基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的智慧校園構(gòu)建

章喜字　林雙欽

摘? 要： 為了促進(jìn)高校數(shù)字化教學(xué)資源的共享，通過分析智慧校園的需求，分析智慧校園所使用的關(guān)鍵技術(shù)，包括大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和社交網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了智慧校園建設(shè)中分別為智能感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層的四層架構(gòu)，以及大數(shù)據(jù)分析的核心算法。智慧化校園的建設(shè)為師生提供個(gè)性化的服務(wù)，推動(dòng)教育事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 智慧校園; 物聯(lián)網(wǎng); 大數(shù)據(jù); 算法

中圖分類號(hào)：TP391? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1006-8228（2020）06-115-03

Abstract： In order to promote the sharing of digital teaching resources in colleges and universities， this paper analyzes the needs of smart campus， and the key technologies used in smart campus， including big data technology， Internet of Things technology and social network， and designs the four-tier architecture of smart campus construction， including the intelligent sensing layer， network layer， data layer and application layer， as well as the core algorithm of big data analysis. The construction of intelligent campus provides personalized services for teachers and students， and promotes the further development of education.

Key words： smart campus; Internet of Things; big data; algorithm

0 引言

隨著信息化的發(fā)展，教育信息化成為其中重要的一部分，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。高校在信息化發(fā)展的過程中，應(yīng)綜合運(yùn)用各類資源來提高教學(xué)、科研和創(chuàng)新能力，進(jìn)而提升高校教育的改革和創(chuàng)新能力。

中國高校經(jīng)歷了校園網(wǎng)、數(shù)字校園的建設(shè)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，智慧校園逐漸成為建設(shè)的重點(diǎn)。隨著高校師生數(shù)量的增加，信息量越來越大，因此，必須改變校園的管理模式，使之適應(yīng)現(xiàn)代化的發(fā)展需要。大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高校的智慧校園建設(shè)提出了新的挑戰(zhàn)[1-2]。論文分析智慧校園中各數(shù)據(jù)資源的使用情況，結(jié)合目前智慧校園發(fā)展現(xiàn)狀，建立基于大數(shù)據(jù)的智慧校園平臺(tái)，能夠促進(jìn)高校數(shù)字化教學(xué)資源的共享提供更為高效的途徑，對(duì)校園管理提供科學(xué)決策依據(jù)，為廣大師生的工作、學(xué)習(xí)和生活提供更加便利的服務(wù)，該平臺(tái)的建立對(duì)促進(jìn)高校數(shù)字化的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

1 智慧校園建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

⑴ 大數(shù)據(jù)

隨著數(shù)據(jù)量的迅猛增加，大數(shù)據(jù)（Big Data）技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛。大數(shù)據(jù)是指使用常規(guī)的工具、軟件在一定時(shí)間內(nèi)無法獲取、處理和管理的數(shù)據(jù)集合。需要使用新的處理模式才能夠洞察、決斷復(fù)雜多樣的信息資源。大數(shù)據(jù)具有如下特點(diǎn)：數(shù)據(jù)規(guī)模大、多樣性、時(shí)效性、準(zhǔn)確性和價(jià)值大。其中多樣性是指數(shù)據(jù)種類包括圖片、運(yùn)行日志等結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。時(shí)效性是指獲取和處理數(shù)據(jù)要求及時(shí)和高效。準(zhǔn)確性是指數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果要求準(zhǔn)確。大價(jià)值是指利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)處理存在巨大的價(jià)值。在智慧校園的建設(shè)中，數(shù)據(jù)復(fù)雜而多樣，需要從這些復(fù)雜而海量的數(shù)據(jù)中獲取有價(jià)值的信息。因此，要充分利用大數(shù)據(jù)技術(shù)來建設(shè)高水平的智慧校園。

⑵ 物聯(lián)網(wǎng)

