人、物、信息等資源有機(jī)連接起來，形成以系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互分析與應(yīng)用為手段，以數(shù)據(jù)二次開發(fā)挖掘為基礎(chǔ)，以開發(fā)各種智慧化、個性化應(yīng)用為目標(biāo)的綜合信息化校園，從而全面提升學(xué)校各類日?；顒优c管理的水平。

2? 智慧校園系統(tǒng)構(gòu)建思路（Construction ideas of intelligent campus system）

智慧校園與高校傳統(tǒng)信息化在設(shè)計思路上的重大區(qū)別就是對于數(shù)據(jù)的利用，在傳統(tǒng)信息化建設(shè)的時代，強(qiáng)調(diào)信息的被擁有，是被頂層建筑用以控制和管理外部環(huán)境的，而在智慧校園時代，更注重數(shù)據(jù)價值的再開發(fā)，強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的應(yīng)用價值的再挖掘，這不僅僅是信息化建設(shè)的技術(shù)跨越，更重要的是一種思路與理念的突破[2]。

2.1? ?基于“大數(shù)據(jù)技術(shù)”的新數(shù)據(jù)形態(tài)

在大數(shù)據(jù)技術(shù)的理念下，對于數(shù)據(jù)的定義正在發(fā)生著新的改變。在傳統(tǒng)認(rèn)知里，高校的數(shù)據(jù)多數(shù)是指教師、學(xué)生、管理部門在日常活動中所生成、積累、存儲的信息。而大數(shù)據(jù)的“大”字，不僅是要求數(shù)據(jù)體量的龐大，而且也要求相關(guān)數(shù)據(jù)覆蓋面更大，隨著大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用越發(fā)的成熟，越來越多以往不被人們所關(guān)注的信息也加入人們對于數(shù)據(jù)的認(rèn)知中來，而這些數(shù)據(jù)往往具有各種不同的形態(tài)。例如，學(xué)生的位置信息、軌跡信息、感知信息、空間信息、行為信息等等，越來越多的信息被引入大數(shù)據(jù)的分析[3]，因此，智慧校園的數(shù)據(jù)庫建設(shè)必須具有拓展性與包容性，而多樣化的數(shù)據(jù)形態(tài)也對數(shù)據(jù)的規(guī)范化提出了更高的要求。

2.2? ?基于“線上線下結(jié)合”的新技術(shù)形態(tài)

智慧校園的建設(shè)需要數(shù)據(jù)采集的聯(lián)動性，這種采集的過程有的是依靠人的，有的是依靠物的，有的是主動收集的，有的是被動采集的，就需要對人、物實現(xiàn)交互聯(lián)系。要想實現(xiàn)這種交互聯(lián)系，“線下”就是對人、物實現(xiàn)平面的連接，例如移動終端與各類固定設(shè)備系統(tǒng)的連接，而“線上”就是實現(xiàn)空間的連接，將線下平面連接立體化，從而實現(xiàn)加速設(shè)備之間的交互，形成一個有機(jī)整體。

2.3? ?基于“應(yīng)用構(gòu)建”的新開發(fā)形態(tài)

由于數(shù)據(jù)的多樣化存在，究竟采集哪些數(shù)據(jù)成為數(shù)據(jù)采集的一大難點，數(shù)據(jù)采集的針對性程度，直接關(guān)系著數(shù)據(jù)的冗余度，基于大數(shù)據(jù)理念構(gòu)建智慧校園并不是指凡是數(shù)據(jù)都要采集。因此，必須加強(qiáng)對于應(yīng)用構(gòu)建的研究，切實了解具體應(yīng)用會涉及哪些數(shù)據(jù)，哪些是已經(jīng)存在的數(shù)據(jù)，哪些是需要進(jìn)一步拓展采集的數(shù)據(jù)，再將其運(yùn)用到具體的應(yīng)用中加以檢驗，形成數(shù)據(jù)采集、應(yīng)用、管理、優(yōu)化的循環(huán)機(jī)制。

2.4? ?基于“長遠(yuǎn)綜合性”的新規(guī)劃形態(tài)

