高校智慧校園建設支撐技術及目標研究

劉勇 劉夢蓮

摘 要 論述高校智慧校園建設的支撐技術和建設目標。智能物聯網、高速互聯網、高速無線網、虛擬化技術、云計算、統一存儲和分布式存儲、大數據平臺等技術為高校智慧校園建設提供了強大的技術支撐，而創造智慧型學習環境，實現綠色校園、平安校園和科學校園，是高校智慧校園建設的目標。

關鍵詞 智慧校園；智能物聯網；虛擬化技術；綠色校園

中圖分類號：G717 文獻標識碼：A

文章編號：1671-489X（2018）16-0005-04

1 前言

IBM于2008年首次提出智慧地球的概念，2013年，我國首批智慧城市試點啟動。浙江大學在信息化“十二五”規劃中提出建設智慧校園的藍圖，南京郵電大學于2011年提出一個較為完整的智慧校園規劃，當前國內眾多高校正在開展智慧校園建設。

2 智慧校園概念解讀與架構

對智慧校園，國內學者有多種不同的理解。有人認為是以物聯網為基礎的校園應用[1]，是一種智慧的學習環境[2]，

是對數字化校園的進一步擴展與提升[3]。

有學者指出智慧校園具有三大核心特征[4]：

1）能為師生提供一個全面的智能感知環境和綜合信息服務平臺，提供基于角色的個性化定制服務；

2）能將基于計算機網絡的信息服務融入學校的各個應用領域，實現互聯和協作；

3）能為學校與外部世界提供一個相互交流和相互感知的接口。

國外學者認為，智慧校園利用信息技術來改變學生的學習和教師的工作，“為人們創造服務”[5]。總之，智慧校園綜合運用智能物聯網、高速互聯網、高速無線網、虛擬化技術、云計算、統一存儲和分布式存儲以及大數據平臺等信息技術，全方位感知校園物理環境，智能識別師生個體，實現以人為本的個性化服務。

智慧校園的本質因人而建，服務于人，通過智能互聯網和商業數據挖掘等技術，智能地提供一些預定的場景，為師生提供個性化的服務。圖1顯示了智慧校園的平臺架構，其中后端是多種技術和多種系統的IT基礎架構做支撐，在實時環境中，通過智能物聯網和數據挖掘等技術為師生提供豐富多彩的應用和服務。

智慧校園的規劃各有差異。每個高校可以根據自身的特點，綜合考慮人才培養理念、辦學特色和校園文化等特征，設計自己的業務架構、應用架構、資源架構和數據架構，設計出學校未來數年內操作性較強的智慧校園。以物聯網、云計算、大數據技術為支撐，智慧校園應用軟件架構如圖2所示。

3 智慧校園的支撐技術探析

智能物聯網是智慧校園的“慧眼” 物聯網是通過傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡，是智慧校園的重要感知部分。其核心層基于TCP/IP，但接入層協議繁多，傳輸通道可使用RFID、ZigBee、藍牙、GPRS、3G、4G、Wi-Fi和有線網等；通過RFID、紅外、IP Camera、門禁、光柵、光敏傳感器、煙霧感應器和溫度濕度傳感器等智能感應器，實現物體與人、物體與物體、系統與系統之間實時的感知，并將感知的信息報告給智慧校園管理中心；管理中心通過下發指令去控制相應的設備，從而使物體和系統具有一定的智能性，實現智能控制。智能物聯網是智慧校園“慧眼”，能準確地感知變化和反饋信息，是智慧校園的重要組成部分。

高速互聯網和高速無線網是智慧校園的基礎設施 校園光纖網絡、高速無線局域網和移動4G網絡等組成一個立體交織的、高可用的、無處不在的高速網絡，為智慧校園的互聯互通提供基本保障。2011年，我國正式啟動“寬帶中國·光網城市”工程，ChinaNet骨干互聯網總帶寬達到20 Tbit/s，國際出口總帶寬達到440 Gbit/s，為用戶打造了一個無處不在的高速網絡。光纖網絡已經進入校園，局域網交換機從千兆升級到萬兆，桌面接入進入千兆時代。移動4G網絡在城市已經覆蓋完善，4G用戶數已經超過九億，資費日趨低廉，為智慧校園的廣域網移動接入提供了基礎條件。

城市Wi-Fi熱點和校園網Wi-Fi熱點已經普及，方便師生高速接入智慧校園平臺。由于六類線受到傳輸距離的限制，再加上光纖價格低于六類線的價格，網線將被光纖取代，光纖進宿舍是大勢所趨，光網校園為期不遠。我國經過這幾年的高速網絡基礎設施建設，帶寬不再是信息高速公路的瓶頸。依托高速網絡的各種應用如雨后春筍般的涌現。智慧校園依托立體交織的、高速的泛在網絡，為全校師生和社會提供各種各樣的應用服務。

虛擬化技術讓智慧校園按需分配 很多高校的信息系統應急而建，一個應用運行在單臺物理服務器上，服務器數量繁多。部分服務器資源空閑，部分服務器負載過重，且絕大部分服務器采用單機運行的模式，系統的高可用性得不到保障。數據大多數存放在服務器本地硬盤，安全性得不到保障。單機運行容易出現故障，雖然部分重要應用采用雙機模式，但一般都采用冷備模式，造成服務器的巨大浪費。

