基于云計算的智慧校園探究

☆黃小卉 黃宇星

（1.福建師范大學教育學院教育技術學系，福建福州 350007；2.福建教育學院網絡教育部，福建福州 350001）

隨著教育信息化的逐步推進，信息服務在學校的教學、科研與管理中扮演著越來越重要的角色。在此背景下，2010年，浙江大學提出了建設“智慧校園”藍圖。經過近兩年的發展，智慧校園建設中存在的一些問題開始顯現，比如：網絡基礎設施的接入手段單一，安全保障體系尚不完善，特別是不同部門之間的信息共享與交流自動化程度低，缺乏統一的信息編碼標準，信息化保障機制還不夠健全等。云計算平臺以及物聯網平臺的出現很好地解決了這些問題，云計算平臺的應用給智慧校園帶來了新技術，更好地實現了信息資源的共享與互動。特別是智慧校園中各種形式的信息資源，比如：身份識別信息、刷卡消費信息、銀行結算信息、圖書館信息服務等的交流互動。

一、云計算與智慧校園概述

1.云計算的概念與特點

云計算是一種基于Web的服務，通過整合、管理、調配分布在網絡各處的計算資源，以統一的界面同時向大量用戶提供服務。它有兩個層次的含義，即云平臺和云服務。云平臺是指提供資源的網站，具有動態擴展性。云服務是指基于抽象的底層基礎設施，可以彈性擴展的服務。云計算由三個架構組成，分別是：IaaS（基礎架構即服務）、PaaS（平臺即服務）、SaaS（軟件即服務）。它的作用原理是，將計算任務分配到大量的分布式計算機上，最后將計算結果輸出到本地計算機上。這使得學校能夠輕松地獲取經過云計算平臺處理的信息資源。將資源切換到需要的應用上，根據需求訪問計算機和存儲系統。云計算的三個架構、相關廠商以及服務產品如圖1所示。

圖1 云計算三個架構模型及其應用例子

2.智慧校園概述

什么是智慧校園？智慧校園中的校園卡可應用于統一的門禁管理，掌握公用房的使用情況，并與科研團隊的績效掛鉤，提高辦學資源的利用率。應用物聯網等技術可以實現人員定位、食品溯源等新型服務。浙江大學信息中心負責人說：“未來的校園巡更將會是：應用物聯感知、無線互聯技術，安保巡更人員手持無線通訊裝置，身配攝像頭，哪里出現了異常，就可以實時捕捉哪里的‘現場’，并根據需要把它同步傳回控制室或者各級決策領導的桌面。這樣的巡更處理就變成了一種一體化、全方位的智能應對系統。”

南京郵電大學智慧校園的建設思路是以物聯網為基礎，以各種應用服務系統為載體而構建的教學、科研、管理和校園生活為一體的環境。這種環境是一種新型智慧化的環境，利用先進的信息技術手段使得人們能快速、準確地獲得校園中人、財、研、管業務過程中的信息。同時通過綜合數據分析為管理改進和業務流程再造提供數據支持，使學校教育信息化、決策科學化和管理規范化。通過云計算與物聯網技術的融和，使校園管理智慧化、信息化。通過應用服務的集成與融合來實現校園的信息獲取、信息共享和信息服務，從而推進智慧化的教學、智慧化的科研、智慧化的管理、智慧化的生活以及智慧化的服務的實現進程。

在高校智慧校園的應用中，一些大學校園、政府部門和企業進行體驗推廣手機一卡通，用來實現身份識別、刷卡消費、銀行結算、信息服務等“一卡通”應用。用手機代替學生證、就餐卡等各種證件，實現身份識別。只要手機在手，就可以實現電子錢包的功能，就可以實現刷機消費，就可以實現銀行結算還有信息服務以及校園學習空座位查詢。還可以用手機代替學生證等實現身份識別，以手機作為信息服務終端，與學校圖書館、機房、教學、科研、學籍、人事、財務等相關信息系統鏈接，通過短信、手機上網等多種形式，實現校園各類信息通知、查詢和互動，為學校師生員工的學習、工作和生活提供全方位的綜合信息服務。同時，在與互聯網相連的個人計算機上也能查詢到很多相關信息。