智慧校園的建設(shè)以軟硬件建設(shè)為基礎(chǔ)、以數(shù)據(jù)中心為核心、以數(shù)據(jù)分析為手段、以服務(wù)應(yīng)用開發(fā)為目標(biāo)，最終實現(xiàn)校園智慧化的正是各類“服務(wù)智慧化”。智慧化的服務(wù)應(yīng)用將會在智慧校園的建設(shè)中不斷被引入，因此，智慧校園的建設(shè)將是一個長期的、動態(tài)的、不斷被建設(shè)與優(yōu)化的過程。在智慧校園的規(guī)劃中，這種過程就要求規(guī)劃必然是具有長遠(yuǎn)性綜合性的，無論是軟硬件的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，還是數(shù)據(jù)采集的覆蓋面與標(biāo)準(zhǔn)化，抑或是服務(wù)應(yīng)用的開發(fā)等，應(yīng)當(dāng)充分予以長遠(yuǎn)性的規(guī)劃。

3? 智慧校園系統(tǒng)總體框架（Overall framework of intelligent campus system）

基于大數(shù)據(jù)的智慧校園建設(shè)主要是數(shù)據(jù)收集、整合、挖掘與再應(yīng)用的過程，建立以大數(shù)據(jù)為核心，以智能感知為神經(jīng)末梢，以移動互聯(lián)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以智慧應(yīng)用為依托，以自適應(yīng)、個性化用戶交互為目標(biāo)的智慧校園支撐平臺，實現(xiàn)高校各項業(yè)務(wù)的智慧型應(yīng)用。智慧校園總體框架如圖1所示。

4? 智慧校園系統(tǒng)各層次布局（Layout of intelligent campus system at different levels）

4.1? ?感知層

感知層是通過各類感應(yīng)技術(shù)，實現(xiàn)對師生日?；顒訝顟B(tài)、教科研儀器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、日常學(xué)習(xí)與各類生活環(huán)境互動狀態(tài)等全面感知，采取實時數(shù)據(jù)采集與反饋，為智慧校園提供大量數(shù)據(jù)的物理基礎(chǔ)。從主流應(yīng)用技術(shù)來看，目前采用較多的是通過傳感器、RFID、GPS、攝像機(jī)、激光掃描器、識別儀、采集器等信息采集設(shè)備對校園的各種物理量、化學(xué)量或生物量進(jìn)行動態(tài)化的信息捕獲，獲取現(xiàn)場實時狀態(tài)，借助各類網(wǎng)絡(luò)及時傳輸至數(shù)據(jù)中心，開展數(shù)據(jù)跟蹤與分析，供決策分析。

感知形式主要包括：物與物之間的感知、人與物之間的感知、系統(tǒng)間信息的感知。因此，智慧校園系統(tǒng)的感知層除了要對人員、信息等因素進(jìn)行感知以外，還需要借助大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，對學(xué)習(xí)者的個體特征和學(xué)習(xí)情境等內(nèi)容進(jìn)行感知[4]。這三大類感知的對象紛繁復(fù)雜，不僅類型多，而且覆蓋面廣，因此，感知層布局需要進(jìn)行一定的整合和針對性設(shè)計。

4.2? ?傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸層是數(shù)據(jù)在采集之后傳遞到服務(wù)器的核心，在其設(shè)計中要充分考慮其安全性、穩(wěn)定性、快速性與可靠性。在智慧校園中，大量的師生日?；顒訑?shù)據(jù)，如一卡通信息、交互信息、財務(wù)信息、個人信息、軌跡信息等大量隱私信息需要頻繁傳輸讀寫，因此，傳輸層的安全性直接關(guān)系到校園信息安全。同時，大量的日?；顒臃催^來又依賴著智慧校園的服務(wù)開展，如果不能保證傳輸層的穩(wěn)定，便會對日?；顒赢a(chǎn)生直接的干擾。因此，傳輸層設(shè)計將以完全獨立的數(shù)據(jù)傳輸專網(wǎng)的形式構(gòu)建，以實現(xiàn)與信息網(wǎng)絡(luò)的物理隔離，專網(wǎng)專用，保障傳輸層性能要求。

