大學云架構與大數據處理建模研究*

楊 威，楊陟卓

（1.山西師范大學網絡信息中心，山西 臨汾041004；2.山西大學計算機與信息技術學院，山西太原030006）

大學云架構與大數據處理建模研究*

楊 威1，楊陟卓2

（1.山西師范大學網絡信息中心，山西 臨汾041004；2.山西大學計算機與信息技術學院，山西太原030006）

本文簡要介紹了大學云架構與大數據處理的目的與意義。以山西師大園區云為例，概要介紹了大學云架構的方法，提出了一種支持大數據處理的校園云模型。重點討論校園大數據處理建模，大數據分析在學生成長、教師發展，以及提升學校服務能力等方面的作用。

云計算；大數據；學生成長；教師發展；智慧校園

一、引言

大學云（Universities Cloud）是一種采用云計算技術，對教學、科研、行政、后勤等各種業務流程辦理和職能服務的園區云，也是學校各級部門可靠的基礎信息化服務平臺。大學云服務將產生大量的各種數據，云計算目前是大數據處理的基礎技術[1]，采用云計算處理海量數據，提高管理與決策水平，是大學云架構的重點工作。

顯然，云計算、大數據等技術已成為高校生存與發展的基礎。大學云架構采用統一標準[2]，不僅利于各種業務網絡與應用系統互連互通，避免產生“信息孤島”，也利于避免計算、存儲及網絡資源重復建設[3]，節約資金及提高收益，還利于大數據處理，改善辦學績效及增強高校創新能力。

因此，大學云架構的關鍵問題是全面整合資源，優化云計算模型。也就是構建一種支持資源集約、信息共享、應用協同，以及大數據存儲管理及檢索使用的大學云。最優架構的大學云，是云計算、大數據與教育信息化的融合。這種融合，一方面規定了智慧校園高層劃分及各部分間的交互[4]，另一方面決定了智慧校園應用系統的實施能力和發展空間。本文以山西師大園區云建設為背景，重點討論大學云架構與大數據處理建模等問題的解決方法。

二、大學云計算體系結構與功能

大學云是智慧校園建設的核心部分，是一個復雜的系統工程。該工程側重六個方面：第一，優化整合學校各種管理信息系統和協同辦公系統，建立統一基礎數據庫、數據交換系統、統一信息門戶及統一身份認證等[5]，消除信息孤島。第二，完善高校決策支持系統的模型庫、數據庫和知識庫建設，通過大數據分析，實現學校發展的智能決策。第三，優化整合網絡課程、精品資源共享課和視頻公開課及微課等資源，構建網上網下有機協同的智慧學習環境。第四，優化整合飯卡、洗浴卡、水卡、門禁卡、借閱證、上機卡等校園各類卡片，實現校園一卡通。第五，完善圖書館資源數字化管理，支持師生泛在數字化閱讀與在線討論。第六，優化整合多媒體視聽教學與微格教學設施，支持MOOC的開發與應用。按照以上要求，大學云計算體系結構與功能，如圖1所示。

圖1 大學云計算體系結構與功能

從圖1可以看出，大學云主要由基礎設施、資源平臺、應用平臺和服務門戶構成。基礎設施包括了各種服務器、存儲器、網絡設備（交換、路由、安全等）和操作系統及工具軟件等設施。采用虛擬化軟件 （如VMware vSphere 5.5），對云基礎設施進行集群架構與管理[6]；按照業務所需資源量，將虛擬服務器與虛擬存儲器彈性適配與調度[7]，由此形成大學云資源平臺。在資源平臺部署校園應用軟件，包括教務管理系統、學生管理系統、科研管理系統、教工管理系統、資產設備管理系統、財務管理系統、后勤服務管理系統、圖書文獻管理系統、教學信息化與網絡學習系統、協同辦公系統、平安校園監管系統、校園一卡通系統、統一身份認證系統、上網行為管理系統、網絡運維支持系統等。這些校園應用系統，構成了大學云應用平臺。

