大數(shù)據(jù)技術(shù)在高校智慧校園建設(shè)中的應(yīng)用

陳劍，張志華，伍乙生，傅志銘

(1.肇慶醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校 信息中心，廣東肇慶 526020；2.肇慶學(xué)院 信息中心，廣東肇慶 526061)

0 引言

智慧校園，是充分利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)，在校園內(nèi)及校園之間，構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)體系，實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)共享和供需匹配，有效提升高校教學(xué)質(zhì)量和科研能力，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研一體化進(jìn)程。早期的智慧校園是建立在校園網(wǎng)上的學(xué)籍系統(tǒng)、教務(wù)系統(tǒng)、選課系統(tǒng)、考試系統(tǒng)、電子圖書館系統(tǒng)、虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)、內(nèi)網(wǎng)博客論壇交互系統(tǒng)和資源下載系統(tǒng)等[1]。這些系統(tǒng)雖然都運(yùn)行在統(tǒng)一的校園網(wǎng)硬件架構(gòu)上，但功能與數(shù)據(jù)之間相對(duì)獨(dú)立，形成較為分散的系統(tǒng)架構(gòu)。但隨著互聯(lián)網(wǎng)+校園架構(gòu)逐漸成型，這些系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互需求逐漸增強(qiáng)，所謂智慧校園大數(shù)據(jù)，就是將這些系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源充分融合，形成校園網(wǎng)體系下的統(tǒng)一管理且可以得到有效挖掘的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)[2]。

在此研究中，本文重點(diǎn)研究高校智慧校園大數(shù)據(jù)的產(chǎn)生機(jī)制和匹配可能性，從數(shù)據(jù)供求擬合方面進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，在仿真環(huán)境下論證該擬合方式的統(tǒng)計(jì)學(xué)價(jià)值和數(shù)據(jù)資產(chǎn)價(jià)值。

1 高校智慧校園大數(shù)據(jù)的產(chǎn)生機(jī)制

1.1 智慧校園校園網(wǎng)的用戶角色

校園網(wǎng)內(nèi)，用戶角色一般分為6種不同角色。

(1)本專科在校生

本?？圃谛Ｉ且话愀咝?nèi)的最大群體，這類群體以受訓(xùn)學(xué)習(xí)為主，其對(duì)校園網(wǎng)的主要需求，來自互聯(lián)網(wǎng)外網(wǎng)接入、選課及考試、電子圖書館期刊文獻(xiàn)下載、課件資源下載和虛擬實(shí)驗(yàn)室等。在研究型高校理念普及之前，本?？圃谛Ｉ歉咝I(yè)務(wù)的核心組成部分。

(2)碩博士研究生

隨著近年來碩博士不斷擴(kuò)招，高校內(nèi)碩博士全日制在讀學(xué)生不斷增加。與本?？圃谛Ｉ煌?，碩博士研究生更多參與到高校的科研項(xiàng)目中，從事基礎(chǔ)研究工作。其對(duì)校園網(wǎng)的主要需求，來自電子圖書館期刊文獻(xiàn)下載、虛擬實(shí)驗(yàn)室、開題立項(xiàng)報(bào)送審批和高校間互聯(lián)互通等。部分碩博士研究生兼任代課教師或政治輔導(dǎo)員。

(3)研究員及博士后在站

工作在高校設(shè)立的各實(shí)驗(yàn)室、研究院所中的研究員和在站博士后等，雖然人數(shù)較少，但屬于研究型高校的核心生產(chǎn)力提供者。教授學(xué)者的課題多由這一角色完成。其對(duì)校園網(wǎng)的主要需求，來自虛擬實(shí)驗(yàn)室、云計(jì)算資源申請(qǐng)、圖書館期刊文獻(xiàn)下載和高校間互聯(lián)互通，因?yàn)檠芯繂T和在站博士后需要頻繁出差，對(duì)公網(wǎng)接入校園網(wǎng)的VPN需求也較廣。

(4)代課教師及政治輔導(dǎo)員

代課教師及政治輔導(dǎo)員主要與本?？圃谛Ｉl(fā)生數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)關(guān)系，其對(duì)選課及考試系統(tǒng)、課件資源上傳等有需求。

(5)教授學(xué)者

教授學(xué)者主要與碩博士研究生、研究員及在站博士后等有數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)關(guān)系，其對(duì)線上科研資源有需求。

