高職院校智慧校園總體框架與技術(shù)架構(gòu)研究

金 燄

（武漢城市職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430064）

0 引 言

目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)高職院校的校園信息化建設(shè)已基本完成預(yù)定目標(biāo)，由單一教學(xué)管理信息系統(tǒng)的研發(fā)逐漸升級(jí)成整體校園服務(wù)平臺(tái)的搭建。以單點(diǎn)登錄、門戶空間以及數(shù)據(jù)中心為基礎(chǔ)的一站式綜合服務(wù)平臺(tái)，成為校園信息化建設(shè)的主要內(nèi)容。隨著物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算以及人工智能等新技術(shù)的深度融合，學(xué)校業(yè)務(wù)需求不斷迭代更新，使得校園信息化呈現(xiàn)出平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化、管理智能化、服務(wù)多樣化以及產(chǎn)品個(gè)性化的發(fā)展趨勢(shì)。為了更好地全面服務(wù)師生，進(jìn)一步提升學(xué)校的教學(xué)管理水平與服務(wù)治理能力，需要對(duì)智慧校園總體框架進(jìn)行科學(xué)研究與規(guī)劃，通過(guò)對(duì)比各類技術(shù)架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)選擇最合適的技術(shù)架構(gòu)，以適應(yīng)校園信息化的發(fā)展趨勢(shì)，滿足建設(shè)需求。

1 研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)很多專家與學(xué)者對(duì)智慧校園的總體框架進(jìn)行了深刻研究與探討。蔣東興認(rèn)為，近兩年我國(guó)高校信息化建設(shè)開(kāi)始發(fā)生明顯變化，如大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)、云計(jì)算、知識(shí)管理、社交網(wǎng)絡(luò)以及虛擬現(xiàn)實(shí)等新興信息技術(shù)被廣泛應(yīng)用［1］。吳自強(qiáng)認(rèn)為，在智慧校園建設(shè)過(guò)程中，頂層規(guī)劃具有重要的推動(dòng)作用［2］。王燕認(rèn)為，在從數(shù)字校園到智慧校園的建設(shè)過(guò)程中，加強(qiáng)智慧校園的頂層設(shè)計(jì)，構(gòu)建智慧校園建設(shè)的通用架構(gòu)模型，具有十分重要的意義［3］。

同時(shí),也有不少學(xué)者從云計(jì)算、SOA、ESB、微服務(wù)以及分布式等方面入手，研究智慧校園的技術(shù)架構(gòu)。肖祥林利用云計(jì)算和SOA 架構(gòu)搭建異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)智慧校園平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)融通，消除了信息孤島，解決了各業(yè)務(wù)服務(wù)在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中協(xié)同工作的難題［4］。華建祥提出的基于企業(yè)服務(wù)總線技術(shù)ESB 的共享數(shù)據(jù)中心建設(shè)方案，滿足了共享數(shù)據(jù)中心與應(yīng)用系統(tǒng)之間的低耦合性和可擴(kuò)展性，是校園信息化建設(shè)過(guò)程中應(yīng)用系統(tǒng)集成的一種有效方案［5］。張廣鑫論述了選用微服務(wù)架構(gòu)作為程序設(shè)計(jì)模式的優(yōu)勢(shì)作用［6］。

2 總體框架研究

2018 年6 月7 日，國(guó)家頒布《智慧校園總體框架（GBT 36342—2018）》（以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》），明確規(guī)定了智慧校園總體系統(tǒng)架構(gòu)，并針對(duì)教學(xué)環(huán)境、教學(xué)資源、校園管理、校園服務(wù)以及信息安全體系5 個(gè)方面進(jìn)行了規(guī)范性論述。根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》，結(jié)合高職院校智慧校園建設(shè)的實(shí)際情況，研究規(guī)劃出符合高職院校特點(diǎn)的智慧校園總體框架，如圖1 所示，大體包括6 層框架結(jié)構(gòu)和1 個(gè)支撐保障體系。

