云上智慧化校園的建設(shè)研究

劉仕云

摘要：隨著信息化社會(huì)的快速發(fā)展，云技術(shù)作為一種新興計(jì)算機(jī)技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。云上智慧化校園不僅能優(yōu)化校園教育資源統(tǒng)籌規(guī)劃、人才資源供給、校園產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)配置，還有助于實(shí)現(xiàn)中國(guó)第二個(gè)百年奮斗目標(biāo)、建設(shè)社會(huì)主義強(qiáng)國(guó)。文章通過(guò)探討新型云計(jì)算與校園教育相結(jié)合的問(wèn)題，綜合運(yùn)用5G+、WiFi6、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，研究“基于新型云計(jì)算數(shù)字化智慧校園——即云上校園”建設(shè)方案，推動(dòng)校園教育信息化轉(zhuǎn)型轉(zhuǎn)段升級(jí)，實(shí)現(xiàn)從深化應(yīng)用向融合的創(chuàng)新發(fā)展，以新型校園教育信息化支撐引領(lǐng)校園教育現(xiàn)代化。

關(guān)鍵詞：智慧化校園；數(shù)字化教育；云上校園；云計(jì)算；校園信息化；5G+

中圖分類號(hào)：TP311.13? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 國(guó)內(nèi)外云上校園教育信息化建設(shè)現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外云上校園教育信息化建設(shè)現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代，美國(guó)麻省理工學(xué)院提出了“e-campus”（數(shù)字智慧化校園）計(jì)劃，利用早期先進(jìn)的現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，在教學(xué)、管理、科研以及生活服務(wù)等諸多方面整合并集成校園資源，建設(shè)了一個(gè)面向未來(lái)的劃時(shí)代三維虛擬校園，這是最早的數(shù)字化校園建設(shè)范本。1990年，美國(guó)克萊蒙特大學(xué)凱尼斯·格林（Kenneth Green）教授發(fā)起并主持的一項(xiàng)大型科研項(xiàng)目“信息化校園計(jì)劃”標(biāo)志著智慧數(shù)字化校園概念的首次提出。1998年，美國(guó)前副總統(tǒng)戈?duì)枺ˋl Gore）在美國(guó)加利福尼亞科學(xué)中心發(fā)表了一個(gè)以數(shù)字信息化地球?yàn)轭}的演講，對(duì)后世的信息發(fā)展起重大推動(dòng)作用。1989年，英國(guó)政府和ICL、SUN、英國(guó)電信合作，在全國(guó)高校中推行計(jì)算機(jī)用于教學(xué)創(chuàng)新（Computer Teaching Initiative，CTI）項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了教育在模式、內(nèi)容、組織形式等方面的徹底革新；1995年，英國(guó)政府提出了“教育高速公路：前進(jìn)之路”的倡議，將400家教育機(jī)構(gòu)納入相關(guān)項(xiàng)目并實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，進(jìn)一步提高了信息化教育的廣度與深度；1998年，英國(guó)政府通過(guò)的信息化教育法案以立法形式規(guī)定了教育數(shù)字信息化的建設(shè)方案，明確了規(guī)?；?gòu)置分配策略，為后來(lái)者在云上校園建設(shè)上提供了早期藍(lán)本。21世紀(jì)以來(lái)，歐美政府就校園智慧數(shù)字化與Google、IBM、MircoSoft等科技巨頭展開(kāi)一系列合作，如全球最大的信息技術(shù)與業(yè)務(wù)解決方案公司IBM與亞拉巴馬州的莫白兒縣公共學(xué)區(qū)進(jìn)行的云上校園合作、“希維塔斯”項(xiàng)目等，是現(xiàn)代最鮮明、最具特征及活力的新時(shí)代智慧化教育、智慧化校園案例。

由此可見(jiàn)，國(guó)外智慧化校園建設(shè)起步較早、時(shí)間跨度長(zhǎng)，建設(shè)方案較成熟，具備以下特點(diǎn)：

（1）智慧數(shù)字校園建設(shè)發(fā)展時(shí)間較早且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

