基于智慧校園情境感知信息服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

黃立冬， 廖宏建

(1.淮陰師范學(xué)院 教育科學(xué)學(xué)院，江蘇 淮安 223300； 2.廣州大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代教育技術(shù)中心，廣東 廣州 510006)

0 引言

2018年教育部正式提出《教育信息化2.0行動計劃》，這標(biāo)志著我國經(jīng)過多年的教育信息化建設(shè)，校園信息化建設(shè)已經(jīng)從校園網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、校園數(shù)字化建設(shè)階段，發(fā)展到了智慧校園建設(shè)階段.在5G網(wǎng)絡(luò)、移動應(yīng)用普及、云存貯、大數(shù)據(jù)、以及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的推動下，基于情境感知的主動、個性化的智能化應(yīng)用和服務(wù)是智慧校園發(fā)展的必然需求和趨勢，同時也是國家布局教育信息化2.0，在消除教育界的“數(shù)字鴻溝”后，應(yīng)對“智能鴻溝”問題的重要的技術(shù)保證手段[1].

2018年教育部發(fā)布了《中小學(xué)數(shù)字校園建設(shè)規(guī)范(試行)》指導(dǎo)性文件，隨后各地區(qū)都在此基礎(chǔ)上出臺了中小學(xué)與高校的智慧校園建設(shè)的指導(dǎo)意見. 例如：江蘇省要求以人為本、深化應(yīng)用、融合創(chuàng)新、開放共享原則(智能感知是大多數(shù)智慧校園建設(shè)的指導(dǎo)思想或目標(biāo)之一).智慧校園提供一個全面智能的感知環(huán)境和智慧空間，基于用戶、情境和資源多維模式，在教學(xué)、科研、學(xué)習(xí)、生活、及校園管理等方面為廣大師生提供一個基于角色、基于環(huán)境、基于事務(wù)的情境化與個性化服務(wù)[2].黃榮懷教授提出了智慧校園的5個特征，即網(wǎng)絡(luò)的無縫互通、環(huán)境的全面感知、數(shù)據(jù)的海量支撐、師生的個性化服務(wù)、學(xué)習(xí)環(huán)境的全面開放[3].

目前，情境感知在汽車行業(yè)、智能家居、智能旅游、電子商務(wù)等領(lǐng)域應(yīng)用都比較成熟.有關(guān)情境感知在智慧校園應(yīng)用的研究與探討主要集中在數(shù)字圖書個性化服務(wù)、英語移動學(xué)習(xí)、智慧學(xué)習(xí)環(huán)境、智慧學(xué)習(xí)資源等領(lǐng)域.而且大部分研究僅限于某種應(yīng)用需求的局部探討，缺乏智慧校園建設(shè)的理念和業(yè)務(wù)大數(shù)據(jù)需求下的整體架構(gòu)與思考，表明目前情境感知在智慧校園的應(yīng)用與研究還尚處于探索階段.

1 典型智慧校園情境分類框架

情境感知離不開情境，管理學(xué)視角認(rèn)為，情境有場所之意，尤指在某一時間內(nèi)事情發(fā)展或個體行為活動的狀況、情勢或即時條件[4].本質(zhì)上，這與情境感知的視角是一致的，即都將個體與組織分開考慮，具有獨特性，同時說明了資源、服務(wù)、知識都具有非普適性.對校園而言，整個系統(tǒng)的校園情境因素非常復(fù)雜，包括了組織與個體、內(nèi)部與外部、文化與價值、主觀與客觀等.如果對情境考慮過細(xì)，導(dǎo)致泛情境化而無法聚焦，增加了事物研究的復(fù)雜性.因此，研究智慧校園的情境感知，對智慧校園情境進(jìn)行分類是首先要解決的問題之一.