(6)管理人員

管理人員負(fù)責(zé)校內(nèi)的黨政、行政、教務(wù)和學(xué)生管理，對(duì)整體大數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，根據(jù)其職務(wù)不同，對(duì)各系統(tǒng)管理后臺(tái)有部分操作權(quán)限。

所以，以上角色之間的邏輯關(guān)系圖如圖1所示。

圖中，本?？圃谛Ｉ?、教師及輔導(dǎo)員對(duì)教學(xué)型資源的需求量較大，研究員及在站博士后、教授學(xué)者等對(duì)研究型資源需求量較大，而碩博士研究生對(duì)二者的需求較為折中。

1.2 智慧校園大數(shù)據(jù)的交互

在智慧校園IDC機(jī)房作為核心背板的情況下，可以實(shí)現(xiàn)多種接入方式，如VPN接入、公網(wǎng)接入、校內(nèi)網(wǎng)接入和各種堆棧型計(jì)算資源接入等[3]。IDC為整合型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)機(jī)房的英文縮寫，是將網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備整合到一個(gè)核心機(jī)房中構(gòu)建的硬件系統(tǒng)，VPN為虛擬撥號(hào)接入的英文縮寫，該方式支持在公網(wǎng)內(nèi)構(gòu)建虛擬專用鏈接，確保數(shù)據(jù)在公網(wǎng)內(nèi)傳輸過程的私密性。該交互模式如圖2所示。

圖2 智慧校園大數(shù)據(jù)的交互數(shù)據(jù)流

圖中，智慧校園與校園網(wǎng)在硬件和數(shù)據(jù)層面均為兩套系統(tǒng)，智慧校園提供校園內(nèi)的計(jì)算資源、虛擬實(shí)驗(yàn)室資源、電子圖書館資源和各種與智慧校園相關(guān)的管理信息系統(tǒng)的邏輯接入點(diǎn)，而校園網(wǎng)更多承擔(dān)了校園網(wǎng)的通訊功能，負(fù)責(zé)將學(xué)生及教職工宿舍、辦公室、教室、實(shí)驗(yàn)室、電子閱覽室和各種機(jī)房等實(shí)現(xiàn)校內(nèi)高速互聯(lián)[4]。所以，在數(shù)據(jù)鏈路層面，校園網(wǎng)數(shù)據(jù)從校園網(wǎng)通訊系統(tǒng)中進(jìn)行傳輸，而在數(shù)據(jù)邏輯層面，智慧校園數(shù)據(jù)從智慧校園IDC邏輯架構(gòu)中得到充分利用。

2 智慧校園的大數(shù)據(jù)架構(gòu)升級(jí)

2.1 智慧校園大數(shù)據(jù)架構(gòu)升級(jí)的基本思路

任何一種管理信息系統(tǒng)，以數(shù)據(jù)倉庫為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)挖掘等人工智能計(jì)算，再通過LAMP服務(wù)系統(tǒng)對(duì)外提供服務(wù)。LAMP為操作系統(tǒng)、服務(wù)器軟件、數(shù)據(jù)庫平臺(tái)、腳本解釋模塊等服務(wù)和開發(fā)工具的集合體[5]。但當(dāng)前大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的核心發(fā)展方向，是將所有相關(guān)管理信息系統(tǒng)構(gòu)成統(tǒng)一的獨(dú)立的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，相關(guān)的管理信息系統(tǒng)在該大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，如圖3所示。

圖3 智慧校園大數(shù)據(jù)架構(gòu)升級(jí)策略

圖3(a)為傳統(tǒng)模式下的智慧校園大數(shù)據(jù)架構(gòu)，該架構(gòu)下每個(gè)管理信息系統(tǒng)幾乎都運(yùn)作在獨(dú)立的系統(tǒng)架構(gòu)下，不同管理系系統(tǒng)會(huì)構(gòu)建獨(dú)立的數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)，這就導(dǎo)致可能使用多個(gè)不同管理信息系統(tǒng)時(shí)，如使用教務(wù)管理系統(tǒng)、學(xué)生管理系統(tǒng)、社團(tuán)管理系統(tǒng)和評(píng)教系統(tǒng)等，需要構(gòu)建多種獨(dú)立的教師檔案和學(xué)生檔案，每次數(shù)據(jù)調(diào)整，均需要在多個(gè)系統(tǒng)中執(zhí)行重復(fù)操作[6]。這一過程影響信息管理效率，還有可能造成疏漏。

圖3(b)為革新模式下的智慧校園大數(shù)據(jù)架構(gòu)，在校園網(wǎng)中構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)，所有相關(guān)的管理信息系統(tǒng)均在該數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)增刪改查操作。

