基于互聯網的標準化考點信息系統建設和應用

張 琭，李 萍，金世平，靖 春

（中國電信股份有限公司江蘇分公司操作維護中心 南京210017）

1 引言

為了適應我國各類國家級和地方政府舉辦的考試，近年來各級政府和相關部門除對考卷的擬定和評判繼續嚴格管理以外，對考場設置、考試過程、考點環境和考場監控也不斷加以規范，以便提高國考的質量和可信度。其中，標準化考點信息系統建設是進一步加強國家教育考試管理，嚴密防范和嚴肅查處考場、考試舞弊行為，切實維護考試招生的公平、公正、安全和秩序的重要舉措，引起各級政府的極大關注。

標準化考點信息系統是基于互聯網的信息系統建設，包括監控技術、通信技術、音視頻技術和教育考試管理技術的一套綜合性業務應用系統。該系統構成大致包括監控資源、傳輸網絡、監控中心和用戶終端4個組成部分。其中，監控資源是系統監控信息的平臺，傳輸網絡是連接監控資源、監控中心和用戶終端的媒介，監控中心是系統的信息管理和共享核心，用戶終端是系統的信息服務對象。標準化考點信息系統的4個組成部分分別等同于傳統的區域視頻監控概念上的前端、傳輸/變換、控制/管理、處理/顯示4個部分。

標準化考場的建成使用，整合了社會資源，促進了各地教育信息化的發展，是我國教育考試技術領域的重大突破和嚴格規范，更是促進考試公平公正、維護考生利益和國家信譽的需要。基于互聯網的標準化考點信息系統在考試領域的廣泛深入使用，改變了傳統的考試管理方法、手段和理念，為我國建設教育考試強國打下了基礎。

2 相關工作

2.1 需求分析

隨著校園信息化建設的不斷發展，信息技術在招生考試管理系統上有了長足而深遠的影響。作弊也變得高科技化了，如何利用現代化技術防范考生作弊現象，讓一切招生考試公平合理化已經成為現在眾多高校研究的熱點。如趙文光探索了標準化考場條件下的考務管理系統[1]，從而加大防作弊性能，保證考試公平性；徐春生等提出了標準化校級考場巡查系統[2]，在原有考場的基礎上配備相應的網上監控系統及相應的應急防作弊系統，從而保證考試的公平、公正和安全。對于標準化考場條件下的考務管理探索已成為眾多高校關注的熱點[3～5]，并在學校里投入使用。但是這些學校自建的標準化考場及其他相關信息化系統存在著缺乏統籌考慮、各系統相對孤立、無法相互配合、設備類型各不相同、不能實現相互兼容、學校之間相互獨立、不能實現互聯互通等問題，因此學校現在投入實施的標準化考場還無法滿足全省標準化考點信息化的需求，需要進行統籌考慮、規劃、設計[6～8]。

2.2 系統設計原則

結合學校及教育部門的需求，基于互聯網的標準化考點信息系統的設計主要遵循以下原則。

（1）開放性及標準化原則

整個系統的設計、開發和建設都必須符合教育部門頒布的標準及規定的要求，符合電信部門現行網絡的技術標準。這些要求和標準包括控制協議、視頻編解碼、接口協議、視頻文件格式、傳輸協議等。這些要求和協議、標準必須是開放的（符合標準或公開的），可實現互聯互通并支持二次開發或功能調整。

（2）可擴展性原則

系統要留有充分的擴充余地，能夠方便地實現與校園監控系統聯網，有助于教育巡考系統的擴展與升級，能最大程度地保護用戶投資。

（3）可靠穩定原則

系統的可靠性是指系統抵御外界干擾的能力及受外界干擾時的恢復能力。包括教育巡考、校園監控在內的功能應該在任何情況下，都能夠保證系統完整、安全、準確地實現。

（4）兼容性原則

系統內部相互兼容，例如教育考試網上巡查系統可與錄播系統和校園監控系統做無縫連接，形成完整的校園監控視頻聯網；與各校其他系統也能夠兼容，以保證其強大的功能和靈活的應用。系統設計過程中，應該預先留下靈活的各類接口，使系統具有良好的開放性。

