基于人工智能的智慧校園建設(shè)過程中存在的問題和解決思路和方案探討

石緒忠，徐曉峰，宗海靜

（1.山東省肥城市老城街道初級中學(xué)，山東 肥城 271600；2.航天恒星科技有限公司，北京 100095；3.北京開放大學(xué)城市管理學(xué)院，北京 100086）

1 建設(shè)背景

1.1 國家政策

進(jìn)入21世紀(jì)以來，信息技術(shù)革命以互聯(lián)網(wǎng)+、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)平臺為依托，得到迅猛發(fā)展，智慧校園、數(shù)字校園、智慧教育、智慧課堂等新理念、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，全國性的智慧校園建設(shè)已成為必然。為此，國家相繼出臺了一系列有關(guān)教育信息化建設(shè)的政策，目的是為了加快職業(yè)教育管理信息化平臺建設(shè)，消除信息孤島；應(yīng)用信息技術(shù)改造傳統(tǒng)教學(xué)虛擬仿真時(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，遠(yuǎn)程互動教學(xué)系統(tǒng)，構(gòu)建國家、省、學(xué)校三級數(shù)字教育資源共建共享系統(tǒng)；2018年6月，國家市場監(jiān)督管理總局中國國家標(biāo)準(zhǔn)管理委員會發(fā)布了《智慧校園總體框架 GBT+36342-2018》標(biāo)準(zhǔn)體系，規(guī)定了智慧校園建設(shè)的總體框架，包括智慧教學(xué)環(huán)境、智慧教學(xué)資源、智慧校園管理、智校園服務(wù)、信息安全體系等的系統(tǒng)構(gòu)架和基本要求，并提出加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)與教育現(xiàn)代化深度融合構(gòu)建產(chǎn)學(xué)與資本聯(lián)動的融合服務(wù)體系，推進(jìn)資源整合、開放、共享創(chuàng)新校園精細(xì)化治理模式。

1.2 高校信息化痛點(diǎn)和發(fā)展趨勢

（1）傳統(tǒng)校園階段，主要是指20世紀(jì)80年代以前，信息的傳遞主要是通過電話、傳真、會議等形式進(jìn)行發(fā)布和交流。

（2）電子校園階段，主要是指20世紀(jì)80年代到90年代初，計(jì)算機(jī)開始普及，單位的局域網(wǎng)出現(xiàn)，教學(xué)和管理的手段得到了豐富，對學(xué)校整體而言沒有產(chǎn)生實(shí)質(zhì)意義上的提高。

（3）數(shù)字校園階段，主要是指20世紀(jì)90年代末開始一直到現(xiàn)在，由于互聯(lián)網(wǎng)的興起，寬帶校園網(wǎng)出現(xiàn)，辦公0A實(shí)現(xiàn)無紙化管理，互聯(lián)網(wǎng)IPv4、分布式、多應(yīng)用、單向發(fā)布，使校園的管理和教學(xué)效率得到了大幅度提升，目前大部分高校正處在這個(gè)階段。

（4）智能校園階段，即將開始普及推廣的階段，主要以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、數(shù)據(jù)庫、5G為代表的，數(shù)據(jù)倉庫和智能分析相融合的應(yīng)用模式，為學(xué)校管理和教學(xué)，乃至學(xué)生、教師、員工提供精準(zhǔn)互動的信息服務(wù)，使得學(xué)校的管理、教育，以及外部交流、資源的共享效率大幅度提升。

在這四個(gè)階段的發(fā)展過程中，由最初的搭建基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，能實(shí)現(xiàn)簡單的信息查詢服務(wù)，應(yīng)用系統(tǒng)較少或不能互聯(lián)互通，到具有較多的數(shù)字化資源，能夠集成，使相關(guān)業(yè)務(wù)能夠整合，對教研教學(xué)、管理和服務(wù)有了一定的支撐作用，發(fā)展到目前具有了豐厚的數(shù)字化資源，并能將資源進(jìn)行整合，將相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行集成，通過高度的整合，支撐軟件具有了開放性和可拓展性，并能較好地支撐教學(xué)教研、管理和服務(wù)。