對于情境的分類，目前沒有統(tǒng)一的定論.戴(A. K. Dey)將情境分為4個類型：標(biāo)識、位置、狀態(tài)、時間.徐光祐等將情境分為：計算情境、用戶情境、物理情境、時間情境[5].也有學(xué)者將社會情境、任務(wù)活動等也納入分類要素之中[6-7].參考已有分類方法，結(jié)合典型校園的特點，本文從用戶、資源、活動、服務(wù)4個維度考慮，將典型智慧校園情境分類分為校園用戶情境、校園環(huán)境情境、應(yīng)用邏輯情境，具體如圖1所示.校園用戶情境和校園環(huán)境情境屬于顯性情境，是事物具有的基本屬性，包含了用戶、資源與活動.應(yīng)用邏輯情境屬于隱顯情境，是情境系統(tǒng)識別出來的高級情境，主要指服務(wù).

圖1 典型智慧校園情境分類框架

1.1 校園用戶情境

校園用戶情境是針對校園用戶基本屬性的描述.包括個體屬性、興趣愛好、群體屬性.個體屬性可以是用戶的個體特征，如用戶姓名、性別、籍貫、年齡、專業(yè)、年級、身份等；興趣愛好屬性包括用戶偏好、興趣愛好、學(xué)習(xí)習(xí)慣、學(xué)習(xí)風(fēng)格等；群體屬性包括班級同學(xué)、專業(yè)同學(xué)、學(xué)科同事、組織成員等，這些特征用來描述校園群體用戶特點.

1.2 校園環(huán)境情境

校園環(huán)境情境是指用戶當(dāng)前所處的環(huán)境特征的描述，包括校園自然環(huán)境、資源環(huán)境、文化活動環(huán)境等3個方面.自然環(huán)境、資源環(huán)境屬于校園物質(zhì)環(huán)境，文化活動環(huán)境屬于校園社會環(huán)境(精神環(huán)境).自然環(huán)境主要指校園的地理屬性，包含樓宇位置、文化景點、校園功能區(qū)等.資源環(huán)境主要指校園教學(xué)資源，包括教學(xué)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、圖書資源、數(shù)字平臺等.文化活動環(huán)境是指師生在規(guī)章制度指導(dǎo)下的校園活動環(huán)境，包括教學(xué)活動、科研活動、課外活動，校園事務(wù)等，體現(xiàn)的是人際互動的群體社會屬性.

1.3 應(yīng)用邏輯情境

應(yīng)用邏輯情境屬于高級情境.是情境服務(wù)系統(tǒng)跟據(jù)感知的基本數(shù)據(jù)與相關(guān)的業(yè)務(wù)應(yīng)用邏輯融合計算生成的高層次的情境，具有個體性，可以直接為校園個體用戶服務(wù).應(yīng)用邏輯情境分為3種：流程應(yīng)用、事件應(yīng)用、推理應(yīng)用.流程應(yīng)用指根據(jù)用戶情境與系統(tǒng)日程安排生成的新情境.如每位同學(xué)的課表安排，老師的辦事進(jìn)度.觸發(fā)應(yīng)用指不管哪個用戶，只要滿足條件就觸發(fā)了新的情境信息.如學(xué)生一刷卡進(jìn)圖書館，系統(tǒng)就會第一時間將其關(guān)注的圖書信息、空余自習(xí)位置等信息推送給他.推理情境是指情境服務(wù)系統(tǒng)通過情境計算，推測到用戶下一步行動或需求主動生成的情境信息.如根據(jù)課表中的教室、時間安排信息與用戶當(dāng)前位置信息與時間對比，自動把手機(jī)設(shè)為靜音狀態(tài)并自動簽到.

這種分類優(yōu)勢主要是考慮了校園空間(情境)的領(lǐng)域性，可降低情境感知的難度，能提高應(yīng)用的精準(zhǔn)性.不足之處是因為個體感知方面的心理情境太主觀，無法考慮.比如，某同學(xué)要購買一支筆，但這支筆是自己用的還是用來送禮物的是有差別的.