由于業(yè)務(wù)系統(tǒng)是在專網(wǎng)上運(yùn)行，因此，在專網(wǎng)上需要提供可靠的傳輸安全通道，部署統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)管理平臺，包括預(yù)警、拓?fù)涞然竟芾砉δ??？刹捎肰LAN+VRF與VRF+MPLSVPN的方式，二三層隔離相結(jié)合。系統(tǒng)整體以各業(yè)務(wù)應(yīng)用為前端，包括各類教學(xué)應(yīng)用、科研應(yīng)用、管理應(yīng)用、綜合應(yīng)用等，而后端主要為數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。鑒于智慧校園大量的數(shù)據(jù)傳輸需求，對于傳輸?shù)姆€(wěn)定性與傳輸效率有著較高的要求，前端網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)盡可能地采用二層架構(gòu)方式，接入層要以雙鏈路乃至多鏈路的方式連接至核心節(jié)點，而且，其連接帶寬在有條件的情況下，應(yīng)當(dāng)盡可能拓展。由于大量數(shù)據(jù)需要傳輸，為避免網(wǎng)絡(luò)堵塞，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為萬兆核心、千兆主干、千兆或百兆到桌面的架構(gòu)。出口鏈路負(fù)載均衡與防火墻均采用雙冗余設(shè)計，系統(tǒng)架構(gòu)分為核心層、匯聚層、分布接入層。并根據(jù)信息系統(tǒng)的具體情況，部署FW、IPS、網(wǎng)絡(luò)資源平臺管理系統(tǒng)。

4.3? ?大數(shù)據(jù)層

大數(shù)據(jù)層布局是智慧校園規(guī)劃的關(guān)鍵，決定了數(shù)據(jù)最終被收集、處理、分析與利用。大數(shù)據(jù)層就是智慧校園的“大腦”，包括數(shù)據(jù)的存儲與計算的物理平臺、信息收集與數(shù)據(jù)管理平臺、數(shù)據(jù)分析處理的應(yīng)用支撐平臺，是連接智慧校園各部分、匯聚智慧校園各種信息的樞紐，“大腦”的發(fā)達(dá)程度決定了智慧校園的“智慧”程度。

遵循“數(shù)據(jù)倉庫+主數(shù)據(jù)+大數(shù)據(jù)”的建設(shè)思路，在校內(nèi)重新構(gòu)建新的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺[5]。大數(shù)據(jù)層包括學(xué)校各個部處的日常業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，囊括所有需要集成到數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)。因此，該層一是要實現(xiàn)與各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫之間的有效對接，二是要對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的抽取、清洗，根據(jù)預(yù)定義的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換再存儲。主要包括共享用數(shù)據(jù)庫、主題存儲用數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)倉庫。大數(shù)據(jù)核心數(shù)據(jù)管理與技術(shù)如圖2所示。

對于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，要對學(xué)校各個職能部門的數(shù)據(jù)字典進(jìn)行具體分析，充分了解其數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要統(tǒng)一，要消除各職能部門之間的數(shù)據(jù)鴻溝和信息孤島，建立起學(xué)校信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)以及與數(shù)據(jù)中心的關(guān)聯(lián)關(guān)系，為最終構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)共享中心提供規(guī)范的數(shù)據(jù)資源。大數(shù)據(jù)層核心數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。

數(shù)據(jù)中心的構(gòu)建包括兩個方面的工作：一方面是現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫信息的采集與整合，另一方面是數(shù)據(jù)庫信息的交換與共享。數(shù)據(jù)中心的兩大職能正是信息采集與整合、信息交換與共享。其中，對現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行采集與整合尤為重要，要特別注意不同種類的數(shù)據(jù)源的整合。常用技術(shù)包括SOA技術(shù)、EAI技術(shù)和ESB技術(shù)?；赟OA的數(shù)據(jù)交互方式多是以XML技術(shù)為基礎(chǔ)，同時融入了Web Services和SOA的概念[6]，在國內(nèi)被應(yīng)用的較多。

4.4? ?智慧應(yīng)用層

智慧應(yīng)用層是指各種智慧型的校園業(yè)務(wù)應(yīng)用，如教學(xué)、科研、管理、服務(wù)等，是智慧校園服務(wù)價值性的重要體現(xiàn)。從數(shù)據(jù)采集的角度而言，智慧應(yīng)用即是要實現(xiàn)什么樣的服務(wù)，也就決定了數(shù)據(jù)采集的最基本需求[7]。但在智慧應(yīng)用的同時，也在產(chǎn)生著許多新數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)又成為大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，這就需要我們對智慧校園的應(yīng)用提出基本的需求。

