智慧校園WiFi大數(shù)據(jù)應(yīng)用研究與實踐

王磊杰，曹靜云，樊蒙蒙

（河南工業(yè)大學(xué) 漯河工學(xué)院，河南 漯河 462000）

1 建設(shè)背景

教育信息化是教育現(xiàn)代化的基本內(nèi)涵和顯著特征，是“教育現(xiàn)代化2035”的重點內(nèi)容和重要標(biāo)志。進(jìn)入教育信息化2.0時代，將教育信息化作為教育系統(tǒng)性變革的內(nèi)生變量，支撐并引領(lǐng)教育現(xiàn)代化發(fā)展，推動教育理念更新、模式變革、體系重構(gòu)，已經(jīng)成為新時代我國教育改革發(fā)展的戰(zhàn)略選擇，也是高校改革發(fā)展的必由之路。教育信息化建設(shè)是實現(xiàn)高?？缭绞桨l(fā)展的有效途徑，將在高校的教學(xué)、科研、管理、服務(wù)、評價，以及校園文化、校企合作等方面發(fā)揮積極的賦能作用［1］。

為了規(guī)范高校信息化建設(shè)，為高校提供智慧校園建設(shè)內(nèi)容和建設(shè)思路，2018年國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布了國家標(biāo)準(zhǔn)文件《智慧校園總體架構(gòu)》（GB/T 36342-2018），教育部在2020年發(fā)布了《職業(yè)院校數(shù)字校園規(guī)范》，2021年教育部又發(fā)布了《高等學(xué)校數(shù)字校園建設(shè)規(guī)范（試行）》，在這些規(guī)范中明確提出了校園網(wǎng)絡(luò)是智慧校園建設(shè)的重要基礎(chǔ)，是智慧校園應(yīng)用的重要支撐條件，而校園WiFi是校園網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分［2］。

2 WiFi技術(shù)介紹

WiFi，全稱“Wireless Fidelity”，中文名是無線保真，是一種無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過無線電波來聯(lián)網(wǎng)，支持幾乎所有智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦無線上網(wǎng)，是目前使用最廣的一種無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。WiFi發(fā)展的速度非常快，截至2019年9月，WiFi無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已升級至WiFi 6，即第6代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，網(wǎng)速最高可達(dá)9.6 Gbps［3］。相比于前幾代WiFi技術(shù)，WiFi 6的主要特點如下：

（1）速度更快。與WiFi 5相比，WiFi 6最大傳輸速率由前者的3.5 Gbps提升到了9.6 Gbps，理論速度提升了近3倍。

（2）延時更低。WiFi 6不僅僅是上傳下載的速度得到了很大提升，而且還允許更多的設(shè)備連接至無線網(wǎng)絡(luò)，并擁有一致的高速連接體驗，基本解決了網(wǎng)絡(luò)擁堵的問題。

（3）容量更大。WiFi 6網(wǎng)絡(luò)允許多信道高效率數(shù)據(jù)傳輸，提升多用戶場景下的網(wǎng)絡(luò)體驗，多個用戶同時使用也不會出現(xiàn)卡頓問題。

（4）安全性更高。WiFi 6采用WPA 3網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議，安全性能更高。

（5）更省電。WiFi 6無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)允許設(shè)備主動規(guī)劃與無線路由的通信時間，減少了信號搜索時間，一定程度上減少了設(shè)備的電量消耗，提升了設(shè)備的續(xù)航能力。

2021年是WiFi 6無線網(wǎng)絡(luò)普及的關(guān)鍵一年，目前很多高校的校園無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)升級到了WiFi 6。

3 校園WiFi應(yīng)用情況分析

目前各高校都建有自己的校園無線網(wǎng)絡(luò)，主要作為多業(yè)務(wù)融合的基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)，校園WiFi覆蓋所有教學(xué)、實訓(xùn)、活動和辦公場所，支撐無線終端泛在接入和泛在信息服務(wù)［4］。

校園WiFi雖然在高校的教學(xué)、科研、管理、實訓(xùn)、文化、服務(wù)等方面發(fā)揮了重要的支撐作用，但是基于校園WiFi數(shù)據(jù)的挖掘應(yīng)用有待進(jìn)一步深化和優(yōu)化。