2 基于情境感知的智慧校園資源服務(wù)引擎框架

關(guān)于情境感知與智慧校園的研究，學(xué)者們從各種技術(shù)角度進(jìn)行了探討.蔡蘇等基于增強(qiáng)現(xiàn)實、位置和移動技術(shù)，以安卓Android手機(jī)平臺為客戶端，設(shè)計并實現(xiàn)了地理導(dǎo)航與校園文化瀏覽一體的校園智能導(dǎo)覽系統(tǒng)[8].后圓圓提出一種基于規(guī)則的情境感知系統(tǒng)設(shè)計方案，實現(xiàn)了一個小的校園資源推薦原型[9].夏凌云等提出基于位置情境，以微信公眾平臺和iBeacon技術(shù)的智慧校園智能簽到應(yīng)用方案[10]，蔣達(dá)央利用基于校園師生活動這一本體而設(shè)計的情境感知模型，提出了3種基于智慧校園的情境感知數(shù)據(jù)采集的策略[11].覃飛提出面向智慧校園的情境感知系統(tǒng)研究框架，并對協(xié)同過濾等推薦優(yōu)化技術(shù)在智慧校園情境感知系統(tǒng)的服務(wù)推薦中的應(yīng)用進(jìn)行了探討與研究[11].本文在上述學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，基于數(shù)據(jù)融合與智慧校園建設(shè)指導(dǎo)文件，提出一種智慧校園情境服務(wù)的引擎框架.

2.1 設(shè)計思路

依據(jù)國家教育信息化2.0行動計劃，2018年江蘇省高校智慧校園建設(shè)指導(dǎo)文件指出，智慧校園建設(shè)要以堅持開放共享、融合創(chuàng)新、應(yīng)用驅(qū)動、以人為本的原則，在這基礎(chǔ)上，結(jié)合校園用戶、資源、活動、服務(wù)4個維度進(jìn)行設(shè)計考慮.

2.1.1 基于資源融合的“服務(wù)碎片化”輕應(yīng)用原則

融合階段是智慧校園進(jìn)入成熟標(biāo)志，融合意味著校園網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、平臺、業(yè)務(wù)及服務(wù)的統(tǒng)一，為用戶的情境服務(wù)提供了“組件化”的可能性.用戶即開即用的輕應(yīng)用，如圖書助手、學(xué)術(shù)助手、報銷助手、社團(tuán)助手、課堂助手等，這些輕應(yīng)用設(shè)計成低耦合高內(nèi)聚，開發(fā)與使用時可以在數(shù)據(jù)庫共享與系統(tǒng)框架下自由擴(kuò)展.例如大四學(xué)生在作畢業(yè)論文期間，選擇打開“學(xué)術(shù)助手”，當(dāng)有相關(guān)論文寫作時一些通知、講座、資源時就會及時推送.非畢業(yè)班的同學(xué)對這一塊需求不是很明顯，則可以關(guān)閉.這樣一方面滿足了客戶端按需選擇的“服務(wù)碎片化”，避免了相關(guān)信息或服務(wù)對用戶來說可能適合但暫不需要的矛盾，另一方面也減輕了系統(tǒng)開發(fā)與云端情境計算的復(fù)雜性.

2.1.2 基于校園活動(業(yè)務(wù))驅(qū)動原則

作為典型的各項校園活動都有一定的規(guī)范性，這也為個性化的服務(wù)提供了可操作性.例如學(xué)生需要按課表進(jìn)行上課，老師需要按流程與規(guī)章報銷.借鑒企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)中的業(yè)務(wù)流程管理(BMP)生命周期的管理方法，情境服務(wù)系統(tǒng)參與進(jìn)來，對每個個體的業(yè)務(wù)進(jìn)行定義、建模、啟動、執(zhí)行、監(jiān)控、分析，主動提供各種個性化的資源與服務(wù)，提升智慧校園的用戶體驗與使用價值.

2.1.3 基于以用戶為中心的個性化服務(wù)原則

智慧校園的建設(shè)最終指向的服務(wù)對象是學(xué)生、教師、管理者、社會公眾(家長或校友).用戶所認(rèn)同的智慧性的表征在個性化的體驗上與情境感知服務(wù)目標(biāo)是一致的.只有讓服務(wù)系統(tǒng)能真正理解用戶“我是誰(who)、我在哪里(where)、我在干什么(do what)、我要什么(want)”，這樣才能讓用戶體會到智慧與個性化.