4.5? ?支撐保障體系

智慧校園將全面采集學(xué)校各類數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)安全將會面臨前所未有的挑戰(zhàn)。其主要表現(xiàn)在四個環(huán)節(jié)，即采集安全、傳輸安全、存貯安全與硬件保障。

采集安全保障主要是要確保數(shù)據(jù)的可追溯。一是數(shù)據(jù)一旦出現(xiàn)疑似失真，要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的逆向可追溯至數(shù)據(jù)的源頭，包括數(shù)據(jù)的演變過程，控制數(shù)據(jù)被惡意篡改的風(fēng)險。二是一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)崩潰時，可以重新追溯數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)原。傳輸安全保障主要是強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)化的建立。一是對傳輸接口與通道的標(biāo)準(zhǔn)化，確保系統(tǒng)整合;二是對數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)化，包括接口等，以應(yīng)對各類業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)同時向數(shù)據(jù)中心傳輸數(shù)據(jù);三是對傳輸權(quán)限的標(biāo)準(zhǔn)化，確保不同用戶擁有適度、合理的權(quán)限等級。存儲安全保障主要是數(shù)據(jù)備份等技術(shù)。目前，智慧校園較為主流的采用HBASE數(shù)據(jù)庫集群。其穩(wěn)定性和可靠強(qiáng)較高，一旦節(jié)點出現(xiàn)問題，會激發(fā)HA強(qiáng)制機(jī)制，主動同步，確保數(shù)據(jù)一致性。硬件保障主要是運(yùn)用硬件技術(shù)來現(xiàn)實現(xiàn)安全防護(hù)。常見的有在骨干節(jié)點增加企業(yè)級防火墻，提高服務(wù)器負(fù)載能力，使用專業(yè)的DNS設(shè)備，啟用管理軟件防護(hù)功能等[8]。

5? ?結(jié)論（Conclusion）

教育大數(shù)據(jù)應(yīng)用是未來教育改革與研究的重大驅(qū)動力之一。智慧校園是教育大數(shù)據(jù)的重要載體，只有智慧校園的成熟構(gòu)建，才能確保教育大數(shù)據(jù)的采集與分析，反之，教育大數(shù)據(jù)的應(yīng)用開發(fā)前沿性，也一定程度上反映了智慧校園的“智慧程度”，兩者是相輔相成的?；诖髷?shù)據(jù)的高校智慧校園系統(tǒng)還將在教學(xué)質(zhì)量科學(xué)評價、專業(yè)動態(tài)競爭力觀測，以及招生—在?！蜆I(yè)全過程跟蹤等方面發(fā)揮作用。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] Ying Hu.Study on the key algorithms and framework design of intelligent campus education platform based on big data technology[J].Technical Bulletin，2017（15）：63-69.

[2] Jia Yanmei.Construction and application of intelligent campus in colleges and Uuniversities under the background of big data[C].Advances in Intelligent Systems and Computing，2019：866-872.

[3] Yingkai，Miao.Research on construction of data switching center for intelligence campus[C].IEEE 2nd International Conference on Big Data Analysis（ICBDA），2017：542-545.

[4] 高強(qiáng).基于大數(shù)據(jù)下的智慧校園建設(shè)總體架構(gòu)模型及典型應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù)，2017，13（21）：162-163;170.

[5] 黃成兵.大數(shù)據(jù)環(huán)境下高校智慧校園建設(shè)應(yīng)用探討[J].智能計算機(jī)與應(yīng)用，2017，7（1）：131-133.

[6] 秦志民，劉素珍.高校智慧校園數(shù)據(jù)交換平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2017（5）：76-78.

[7] 李川.基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)下的智慧校園構(gòu)建分析[J].電腦知識與技術(shù)，2017，13（20）：10-13.

[8] 馮金才.智慧校園大數(shù)據(jù)安全技術(shù)防范[J].電腦知識與技術(shù)，2017，13（12）：15-16.