（2）智慧數(shù)字校園建設(shè)有明確的理念與規(guī)劃方案、成熟的供應(yīng)渠道以及實(shí)施策略。

（3）智慧數(shù)字校園建設(shè)規(guī)模大，不局限于院校自身，其合作范圍較廣，例如與新興科技巨頭合作。

（4）通過(guò)立法為智慧數(shù)字校園建設(shè)指明發(fā)展方向，提供政策保障，優(yōu)化教育分配策略。

1.2 國(guó)內(nèi)云上智慧化數(shù)字校園建設(shè)現(xiàn)狀

隨著世界教育信息化的迅速普及與我國(guó)宏觀經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，在中央部委相關(guān)政策支持及國(guó)家教育信息化建設(shè)資金的有力保障下，當(dāng)前國(guó)內(nèi)一、二線城市已經(jīng)基本完成數(shù)字化校園相關(guān)建設(shè)，三、四線城市也基本完成數(shù)字化校園建設(shè)［1］?！霸粕现腔刍睌?shù)字校園作為數(shù)字化校園的升級(jí)型，目前在華東、華北等地如火如荼地建設(shè)，不少高校已取得實(shí)質(zhì)性突破。

在華北地區(qū)，清華大學(xué)于1996年在“211工程”的資助下提出并實(shí)施了“泰山工程”，在學(xué)校的基礎(chǔ)設(shè)施上完成了50多棟建筑接入校園網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)上在線辦公、在線管理、在線教學(xué)以及在線服務(wù)。在華東地區(qū)，復(fù)旦大學(xué)于2006年在學(xué)校制定的《十五發(fā)展規(guī)劃綱要》中著重提出了“加快建設(shè)現(xiàn)代化信息化文明校園”口號(hào)并付諸實(shí)踐，建設(shè)了數(shù)字化圖書(shū)館、數(shù)字化教育資源庫(kù)、數(shù)字化科研數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)字化師生信息數(shù)據(jù)庫(kù)、生活服務(wù)資源庫(kù)等信息庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)信息共享以及綜合數(shù)據(jù)管理，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)支持教學(xué)活動(dòng)、科研活動(dòng)和生活服務(wù)，建設(shè)黨務(wù)、人事、財(cái)務(wù)等信息化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)辦公的數(shù)字化、智慧化、自動(dòng)化。在華南地區(qū)，華南理工大學(xué)于2019年提出并實(shí)施“五個(gè)一”工程（一個(gè)賬號(hào)、一個(gè)入口、一套數(shù)據(jù)、一張報(bào)表、一站式服務(wù)），在數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)上，推出了數(shù)字迎新、數(shù)字離校、教師一張表、網(wǎng)上辦事大廳、移動(dòng)門戶、智慧后勤、智慧學(xué)工等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)校內(nèi)超過(guò)150個(gè)主要網(wǎng)站、200個(gè)以華南理工為內(nèi)容主體的公眾號(hào)的內(nèi)容采集及聚合等服務(wù)。

2 智慧化校園現(xiàn)存問(wèn)題及分析

2.1 基礎(chǔ)設(shè)施存在隱患

日前，特別是疫情防控期間，我國(guó)高校的智慧化校園建設(shè)為師生提供了超大規(guī)模的在線教育平臺(tái)，保障了全國(guó)各地教學(xué)活動(dòng)的正常開(kāi)展，但也存在不少問(wèn)題。比如部分院校對(duì)校園數(shù)字化教育與智慧化建設(shè)不夠重視、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度不足、存在大量老舊設(shè)備以及急需淘汰的設(shè)備、數(shù)據(jù)即時(shí)性難以保證、數(shù)據(jù)交流平臺(tái)不完善或缺失、信息互動(dòng)性難以保障，不僅對(duì)教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)造成困擾，還埋下了極大的安全隱患。