智慧校園有三個方面的特征：一是為智慧校園的師生提供一個全面的信息服務平臺，這種服務很個性化，是基于師生各自角色的個人化的一些定制服務；二是把這種基于云計算與物聯網的信息服務引入到各種領域與服務，實現了信息交流中的互聯、共享和協作；三是通過基于物聯網的智慧校園感知環境和綜合信息服務平臺，為學校和外部世界提供一個相互交流和感知的接口。

二、云計算與智慧校園構建

云計算在應用方面有自身的特點，給智慧校園的建設帶來便利。

1.給教育注入新血液

在智慧校園中可以利用云計算的特點，合理地利用軟、硬件資源以及各地的教育信息和教學服務。比如：在中國有很多欠發達地區，可以通過云計算網絡實現全國教育信息和資源的共享，為教育的發展提供更強大的動力。解決短期內無法解決的落后地區資源匱乏的問題。由此可見，云計算平臺也能夠更好地為智慧校園服務，給教育事業注入了新鮮血液。

2.最大幅度地減少資源重復建設

傳統的遠程教育系統由于各自屬于不同的單位，所以，在很大程度上資源只能各自建設，很少能做到資源共享，由此造成大量資源重復建設。基于云計算的遠程教育系統可建立全國統一的系統，各地的遠程教育中心進行統一部署建設資源，有效地避免了資源重復建設。智慧校園的各種信息都可以很便捷地在云計算平臺中得到存儲。

3.資源共享和就近訪問原則

智慧校園可以通過云計算平臺實現高效的資源共享。資源共享使智慧校園的搭建更加流暢化。智慧校園的使用者無需知道資源在哪里，云計算平臺的服務器能夠統籌管理全部的資源，通過資源列表就可以提供最合理的服務。使用起來不再受地域、時間的限制。對于智慧校園平臺的資源訪問者，系統可以自動分析IP、確定路由，尋找離他最近的資源并建立好連接，提供最快最好的訪問。云計算平臺的服務器因此能夠減少更多的時間和空間更加靈活地工作。

4.結構靈活性

不同用戶用不同的基于云計算平臺的智慧校園都無需做功能上的定制，不用再獨立部署就可以提供靈活的自定義功能，組織機構、工作流程、文件管理體系和訪問權限等均可由用戶自定義，這樣就可以使基于云計算的智慧校園系統滿足不同學校的教學需求。系統還可方便地進行調整，以支持單位的變化與發展，達到按需使用和隨處可用；如果用戶數大量增加了，僅需增加硬件設備的數量，就可以支撐應用規模的增長。

5.成本低廉

基于云計算的智慧校園系統不再要求高性能的服務器，這朵“云”由各地普通的服務器組成來提供高性能的服務，節約了大量的硬件投資。云的出現使智慧校園的建設不再負擔高昂的數據中心管理成本。云系統中資源的利用率也比傳統的系統大幅提高。云計算平臺給智慧校園系統的建設帶來便利。

三、基于云計算的智慧校園信息資源管理策略

基于云計算的智慧校園信息資源經由云計算平臺進入用戶的電子終端設備中，使用戶能夠將更多的精力和開銷投入到一些邏輯類的事物上。而這些運用數據庫、程序編輯而成的信息資源，就是我們常說的虛擬資源，比如：網上圖書館、網上商城等。云計算平臺所能提供的服務質量就取決于對虛擬資源的管理。因此，基于云計算的智慧校園的信息資源管理策略具有很強的虛擬化。首先，要收集虛擬資源，然后對虛擬資源進行劃分，以后再對虛擬資源進行預留以及調度（借入/借出調度），來實現對虛擬資源的分配，確保用戶對虛擬資源使用的有效性，從而實現資源的最大優化。

虛擬資源劃分策略，是將基于云計算技術平臺的具有相同特性的信息資源分組，用一個四元組G（Gname，Glist，Gunit，Gdoes） 來描述，其中 Gname為分組名字，Glist為分組中的一組數組主機，Gunit為可調度單元（Slot）U，Gdoes為分組描述，通過分組G可以知道一個分組提供哪些特性及有多少可用虛擬資源。