（5）易操作、管理、維護原則

系統頂級安排在省級教育部門和教育考試院，終端設置在各校考場的教室，使用人員往往不能固定，所以系統需要易操作、易管理、易維護。

（6）安全性原則

該系統與其他信息系統相比，隱蔽性較差，目標明顯，易受攻擊，所以安全性非常重要。

基于當前標準化考點信息系統建設的需求并結合系統設計過程中所遵循的原則，本文在標準化考場的相應模塊中，引入相關動態路由、云存儲、身份認證、音視頻流雙向解碼及相應的防作弊技術，基于互聯網技術改進標準化考場，從而保證省、市級考試指揮中心能遠程查看各學校考場實時視頻圖像及錄像，省、市、考點學校通過召開視頻會議實現對考點現場的指揮調度，考點學校只需部署防作弊系統及身份識別系統，通過考場現場杜絕作弊行為，保障考試的公平、公正、安全。

3 系統業務功能模塊

為了實現考場現場視頻監控、遠程指揮調度、作弊防控等功能，基于互聯網的標準化考點信息系統包括網上巡查模塊、視頻會議模塊、應用擴展模塊、網絡數據安全模塊和顯示模塊，如圖1所示。每一模塊中往往又包含多個子系統。

圖1 基于互聯網的標準化考點信息系統

（1）網上巡查模塊

·巡考監控子系統。考場巡考監控系統是標準化考點的核心系統，依據相關標準建設，能實現不同設備及系統的互聯、互通、互控，實現音視頻及報警信息的采集、傳輸/轉換、顯示/存儲、控制；根據要求，還需要進行身份認證和權限管理，保證信息的安全；應能與報警系統聯動，需要提供與其他業務系統的數據接口。

·巡考平臺子系統。巡考平臺是考場重要的管理系統，它能夠提供所屬各個考場的視頻監控、視頻質量診斷、地圖導航、本地存儲及斷點續傳、視頻下載及回放、錄像完整性查詢、報警聯動、資源及行政區域管理、報表統計、設備巡檢、異常自動報警、標準流檢測、應急預案等功能，滿足不同用戶在不同需求下的監控需求。

·作弊防控系統。為防止以上作弊行為，需要針對手機等通信工具的無線頻率進行屏蔽。通常需要對100～2 500 kHz頻段進行全屏蔽，采用無線信號屏蔽儀加金屬探測棒以有效地防止、阻止作弊現象的發生。

·同步計時電波鐘。在省、市、縣（區）的考試主管部門、考點、考場各配備一個電波鐘，用于統一時間及統一考試指令發布。電波鐘接收時碼信號后，自動校準成標準的北京時間（由國家授時中心發播標準時間而非中央電視臺時間），這樣可以解決傳統鐘表需人工校對時間的問題，實現全網時間同步。

（2）視頻會議模塊

本模塊是標準化考點的核心，通過將其部署在省或市的視頻會議網關和視頻指揮系統軟件中，可實現將前端所有的考場視頻直接在視頻會議的終端上顯示出來，以便在有緊急事件發生時，可以在全省/市的會議上對突發事件進行現場情況實時顯示，便于主管部門的指揮和決策。

（3）應用擴展模塊

由于在標準化考點系統建設之前，很多地方已經建設了一些視頻系統或者管理系統。但是這些系統功能不強，標準較低，難以聯網，使用不便，因此設立了應用擴展模塊。應用擴展模塊主要用于和原先視頻會議系統、巡查系統、校園監控系統的融合及錄播擴展應用的預留。

（4）網絡數據安全模塊

標準化考點系統的一個重要指標，是系統的安全和事件的追溯，為此需要對系統的數據加以特殊的處理。該模塊包括以下功能。

·網絡備份：標準化考場的幾個主要系統運行在教育科研網及各市教育城域網上，為確保教育網接入發生故障時不影響考試期間的系統功能，在省、市、縣核心設備的網絡接入方面，可通過教育網和運營商網絡雙接入的方式，確保網絡的安全備份。

·防火墻：為保證省、市指揮中心數據網絡的安全，在網絡接入端應布置相應的防火墻設備，支持入侵防御（intrusion prevention，IP）功 能、防病毒（antivirus，AV）功能、帶寬（流量）管理功能、上網行為管理功能。

（5）顯示模塊

顯示系統不僅是考點的集中檢測系統，也是人機交互的界面系統。其功能包括以下方面。

·圖像拼接。大屏拼接處理器可以驅動由多路輸入組成的一個統一的虛擬大屏幕顯示系統，用戶能夠在整個大屏幕上根據需要任意選擇和縮放窗口。

·圖像輸出顯示。多路視頻信號能夠在不占用PCI（peripheral component interconnect，外部部件互連標準）總線的情況下以全幀率、真彩色在大屏上顯示，并且視頻窗口能夠同計算機圖形和字符任意移動、縮放。