2.2 智慧校園大數(shù)據(jù)架構(gòu)升級(jí)的分步實(shí)現(xiàn)

在校園網(wǎng)內(nèi)搭建該智慧校園大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，需要對(duì)智慧校園全部管理信息系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫升級(jí)。如果采用一步到位的部署方式，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致校園網(wǎng)運(yùn)行階段出現(xiàn)較長的停機(jī)維護(hù)期。而高校的運(yùn)營環(huán)境，除服務(wù)本?？平逃南嚓P(guān)管理信息系統(tǒng)存在寒暑假的修整期外，其他系統(tǒng)均需要全年不間斷運(yùn)作。所以，需要設(shè)計(jì)一種分別對(duì)各管理信息系統(tǒng)升級(jí)的分步策略，確保每次系統(tǒng)升級(jí)的停機(jī)維護(hù)期均在可接受范圍內(nèi)，且保證每個(gè)單一管理信息系統(tǒng)的升級(jí)過程不影響其他管理信息系統(tǒng)的運(yùn)行[7]。所以，該升級(jí)在一般高校校園網(wǎng)內(nèi)通常需要多步操作，如圖4所示。

圖4 智慧校園大數(shù)據(jù)系統(tǒng)搭建梯度

圖中，分為4個(gè)階段分別對(duì)各個(gè)管理信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理模塊的升級(jí)，逐步實(shí)現(xiàn)上述管理信息系統(tǒng)的統(tǒng)一化獨(dú)立運(yùn)行大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的構(gòu)建目標(biāo)。該升級(jí)過程的核心原則是逐步將各管理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)調(diào)用模塊進(jìn)行升級(jí)，且分為以下4步分別完成。

第一階段：通過數(shù)據(jù)自動(dòng)同步算法，梳理不同管理新系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)表關(guān)聯(lián)性，構(gòu)建自動(dòng)同模塊，在其中一個(gè)數(shù)據(jù)表發(fā)生變更時(shí)，同步操作其他所有相關(guān)數(shù)據(jù)表。這會(huì)在不改變?cè)泄芾硇畔⑾到y(tǒng)的前提下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步管理。

第二階段：合并相關(guān)數(shù)據(jù)表，在多個(gè)同等用途數(shù)據(jù)表中，保留一個(gè)中心邏輯數(shù)據(jù)表，將其他數(shù)據(jù)表使用數(shù)據(jù)查詢表代替數(shù)據(jù)邏輯表，最大程度實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的輕量化。

第三階段：將邏輯整理后的數(shù)據(jù)庫，形成重新構(gòu)建的統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，將所有相關(guān)管理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫鏈接進(jìn)行重置，使系統(tǒng)平穩(wěn)過渡。之后開發(fā)新管理信息系統(tǒng)時(shí)，也被要求在該數(shù)據(jù)庫上進(jìn)行上層系統(tǒng)搭建。

第四階段：數(shù)據(jù)邏輯實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一后，對(duì)數(shù)據(jù)的治理、安全管理等模塊，也進(jìn)行進(jìn)一步合并，使云計(jì)算和人工智能模塊也得到進(jìn)一步輕量化處理。

上述每一階段的升級(jí)工作，均包含智慧校園系統(tǒng)內(nèi)的每個(gè)管理信息系統(tǒng)的逐一升級(jí)，即在上述分步策略中，每個(gè)管理信息系統(tǒng)均經(jīng)過4步升級(jí)，每次升級(jí)的實(shí)際操作調(diào)試時(shí)間均控制在1小時(shí)左右，可以利用夜間或假期等運(yùn)行負(fù)荷較低的時(shí)間段進(jìn)行相應(yīng)升級(jí)改造工作。此舉可以基本確保各相關(guān)系統(tǒng)的同步改造。在此期間，新部署的系統(tǒng)，在開發(fā)階段也應(yīng)滿足當(dāng)時(shí)階段的智慧校園大數(shù)據(jù)架構(gòu)建設(shè)目標(biāo)，且在后續(xù)升級(jí)工作中，與其他管理信息系統(tǒng)同步升級(jí)[8]。

3 系統(tǒng)革新效果仿真實(shí)測(cè)