2.2 建設(shè)方案存在隱患，缺乏科學(xué)性

智慧校園集感知設(shè)備、校園一卡通、校園社區(qū)服務(wù)、教育活動(dòng)、科研活動(dòng)、黨務(wù)活動(dòng)、團(tuán)建活動(dòng)等多維度事務(wù)于一體，在數(shù)據(jù)信息的儲(chǔ)存、管理、及時(shí)處理、調(diào)配、安全等方面要求較高。但是，在當(dāng)前智慧化校園建設(shè)方案中，不論是數(shù)據(jù)信息庫(kù)的建立與管理，還是信息處理及管理員權(quán)限分配機(jī)制或數(shù)據(jù)容災(zāi)機(jī)制，都存在信息建立不具備科學(xué)性、處理不及時(shí)、權(quán)責(zé)管理不清晰、數(shù)據(jù)抗風(fēng)險(xiǎn)能力弱等問(wèn)題。

2.3 信息編碼缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)

部分院校在數(shù)據(jù)接入、信息編碼方式標(biāo)準(zhǔn)等方面缺乏重視，各部門在采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、數(shù)據(jù)處理方面采用不同的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)信息編碼規(guī)則缺乏統(tǒng)一性，進(jìn)而在數(shù)據(jù)共享上出現(xiàn)數(shù)據(jù)重復(fù)、數(shù)據(jù)紊亂乃至部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失，影響信息共享即時(shí)性和可用性，降低自動(dòng)化辦公效率。智慧化校園系統(tǒng)的數(shù)據(jù)規(guī)模較大，數(shù)據(jù)處理操作也十分頻繁。

3 解決措施

3.1 構(gòu)建“5G+”新型云計(jì)算物聯(lián)融合智慧化校園架構(gòu)

老舊的電子產(chǎn)品不僅功能無(wú)法滿足現(xiàn)代社會(huì)多樣化的教學(xué)要求，零件老化、內(nèi)部問(wèn)題排查追蹤困難、功耗異常等問(wèn)題也會(huì)造成安全隱患。

“5G+”新型云計(jì)算物聯(lián)融合技術(shù)在5G、WiFi6、智能物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)等多種前沿科技的支持下，將多媒體、學(xué)術(shù)資源、人與智能設(shè)備線上線下高度有機(jī)融合，形成“校園智能互聯(lián)”，使設(shè)備云化、智能化，即時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，精準(zhǔn)確定設(shè)備故障緣由，及時(shí)自動(dòng)化更新推送設(shè)備信息至管理端，進(jìn)而規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)、降低運(yùn)營(yíng)和管理成本、推動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施智能化升級(jí)。本文通過(guò)5G、WiFi6、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等前沿科學(xué)技術(shù)有機(jī)融合，從過(guò)往的單一物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的M2M三層架構(gòu)（即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層）以及巴音查汗等構(gòu)建的物聯(lián)嵌入式架構(gòu)向集智能感知、網(wǎng)絡(luò)融合、信息支撐、綜合管理以及VR現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)于一體的“5G+”新型云計(jì)算物聯(lián)融合技術(shù)的體系架構(gòu)升級(jí)［2-3］。本體系通過(guò)劃分四層業(yè)務(wù)邏輯及智能硬件采集、地理測(cè)繪、5G、WiFi6、網(wǎng)絡(luò)融合、計(jì)算資源整合、存儲(chǔ)處理、校園智能化與可視化等十五大功能模塊，構(gòu)建了“5G+”新型云智慧化校園架構(gòu)。該架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、計(jì)算層、服務(wù)層4個(gè)部分構(gòu)成。依托于該架構(gòu)，智能物聯(lián)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)信息感知（包括但不限于地理數(shù)據(jù)及設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行態(tài)），5G、WiFi6等網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)融合并協(xié)定傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶蠖薃I計(jì)算池。AI計(jì)算池在計(jì)算層通過(guò)關(guān)鍵詞提取與氣象局公開(kāi)信息庫(kù)等多種權(quán)威信息庫(kù)信息支撐下通過(guò)數(shù)據(jù)分析與對(duì)比結(jié)合設(shè)備原始參數(shù)進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（包括但不限于壽命評(píng)估、運(yùn)行態(tài)評(píng)估）與資源統(tǒng)合運(yùn)算，進(jìn)而在應(yīng)用服務(wù)端進(jìn)行資源可視化、風(fēng)險(xiǎn)可視化、3D虛擬化校園、部署“微眾校園”與校園門戶，設(shè)計(jì)管理應(yīng)用介入平臺(tái)，構(gòu)建了一套安全保障架構(gòu)（見(jiàn)圖1）。

