基于數(shù)據(jù)智能一體化的實驗室云平臺的建設(shè)與研究

廖 軍，張 毅，王成良，羅 西，劉 禮

（重慶大學(xué) 大數(shù)據(jù)與軟件學(xué)院，重慶 400000）

云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，正加速推進全國教育事業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，也在進一步推進智能化新技術(shù)突破、創(chuàng)新實踐等階段的協(xié)調(diào)發(fā)展。教育部印發(fā)的《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計劃》通知中提出，要大力發(fā)展全新智能教育，優(yōu)化高校人工智能領(lǐng)域科技創(chuàng)新體系，強化高校創(chuàng)新基礎(chǔ)條件，實現(xiàn)前瞻性基礎(chǔ)研究和引領(lǐng)性原創(chuàng)成果的重大突破，進一步提升高校人工智能領(lǐng)域科技創(chuàng)新、人才培養(yǎng)和服務(wù)國家需求的能力[1-2]。但目前大部分高校實驗教育基礎(chǔ)設(shè)施還不能滿足創(chuàng)新智能教育發(fā)展模式的需求[3]。

針對高校創(chuàng)新智能教育建設(shè)模式發(fā)展的問題，圍繞國家重點支持發(fā)展的高校智能產(chǎn)業(yè)，從人才培養(yǎng)、科研需求、社會需求等角度出發(fā)，以標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)范和項目化的管理，提出了一種基于數(shù)據(jù)智能一體化實驗室云平臺建設(shè)的方案，該實驗室云平臺的建設(shè)能夠滿足人工智能、大數(shù)據(jù)和云計算領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)課程的需要，同時滿足建設(shè)教學(xué)、科研、實踐平臺，支持人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算人才培養(yǎng)任務(wù)的需要，結(jié)合相關(guān)前沿技術(shù)開展研發(fā)，并承接企業(yè)社會化服務(wù)項目，從而提升學(xué)生和教師的創(chuàng)新實踐能力。

1 數(shù)據(jù)智能化實驗室云平臺構(gòu)建需求分析

隨著大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能信息技術(shù)的快速迭代，高校計算機傳統(tǒng)實驗室雖然可以滿足部分相關(guān)人工智能等理論課程的需求，但并不能滿足教師及學(xué)生在新型技術(shù)后期加強實驗實踐的實時動態(tài)調(diào)試，也無法進行資源統(tǒng)一集中維護與管理，對大規(guī)模數(shù)據(jù)無法進行有效集中存儲與備份[4]。以下主要從傳統(tǒng)實驗室現(xiàn)狀、大數(shù)據(jù)與人工智能專業(yè)、學(xué)生創(chuàng)新實踐和社會新型技術(shù)人才需求等方面來探討數(shù)據(jù)智能一體化實驗室云平臺的建設(shè)需求。

1.1 傳統(tǒng)實驗室現(xiàn)狀

結(jié)合高校及各學(xué)院智能實驗室建設(shè)情況，目前傳統(tǒng)實驗室存在的問題如下：

（1）還處于傳統(tǒng)個人計算機階段。在實際應(yīng)用過程中，大部分高校還使用傳統(tǒng)計算機，需要在每臺計算機上安裝課程所需的軟件程序及客戶端。所有數(shù)據(jù)分散在各臺計算機上，對計算機無法方便地進行統(tǒng)一集中維護與管理，對數(shù)據(jù)無法進行集中存儲與備份。

（2）實驗室的設(shè)備陳舊。大部分院校計算機相關(guān)專業(yè)實驗設(shè)備只能基本滿足原有基礎(chǔ)計算機及軟件專業(yè)實驗操作，而針對部分高校新增大數(shù)據(jù)與人工智能相關(guān)專業(yè)及科研，實驗設(shè)備并不能滿足專業(yè)需要，基礎(chǔ)教學(xué)的實驗室設(shè)備更新緩慢。

（3）缺少實驗室技術(shù)人員。相對高校教師而言，實驗技術(shù)人員的實驗室工作繁重且單一，很多教師很少從事實驗室工作。因而導(dǎo)致實驗室專職實驗技術(shù)人員隊伍不穩(wěn)定，缺少經(jīng)驗豐富、實踐能力強的實驗教師。造成現(xiàn)有實驗室人員隊伍不能很好地滿足培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識、實踐能力強的綜合素質(zhì)人才的要求。