校園WiFi每天所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)達(dá)幾十萬條，反映學(xué)生活動的軌跡和所在區(qū)域，如果將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，并且和學(xué)生的其他相關(guān)數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，必將對高校的教學(xué)管理產(chǎn)生重要價值，對管理水平也是一個重要的提升［5］。

4 學(xué)生軌跡智能預(yù)警分析系統(tǒng)

4.1 建設(shè)思路

2019年12月，新冠肺炎疫情暴發(fā)，為減少人員聚集及流動，避免發(fā)生交叉感染風(fēng)險，教育部發(fā)布了延遲春季開學(xué)時間的通知，倡議“充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，積極應(yīng)對‘復(fù)學(xué)難’問題”。教育部在2020年2月28日發(fā)布《中共教育部黨組關(guān)于統(tǒng)籌做好教育系統(tǒng)新冠肺炎疫情防控和教育改革發(fā)展工作的通知》，要求做好在線教學(xué)的同時，扎實做好高校開學(xué)準(zhǔn)備工作。

為了實時掌握學(xué)生動態(tài)，避免人員聚集，減少交叉感染的可能性，學(xué)校除了采用健康打卡等措施以外，還基于學(xué)生在校移動軌跡信息，實時掌握學(xué)校各個場館的聚集人群管控狀況，一旦出現(xiàn)異常情況可立即掌握異常人員的移動軌跡及其接觸人員，實現(xiàn)精準(zhǔn)疫情防控的目的。

4.2 系統(tǒng)建設(shè)

學(xué)生軌跡智能預(yù)警分析系統(tǒng)從2020年3月開始進(jìn)行需求分析、設(shè)計和開發(fā)，8月底開發(fā)完成第一個版本。2020年9月學(xué)校開學(xué)時開始使用，在使用過程中不斷完善，形成了功能相對穩(wěn)定的版本。

4.3 系統(tǒng)功能研究

4.3.1 采集、分析學(xué)生行為軌跡數(shù)據(jù)

基于大數(shù)據(jù)的學(xué)生軌跡智能預(yù)警分析系統(tǒng)每天能采集、分析近一億條日志數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，實時描繪每一位學(xué)生的移動軌跡及每位學(xué)生的接觸人員；通過智能軌跡駕駛艙可實時掌握學(xué)校各個場所的人員流量及人員移動軌跡［6］，可針對異常人員精準(zhǔn)定位其移動軌跡，以便及時實施相應(yīng)干預(yù)。

將系統(tǒng)進(jìn)行歸類合并處理，能夠可視化顯示學(xué)生個人移動軌跡，同時對原始日志數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗之后按時間對學(xué)生個人移動軌跡進(jìn)行描繪，軌跡信息非常詳細(xì)［7］；基于軌跡信息，分析每一位學(xué)生每時每刻的接觸人員，一旦出現(xiàn)異常情況可進(jìn)行精準(zhǔn)管控。

4.3.2 分析學(xué)生移動軌跡，助力疫情防控

通過本系統(tǒng)可實時掌握學(xué)生動態(tài)，了解學(xué)生行為軌跡（圖1）［8］。

圖1 學(xué)生軌跡智能駕駛艙

疫情期間，通過關(guān)注學(xué)生行為軌跡，主要從以下兩個方面對學(xué)校的疫情防控發(fā)揮有力的保障作用。

（1）實現(xiàn)了疫情防控期間對校內(nèi)人員聚集的風(fēng)險預(yù)警，及時進(jìn)行干預(yù)，消除風(fēng)險隱患。當(dāng)人員聚集數(shù)量超過一定的閾值時，系統(tǒng)向管理人員發(fā)出風(fēng)險預(yù)警，及時進(jìn)行人為干預(yù)，避免風(fēng)險發(fā)生。

（2）當(dāng)感染者出現(xiàn)時，能夠及時追蹤溯源［9］，快速發(fā)現(xiàn)密切接觸者。能夠?qū)Ω腥菊呋蚪佑|者進(jìn)行軌跡分析，及時對經(jīng)過的場所進(jìn)行消殺處理，加強(qiáng)防控措施。

在疫情防控期間，通過本系統(tǒng)主要解決了以下問題：解決了難以及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生聚集的問題；解決了傳統(tǒng)疫情防控成本高、效率低的問題；解決了發(fā)現(xiàn)密切接觸者速度慢的問題；解決了對有問題人員追蹤溯源效率低的問題。