3.1 數(shù)據(jù)響應(yīng)與數(shù)據(jù)庫規(guī)模的比較

使用SimuLink網(wǎng)絡(luò)仿真測(cè)試平臺(tái)構(gòu)建個(gè)案高校的網(wǎng)絡(luò)軟硬件系統(tǒng)，本?？圃谛Ｉ鸀?6 720人，碩博士研究生1 055人，在站博士后65人，研究員169人，代課教師及政治輔導(dǎo)員2 080人，教授學(xué)者95人，管理人員150人。假定所有角色均有至少1臺(tái)接入終端，根據(jù)其不同需求，使用隨機(jī)數(shù)驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)建其仿真需求模型，對(duì)當(dāng)前IDC硬件設(shè)備的服務(wù)能力進(jìn)行測(cè)算。測(cè)算結(jié)果如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)響應(yīng)與數(shù)據(jù)庫規(guī)模的比較

表中，系統(tǒng)響應(yīng)指各角色提交網(wǎng)絡(luò)需求后，智慧校園網(wǎng)絡(luò)對(duì)其需求的響應(yīng)周期，單位ms；誤碼率指系統(tǒng)在數(shù)據(jù)治理和數(shù)據(jù)挖掘階段發(fā)生輸出錯(cuò)誤的概率，單位%；數(shù)據(jù)庫規(guī)模指系統(tǒng)中用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的硬盤空間總占用量，單位TB；查詢比指所有相關(guān)系統(tǒng)產(chǎn)生的總查詢數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)量與全系統(tǒng)邏輯數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)量的比值。該表數(shù)據(jù)展示結(jié)果表明，革新模式可使得智慧校園網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)庫運(yùn)行效率顯著提升[9]。

3.2 教學(xué)管理效果的比較

同樣在SimuLink網(wǎng)絡(luò)仿真測(cè)試平臺(tái)下使用隨機(jī)數(shù)引擎進(jìn)行仿真驅(qū)動(dòng)，判斷不同需求下教學(xué)管理體系中多種角色的實(shí)際交互量，即每個(gè)角色內(nèi)的個(gè)體在每天之中在智慧校園相關(guān)管理信息系統(tǒng)中的頁面跳轉(zhuǎn)量。因?yàn)閿?shù)據(jù)響應(yīng)周期變短，考慮到心里依從性和平均耐受時(shí)間的邏輯關(guān)系，學(xué)生、教師、研究生和其他角色的教學(xué)相關(guān)人員交互量均明顯提升[10]，如表2所示。

表2 教學(xué)管理效果的比較(單位：點(diǎn)擊/人·天)

表中，所有角色之間并無交叉性，即從事代課教師工作的研究生在研究生中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從事代課教師工作的研究員在其他角色中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，而學(xué)生角色特指本?？圃谛Ｉ４私y(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下，學(xué)生交互量提升4.12倍，教師交互量提升4.99倍，研究生交互量提升3.60倍，其他交互量提升2.57倍。即該大數(shù)據(jù)技術(shù)革新后，智慧校園相關(guān)軟硬件在教學(xué)管理中的應(yīng)用量會(huì)大幅度提升。

3.3 科研管理效果的比較

在SimuLink網(wǎng)絡(luò)仿真測(cè)試平臺(tái)下使用隨機(jī)數(shù)引擎進(jìn)行仿真驅(qū)動(dòng)，使用電子圖書館、虛擬實(shí)驗(yàn)室、計(jì)算中心、資源共享站等關(guān)鍵線上科研資源的負(fù)荷量對(duì)科研管理效果進(jìn)行比較。如表3所示。

表3 科研管理系統(tǒng)負(fù)荷的比較(單位：MBps)

表中，革新模式下，圖書館負(fù)荷增加3.45倍，虛擬實(shí)驗(yàn)室負(fù)荷增加5.08倍，計(jì)算中心負(fù)荷增加3.73倍，資源共享站負(fù)荷增加4.90倍。即可認(rèn)為該大數(shù)據(jù)技術(shù)革新后，高?？蒲泄ぷ鲗?duì)智慧校園的依賴性顯著提升。

4 總結(jié)

采用“四步走”戰(zhàn)略，將當(dāng)前分散在各獨(dú)立管理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行充分整合，形成智慧校園統(tǒng)一化獨(dú)立運(yùn)行的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，可以有效提升數(shù)據(jù)庫運(yùn)行效率，壓縮系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，節(jié)約計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源，同時(shí)，教學(xué)體系和科研體系對(duì)智慧校園大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的依賴性會(huì)顯著增加，智慧校園系統(tǒng)對(duì)教學(xué)體系和科研體系的促進(jìn)作用也會(huì)顯著增加。