表1 校園用戶需求分類

2.2 框架設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)

智慧校園情境服務(wù)系統(tǒng)獨立于校園信息管理系統(tǒng)之外，通過中間件(Agent)數(shù)據(jù)訪問接口可以與校園大數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與融合，基于感知層、服務(wù)層、應(yīng)用層等3個層次，具體如圖2所示.

2.2.1 感知層情境數(shù)據(jù)的獲取

校園情境信息采集是利用移動終端感知器對用戶所處環(huán)境的一系列原始情境信息進(jìn)行采集，經(jīng)過情境運算，確定用戶的時間、日程、位置、習(xí)慣、日志或業(yè)務(wù)狀態(tài)等用戶的基本情境，具體如圖3所示.

圖3 感知層情境數(shù)據(jù)的獲取

①從智能終端獲取

用戶位置情境是很重要的情境之一，用戶的位置定位可以使用已采用的GPS、GSM、WIFI或室內(nèi)藍(lán)牙iBeacons來定位用戶的經(jīng)緯度地理信息，其中樓層位置可以采用海拔高度或藍(lán)牙iBeacon RSSI值標(biāo)志來判斷.然后根據(jù)經(jīng)緯度值及高度值，查詢校園位置索引庫，位置索引庫中包含了校園每個建筑物，每個功能區(qū)的4個角點的經(jīng)緯坐標(biāo)的范圍，運用定位算法，就可確定用戶位置在校園中的精確位置.

②從用戶基本信息獲取

用戶基本情境的獲取，可以從注冊信息、用戶習(xí)慣、操作的日志獲取，如果用戶的基本情境較少時，可以從班級同學(xué)模型或興趣模型中參考相同或相近的用戶，并進(jìn)行存貯和更新.

③從服務(wù)數(shù)據(jù)庫中獲取

校園用戶的基本情境的獲取，主要來自大數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)挖掘.例如根據(jù)教務(wù)課表、會議的安排、班級活動、事務(wù)流程狀態(tài)，結(jié)合當(dāng)前時間可以確定用戶的事務(wù)活動.也可以來自感應(yīng)設(shè)備的處理數(shù)據(jù)，結(jié)合觸發(fā)條件確定情境變化.情境服務(wù)系統(tǒng)就可以理解用戶環(huán)境，及時為用戶提供相應(yīng)的資源與消息.

2.2.2 情境本體與建模

利用本體，可以在不同的人或應(yīng)用程序之間共享一組有結(jié)構(gòu)的信息，并達(dá)成理解上的共識.基于本體的情境推理時，首先要確定應(yīng)用相關(guān)的情境本體，覃飛將校園分為用戶、時間、位置、活動、設(shè)備5個頂層本體[11]. 本文提煉校園元素，基于情境服務(wù)目標(biāo)“我是誰(who)、我在哪里(where)、我在干什么(do what)、我要什么(want)”，對應(yīng)的將用戶、位置、活動、資源4個對象作為校園頂層情境本體，通過時間、位置、業(yè)務(wù)、資源等屬性來關(guān)聯(lián)相關(guān)本體.根據(jù)約束條件，快速推理判斷做出相關(guān)反饋.如圖4所示.

圖4 智慧校園情境服務(wù)頂層本體

每一個頂層本體又可以派生出眾多子類本體.其中用戶包括學(xué)生、教職工，同時可以是群體或個體；活動包括日程安排的教學(xué)活動、講座、匯演等在內(nèi)的群體校園活動，也可以是個人事務(wù)，如預(yù)約圖書、報銷進(jìn)程、自習(xí)、跑步等；資源可包含通知、資訊、網(wǎng)絡(luò)文件等網(wǎng)絡(luò)資源，也可以是實驗器材、圖書等實體資源.位置可以是教學(xué)樓宇，生活場館，活動場地等.

基于本體的建模工具有Apollo、OILEd、OntoEdit、Protégé軟件.其中Protégé是基于Java語言一款開源的本體建模工具.其提供了本體概念類，關(guān)系，屬性和實例，只需在概念層次上進(jìn)行領(lǐng)域本體模型的構(gòu)建.另外，Protégé最大的特點在于其可擴(kuò)展性，具有開放式的接口，提供大量的插件，支持幾乎所有形式的本體論表示語言，包括XML、RDF(S)、OIL、DAML、DAML+OIL、OWL等系列語言.