4.4 系統(tǒng)使用效果

系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于全校19000名師生，每日處理數(shù)據(jù)達(dá)千萬條；產(chǎn)生了良好的規(guī)模效益和應(yīng)用數(shù)據(jù)。

（1）充分發(fā)揮了校園網(wǎng)的價值。本系統(tǒng)依托校園網(wǎng)絡(luò)資源，充分利用學(xué)校已有的設(shè)備和數(shù)據(jù)資產(chǎn)，使得原有投資發(fā)揮出更大效益［10］。

（2）實時掌握學(xué)生軌跡，助力疫情防控。通過該系統(tǒng)平臺可實時掌握學(xué)生動態(tài)，了解學(xué)生行為軌跡。疫情期間，通過關(guān)注學(xué)生行為軌跡，當(dāng)發(fā)現(xiàn)人員聚集時實施相應(yīng)干預(yù)，為學(xué)校的疫情防控提供幫助。

該系統(tǒng)雖然為學(xué)校的疫情防控工作提供了極大的保障，但仍然存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間。例如，增加移動端的應(yīng)用，可隨時隨地查看，使得系統(tǒng)更為簡便快捷；最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)軌跡數(shù)據(jù)的作用，為其他應(yīng)用提供相關(guān)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)價值和應(yīng)用價值［11］。

5 無感知學(xué)生上課考勤系統(tǒng)

5.1 建設(shè)需求

學(xué)風(fēng)是一所大學(xué)的靈魂，是辦學(xué)思想、管理水平和教育質(zhì)量的重要標(biāo)志。學(xué)生課堂考勤工作是高校學(xué)風(fēng)建設(shè)的基本內(nèi)容，是日常教學(xué)管理工作的重要環(huán)節(jié)，是校園安全管理必不可少的抓手。切實抓好學(xué)生課堂考勤管理工作，是保證高校教育教學(xué)秩序正常運行和各項集體活動順利開展的重要手段，對于加強(qiáng)學(xué)生的組織紀(jì)律性、提高教學(xué)質(zhì)量發(fā)揮重要作用，對推進(jìn)學(xué)校學(xué)分建設(shè)有著深遠(yuǎn)意義［12］。有效的課堂考勤不僅是提高教學(xué)質(zhì)量的前提，而且是形成良好校風(fēng)和學(xué)風(fēng)的重要保障，同時能密切師生關(guān)系，強(qiáng)化教師的責(zé)任感［13］。

目前，大學(xué)生上課缺勤是高校比較常見的現(xiàn)象，高?？记诠芾聿唤∪斐蓪W(xué)生逃課現(xiàn)象時有發(fā)生［14］。大學(xué)校園人員流動性較大，大學(xué)生上課沒有固定的教室，學(xué)生缺勤會影響教學(xué)質(zhì)量，為學(xué)校學(xué)風(fēng)建設(shè)帶來非常大的影響。同時，學(xué)生私自逃課外出，還會對學(xué)生人身安全防控工作形成困擾［15］。

我國教育正處于信息化快速發(fā)展的時代，高校針對上課考勤管理也做了很多嘗試，如人工點名、刷卡、指紋識別、人臉識別、二維碼、位置簽到等考勤方式，但由于存在諸多問題，最后都無法達(dá)到考勤的預(yù)期效果［16］。

如何在考勤簽到時減少對學(xué)生的干擾，無感知地進(jìn)行一次或多次考勤，提高考勤效率和實用性，成了亟待解決的問題［17］。

基于校園網(wǎng)的無感知學(xué)生上課考勤系統(tǒng)是以大數(shù)據(jù)技術(shù)為基礎(chǔ)，基于校園網(wǎng)認(rèn)證、無線控制器、無線AP、IP地址、MAC地址、一卡通記錄、人臉識別通道、圖書借閱、學(xué)生課表、學(xué)生信息等多類型數(shù)據(jù)，構(gòu)建符合高校學(xué)生上課特征的考勤模型，研發(fā)綜合軟件系統(tǒng)（圖3）。其目的是在學(xué)生無感知的情況下為學(xué)校教學(xué)提供學(xué)生的實時考勤結(jié)果和日報、周報、月報、期報，以及多維度的學(xué)風(fēng)趨勢、對比分析。

圖3 無感知考勤設(shè)計架構(gòu)