圖1 智慧校園總體框架圖

2.1 感知終端設(shè)備層

通過(guò)各類傳感器、攝像頭及各類應(yīng)用設(shè)備，感知終端設(shè)備層全面采集校園的人員、環(huán)境和資源等數(shù)據(jù)信息，具體包括物與物的感知、人與物的感知以及系統(tǒng)間信息的實(shí)時(shí)感知、捕獲和傳遞等［3］。運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集師生在學(xué)校的教學(xué)、科研、服務(wù)以及生活等各類資源與活動(dòng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)校各類設(shè)備和實(shí)訓(xùn)室儀器運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集，從而為智慧校園平臺(tái)提供感知支撐。

2.2 硬件網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層

硬件網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層主要包括硬件設(shè)備和軟件設(shè)備。硬件設(shè)備包括學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備、安全設(shè)備、負(fù)載均衡設(shè)備、應(yīng)用服務(wù)器、存儲(chǔ)服務(wù)器、前置服務(wù)器以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等物理硬件設(shè)備；軟件設(shè)備可分為云管理平臺(tái)、操作系統(tǒng)和典型應(yīng)用軟件，運(yùn)用超融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)的虛擬化，為系統(tǒng)平臺(tái)提供網(wǎng)絡(luò)與操作系統(tǒng)服務(wù)，構(gòu)建智慧校園的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)（Infrastructure as a Service，IaaS）層支撐體系。

2.3 數(shù)據(jù)中心交換層

數(shù)據(jù)中心交換層的統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心包括標(biāo)準(zhǔn)代碼庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)、中心庫(kù)、業(yè)務(wù)庫(kù)與數(shù)據(jù)交換工具。通過(guò)制定各類信息數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與定義的權(quán)威主數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中心交換層可使學(xué)校數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)交換的方式實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。數(shù)據(jù)中心是學(xué)校最重要的信息資產(chǎn)，具備加密、備份、質(zhì)量管理、手動(dòng)、定時(shí)以及自動(dòng)同步等系統(tǒng)能力，可為系統(tǒng)平臺(tái)提供數(shù)據(jù)支持，構(gòu)成智慧校園的數(shù)據(jù)服務(wù)（Data as a Service，DaaS）層支撐體系。

2.4 應(yīng)用開(kāi)發(fā)支撐層

應(yīng)用開(kāi)發(fā)支撐層由數(shù)據(jù)服務(wù)支撐工具、應(yīng)用開(kāi)發(fā)支撐工具、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)框架、大數(shù)據(jù)與AI 支撐框架等構(gòu)成。運(yùn)用數(shù)據(jù)服務(wù)支撐工具將智慧校園數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)服務(wù)接口，可為上層各類系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)，形成細(xì)粒度能力支持。借助應(yīng)用開(kāi)發(fā)支撐工具的流程重構(gòu)工具與頁(yè)面表單工具，可快速定制各種微服務(wù)應(yīng)用。新建的系統(tǒng)應(yīng)用不需要直接訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，后端數(shù)據(jù)庫(kù)變更時(shí)可以只修改數(shù)據(jù)服務(wù)接口而不需要逐一修改前端所有相關(guān)應(yīng)用，大幅降低了流程與界面設(shè)計(jì)難度。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)框架能快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工作，同時(shí)大數(shù)據(jù)與AI支撐框架提供了智慧校園大數(shù)據(jù)與AI 運(yùn)算功能，構(gòu)成了智慧校園的平臺(tái)服務(wù)（Platform as a Service，PaaS）層支撐體系。