2.2.3 情境推理

基于情境感知的智慧校園與傳統(tǒng)的智慧校園的區(qū)別之一在于系統(tǒng)可以智能的感知用戶的行為與預(yù)期，主動為用戶提供個性化的服務(wù)[12].應(yīng)用場景和用戶需求多樣性，為了降低計算的復(fù)雜度，改善用戶的滿意度，發(fā)現(xiàn)有4種方式的有效的校園情境類型可參考.

①依據(jù)日程表

用戶每周的課表與教務(wù)活動有一定周期性，各種教學(xué)場所的使用也有一定的周期性.根據(jù)課表信息，可以得到時間與上課地點，如果用戶的當(dāng)前位置與當(dāng)前地點不相符，就可以推理出用戶不在上課情境，可以及時提醒用戶.

②依據(jù)事件觸發(fā)

系統(tǒng)提供的服務(wù)與資源，只要匹配到用戶滿足條件，就可以主動觸發(fā)服務(wù).例如，畢業(yè)生到了開題時間，會接收到相關(guān)的通知、學(xué)術(shù)資源等.教師的相關(guān)業(yè)務(wù)辦理進(jìn)度會及時的反饋給當(dāng)事人.

③依據(jù)情境推理產(chǎn)生新的情境

這里指高級情境的生成.例如，根據(jù)歷史記錄發(fā)現(xiàn)某同學(xué)每晚七點去操場跑步的習(xí)慣，同時系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)天氣預(yù)報的信息在七點半將會下雨，這時及時提醒用戶要帶傘或取消活動.

④根據(jù)群體相似性推理

典型校園用戶的情境不僅具有個性化，還具有群體性，如同年級、同班級、同專業(yè)、同興趣等.因此，一個對個體適合的情境，可能也對群體也是適合的，情境推理一般采用協(xié)同過濾推薦、基于內(nèi)容相似性推薦、混合推薦等3種類型[13].協(xié)同過濾推薦是向用戶推薦與他相似屬性相似愛好的人的資源與服務(wù).如適合A同學(xué)的相關(guān)資源與服務(wù)，可能也同樣適合他的同班同學(xué)、同專業(yè)同學(xué)或同興趣的學(xué)友；基于內(nèi)容相似性推薦主要是根據(jù)用戶過去的偏愛的內(nèi)容，根據(jù)內(nèi)容的相似性推薦給用戶；混合推薦是前兩種方法的綜合.

3 基于情境感知的“課堂助手”應(yīng)用原型

在上述校園情境服務(wù)研究的基礎(chǔ)上，本文以某學(xué)院新校區(qū)3號樓為例，模擬一些樓宇的課表信息，設(shè)計開發(fā)了一款移動手機(jī)用戶基于課表、位置、時間三元情境向用戶提供體現(xiàn)大數(shù)據(jù)、多業(yè)務(wù)融合、情境推理服務(wù)的“課堂助手”應(yīng)用原型實踐.

3.1 技術(shù)線路

前端基于愛碼哥(www.imagjs.com)網(wǎng)絡(luò)H5平臺，底層封裝的原生UI接口，最終導(dǎo)出的APP都具有和原生應(yīng)用相同的性能和用戶體驗，在平臺上一次編譯，可以直接生成Android、IOS移動應(yīng)用，主要負(fù)責(zé)用戶情境的感知收集，向后臺發(fā)送用戶當(dāng)前情境(如位置、用戶id)，經(jīng)過后臺情境計算后返回結(jié)果，通過推送插件及時推送給用戶手機(jī).

后臺基于微軟.Net Framework 4.5框架，使用ashx一般處理程序httpHandler接受前臺的http請求，依據(jù)制定好的規(guī)則庫進(jìn)行對情境元素進(jìn)行運算，通過JSON(JavaScript Object Notation)數(shù)據(jù)反饋給前端愛碼哥平臺.前臺與后臺屬于不同平臺，通過數(shù)據(jù)接口進(jìn)行耦合，奇數(shù)線路圖如圖5所示.