5.2 系統(tǒng)建設(shè)

該系統(tǒng)項目自2020年5月開始建設(shè)，到2021年5月開始應(yīng)用，歷時1年。

5.3 系統(tǒng)功能研究

基于大數(shù)據(jù)的無感知學(xué)生上課考勤系統(tǒng)以大數(shù)據(jù)技術(shù)為基礎(chǔ)，依托校園網(wǎng)平臺進(jìn)行構(gòu)建。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計采用Hadoop、Flume，Kafka、Sqoop、HBase、Redis等技術(shù)，從教務(wù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證系統(tǒng)、一卡通系統(tǒng)、通道系統(tǒng)、人臉識別系統(tǒng)、AC、AP、圖書借閱系統(tǒng)等實時采集數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、整合、歸類。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和準(zhǔn)確性處理以后，基于業(yè)務(wù)要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行建模及挖掘分析。最后呈現(xiàn)出各個角色需要的功能，如領(lǐng)導(dǎo)駕駛艙、實時考勤、考勤總結(jié)、異常預(yù)警、考勤提醒等（圖4）。

圖4 學(xué)生無感考勤實時駕駛艙

學(xué)生無感考勤系統(tǒng)包括考勤駕駛艙、今日考勤、考勤總結(jié)、學(xué)風(fēng)分析、考勤提醒、考勤預(yù)警、考勤修正、用戶權(quán)限、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)清洗、模型構(gòu)建，以及針對不同角色的手機(jī)端考勤分析查詢、審核等功能。

該系統(tǒng)經(jīng)過不斷修改、調(diào)優(yōu)和完善，構(gòu)建了基于高校特點的上課考勤模型，設(shè)計針對大節(jié)和小節(jié)共29種考勤模型綜合應(yīng)用，考勤結(jié)果準(zhǔn)確可靠。系統(tǒng)可實現(xiàn)每天實時處理超過一億條記錄，可實現(xiàn)PB級別的存儲水平。

該系統(tǒng)針對不同角色提供特色服務(wù)功能。針對學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)，提供考勤駕駛艙和移動端服務(wù)，無須打開電腦就可掌握學(xué)?？记谇闆r；針對院系領(lǐng)導(dǎo)，通過手機(jī)可實時掌握本院系考勤異常情況；針對輔導(dǎo)員，通過手機(jī)可實時掌握帶班學(xué)生的考勤結(jié)果。同時系統(tǒng)還有針對任課教師、學(xué)生的移動端考勤查詢服務(wù)。

如果學(xué)生由于某種原因遲到、早退，報任課教師或輔導(dǎo)員批準(zhǔn)，可對學(xué)生考勤結(jié)果進(jìn)行修正，滿足在實際考勤管理中臨時出現(xiàn)的特殊情況。

系統(tǒng)投入使用以后，受到師生的一致好評。輔導(dǎo)員可以通過手機(jī)實時掌握帶班學(xué)生的考勤情況，任課老師在授課前通過手機(jī)對學(xué)生考勤情況及異常信息一目了然。如果哪個學(xué)生考勤結(jié)果出現(xiàn)異常，會提前提醒學(xué)生該怎么做。學(xué)校的上課出勤率提升了30%，學(xué)校學(xué)風(fēng)大為改善。

5.4 系統(tǒng)使用效果

基于校園網(wǎng)的無感知學(xué)生上課考勤系統(tǒng)應(yīng)用于全校所有系部，師生共計19000余人。目前每天處理2000多萬條記錄，實時分析學(xué)生每天考勤結(jié)果。經(jīng)過考勤準(zhǔn)確率分析，每月準(zhǔn)確率達(dá)99.2%，每天考勤準(zhǔn)確率接近98%。