2.5 業(yè)務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用層

業(yè)務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用層包含的系統(tǒng)覆蓋學(xué)校各個(gè)職能部門和二級(jí)學(xué)院的日常業(yè)務(wù)，主要由教務(wù)系統(tǒng)、學(xué)工系統(tǒng)、科研系統(tǒng)、人事系統(tǒng)、財(cái)務(wù)系統(tǒng)、后勤系統(tǒng)、圖書(shū)系統(tǒng)、宿管系統(tǒng)以及OA 系統(tǒng)等組成。各業(yè)務(wù)系統(tǒng)既相對(duì)獨(dú)立又有機(jī)互通，共同組成學(xué)校綜合管理的應(yīng)用服務(wù)后臺(tái)。它既能處理各部門的日常業(yè)務(wù)，又能實(shí)現(xiàn)跨部門的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)和業(yè)務(wù)辦理，同時(shí)可為前端應(yīng)用提供系統(tǒng)支持，構(gòu)成了智慧校園的軟件服務(wù)（Software as a Service，SaaS）層支撐體系。

2.6 用戶前端空間層

用戶前端空間層提供良好的用戶使用界面，使得用戶能根據(jù)自己的習(xí)慣和愛(ài)好進(jìn)行個(gè)性化界面設(shè)置。用戶通過(guò)智慧校園統(tǒng)一平臺(tái)身份驗(yàn)證進(jìn)入各自業(yè)務(wù)門戶空間，根據(jù)不同的身份類型，按照權(quán)限級(jí)別呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)的服務(wù)，其中服務(wù)對(duì)應(yīng)獨(dú)立的業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景。用戶的服務(wù)界面與實(shí)際的業(yè)務(wù)系統(tǒng)剝離，使得服務(wù)過(guò)程數(shù)據(jù)通過(guò)各類接口保留至智慧校園各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中。此外，前端門戶空間的運(yùn)用使得學(xué)校信息化服務(wù)更加高效與便捷。

2.7 支撐保障體系

智慧校園建設(shè)的支撐保障體系包括信息數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)信息安全、建設(shè)管理規(guī)范和運(yùn)維保障體系。

2.7.1 信息數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

信息數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是信息數(shù)據(jù)根據(jù)學(xué)校具體情況和實(shí)際需求，在采集、處理、交換、用戶訪問(wèn)以及傳輸過(guò)程中，定義的一套科學(xué)、實(shí)用與完善的信息化標(biāo)準(zhǔn)體系和規(guī)范，是實(shí)現(xiàn)學(xué)校DaaS 層支撐體系、信息資源共享和信息系統(tǒng)得到協(xié)同發(fā)展的基礎(chǔ)，具有良好的兼容性、開(kāi)放性和可管理性。

2.7.2 網(wǎng)絡(luò)信息安全

網(wǎng)絡(luò)信息安全是智慧校園平臺(tái)的數(shù)據(jù)信息在傳輸、交換、存儲(chǔ)和處理過(guò)程保持信息原樣性，杜絕有用信息泄漏給不具備授權(quán)的個(gè)人、實(shí)體或其他系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)遭受攻擊或破壞時(shí)，它能迅速恢復(fù)并能投入使用，具有完整性、保密性、可用性、不可否認(rèn)性以及可控性等特點(diǎn)。

2.7.3 建設(shè)管理規(guī)范

建設(shè)管理規(guī)范主要包括智慧校園建設(shè)過(guò)程中，建設(shè)方與承建方人員的組織與管理、建設(shè)方與承建方的權(quán)責(zé)界定、項(xiàng)目過(guò)程的度量、項(xiàng)目總體計(jì)劃、項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃、項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)控制、項(xiàng)目質(zhì)量保證、項(xiàng)目過(guò)程能力評(píng)估以及項(xiàng)目配置等管理方面的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以保證智慧校園建設(shè)項(xiàng)目能按時(shí)、保質(zhì)保量地實(shí)施。

2.7.4 運(yùn)維保障體系

運(yùn)維保障體系包括硬件網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備虛擬機(jī)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)的日常運(yùn)行、定期巡檢與維護(hù)的規(guī)章管理制度等，以保證云管理平臺(tái)的正常運(yùn)行，降低運(yùn)維的整體管理成本，提高IaaS 平臺(tái)的整體服務(wù)水平。同時(shí)，根據(jù)日常維護(hù)的數(shù)據(jù)和記錄，給研發(fā)部門提供IaaS 平臺(tái)優(yōu)化及改善建議。