圖5 技術(shù)線路圖

3.2 場景功能設(shè)計

校園情境服務(wù)“課堂助手”輕應(yīng)用客戶端，主要以教學(xué)活動安排為導(dǎo)向，在后臺主動獲取用戶的位置、時間與課表基本情境，主動提供4種情境服務(wù)功能，如表2所示.

表2 輕應(yīng)用客戶端提供4種情境服務(wù)功能

3.3 情境本體模型關(guān)系描述

本體主要涉及到用戶、位置、活動(課表)、資源等4個主要本體，本體關(guān)系圖如圖6所示.

圖6 本體關(guān)系示意圖

3.4 位置感知定位

位置感知定位主要基于學(xué)生智能移動端，是系統(tǒng)情境計算的基礎(chǔ).只有采集用戶地理位置，才能實現(xiàn)信息空間和物理空間的情境融合與計算，才能為用戶提供個性化的服務(wù).

位置定位之前，首先建立自己的校園地理位置地標(biāo)索引數(shù)據(jù)庫.相比較谷歌地圖、高德地圖，百度地圖是將樓宇的平面圖都顯示出來，使用比較方便.然后使用百度的在線坐標(biāo)拾取系統(tǒng)(http://api.map.baidu.com/lbsapi/getpoint/index.html)，用鼠標(biāo)拾取建筑物的4個角點的經(jīng)緯度坐標(biāo)入庫，如果需要精細(xì)地選取地理位置，可以用手機(jī)相關(guān)軟件精確獲取到每個教室4個角點的經(jīng)緯度.

位置定位采用了愛碼哥的ImagBDLocation組件，可自適應(yīng)通過GPS、GSM、WiFi，使用百度地圖JavaScript API v3.0調(diào)用獲取用戶的latitude(緯度坐標(biāo))與longitude(經(jīng)度坐標(biāo)).校園地理位置地標(biāo)索引數(shù)據(jù)庫包含了校園每個建筑物及每個功能區(qū)的4個角點的經(jīng)緯坐標(biāo)的范圍，根據(jù)獲取的經(jīng)緯度值，運用定位算法，就可確定用戶位置在校園中的精確位置.由于獲取GPSaltitude(海拔高度)需要用戶開GPS，而教室的樓層已知，為了使問題簡單化，在實現(xiàn)代碼中如果匹配到了樓宇的經(jīng)緯度范圍信息，就可認(rèn)為在上課教室里了.

3.5 軟件測試與評價

本文搭建了一個基本的技術(shù)原型，軟件前后臺主要通過數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合，從技術(shù)角度實現(xiàn)了情境服務(wù)的幾種基本功能，能對用戶進(jìn)行準(zhǔn)確位置情境的采集并進(jìn)行提示性反饋，提供智能化個性化的情境服務(wù).如：根據(jù)所處的位置在手機(jī)上出現(xiàn)“課堂助手提醒”.打開APP，即可顯示與上課相關(guān)的提醒與消息.這些提醒和消息可以是課程上課時間與地點的顯示，也可以是作業(yè)與習(xí)題的發(fā)布，如果已在教室上課，也可以顯示“上課期間，手機(jī)使用頻繁，請專心聽講！”等提示信息.用戶情境信息的隱私保護(hù)及心理因素暫時未能考慮，這將是下一步研究的重要問題.

4 總結(jié)與展望

智慧校園的建設(shè)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，是數(shù)字校園未來發(fā)展的主要形態(tài)，目前對智慧校園的研究與探索還較少，大部分學(xué)校的智慧化的應(yīng)用還僅停留在一卡通移動應(yīng)用、借書、考勤等功能上，本文從校園情境感知這個角度，探討了校園高級智慧形式的情境感知服務(wù)的基本問題與基本框架，期望數(shù)字校園未來的發(fā)展，借助于新一代的信息技術(shù)，讓技術(shù)能感知與理解用戶，在校園的各種具體情境下，從科研、教學(xué)、生活、管理等方面為校園用戶提供真正智慧化、個性化的服務(wù)與資源.