基于校園網(wǎng)的無感知學(xué)生上課考勤系統(tǒng)在我校應(yīng)用時間已近半年，根據(jù)學(xué)生考勤數(shù)據(jù)分析結(jié)果，以及領(lǐng)導(dǎo)、相關(guān)院系和師生的反饋，考勤準(zhǔn)確率高，省時省力，為提高學(xué)生考勤管理制度的執(zhí)行效力、保障教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)效率提供了高效可靠的技術(shù)支撐；為學(xué)校教學(xué)管理優(yōu)化提供了寶貴的經(jīng)驗，原來大家都認(rèn)為“不好辦”的上課考勤得到了有效解決；為學(xué)生提供了更好的無感知服務(wù)，促進(jìn)了智慧校園的發(fā)展。下一階段將以學(xué)校各院系考勤管理制度為基礎(chǔ)，不斷優(yōu)化考勤模型，以適應(yīng)學(xué)校各院系的考勤制度，實現(xiàn)考勤模型針對不同院系的個性化服務(wù)。同時，以此系統(tǒng)設(shè)計思路為基礎(chǔ)，提供其他無感知信息化服務(wù)，如無感知查寢、無感知會議簽到、無感知失聯(lián)預(yù)警等［18］。

6 系統(tǒng)建設(shè)特色

學(xué)生軌跡智能預(yù)警分析系統(tǒng)和無感知學(xué)生考勤系統(tǒng)注重以人為本，服務(wù)全校師生，系統(tǒng)的主體用戶人群就是廣大師生，在需求上應(yīng)充分考慮如何讓師生、管理者得到更多的便利服務(wù)，使日常的教學(xué)管理工作更加靈活。通過以上系統(tǒng)可以了解學(xué)生的軌跡信息及上課出勤情況，使學(xué)生安全問題更加有了保障，為全校教職工提供更加實用的人性化服務(wù)［19］。

系統(tǒng)依托校園網(wǎng)平臺，使用校園WiFi，基于學(xué)校已有的網(wǎng)絡(luò)資源，所采集的數(shù)據(jù)均來自學(xué)校已經(jīng)建成的系統(tǒng)，包括校園網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、一卡通系統(tǒng)、上網(wǎng)行為管理系統(tǒng)等，使校園資源得到了充分利用，更多地服務(wù)于學(xué)校的教學(xué)管理，發(fā)揮更大的價值。學(xué)生軌跡智能預(yù)警分析系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確采集、分析學(xué)生移動軌跡數(shù)據(jù)，實時描繪每一位學(xué)生的移動軌跡及其接觸人員，通過智能軌跡駕駛艙實時掌握學(xué)校各個場所的人員流量及人員的移動軌跡，精準(zhǔn)定位異常人員的移動軌跡，可立即掌握其接觸人員信息，實施相應(yīng)干預(yù)，實現(xiàn)精準(zhǔn)疫情防控的目的。無感知學(xué)生考勤系統(tǒng)構(gòu)建基于高校特點的上課考勤模型，設(shè)計針對大節(jié)和小節(jié)共29種考勤模型綜合應(yīng)用，讓考勤結(jié)果準(zhǔn)確可靠；基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，針對當(dāng)天各個節(jié)次的考勤結(jié)果，可實時查看，方便各個教學(xué)管理人員掌握學(xué)生考勤情況。另外，系統(tǒng)針對不同的角色提供不同的終端服務(wù)，不同角色的用戶權(quán)限不同，所查看的界面也不一樣，系統(tǒng)提供了很多人性化服務(wù)，積累了大量的智慧化提醒功能，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時會立即提醒，讓管理工作更加簡單有效。

7 結(jié)語

學(xué)?；趯W(xué)生軌跡智能預(yù)警分析系統(tǒng)，利用已有網(wǎng)絡(luò)資源產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用研發(fā)，采集、分析學(xué)生行為軌跡信息，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實現(xiàn)了學(xué)生行為軌跡的可視化呈現(xiàn)，助力學(xué)校疫情防控；學(xué)?；诖髷?shù)據(jù)的無感知學(xué)生上課考勤系統(tǒng)，改變了舊有的校園考勤方式，解決了教學(xué)管理體系中的一大難題，促進(jìn)了智慧校園的進(jìn)一步發(fā)展。但是，系統(tǒng)在運行過程中還需要進(jìn)一步完善。隨著校園WiFi在各個場合的廣泛應(yīng)用，還需要進(jìn)一步優(yōu)化校園網(wǎng)支撐能力，讓校園WiFi無線網(wǎng)絡(luò)能夠更穩(wěn)定、更可靠地運行。在系統(tǒng)應(yīng)用上，增加移動端的應(yīng)用，實現(xiàn)了隨時隨地查看功能，能夠更加簡便快捷地發(fā)揮數(shù)據(jù)的作用，為其他應(yīng)用提供相關(guān)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)價值和應(yīng)用價值。