大學云應用平臺，通過數據交換系統（多個虛擬主機）接口，將各種數據庫與各種應用系統適配連接，實現了資源集約、信息共享及應用協同。云應用，一方面通過面向師生信息服務接口，建立了一站式校園信息服務門戶。師生可通過該門戶，依據本人權限進行各種功能操作。另一方面，通過面向大數據分析與智能決策服務接口，建立了一站式校園決策支持門戶。學校各級領導（或相關責任人），依據本人權限進行各種大數據分析操作。通過大數據分析，實施教學、科研與后勤服務等事務處理的決策支持。

三、校園大數據特征與處理方法

隨著大學云建設與應用，大量數據來源于管理信息系統數據庫與日志庫、圖書文獻庫與日志庫、校園一卡通數據庫與日志庫、網絡行為與管理日志庫、平安校園視頻庫與日志庫、多媒體及微格教學視頻庫與日志庫、網絡學習資源庫與日志庫、辦學決策知識庫和模型庫及決策支持日志庫等。數據類型繁多，主要有文本、數值、圖形、圖像、標簽等。數據處理速度快，如管理信息系統數據庫、一卡通數據庫等，數據處理均有較高時效性。很多數據表現出低價值密度，如各種視頻庫、日志庫等。這些數據完全符合大數據的4V（Volume,Variety,Velocity 和Value）特征[8]。

校園大數據可分為結構化數據與非結構化數據兩類。結構化數據主要包括各種管理信息系統數據庫（關系數據模型）、能夠變換為關系數據表單的各種日志庫。非結構化數據主要包括圖形圖像、音視頻（微格教學視頻、精品資源共享視頻課、微課程視頻、校園監控視頻等）、Web文檔（HTML與XML網頁）、課件文檔（瀏覽器可打開的Word、PPT、PDF等）、工作文檔（如年度計劃、工作總結、項目研究、成果報告等電子文檔）。結構化數據處理，常用數理統計模型與算法 （如回歸分析，最小顯著差數法、最小顯著極差法等）。非結構數據處理，常用文檔語義表示與索引、文本處理與分析[9]、內容摘要等工具。校園大數據處理建模，直接影響著學校發展決策的水平。

四、支持學生成長的大數據分析

在校園云的環境中，如數字化迎新、數字化學習（網上選課、學籍管理、網絡學習、在線討論等）、數字化生活（校園刷卡吃飯、洗浴、用水、進門、借書、上機、體育運動，以及社團與學術活動等）的每一個過程中，均有大量的數據記錄了學生成長。如圖2所示。對這些數據進行深入分析，對學生成長及改善學校決策績效[10]，具有以下作用。

（1）學生入學與學習數據分析。整合學生入學情況和在校學習情況等數據，深入分析與了解不同生源地、不同單科成績、不同專業、不同個性特征的學生在校期間學習表現，為招生部門優化招生措施提供決策支持。

（2）學生專業學習數據分析。整合能夠反映學生在校的學習、研究和參加活動（如課程學習、校園學術活動等）等多種數據，持續、系統地分析每個學生的專業學習行為、課程測驗與作業完成、課程考試成績、項目申請與結題、學習興趣與意見等數據，深入了解學生專業學習中的問題，為學習績效改善提供個性化服務，為優化人才培養方案提供決策支持。

圖2 支持學生成長的大數據處理模型

（3）學生在線學習與圖書借閱數據分析。完善“在線學習管理系統”的學習軌跡記憶功能，能夠跟蹤學生的學習軌跡。深入分析學生在觀看課程視頻、網絡課程學習、網絡資源瀏覽、在線討論發言、完成電子作業等項目上花費的時間差異。為優化網絡學習資源開發與購置提供決策依據。統計學生訪問圖書館、借閱圖書與文獻等數據，分析學生網上、網下學習時間分配情況，分析網絡學習資源與館藏圖書文獻資源配置情況，為優化電子與紙質資源最佳互補提供決策依據。