但綜合來看，目前國內(nèi)的校園整體在信息化建設(shè)上還面臨著如下問題：一是在系統(tǒng)集成上，存在原有的應(yīng)用系統(tǒng)單獨(dú)建設(shè)，系統(tǒng)間無法互聯(lián)互通，欠缺整體規(guī)劃信息孤島現(xiàn)象嚴(yán)重的問題；二是在教學(xué)資源上，存在資源形式單一，共享性差，教學(xué)方式單一的問題；三是在校園安全上，存在校園安全人為判斷容易出現(xiàn)疏漏的問題；四是在信息傳遞上，存在信息傳遞方式單一的問題[2]。

2 建設(shè)目標(biāo)

鑒于以上問題，提出“一站式服務(wù)”+“四個(gè)方向”的思路，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)集成、云服務(wù)等技術(shù)，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互平臺，實(shí)現(xiàn)以下四個(gè)服務(wù)職能模塊：

（1）教育：構(gòu)建先進(jìn)實(shí)用教學(xué)平臺，整合、豐富智慧教學(xué)資源，通過科學(xué)統(tǒng)一教學(xué)資源配置，提高教學(xué)資源的利用率，提高教學(xué)效率與質(zhì)量，創(chuàng)造主動式、協(xié)同式、研究式的新型教學(xué)模式。

（2）管理：構(gòu)建覆蓋全校工作流程的、協(xié)同的管理信息體系，通過管理信息的同步與共享，暢通學(xué)校的信息流，實(shí)現(xiàn)管理的科學(xué)化、自動化、精細(xì)化，突出以人為本的理念，提高管理效率，降低管理成本。

（3）生活：基于一卡通、后勤等軟硬件系統(tǒng)，構(gòu)建便捷、高效、高雅、健康的智慧生活環(huán)境，提高校園生活的便捷性。

（4）運(yùn)維：基于大二層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、3D建模等技術(shù)，構(gòu)建校園網(wǎng)絡(luò)告警監(jiān)控、流量分析等機(jī)制，實(shí)現(xiàn)校園3D可視化運(yùn)維，實(shí)現(xiàn)校園自動化、智能化、精細(xì)化、可視化管理，提高學(xué)校管理效率和管理質(zhì)量。

3 總體設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思想

形成用、智、傳、感四層構(gòu)架，四位一體化應(yīng)用的設(shè)計(jì)理念。

（1）在應(yīng)用層面上，根據(jù)具體校園的需求，結(jié)合教學(xué)管理的實(shí)際情況，在數(shù)字化校園應(yīng)用的基礎(chǔ)上，開發(fā)智能校園的應(yīng)用，利用衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航開發(fā)可移動校園應(yīng)用，形成大數(shù)據(jù)可視化，利用無人機(jī)，地理信息系統(tǒng)，三維建模等手段形成3D校園，為學(xué)生、教師、工作人員、領(lǐng)導(dǎo)等提供一站式的應(yīng)用服務(wù)。

（2）在智能化層面上，建設(shè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理基礎(chǔ)平臺，完善構(gòu)建統(tǒng)一的智慧校園云平臺，通過大數(shù)據(jù)挖掘和分析為上層應(yīng)用提供服務(wù)。

（3）在數(shù)據(jù)傳輸層面上，通過衛(wèi)星通信、地面無線網(wǎng)絡(luò)、地面通信網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、地面專業(yè)有線局域網(wǎng)的互聯(lián)互通，為上層應(yīng)用提供可靠、有效的信息傳輸服務(wù)。

（4）在現(xiàn)場感知層面上，空間信息利用無人機(jī)、遙感衛(wèi)星獲取，形成基礎(chǔ)地理信息。動態(tài)信息通過校園監(jiān)控、校園網(wǎng)絡(luò)、校園一卡通、校園廣播、智能手機(jī)終端、定位設(shè)備、專用傳感器獲取，進(jìn)一步整合形成有用的視頻監(jiān)控信息、三維實(shí)景信息、地下管網(wǎng)信息、傳感器感知信息、校園周邊信息等[1]。