4 系統實現方案及關鍵技術

4.1 系統實現方案

本系統的設計和開發涉及多個技術領域，屬于綜合性的、以視頻信息處理和顯示為核心的基于互聯網的應用系統。

4.1.1 網上巡查系統

根據國家教育考試網上巡查系統視頻標準技術規范的要求，國家教育考試網上巡查系統包括監控技術、計算機多媒體技術、通信技術、音視頻技術和教育考試管理技術的一套綜合性業務應用系統。從系統應用構成的主體類型上可分成資源監控、傳輸網絡、中心管理和用戶終端4個組成部分。規范要求的系統架構如圖2所示。

4.1.2 視頻會議系統

原有的視頻會議系統雖然已經實現教育部和省視頻會議到市級會議終端的轉接，但只是在省部署MCU（multi control unit，多點控制單元），在省、市部署視頻會議終端，再通過省級視頻會議終端和國家教育部對接，所以只實現了教育部—江蘇省—江蘇省下轄市的視頻會議功能。而江蘇國家教育考試標準化考點規劃中對視頻會議系統的規劃是實現教育部—江蘇省、13市、84縣、512學校的視頻會議系統。因此需要在原有的視頻會議系統基礎上進行改造。

（1）對視頻會議系統進行擴充建設

·省級巡考指揮中心MCU的終端數已經不能滿足需求，需進行擴容。

·在市級巡考指揮中心新增MCU，以保證每個市級巡考指揮中心自主召開視頻會議的能力，并建設相應的擴聲系統。

·在每個縣級巡考指揮中心新增視頻會議硬件終端，以保證每個縣級巡考指揮中心加入視頻的能力，并建設相應的擴聲系統。

·在每個學校都增加視頻會議桌面終端。

（2）視頻會議與其他系統的融合擴充

視頻會議不能是一個獨立的系統，否則會失去納入巡考系統建設的意義。

·視頻會議系統與應急平臺融合：視頻會議系統需要與應急指揮系統實現集成。視頻會議系統的溝通渠道和視頻都應該是應急指揮系統的最重要組成部分。

·視頻會議系統與教育巡考系統融合：可以將教育巡考監控中的突發事件視頻或指定視頻在整個視頻會議系統中顯示出來，以實現視頻會商、應急指揮和處理功能。

改造后的視頻會議系統主要由視頻會議終端設備、MCU、錄播服務器及中央統一管理設備或服務器等組成。利用各會場的公共互聯網承載視頻業務。整個系統以省主會場為核心，分別設立相應分會場，并在MCU上預留部分今后網點擴張的處理能力。

·主會場配置視頻錄播和流媒體服務器，能實現各指定會場的自動錄像，可以從主會場視頻終端或MCU設備將視、音頻信號、數據內容錄制、存儲下來供事后檢測。

·在省級考試主管機構設置SDS桌面接入服務器，部署iViewSuite統一通信管理服務器，承擔系統管理、資源管理和性能管理的任務，執行會議的受理、記錄、預約、組會等會議資源管理，同時也對系統進行故障管理、配置管理、狀態監控、性能管理等全方位的管理。

圖2 網上巡查系統架構

·各市配置視頻會議終端一臺和雙流盒設備，用于發送/接收視音頻和數據信號。

·MCU可以提供多種會議管理方式，比如主席模式、語音激勵模式、自動輪詢等。

4.1.3 作弊防控系統

隨著高科技作弊手段的興起，無線電作弊對正常的考試秩序構成了嚴重威脅，防作弊系統也要不斷升級。作弊手段主要包括：無線攝像系統、語音通信系統以及字符通信系統等，當前的防作弊技術主要是單體的無線電屏蔽。本文在作弊防控子系統中，融入超寬帶射頻技術。

4.1.4 身份認證系統

為防止替考現象以及考生入錯考場，在考生入場前各考場對考生進行身份認證是必不可少的，也是標準化考點建設的重要組成部分。

4.2 關鍵技術

4.2.1 動態路由和SIP信令直傳技術

系統主要設備（編解碼設備）硬件支持SIP（session initiation protocol）。SIP又稱會話啟動協議，是建立于HTTP之上，基于文本、面向Internet會議和電話，可以建立、修改或者中止多媒體會話或者呼叫的協議。系統通過SIP網絡進行互聯，可直接執行相應的SIP指令，從而減輕單臺設備處理壓力，確保系統穩定、流程運行。