20世紀(jì)90年代物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IOT）由美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究者提出，是指將實(shí)體中嵌入芯片和軟件達(dá)到物機(jī)交互[4]。智能技術(shù)、傳感器技術(shù)、納米技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)（RFID，Radio Frequency Identification）等是物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。在智慧校園的建設(shè)中，物聯(lián)網(wǎng)起到關(guān)鍵作用，通過無線傳感器技術(shù)將各設(shè)備連接，構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)性的空間。RFID將無線射頻和嵌入式有機(jī)結(jié)合，達(dá)到自動(dòng)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的目的。

⑶ 社交網(wǎng)絡(luò)

社交網(wǎng)絡(luò)（Social Network Service）可以不受時(shí)空限制，提供虛擬化的社會(huì)交流空間。社交網(wǎng)絡(luò)利用社交平臺(tái)使學(xué)生能夠展現(xiàn)自我、獲取知識(shí)信息、增進(jìn)友誼，深受學(xué)生的青睞[5]。如人們經(jīng)常使用的微信、QQ、電子郵件等。社交網(wǎng)絡(luò)成為人們工作、生活和學(xué)習(xí)，不可缺少的一部分。因此，應(yīng)充分利用社交網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)智慧校園的建設(shè)。

2 智慧校園需求分析

校園中存在大量的數(shù)據(jù)資源，包括個(gè)人信息、教學(xué)資源等。智慧校園應(yīng)該能夠?yàn)閹熒峁┴S富的資源信息，達(dá)到資源的共享。對(duì)于學(xué)校的管理者需要高效地管理和服務(wù)師生，參與到智慧校園的管理，及時(shí)對(duì)師生的需求響應(yīng)。各管理者的管理權(quán)限明確，達(dá)到安全管理的要求。聯(lián)通各部分達(dá)到信息共享。對(duì)于安全性要求較高的資源，要求設(shè)置一定的權(quán)限。智慧校園為了要具有可擴(kuò)展性。在功能上，要求具有存儲(chǔ)能力和計(jì)算能力。能夠采集和存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)備份和容錯(cuò)能力，需要可靠的服務(wù)器支持。需要計(jì)算系統(tǒng)對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理、篩選。對(duì)突發(fā)情況能夠處理?；诖髷?shù)據(jù)的智慧校園安全性非常重要，應(yīng)避免為了病毒的攻擊，確保數(shù)據(jù)安全和系統(tǒng)穩(wěn)定。系統(tǒng)要求方便操作，支持各應(yīng)用接口和Web端口。

3 智慧校園架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)智慧校園的需求，進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)，整個(gè)架構(gòu)可以分為四層進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別為最下面的智能感知層，依次向上分別為網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層。智能感知層中利用RFID技術(shù)、ZigBee等技術(shù)采集校園中各類信息、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，全面感知各設(shè)施的運(yùn)行情況，以及師生與校園環(huán)境的互動(dòng)。包括智慧課室、智慧教學(xué)、智慧安防、智慧后勤和智慧資產(chǎn)等。網(wǎng)絡(luò)層中包括物聯(lián)網(wǎng)、無線、校園網(wǎng)、監(jiān)控網(wǎng)和有線網(wǎng)，提供智慧校園各應(yīng)用的移動(dòng)互聯(lián)服務(wù)，方便師生訪問和獲取信息。數(shù)據(jù)層中利用數(shù)據(jù)采集、分析、治理和挖掘技術(shù)，對(duì)各類信息進(jìn)行處理和分析。包括統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)視圖、統(tǒng)一數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換平臺(tái)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)共享平臺(tái)和統(tǒng)一數(shù)據(jù)生成等。應(yīng)用層是智慧校園應(yīng)用的接口，在數(shù)據(jù)層的基礎(chǔ)上提供個(gè)性化的服務(wù)。包括網(wǎng)上事務(wù)中心、個(gè)人工作平臺(tái)、大數(shù)據(jù)中心、資訊中心、移動(dòng)門戶、網(wǎng)絡(luò)社區(qū)平臺(tái)等。