虛擬資源預留及調度策略是為了能夠為用戶的復雜應用需求在特定的時間內提供所需的資源。資源預留的最基本的操作是，給特定的用戶在指定時間內預留單位個指定的資源。但這樣的后果是降低了資源的利用率，用戶預留請求拒絕數也不斷增多。為了預防這種現象可運用對消費實體的借入/借出調度，解決預留資源利用率降低和預留資源負載的問題。

借入/借出調度策略就是根據租借機制實現應用程序對私有的可調度單元（Slot）進行租借。權衡受益和資源利用，以及考慮運行階段應用程序私有的可調度單元（Slot）有可能空閑，因此，可以利用空閑的可調度單元（Slot）去協助完成其他的任務。

四、基于云計算的智慧校園信息資源共享

1.信息資源處理模型

為了使用戶輕松地享受云計算帶來的信息資源共享服務，可以利用MapReduce分布式調度模型來實現。如圖2所示，MapReduce分布式調度模型把要解決的問題分解成Map（映射）和Reduce（化簡）的方式。各種基于物聯網的信息經過數字化轉變后先通過Map將數據切割成不相關的區塊，分配（調度）給大量計算機處理達到分布式運算的效果，再通過Reduce程序將所有的結果整合，最后輸出需要的結果。

MapReduce的具體實現是指定一個Map（映射）函數，把鍵值對（Key/value）映射成新的鍵值對（key/reduce），形成一系列中間形式的key/value對，然后把它們傳給Reduce（化簡）函數，把具有相同中間形式key的value合并在一起。用Map過程把數據用映射函數規則分開，而Reduce則把分開的數據用化簡函數規則合在一起。Map是個分的過程，而Reduce是個合的過程。這樣各種類型的消息在云計算平臺被分解傳送，最后被傳送到用戶那里。云計算與傳統的應用模式相比，具有高性價比、超強的計算和存儲能力、虛擬化管理等優點，因此，有理由相信將云計算應用于智慧校園的建設是可行的。各種信息資源之間的共享與信息交流需要通過云計算技術來權衡。

圖2 MapReduce分布式調度模型的基本框架

2.智慧校園信息共享云服務模式

圖3 高校資源共享云服務結構

智慧校園的信息服務具有很好的效益，但是不足的是沒有好的數字資源公共平臺，各種類型數據庫資源之間共享能力較低。有些資源就無法最優化利用。高校資源共享云服務結構模型為此類問題的解決提供了參考方法，如圖3所示，云計算可以為智慧校園建設提供一個服務方案，銀行、城市、圖書館、學校等可以通過云計算網絡建立一個統一的接口，這些用戶可以通過這樣的統一接口進入數據庫資源，獲取所需的信息。而學校的圖書館可以將各種各樣的資源上傳到“云”中，讓不同的用戶分享。高校代表、數據庫服務商、政府部門代表組成一個云委員會掌握著云計算網絡，它的職責是負責制定服務協議、管理日常運營、推廣服務市場。因此，智慧校園利用類似高校資源共享云服務結構進行信息資源的共享具有可行性。

五、結束語

云計算是當前一個熱門的研究領域，基于云計算的智慧校園構建也受到了越來越多研究者的關注。同時云計算技術的發展必將為智慧校園的建設與完善提供更多的技術支持，例如：給智慧校園中的形式多樣的信息資源互動提供了生機，在理論上實現了用云計算技術在PaaS,SaaS,和IaaS服務層次上對各種信息系統進行資源共享以及互動等。

[1]曹彩鳳.淺談計算機網絡云計算技術[J].甘肅廣播電視大學學報,2010,20(3):63－65.

[2]劉曉剛,徐紅麗.云計算在遠程教育系統中的應用探索[J].現代遠距離教育,2010,(5):131.

[3]宗平,朱洪波,黃剛,許建真.智慧校園設計方法的研究[J].南京郵電大學學報,2010,30(4):15－19.

[4]http://baike.baidu.com/view/2417108.htm.2011.09.02.14:20.

[5]俞華鋒.基于云計算的三維虛擬學習環境的設計與應用[J].南京郵電大學學報(自然科學版）,2010,30(4):15.

[6]袁文成,朱安,陸偉.面向虛擬資源的云計算資源管理機制[J].西北工業大學學報,2010,28(5).