（4）計算機實驗室的功能單一落后。傳統(tǒng)計算機實驗室的定位為服務(wù)教學(xué)，往往只能滿足一些傳統(tǒng)的計算機教學(xué)和需要計算機輔助實驗的課程，計算機設(shè)備功能單一、利用率低。

（5）難以管理。面對廣泛分布的計算機硬件，學(xué)生要求能在任何地方訪問其桌面環(huán)境，而集中式計算機管理難以滿足這一要求。由于計算機硬件種類繁多，學(xué)生修改桌面環(huán)境的需求各有不同，因此兼顧計算機桌面標(biāo)準(zhǔn)化和滿足新專業(yè)的需要也是一個難題。

（6）資源未能充分利用。計算機的分布式特性使學(xué)生和教師難以通過集中資源的方式提高利用率和降低成本，導(dǎo)致計算機的資源利用率通常低于 5%。遠(yuǎn)程教學(xué)及課程教學(xué)需要重復(fù)的桌面基礎(chǔ)架構(gòu)，學(xué)生及教師可能需要使用復(fù)雜的遠(yuǎn)程桌面解決方案，同時也需要高性能服務(wù)器集群[5]。

1.2 大數(shù)據(jù)與人工智能新型專業(yè)需求

目前很多高校開設(shè)了大數(shù)據(jù)與人工智能的新型專業(yè)。新型專業(yè)具有以下鮮明的特點：（1）設(shè)置大規(guī)模集群實驗，以滿足數(shù)據(jù)科學(xué)、人工智能專業(yè)課程需求；（2）具有高性能計算功能；（3）計算資源可由學(xué)生和教師動態(tài)調(diào)度；（4）具有前沿性，保證教學(xué)科研社會服務(wù)一體化。

新型專業(yè)開設(shè)了大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、深度學(xué)習(xí)、智能計算、計算機視覺等新的專業(yè)課程，這些課程離不開實驗平臺的建設(shè)。且這些課程的開設(shè)需要虛擬化、桌面云、計算集群、GPU、服務(wù)器等實驗環(huán)境，因此，智能化實驗室平臺的建設(shè)至關(guān)重要。此外，支持學(xué)生、教師對新型專業(yè)課程的要求，也需要相關(guān)大數(shù)據(jù)、云計算及人工智能平臺[6-7]。

1.3 學(xué)生創(chuàng)新實踐需求

在大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能新型信息技術(shù)背景下，各院校都非常重視學(xué)生創(chuàng)新實踐學(xué)習(xí)，培養(yǎng)個人的工程實踐能力。大部分學(xué)校將創(chuàng)新實踐分為實驗、實訓(xùn)、實習(xí)三個階段，主要是培養(yǎng)學(xué)生課程設(shè)計、專業(yè)實踐、工程實踐應(yīng)用等創(chuàng)新能力。為達到學(xué)生創(chuàng)新實踐的需要及實現(xiàn)創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)，需要建設(shè)智能數(shù)據(jù)實驗平臺，以便進一步提升學(xué)生的專業(yè)創(chuàng)新能力及滿足社會對人才的需求?，F(xiàn)在高校實驗實踐支撐缺少數(shù)據(jù)智能化實驗云平臺，實踐實訓(xùn)實習(xí)開展相對困難，學(xué)生不能夠有效地進行實踐創(chuàng)新，因此，智能實踐實驗云平臺一體化建設(shè)就更顯重要。

1.4 社會新型技術(shù)人才需求

社會新型技術(shù)人才培養(yǎng)是高等院校教育理念的重要組成部分，目的在于滿足社會對大數(shù)據(jù)、人工智能和云計算技術(shù)人才的需求。豐富和深化學(xué)生技術(shù)實踐內(nèi)容，構(gòu)建專業(yè)教育與創(chuàng)新教育融通的課程體系及專業(yè)實驗平臺，才能有效地支持人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算人才培養(yǎng)，滿足社會對新型卓越人才的需求。