智慧校園能夠提供個(gè)性化服務(wù)，通過校園中海量數(shù)據(jù)，挖掘師生的生活學(xué)習(xí)規(guī)律，提高用戶體驗(yàn)和服務(wù)質(zhì)量，為智慧校園的構(gòu)建提供全面、科學(xué)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。另外，智慧校園中的信息標(biāo)準(zhǔn)和安全是智慧校園架構(gòu)設(shè)計(jì)不可忽略的重要部分，需要統(tǒng)一的信息標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范化數(shù)據(jù)建模、加工和交換過程，實(shí)現(xiàn)資源共享。同時(shí)需要建立有效的安全機(jī)制。智慧校園架構(gòu)如圖1所示。

4 大數(shù)據(jù)分析和算法選擇

⑴ 數(shù)據(jù)分析

智慧校園中的數(shù)據(jù)分析是基于交互式Spark分析平臺(tái)，平臺(tái)分為三層，分別為分布式緩沖層、中間層和算法層。分布式緩沖層緩存數(shù)據(jù)，能夠減少訪問時(shí)間。中間層支持基于stream實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的計(jì)算。算法層提供算法庫和應(yīng)用訪問接口。論文中設(shè)計(jì)的智慧校園數(shù)據(jù)分析平臺(tái)能夠大大提高存儲(chǔ)和計(jì)算效率。提高執(zhí)行效率，SQL執(zhí)行方面采用優(yōu)化策略，優(yōu)化了其性能。本平臺(tái)采用ANSI SQL 2003及PL/SQL過程語言擴(kuò)展，這種方法支持復(fù)雜的數(shù)據(jù)倉庫的應(yīng)用，遷移性能優(yōu)越。平臺(tái)使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，通過Spark訪問分布式數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)檢索和挖掘。

⑵ 算法選擇

平臺(tái)采用的算法包括邏輯回歸算法、聚類算法、推薦算法、線性回歸、支持向量機(jī)和關(guān)聯(lián)分析算法等。其中邏輯回歸包括常用的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可以預(yù)測(cè)事務(wù)發(fā)生的概率。聚類算法中，使用經(jīng)典的機(jī)遇劃分的聚類算法K-means，用于統(tǒng)計(jì)分析。推薦算法用于根據(jù)以后瀏覽記錄預(yù)測(cè)以后的喜好。線性回歸算法確定多變量依賴關(guān)系。支持向量機(jī)可廣泛用于分類和回歸分析，是一種監(jiān)督式學(xué)習(xí)方法。關(guān)聯(lián)分析算法是根據(jù)數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果的頻繁項(xiàng)集，挖掘出信息的關(guān)聯(lián)規(guī)則。

5 結(jié)束語

智慧校園是高速發(fā)展的信息化和大數(shù)據(jù)發(fā)展的產(chǎn)物，是數(shù)字化校園建設(shè)的關(guān)鍵。智慧校園的建設(shè)是各學(xué)校重點(diǎn)發(fā)展的事務(wù)之一。論文結(jié)合高校發(fā)展需要，分析了智慧校園的各種需求，設(shè)計(jì)了智慧校園的架構(gòu)，整個(gè)架構(gòu)分為四層，分別為智能感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層。智慧校園提供個(gè)性化服務(wù)，通過校園中海量數(shù)據(jù)挖掘師生的生活學(xué)習(xí)規(guī)律，提高用戶體驗(yàn)和服務(wù)質(zhì)量，為智慧校園的構(gòu)建提供全面、科學(xué)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。另外設(shè)計(jì)了智慧校園的信息標(biāo)準(zhǔn)和安全體系，對(duì)智慧校園的大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以及對(duì)所使用的算法進(jìn)行選擇，能夠保證智慧校園安全平穩(wěn)運(yùn)行。智慧化校園的建設(shè)能夠?yàn)閹熒峁﹤€(gè)性化的服務(wù)，推動(dòng)教育事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，能夠?yàn)槠渌咝е腔坌@的建設(shè)提供參考。

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