3 技術(shù)架構(gòu)對(duì)比

智慧校園總體框架是校園信息化建設(shè)的規(guī)劃藍(lán)圖，而合適的技術(shù)架構(gòu)是校園信息化建設(shè)的基石。目前，主流的技術(shù)架構(gòu)有3 種。

3.1 面向服務(wù)架構(gòu)SOA（Service-Oriented Architecture）

SOA 是一種設(shè)計(jì)理念。智慧校園建設(shè)基于面向服務(wù)架構(gòu)SOA 進(jìn)行設(shè)計(jì)，需根據(jù)需求改造數(shù)據(jù)庫(kù)和業(yè)務(wù)系統(tǒng)，為智慧校園平臺(tái)提供接口應(yīng)用服務(wù)。將學(xué)?，F(xiàn)有或新建的系統(tǒng)管理功能封裝成接口服務(wù)，服務(wù)之間通過(guò)相互依賴關(guān)系建立一套完整的服務(wù)體系，以保留以往的信息化系統(tǒng)而不需要全部推倒重來(lái)。SOA 能對(duì)業(yè)務(wù)的變化做出快速反應(yīng)，利用對(duì)現(xiàn)有的應(yīng)用程序和應(yīng)用基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的投資來(lái)解決新的業(yè)務(wù)需求，呈現(xiàn)出一個(gè)可以支持有機(jī)業(yè)務(wù)的構(gòu)架［7］。

智慧校園SOA 架構(gòu)模型，如圖2 所示。智慧校園教務(wù)系統(tǒng)中的學(xué)籍管理模塊功能封裝并對(duì)外開(kāi)放服務(wù)接口，可為學(xué)工系統(tǒng)、財(cái)務(wù)系統(tǒng)以及后勤系統(tǒng)等其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。后勤系統(tǒng)的住宿信息和人事系統(tǒng)的教工信息，可以同樣的方式提供完整的數(shù)據(jù)服務(wù)功能。服務(wù)之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)用，但服務(wù)間的關(guān)系比較雜亂無(wú)序。隨著服務(wù)數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，服務(wù)的管理難度成幾何倍數(shù)增長(zhǎng)。

圖2 智慧校園SOA 架構(gòu)模型

3.2 企業(yè)服務(wù)總線ESB（Enterprise Service Bus）

基于ESB 的共享數(shù)據(jù)中心建設(shè)方案滿足共享數(shù)據(jù)中心與應(yīng)用系統(tǒng)之間的低耦合性和擴(kuò)展性，屏蔽了應(yīng)用系統(tǒng)之間的直接交互，實(shí)現(xiàn)了多應(yīng)用系統(tǒng)同類型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)同步，同時(shí)對(duì)舊有應(yīng)用系統(tǒng)改動(dòng)小，是校園信息化建設(shè)過(guò)程中應(yīng)用系統(tǒng)集成的一種有效方案［5］。隨著智慧校園業(yè)務(wù)的多維度開(kāi)展，服務(wù)越來(lái)越多，而純SOA 架構(gòu)已不能滿足智慧校園發(fā)展的需要。這時(shí)候如果引入ESB 概念，項(xiàng)目調(diào)用會(huì)更清晰。如圖3 所示，ESB 類似一根數(shù)據(jù)管道，用來(lái)連接智慧校園的各個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)。智慧校園各業(yè)務(wù)系統(tǒng)基于不同協(xié)議的不同服務(wù)，通過(guò)ESB 承擔(dān)消息轉(zhuǎn)化、解釋以及路由的工作，以此實(shí)現(xiàn)不同信息服務(wù)的有序互聯(lián)互通。但是，當(dāng)智慧校園遇到海量信息數(shù)據(jù)請(qǐng)求處理時(shí)，ESB 這一根數(shù)據(jù)管道將成為智慧校園平臺(tái)的性能“瓶頸”。