（4）學生就業與深造數據分析。整合專業教育、教育實習、校園招聘、社會招考、考取研究生、用人單位反饋意見等各類數據，深入剖析專業人才培養方案、學生就業或考研意圖及市場對人才需求等數據，優化人才與市場對接機制、完善專業課程學習與考研對接機制，與為學生考研提供個性化指導服務，為畢業生提供個性化就業指導服務。

五、支持教師發展的大數據分析

教師是學校發展的中堅力量，教師的教學、科研能力高低，直接關系到專業人才培養質量與水平。在校園云的環境中，教師的教學、科研活動密切與數字化關聯，如人事檔案管理、綜合教務管理、科研管理等系統，這些系統均記錄了教師發展的大量數據。建立支持教師發展的大數據處理模型，是提升教師能力、促進教師發展的有效途徑。如圖3所示。

圖3 支持教師發展與提升學校服務能力的大數據處理模型

（1）教師基本數據分析。建立健全教師入職與從業檔案數據庫。深入分析教師的學歷教育背景、學習專業與學緣狀況（學士、碩士、博士的畢業院校，以及專業銜接與研究方向等），教師從事專業與學習專業的關系（一致、相近、跨專業等），以及教師專業職稱與學習專業、從事專業及興趣愛好之間的相關性等，優化教師招聘策略與措施，為學校人力資源部門招聘教師提供決策支持。

（2）教學信息化數據分析。按照教師信息化教學情況，整合綜合教務管理系統、課堂教學日志（學生填寫）、聽課日志（領導和專家填寫）等相關數據。深入分析教師制定課程教學計劃、編寫教案、課堂教學、實驗教學、編寫教材、制作課程資源、承擔校本研究課題、獲得教學成果與獎勵等數據，了解教師教學能力發展中的優勢與不足，為提升教師教學能力提供個性化服務。優化教師教學考核機制，為學校修訂教師及課程組教學能力提升措施提供決策支持。

（3）科研與服務社會數據分析。深入分析教師承擔科研項目（題目，級別、主要研究問題、方法措施，結題、結論等）、發表論文（題目、刊物級別、檢索、社會反響等）、出版著作（名稱、出版級別、發行量、社會反響等）、獲得科技成果獎勵、學術榮譽，以及進行的學術報告和外出學術會議等數據。深入分析教師科研能力、技術專長與社會兼職、承擔橫向課題、服務領域及業績等之間的相關性，了解教師科研與社會接軌，促進生產力發展的情況。優化教師科研考核機制，為提升教師科研能力提供個性化服務，為學校修訂教師及團隊科研能力提升措施提供決策支持。

通過以上三方面數據分析，優化高校個人與團體的教學、科研績效考評機制。為教師職稱評聘提供考評依據，為學校修訂師資隊伍建設的政策與措施提供決策支持。

六、支持提升服務能力的大數據分析

校園后勤服務、資產設備使用，圖書文獻使用，以及網絡使用等領域，均與學校服務師生的能力密切相關。而服務能力提升直接與領導干部執行力相關。如圖3所示。因此，在這些領域開展大數據的分析，可助推學校服務能力提升。

（1）領導干部管理數據分析。完善黨政干部管理系統功能，深入分析干部任職時間、職務變動、年度計劃、工作總結、工作業績、取得成果與獎勵等數據。優化干部考核機制，為學校選拔、培養青年干部提供決策支持。

（2）校園后勤服務數據分析。后勤服務是智慧校園的重要組成部分，動態采集校園生活、安防、環保、資源與能耗等各個方面的數據，建立后勤服務保障系統。通過該系統，深入分析校園日常水電計量數據與水電節約數據，挖掘節能空間，完善節能管理措施。深入分析樓宇、房屋、設備、道路等日常修繕維護資源消耗與費用開支等數據，參考經驗，完善修繕管理措施。深入分析學生刷卡吃飯與餐飲管理數據，普查學生餐飲問題，如飯量持續減少是否身體不適、每日三餐與每周營養搭配是否符合科學飲食，飯菜價格波動是否合理等問題，及時優化健康餐飲管理措施。深入分析師生在校體檢與醫療數據，普查師生身體不適，及時提供進一步醫療建議。深入分析平安校園（所有樓宇內外、公共場所、道路、校園進出通道等）視頻數據與操作日志數據，依據事件發生，普查電子眼密度與位置是否符合平安校園的需求，及時提供電子眼維護與增補建議。