2 數(shù)據(jù)智能一體化實驗室云平臺架構(gòu)分析

通過對大數(shù)據(jù)、云計算及人工智能新型技術(shù)需求分析，本文主要構(gòu)建了一個集教學(xué)科研、創(chuàng)新實踐、社會人才為一體的數(shù)據(jù)智能化實驗室云平臺。該平臺結(jié)合虛擬桌面共同建設(shè)，將大數(shù)據(jù)與人工智能等教學(xué)專業(yè)課程資源融合，提供產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新實踐、科研和社會人才培養(yǎng)等服務(wù)，構(gòu)建專業(yè)教學(xué)與創(chuàng)新教學(xué)融通的課程體系平臺，提升學(xué)生專業(yè)技術(shù)能力。數(shù)據(jù)智能一體化實驗室云平臺架構(gòu)見圖1。

2.1 數(shù)據(jù)智能實驗室基礎(chǔ)設(shè)施資源構(gòu)建

圖1 數(shù)據(jù)智能一體化實驗室云平臺架構(gòu)

基礎(chǔ)設(shè)備資源平臺旨在提供高性能服務(wù)器、存儲資源（包括CPU、內(nèi)存等）和網(wǎng)絡(luò)資源（如光纖交換機、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)備）等基礎(chǔ)設(shè)備，在服務(wù)器上安裝虛擬化軟件，可以在一臺服務(wù)器上虛擬出多臺虛擬機，提供彈性規(guī)格的虛擬桌面云服務(wù)。數(shù)據(jù)存儲資源主要為虛擬桌面提供系統(tǒng)空間和數(shù)據(jù)空間，及桌面云管理系統(tǒng)所需要的空間。根據(jù)學(xué)校師生需求提供高性能計算服務(wù)、GPU集群服務(wù)及各種存儲集群的資源，建設(shè)能支撐1000人規(guī)模和ZB級海量數(shù)據(jù)存儲、分析和高效處理計算能力的一體化實驗平臺，通過基于 Kubernetes/Docker、OpenStack的虛擬云平臺支撐，將基礎(chǔ)資源轉(zhuǎn)化為虛擬資源，并在此虛擬技術(shù)基礎(chǔ)上整合常用的數(shù)據(jù)智能架構(gòu)，為師生提供虛擬桌面服務(wù)，實現(xiàn)虛擬云平臺計算和存儲資源分配，對實驗室教學(xué)、學(xué)生實踐、科技競賽等服務(wù)進行智能一體化監(jiān)控和動態(tài)優(yōu)化調(diào)度管理[8]。

2.2 數(shù)據(jù)智能實驗室云平臺環(huán)境建設(shè)

基于數(shù)據(jù)智能基礎(chǔ)平臺提供的底層框架和虛擬云桌面資源，構(gòu)建一套完善的智能一體化實驗室云平臺環(huán)境，該環(huán)境包含大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等實驗環(huán)境，以及實驗課程管理、實驗教學(xué)科研資源庫管理等，提供了軟件工程、大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能等開發(fā)環(huán)境、各類公共數(shù)據(jù)集和智能算法，根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同，劃分不同的數(shù)據(jù)庫，提供課程及實驗數(shù)據(jù)等，并結(jié)合配套的教材和課程能夠支持從理論知識學(xué)習(xí)到動手實驗操作全程的教學(xué)討論。平臺支撐所有大數(shù)據(jù)和人工智能（智能科學(xué)與技術(shù)）專業(yè)課程的教學(xué)與實踐、實驗室管理，結(jié)合教學(xué)、實踐、科研和實驗環(huán)境提供用戶管理（包括管理員、教師、學(xué)生三級角色管理）。教師由管理員注冊，每位教師注冊自己管理的學(xué)生，學(xué)生可對自身平臺集群的生命周期進行管理，可以自行開啟和關(guān)閉平臺系統(tǒng)端口。平臺支持管理員和教師遠(yuǎn)程關(guān)閉所管理學(xué)生的平臺資源，學(xué)生也可以自行關(guān)閉資源申請，從而實現(xiàn)在線資源的統(tǒng)一管理。