3.2 科學(xué)規(guī)劃“5G+”云上智慧校園體系數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

“5G+”云上智慧校園建設(shè)應(yīng)根據(jù)具體需求，本文就科學(xué)規(guī)劃“5G+”云上智慧校園體系數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)問(wèn)題制定一套數(shù)據(jù)庫(kù)底層管理策略，集中相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算資源，統(tǒng)一調(diào)配管理建設(shè)規(guī)模大、虛擬化、高可用性、高擴(kuò)展性的虛擬計(jì)算資源池，建設(shè)網(wǎng)上辦事、在線教育、學(xué)術(shù)資源、個(gè)人信息、信息發(fā)布空間，推動(dòng)知識(shí)、人才、學(xué)術(shù)三大引擎建設(shè)，實(shí)現(xiàn)在線4A建設(shè)（Anytime，Anywhere，Anyone，Anything，即任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何人、任何事務(wù)），為大運(yùn)營(yíng)、大服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)安全、組織服務(wù)提供強(qiáng)力保障［4］。

本數(shù)據(jù)庫(kù)底層管理策略采用Hadoop進(jìn)行分布式存儲(chǔ)、分布式多任務(wù)處理，同時(shí)以“校名+庫(kù)名+表名（漢語(yǔ)拼音或以英文單詞進(jìn)行連接結(jié)合）”“UTF-8”對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)命名方式及編碼方式進(jìn)行規(guī)范，減少數(shù)據(jù)對(duì)接異常或數(shù)據(jù)亂碼等問(wèn)題的復(fù)現(xiàn)率，以基于角色分配規(guī)范并限制內(nèi)外網(wǎng)數(shù)據(jù)訪問(wèn)，保障“5G+”云上智慧校園體系數(shù)據(jù)庫(kù)的高可靠性、高擴(kuò)展性、高效性。

3.3 增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)

“5G+”云上智慧化校園系統(tǒng)作為一個(gè)面向大眾的開(kāi)放系統(tǒng)，面對(duì)各種各樣的威脅與攻擊，系統(tǒng)穩(wěn)定性受到考驗(yàn)。本系統(tǒng)通過(guò)設(shè)立完善的防火墻，修改數(shù)據(jù)庫(kù)默認(rèn)運(yùn)行端口或配置為socket文件監(jiān)聽(tīng)防止SQL數(shù)據(jù)庫(kù)注入，在軟硬件上通過(guò)工控交換機(jī)設(shè)置相應(yīng)策略進(jìn)行流量清洗及IP訪問(wèn)限制以及限定數(shù)據(jù)流入、流出方向及IP訪問(wèn)限制以便于防范DDOS攻擊、XSS及CSRF跨域攻擊，通過(guò)禁止密碼登錄或限定（連接）嘗試次數(shù)及有效期或使用ED25519等新型的優(yōu)異的算法進(jìn)行加密處理過(guò)的密鑰預(yù)防密碼（哈希）枚舉并制定數(shù)據(jù)備份策略，定期備份及檢查數(shù)據(jù)確保數(shù)據(jù)安全及系統(tǒng)穩(wěn)定。

3.4 優(yōu)化數(shù)據(jù)處理邏輯

在校園教育綜合服務(wù)中，不少名詞或字段的復(fù)現(xiàn)頻率與其他名次（字段）復(fù)現(xiàn)頻率之間存在顯著性差異。因此，可以通過(guò)改進(jìn)關(guān)系型和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中的表段設(shè)置、緩存策略，結(jié)合大數(shù)據(jù)信息特征使用或創(chuàng)造新的優(yōu)異算法提高緩存命中率，進(jìn)而優(yōu)化數(shù)據(jù)處理。同時(shí)，在校園教育綜合服務(wù)中，待處理的數(shù)據(jù)往往呈現(xiàn)出復(fù)雜性、多樣性以及時(shí)限性。以應(yīng)用層的校園3D實(shí)景為例，不僅包括二維上的校園基礎(chǔ)建筑地理數(shù)據(jù)，還包括三維空間上的具體外貌、內(nèi)部構(gòu)造、內(nèi)部基礎(chǔ)設(shè)施布局。由于不同建筑在具體構(gòu)造、內(nèi)部設(shè)施布局以及地理維度方面的不同，相關(guān)數(shù)據(jù)往往龐雜且多樣。