（3）資產設備使用數據分析。建構資產設備管理系統，完善儀器設備臺帳與使用日志管理，深入分析教學、科研儀器設備（含材料）用于學生實驗、師生科研和協同創新攻關實驗中，儀器設備使用完好與損害數據、夠用與缺少數據。深入分析專業課驗證、設計和綜合實驗項目實施與儀器設備使用率數據。深入分析實驗室占地面積與配套設施使用率數據。綜合以上三類數據分析結果，優化實驗室建設、儀器設備維修與更新管理機制，為資產與設備科學、合理使用提供決策依據。

（4）圖書文獻使用數據分析。整合校圖書館和學院、所資料室的圖書文獻資源，構建圖書文獻閱讀管理系統。通過學科資源服務系統，聚合與分享海量學科信息資源，精細化篩選適合讀者需要的資源。采用RFID裝置、紅外感應器和激光掃描器等技術構建智能書架與書桌，智能抓取數據，進行讀者行為學分析，獲取其閱讀喜好，為讀者推薦感興趣的資源。綜合以上兩類數據分析結果，優化圖書文獻流通管理機制，提高圖書文獻有效使用率，為滿足讀者需求購置圖書、期刊等資源提供決策依據。

（5）網絡行為數據分析。整合校園網流量控制、網絡管理、安全管理、用戶管理、上網行為管理及Web服務器等日志數據，建立網絡綜合日志管理系統。深入分析各類行為數據，包括用戶訪問外網的各種協議占用帶寬、持續時長數據，用戶連接與斷開網絡數據，用戶訪問網址、內容與持續時間數據，網絡交換、路由設備工作正常、故障及恢復時間數據，網絡交換與路由設備、服務器與主機系統等安全服務、遭受攻擊及修復時間數據，以及服務器運行的行為數據。綜合以上多種數據分析結果，優化網絡運維管理機制，優化網絡協議帶寬分配策略，優化網絡安全管控措施，優化節能管理措施，為校園網技術升級、增強網絡可用性提供決策依據。

七、結束語

我們在大學云架構與大數據處理方面進行了有益的初步嘗試。但仍有很多問題需要研究，如數據安全保護、個人隱私保護，挖掘關聯規則[11]、構建預測模型等，我們要從深層次推進智慧校園可持續發展，使師生能夠如影隨形地感知與體驗教育信息化的魅力。

[1][8]竇萬春,江澄.大數據應用的技術體系及潛在問題[EB/OL].http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1228.TN. 20130627.1215.002.htm l.2013.06.

[2]何京翔.為云計算和大數據重塑數據中心[EB/OL]. http://www.chinacloud.cn/upload/2014-06/14060211 339145.pdf.2014.06.

[3][4]楊威,劉彥宏.高校智慧校園建設中的關鍵問題與對策[J].中國教育信息化,2013(23).

[5]湖南青果軟件有限公司.山西師大數字校園建設方案[D].2011.11.

[6][7]楊陟卓,楊威,王賽.網絡工程設計與系統集成(第3版)[M].北京:人民郵電出版社,2014.9.

[9]Zhizhuo Yang,Heyan Huang.Chinese W ord Sense Disambiguation based on Context Expansion[C]. Proceedingsof COLING-2012.

[10]沈富可.高校智慧校園的核心價值探索[EB/OL]. http://free.eol.cn/edu_net/edudown/eduedu/shenfuke.pdf. 2014.6.

[11]楊陟卓,黃河燕.基于異構關系網絡圖的詞義消歧研究[J].計算機研究與發展,2013(2).

（編輯：王曉明）

TP393

A

1673-8454（2015）01-0016-04

山西省高等學校科技項目（20110015）資助。