2.3 教學(xué)課程、創(chuàng)新實踐、科研、社會服務(wù)一體化知識庫體系的構(gòu)建

建立大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能平臺的知識庫體系，將教學(xué)實驗課程、學(xué)生學(xué)科競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐、科研實驗、大數(shù)據(jù)智能化實習(xí)實訓(xùn)及社會服務(wù)融入智能一體化平臺，建設(shè)完善數(shù)據(jù)資源整理、驗收、入庫工作，培養(yǎng)數(shù)據(jù)智能化技術(shù)人才[9]。

2.3.1 教學(xué)課程

大數(shù)據(jù)和人工智能課程體系是數(shù)據(jù)與智能科學(xué)專業(yè)課程中重要的綜合性實踐環(huán)節(jié)，對提高學(xué)生理解和掌握大數(shù)據(jù)、人工智能基本概念和算法的能力，培養(yǎng)學(xué)生從智能設(shè)計的角度考慮和解決問題的素養(yǎng)都具有重要的作用。實驗平臺面向大數(shù)據(jù)和人工智能相關(guān)專業(yè)實驗教學(xué)，提供了豐富的實驗課程，在大數(shù)據(jù)課程中包括Hadoop框架、分布式Hbase、機器學(xué)習(xí)算法、數(shù)據(jù)挖掘算法、Spark開發(fā)應(yīng)用等課程；在人工智能課程中包括Python基礎(chǔ)、Tensorflow框架、人工智能導(dǎo)論、智能計算、計算機視覺和智能穿戴技術(shù)等課程。同時支持學(xué)院教師自主開發(fā)實驗與課程，一鍵外聯(lián)Intel大學(xué)，進行外部課程學(xué)習(xí)。

教師和學(xué)生可以在大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能一體化平臺上獲取相應(yīng)的教科書（電子書）及配套工具。平臺提供體系完整的教學(xué)課堂，以基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)、在線視頻教學(xué)、習(xí)題、線上測試、在線問答、實訓(xùn)進度監(jiān)控、知識推送等為主線的一系列方法，確保學(xué)生在短時間內(nèi)掌握大數(shù)據(jù)智能化虛擬云桌面實驗及分析部署技能。

利用智能化云平臺可以建設(shè)和完善大數(shù)據(jù)、人工智能（智能科學(xué)與技術(shù)）專業(yè)課程，特別是完善專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)核心課、專業(yè)拓展課和專業(yè)應(yīng)用課程，并針對相關(guān)課程提供專業(yè)性配套實驗內(nèi)容，簡化人工智能教學(xué)復(fù)雜度，提高教學(xué)質(zhì)量。

2.3.2 創(chuàng)新實踐

在數(shù)據(jù)智能一體化實驗室云平臺上建設(shè)領(lǐng)先的數(shù)據(jù)智能學(xué)習(xí)平臺，支持學(xué)院大數(shù)據(jù)實驗實訓(xùn)，人工智能實驗實訓(xùn)，軟件工程實驗實訓(xùn)和畢業(yè)實訓(xùn)等，主要分為實驗、實訓(xùn)、實習(xí)三階段，提供課程資源、理論學(xué)習(xí)資料、實踐學(xué)習(xí)資料、項目開發(fā)案例、在線實踐、科研環(huán)境，為學(xué)生及教師提供一流學(xué)習(xí)平臺，構(gòu)建創(chuàng)新實踐能力訓(xùn)練體系，實現(xiàn)對學(xué)生智能化工程專業(yè)技能、智能技術(shù)工程實踐能力與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)。能夠保證培養(yǎng)創(chuàng)新實踐的基礎(chǔ)就是實驗環(huán)境的建設(shè)。

2.3.3 科研及科技競賽服務(wù)