圖3 智慧校園ESB 架構(gòu)模型

3.3 微服務(wù)架構(gòu)MA（Microservice Architecture）

微服務(wù)架構(gòu)是一種去中心化、高可用性和高容錯(cuò)性的分布式服務(wù)架構(gòu)。每個(gè)服務(wù)架構(gòu)都有明確的功能目標(biāo)，且業(yè)務(wù)邊界明確清晰。它采用輕量級(jí)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)服務(wù)的請(qǐng)求響應(yīng)交互，且服務(wù)內(nèi)部邏輯聯(lián)系緊密，外部耦合度低［6］。區(qū)別于SOA 和ESB架構(gòu)，智慧校園的學(xué)籍微服務(wù)是獨(dú)立運(yùn)行和部署的，如圖4 所示。學(xué)籍微服務(wù)完成學(xué)籍相關(guān)的前端和后臺(tái)功能，可以視為一個(gè)完整的微型應(yīng)用。學(xué)籍微服務(wù)的REST API 可供其他業(yè)務(wù)或終端訪問(wèn)，而API Gateway 對(duì)其負(fù)載均衡、緩存、路由、訪問(wèn)控制、服務(wù)代理、監(jiān)控以及日志等基本數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)行管控。API Gateway 類似于ESB 的功能，在微服務(wù)架構(gòu)中像一個(gè)API 數(shù)據(jù)管道，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和調(diào)度。智慧校園應(yīng)用系統(tǒng)遇到高并發(fā)時(shí)，微服務(wù)的高可用性和高容錯(cuò)性將發(fā)揮重要作用。

圖4 智慧校園微服務(wù)分布式架構(gòu)模型

但是，微服務(wù)架構(gòu)屬于分布式架構(gòu)，會(huì)產(chǎn)生額外的復(fù)雜因素。相對(duì)于SOA 架構(gòu)來(lái)說(shuō)，它的開(kāi)發(fā)測(cè)試過(guò)程更加復(fù)雜，需要考慮更多服務(wù)間的通信機(jī)制，且部署更復(fù)雜。原教務(wù)系統(tǒng)只需要一臺(tái)服務(wù)器，但微服務(wù)架構(gòu)需要多臺(tái)服務(wù)器用來(lái)實(shí)現(xiàn)微服務(wù)集群，必定會(huì)增加系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、測(cè)試和部署的復(fù)雜度。

簡(jiǎn)單對(duì)比可知：SOA 側(cè)重將智慧校園平臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程作為一個(gè)模塊開(kāi)發(fā)，將一些基礎(chǔ)服務(wù)抽離出來(lái)共享，實(shí)現(xiàn)一定程度的可復(fù)用；ESB從SOA 發(fā)展而來(lái)，可更高效地實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)調(diào)用和服務(wù)提供的解耦；微服務(wù)架構(gòu)屬于分布式架構(gòu)，相對(duì)于SOA 而言，微服務(wù)的粒度更細(xì)，可復(fù)用性更強(qiáng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

按照建造智慧校園總體框架的要求進(jìn)行校園信息化建設(shè)，能有效加快智慧校園各應(yīng)用系統(tǒng)的垂直整合和水平集成，規(guī)范促進(jìn)智慧校園軟件生態(tài)的完善；校園信息化建設(shè)過(guò)程中，根據(jù)技術(shù)架構(gòu)的各自特點(diǎn)，可合理選擇能達(dá)到個(gè)性化業(yè)務(wù)快速響應(yīng)與業(yè)務(wù)系統(tǒng)高效集成的技術(shù)架構(gòu)，以滿足智慧校園平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化、管理智能化、服務(wù)多樣化和產(chǎn)品個(gè)性化的發(fā)展趨勢(shì)。