同時，網絡規模的指數增長使得網絡的動態特性更加突出，如拓撲結構變化的頻繁性和不可預測性以及網絡流量的隨機性和突發性。傳統的路由算法（距離向量算法和鏈路狀態算法）已經不能適應這些情況的需求。基于智能算法的動態路由算法，在解決擁塞現象和路由振蕩問題上，比傳統算法更加有效，滿足實時性應用的同時還可以保持網絡負載分布的平衡性。

系統采用基于蟻群算法的動態路由算法，利用螞蟻能夠找到蟻穴與食物源之間最短路徑的能力，進行路由選擇。網絡中每個節點的路由表用信息素表來代替。用加權圖G={V,E}表示網絡的物理拓撲，其中，V表示節點集，E表示鏈路集，不失一般性，假設在任意兩個節點之間至多存在一條鏈路。蟻群算法被用來尋找圖G中節點vs到目的節點vd的最短路徑，每條邊e(i,j)∈E都有一個信息素變量φi,j，當螞蟻訪問到該節點vj∈Ni時會修改該變量，節點vi上的螞蟻用到節點vj∈Ni上的信息素φi,j來計算vj作為下一跳的概率，Ni是節點的下一跳鄰居節點的集合。選擇概率用式（1）表示：

其中，α≥1，目的是控制螞蟻的探索行為。

節點vi的轉移概率Pi,j滿足如下限制條件：

在路由發現期間，螞蟻在經過的路徑上防止恒定數量的信息素△φi,j。當螞蟻從節點vi移動到節點vj時，根據式（3）改變邊e(vi,vj)上的信息素數量：

4.2.2 音視頻流的雙向解碼技術

作為系統的擴展，可在監控點和各監控中心之間實現音視頻實時流的雙向編解碼的功能，為圖像聲音復核和應急指揮（現場視頻會議）提供手段。

視頻壓縮編解碼標準采用MPEG-4，音頻編解碼標準采用MPEG-LayerⅡ,音視頻復合流采用Program Stream。SIP網關或SIP路由器可看作各級巡查中心的輸入、輸出接口，負責和上下級巡查中心進行SIP指令和音/視頻流的交互，巡查系統SIP注冊中心主要完成SIP注冊和SIP重定向功能，是巡查系統的核心服務，實現遠程客戶端的跨域（跨中心）視頻呼叫，實現多級巡查中心的互通，獲取全省/市/區縣考場、安保監控點信息列表，在遠程管理平臺上形成全省/市/區縣的完整樹型列表結構。

4.2.3 分布式與中心集中存儲技術

分布式存儲是通過網絡使用各個地方機器上的存儲空間，并將這些分散的存儲資源構成一個虛擬的存儲設備，將數據分散的存儲在這些設備中。中心集中存儲是建立一個龐大的數據庫，把各種信息存入其中，各種功能模塊對信息庫進行錄入、修改、查詢、刪除等操作。把本地采集的音視頻數據用集中式存儲技術進行存儲，然后再將這些已存儲好的數據放到云中心存儲以便共享。中心存儲采用RAID5，能夠使系統在硬盤損壞的情況下正常運行。

4.2.4 身份認證技術

為防止替考現象以及考生入錯考場，各考場在考生入場前對考生進行身份認證是必不可少的，也是標準化考點建設的重要組成部分。身份認證技術采用包括二代身份證識別、人臉識別、指紋識別等技術在內的新型生物識別技術，在考生入場時通過身份證識別器、高清面部識別器以及指紋識別器對考生的各項信息進行采集，并與信息庫中之前采集的信息進行對比，然后對考生身份進行識別確認，增強身份識別的安全性，如圖3所示。

圖3 身份認證過程

4.2.5 超寬帶射頻技術

超寬帶射頻技術是指允許帶寬在500 MHz以上或信號帶寬與載頻率之比大于0.2的信號進行通信。利用超寬帶技術，將通信信號頻段3.1～10.6 GHz進行分割，每個子帶528 MHz。本系統在作弊防控子系統中，融入超寬帶射頻技術。將具有識別距離遠、識別準確度高、識別速度快、抗干擾能力強等特點的超寬帶射頻技術應用于防作弊，對一定帶寬范圍內的無線電信號進行有效攔截，從而對作弊現象進行準確、有效、及時阻斷和屏蔽。