在科研與學(xué)生競賽方面，構(gòu)建的大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能化實驗室云平臺在滿足學(xué)生動態(tài)創(chuàng)新實踐的前提下，可支持教師和學(xué)生使用智能實驗室云平臺豐富的實驗資源，包括GPU計算集群服務(wù)、科研數(shù)據(jù)集和算法案例庫等資源，鼓勵學(xué)生積極參加競賽隊伍，發(fā)揮群體智慧，通過科研競賽服務(wù)讓學(xué)生與校內(nèi)外及企業(yè)優(yōu)秀人員交流學(xué)習(xí)，完善科研項目和團隊建設(shè)，培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，形成優(yōu)質(zhì)的科技創(chuàng)新氛圍。

2.3.4 社會人才培養(yǎng)

根據(jù)科學(xué)技術(shù)人才培養(yǎng)的目標(biāo)、社會需求以及各高校相關(guān)學(xué)科人才培養(yǎng)的經(jīng)驗，結(jié)合構(gòu)建的智能化實驗室云平臺，借助學(xué)院與校企合作模式，能夠?qū)崿F(xiàn)為社會培養(yǎng)出一批數(shù)據(jù)智能化技術(shù)人才。

2.4 智能化實驗室云平臺體系管理服務(wù)

通過智能化實驗室云平臺能夠提供具有現(xiàn)代化、專業(yè)化、智能化的一體化管理，采用虛擬云桌面服務(wù)可高效管理和控制整個平臺的各種設(shè)備和資源。對于在使用量上的部分超額，平臺會通知后臺自動進行調(diào)度，對資源進行優(yōu)化管理。實驗教學(xué)、設(shè)備及人員的智能管理的實現(xiàn)及數(shù)據(jù)智能一體化的建設(shè)為學(xué)院實驗室良好運轉(zhuǎn)和發(fā)展提供了可靠的保障[10]。

3 數(shù)據(jù)智能化實驗室云平臺應(yīng)用優(yōu)勢

數(shù)據(jù)智能一體化實驗室云平臺的建設(shè)對適應(yīng)新型信息技術(shù)的發(fā)展[11-12]，有以下應(yīng)用優(yōu)勢：

（1）從實驗室維護來看，智能化實驗室云平臺采用“云端集中化”模式，通過云桌面技術(shù)將學(xué)生個性化桌面集中部署在服務(wù)器上，不同設(shè)備可以隨意訪問，同時實現(xiàn)桌面維護簡單化、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集中化，從而降低了實驗室的維護成本，提高了信息安全管理力度。

（2）從教學(xué)、科研、創(chuàng)新實踐等需求來看，虛擬云桌面系統(tǒng)可以檢測平臺故障信息，如負(fù)載均衡、進程失控或硬件性能的問題，可實現(xiàn)合理分配資源，為提高平臺整體性能起到重要作用，并幫助實驗室進行有效的管理，減少教師的工作壓力。

（3）從創(chuàng)新實驗室云平臺延展性來看，平臺的建設(shè)能有效實現(xiàn)快速引進國內(nèi)外大數(shù)據(jù)先進的技術(shù)、成熟的解決方案以及管理和教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)合格的大數(shù)據(jù)人工智能技術(shù)人才，提升本校畢業(yè)生的就業(yè)率和就業(yè)質(zhì)量。

（4）作為多專業(yè)方向的綜合實踐云平臺來看，能夠滿足現(xiàn)有專業(yè)的教學(xué)輔助、科研、創(chuàng)新實踐功能的需要，為高?，F(xiàn)有大數(shù)據(jù)和人工智能專業(yè)提供學(xué)習(xí)和實踐環(huán)境，為教師提供良好的科研創(chuàng)新環(huán)境。實現(xiàn)科研、教學(xué)與社會服務(wù)的順暢銜接，保證以培養(yǎng)軟件工程、大數(shù)據(jù)、人工智能等為核心人才的科研與教學(xué)基地的持久發(fā)展。

4 結(jié)語

在大數(shù)據(jù)與人工智能迅速發(fā)展的背景下，數(shù)據(jù)智能一體化實驗室云平臺及配套實驗室管理體系的建設(shè)，不僅能夠形成高效的實驗室虛擬云平臺管理模式，而且能夠建立有特色的雙創(chuàng)實踐平臺，提升學(xué)生和教師的創(chuàng)新實踐能力，培養(yǎng)出多元化數(shù)據(jù)智能技術(shù)人才。