本系統(tǒng)運(yùn)用大數(shù)據(jù)處理工具提取少量關(guān)鍵維度字段進(jìn)行數(shù)據(jù)降維、篩選、過(guò)濾，以解決數(shù)據(jù)維度過(guò)多及龐雜問(wèn)題，通過(guò)改善數(shù)據(jù)緩存策略、優(yōu)化處理算法或制定新的數(shù)據(jù)緩存及處理算法、優(yōu)化數(shù)據(jù)衡量指標(biāo)，加強(qiáng)維度數(shù)據(jù)關(guān)系，提高數(shù)據(jù)命中率及黏性。為應(yīng)對(duì)多并發(fā)訪問(wèn)情況，可結(jié)合AI技術(shù)，采用代理服務(wù)器緩存針對(duì)應(yīng)用層進(jìn)行緩存優(yōu)化，如圖2所示。

3.5 “5G+”萬(wàn)物互聯(lián)云智慧化校園

目前，5G通信技術(shù)有吞吐量大（10～20 Gbit/s）、時(shí)延低至1 ms、功耗低至20耗瓦、較4G LTE連接密度提升高達(dá)3倍、每平方千米百萬(wàn)連接的頻譜效率、10 Mbps/m2以上且用戶體驗(yàn)速率達(dá)到100 Mbit/s的流量密度、支持500 km/h的高速移動(dòng)等優(yōu)異的性能。WiFi6新技術(shù)較上一代拓展了5.8 Ghz頻帶與信道帶寬。新型多用戶技術(shù)同時(shí)在上行鏈路與下行鏈路提供了更多可訪問(wèn)性。1024QAM調(diào)制技術(shù)大大增強(qiáng)了數(shù)據(jù)子載波調(diào)制性能，連接傳輸速率較上一代提升了1.5倍。本系統(tǒng)通過(guò)將5G、WiFi6和萬(wàn)兆寬帶接入技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)融合，結(jié)合智能感知設(shè)備，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能及現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)技術(shù)建立萬(wàn)物互聯(lián)式云智慧化校園，為智能數(shù)據(jù)采集降低成本以及提供時(shí)延和鏈接保障，為線上超清教育提供更為可靠的傳輸服務(wù)，在智能交互上提供更為貼心、更貼近真人的用戶體驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)研究新興的5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理流程、分析策略上進(jìn)行創(chuàng)新，從信息安全維護(hù)、智能物聯(lián)、數(shù)據(jù)透析、云上管理4個(gè)維度構(gòu)造新型“5G+”新型云上智慧校園系統(tǒng)架構(gòu)。目前，云上智慧校園尚處于摸索階段，但它代表未來(lái)校園的建設(shè)理念，前景廣闊。

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（編輯 王永超）

Research on the construction of intelligent campus on the cloud

Liu? Shiyun

（Department of Public Courses， Qiannan Medical College for Nationalities， Duyun 558000， China）

Abstract：? With the rapid development of the information society， cloud technology as an emerging computer technology has been widely used in various fields. Cloud intelligent campus can not only optimize the overall planning of campus education resources， the supply of talent resources， the allocation of campus industrial structure， but also help to realize Chinas second centenary goal and build a strong socialist country. By discussing the combination of new cloud computing and campus education， this paper comprehensively uses 5G+， WiFi6， big data technology， artificial intelligence and other technologies to study the construction plan of “digital smart campus based on new cloud computing-that is， cloud campus”， promotes the transformation and upgrading of campus education informatization， realizes the innovative development from deepening application to integration， and leads the modernization of campus education with the support of new campus education informatization.

Key words： smart campus; digital education; cloud campus; cloud computing; campus informatization; 5G+