5 系統融合、拓展與驗證

本系統基于互聯網可直接接入Internet和中國教育科研網。在條件不具備的地方，還可以就近接入城域網BRAS/SR/匯聚交換機，通過MPLS VPN方式接入教育網。學校密集的地區可以考慮設置教育網接入專用交換機，直接上聯到教育網地市核心設備。系統與現有視頻會議系統和監控系統采用視頻會議網關連通。

還可以將巡考圖像任意選擇輸出到視頻會議的大屏上。特別是在發生緊急情況時，可以召開全省范圍的視頻會議，并在視頻會議或是巡考視頻實時接入，進行應急指揮，以保證原有的視頻會議和國家及省的互聯互通。這既符合國家的視頻會議規范標準，也保證了視頻會議的功能完整、技術先進和系統穩定，還能滿足國家教育考試應急指揮的業務要求。

基于互聯網的標準化考點信息建設方案的可行性通過了論證，方案的內容和設計符合國家教育部門有關標準化考場建設的規范，目前該系統已經成功運用到江蘇省標準化考點建設中，根據這一設計完成的系統在江蘇省近幾年的高考等多類考試中得到了實際使用和考驗，結果證明系統達到了設計要求。截至目前，江蘇省已完成近100個指揮中心、500多個考點學校、超過15 000個標準化考點的建設，各系統模塊運行正常，在高考、成人自考及各類專業化考試中發揮了重要作用，在確保各類考試公平、公正、正常有序地進行方面發揮了一定的作用，受到社會各界的一致好評。

現在該系統建設方案已在全國范圍內推廣，按照國家教育部要求，各省份均已開展標準化考點建設，為我國國家級考試的公平、公正進行提供了嚴格的考場環境。

6 結束語

基于互聯網的標準化考點信息系統建設，根據擬定的標準化考場基本規范和設計原則，設計了業務功能模塊和技術方案以及符合技術規范要求的系統總體架構和應用系統。本文給出了包括網上巡查系統、視頻會議系統、作弊防控系統、身份認證系統和顯示系統在內的關鍵技術實現。該系統建設很好地整合了社會資源，有利于各地區教育信息化發展，是我國教育考試技術領域的重大突破，更是促進了考試的公平、公正以及維護了考生利益和國家信譽，改變了傳統的考試管理方法、手段和理念，為我國建設教育強國打下良好基礎。

1 趙文光.探索標準化考場條件下的考務管理.前沿,2012(7):136～139 Zhao W G.Exploring the management of standardized exam conditions.Frontier,2012(7):136～139

2 徐春生,曹蘭.標準化校級考場巡查系統設計與建設.實驗技術與管理,2013(12):121～124 Xu C S,Cao L.Design and construction of standardized university-level examination system of inspection.Experimental Technology and Management,2013(12):121～124

3 陳曉霞.標準化考場條件下的考務管理探究.課程教育研究,2015(8):250 Chen X X.Examination management to explore the conditions under standardized exam.Course Education Research,2015(8):250

4 劉國棟.標準化考場作弊問題分析及對策研究（碩士學位論文）.呼和浩特：內蒙古師范大學,2014 Liu G D.Research on cheating in standardized exam analysis and strategy(master dissertation).Hohhot:Graduate School of Inner Mongolia Normal University,2014

5 陳穎婷,長檢.借用標準化考場難上加難 職業考作弊風難絕.上海法治報,2013-10-25 Chen Y T,Chang J.Use of standardized exam cheating is even more difficult occupation of wind.Shanghai Law Journal,2013-10-25

6 國家教育考試網上巡查系統視頻標準技術規范JY/T-KS-JS-2007-1.教育部考試中心,2007 National Education Examination Online Inspection System Video Standard Specifications JY/T-KS-JS-2007-1.National Education Examinations Authority,2007

7 國家教育考試網上巡查系統視頻標準技術規范（第九版）JY/T-KS-JS-2007-1.教育部考試中心,2007 National Education Examination Online Inspection System Video Standard Specifications(Ninth Edition)JY/T-KS-JS-2007-1.National Education Examinations Authority,2007

8 國家標準GB4943-2001.信息技術設備的安全,1995 National standard GB4943-2001.Safety of Information Technology Equipment,1995

9 張為舟.國家教育考試考務管理與服務平臺介紹.中國考試,2006(11):15～16 Zhang W Z.Examination management and service platform introduction of national education examination.China Examinations,2006(11):15～16