3.2 建設(shè)思路

建設(shè)的總體思路分成四個(gè)部分：一是建標(biāo)準(zhǔn)；二是按標(biāo)準(zhǔn)要求確立初步的集成；三是在集成的基礎(chǔ)上試運(yùn)行；四是就運(yùn)行過程中存在的問題進(jìn)行系統(tǒng)的分析擴(kuò)展。在方案應(yīng)用環(huán)節(jié)上，利用大數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解決校園內(nèi)的各分系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，利用已經(jīng)搭好的應(yīng)用支撐平臺進(jìn)行異構(gòu)系統(tǒng)的集成，利用應(yīng)用中心深化業(yè)務(wù)的應(yīng)用，利用一體化優(yōu)勢擴(kuò)展相關(guān)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)；初步體現(xiàn)系統(tǒng)的建設(shè)和設(shè)計(jì)優(yōu)勢，統(tǒng)一校內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)方便后續(xù)相關(guān)應(yīng)用的擴(kuò)展，能夠保障原有的IT系統(tǒng)，有效接入異構(gòu)系統(tǒng)，來滿足不斷增長的教學(xué)和管理、服務(wù)的要求，應(yīng)使用組件擴(kuò)展的使用滿足多變的業(yè)務(wù)需求。

4 建設(shè)主要內(nèi)容和解決方案

建設(shè)總體架構(gòu)包括1個(gè)智能校園數(shù)據(jù)中心，1個(gè)智能化工程解決方案，以及5個(gè)平臺，即3D校園可視化平臺、碎片化應(yīng)用服務(wù)平臺、大數(shù)據(jù)可視化平臺、移動校園平臺、智慧校園云平臺。其中，智能化工程解決方案的優(yōu)劣最為重要，是建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，下面詳細(xì)說明[3]。

（1）智慧校園網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。采用核心縱向虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)大二層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，滿足網(wǎng)絡(luò)動態(tài)的擴(kuò)展和交換機(jī)接入自動化需求，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一管理和接入，擺脫了傳統(tǒng)三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)臃腫和擴(kuò)容、日常維護(hù)不便的弊端，是數(shù)據(jù)中心內(nèi)部及與外部應(yīng)用進(jìn)行通信的基本條件。

（2）智慧校園網(wǎng)絡(luò)安全保障系統(tǒng)?；诂F(xiàn)有校園網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，加上安全保護(hù)機(jī)制，旨在構(gòu)建成網(wǎng)絡(luò)安全防御、檢測、響應(yīng)和恢復(fù)于一體的網(wǎng)絡(luò)安全保障體系，保證各個(gè)軟件系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)運(yùn)行正常。

（3）智慧校園數(shù)據(jù)機(jī)房系統(tǒng)。數(shù)據(jù)機(jī)房系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的核心硬件環(huán)境，包括服務(wù)器、通信、網(wǎng)絡(luò)及輔助系統(tǒng)設(shè)備等，由綜合布線系統(tǒng)、UPS供電系統(tǒng)、精密空調(diào)系統(tǒng)、防雷接地系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、新排風(fēng)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、監(jiān)控中心等組成。

（4）智慧校園一卡通系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)校內(nèi)各類收費(fèi)、消費(fèi)支付、身份認(rèn)證、信息查詢。實(shí)現(xiàn)學(xué)生證、教師證、食堂飯卡、機(jī)房上機(jī)卡、圖書借閱證、購水卡、購電卡等多種證卡合一，真正做到校內(nèi)“一卡通行”。實(shí)現(xiàn)一卡通系統(tǒng)與統(tǒng)一門戶平臺實(shí)時(shí)對接，數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入數(shù)據(jù)中心，做到平臺統(tǒng)一，數(shù)據(jù)共享。

（5）智慧校園安防監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對校園核心區(qū)域監(jiān)控、入侵報(bào)警、出入控制、電子巡更、電子監(jiān)考、消防報(bào)警、緊急呼叫（求助）報(bào)警的統(tǒng)一管理和控制，視頻數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)中心，同時(shí)可與3D校園平臺進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)三維場景與監(jiān)控的實(shí)景場景進(jìn)行融合。

（6）多媒體教室系統(tǒng)。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)項(xiàng)目，提供多媒體智慧教學(xué)所需硬件、軟件以及物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境等。為智慧教學(xué)提供基礎(chǔ)硬件、軟件與環(huán)境支撐，多媒體教室是多種系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合體，由大屏幕投影系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)及音響系統(tǒng)三大部分組成，數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入數(shù)據(jù)中心。

（7）IP廣播系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分區(qū)和全區(qū)背景音樂、尋呼喊話等服務(wù)型和業(yè)務(wù)性廣播，以及不同的分區(qū)同時(shí)定時(shí)播放不同的背景音樂。同時(shí)實(shí)現(xiàn)接收到消防中心的信號時(shí)，系統(tǒng)自動強(qiáng)切到報(bào)警廣播，數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入數(shù)據(jù)中心[4]。