智慧校園擬采用服務器虛擬化和桌面虛擬化技術。服務器虛擬化是把服務器物理資源（如CPU、內存、磁盤、I/O等）抽象成一個可以動態管理的邏輯資源池，把單臺物理服務器變成多臺邏輯上相互隔離的虛擬服務器，實現資源按需分配，提高服務器資源的利用率，簡化服務器的管理，實現服務器整合。不僅能降低電力和冷卻能耗，節省物理空間和成本，而且能提高基礎架構的利用率，提高系統穩定性，減少宕機事件的發生。高校計算機機房使用的微機，報廢周期一般是5～8年。有些微機并沒有物理上的損壞，只是運行速度變慢，CPU和內存不能滿足現行軟件的運行而被淘汰，導致計算能力的巨大浪費。

采用云桌面虛擬化技術，單臺終端計算機的計算能力都在虛擬化的服務器上，CPU和內存可以動態調整，按需分配。除非承載計算能力的服務器物理損壞，否則計算能力一直可用。如原本承載50個云桌面的計算機機房，由于操作系統或軟件升級等原因，承載云桌面數量上有所減少，但能獲得與之前一樣的使用體驗，從而減少IT設備的浪費。通過一臺服務器，可以實現對成百上千臺計算機終端進行集中化管理、智能化部署系統和自動化更新維護，從而構建一個高效、安全和統一的計算機教學實訓平臺。智慧校園的普通計算機實訓機房，擬采用云桌面虛擬化技術，不僅方便多終端桌面集中控管，最大限度地利用計算機資源，減少投資成本，而且能提高數據的安全性，實現綠色環保。

云計算是智慧校園的發展趨勢 云計算是一種按使用量付費的模式。這種模式提供可用的、便捷的、按需的網絡訪問，進入可配置的計算資源共享池（資源包括網絡、服務器、存儲、應用軟件和服務），使資源能夠被快速提供。云計算把計算當作公用資源，是現有技術和模式的演進和采用，而不是一個具體的產品或者技術。云計算是基于互聯網的計算方式，將各種IT資源以服務的方式通過互聯網交付給用戶。常見的云服務有著公共云與私有云兩種。公有云有著SaaS（軟件即服務）、PaaS（平臺即服務）及IaaS（基礎設施即服務）三個層次服務。早期的智慧校園IT建設一般都選用虛擬化技術架構，未來逐步遷移到私有云、混合云，最終遷移到公有云。

統一存儲和分布式存儲是實現大數據平臺的基礎 把先前分散存放在各個服務器上的數據統一存放在磁盤陣列上，實現統一存儲。磁盤陣列通過器件冗余、RAID重構、硬盤壞道檢測修復和快照等技術，保障數據的安全。同時，統一存儲也可以配置備份存儲，對數據進行定期增量備份或者異地災備。由于實施了統一存儲，各個應用所需要的磁盤空間可以“統籌規劃，按需分配”，徹底解決單臺服務器磁盤空間不足或者過剩的問題。智慧校園將使用統一存儲，為SAN、NAS和iSCSI提供多層存儲。統一存儲支持基于塊訪問協議（如FCP和iSCSI）和基于文件訪問協議（如CIFS和NFS），并使用相同的管理工具和管理界面。

實現數據統一存儲，使智慧校園的存儲架構化繁為簡，存儲資源更具靈活性，為實現大數據平臺提供條件。分布式存儲通過分布式技術和高速網絡，把物理上分散的多臺X86服務器本地磁盤介質組成一個大規模存儲資源池，對虛擬機和上層的應用提供標準的SCSI和iSCSI接口。數據存儲時被分片打散到多個節點上，分片數據支持分布在不同的存儲節點、不同的機柜之間。同時，數據存儲時采用多副本技術，每一個分片的不同副本也被分散保存到不同的存儲節點上，從而保障數據安全。

大數據平臺是實施智慧校園的基礎 大數據是新一代自然資源，對校園網中的各種動態數據、靜態數據和各種形態的數據進行實時分析、數據集成和數據挖掘。大數據技術從各種各樣類型的數據海洋中快速獲得有價值的信息。大數據關系到學校組織與管理，對大數據的合理解析，可以幫助學校調整專業方向，增強服務能力，提供更好的教學環境。收集并管理來自校園的正確數據，包括結構化和非結構化的數據，以便進行感知、學習和調整，通過分析，獲得新洞察，發掘商機，從而打造競爭優勢。大數據平臺是實施智慧校園的基礎，通過建設大數據平臺，把之前分散的系統進行整合，打通信息孤島，實現單點登錄和統一門戶等。

商業智能為智慧校園決策提供支持 通過大數據平臺，對校園里的數據經過抽取、轉換和裝載，得到學校的一個全局視圖，然后在此基礎上進行查詢和分析、數據挖掘，最后將得到的結果呈現給學校管理者，為管理者的招生計劃、財務決策、學科建設等決策提供支持，對學風、項目經費和就業狀況等實現智能預警，優化資源利用，實現量化評估，提供專家系統。

4 智慧校園建設目標解析

創造智慧學習環境，實現智慧學習 有學者稱智慧學習為情境感知無處不在的泛在學習；有學者認為它是建立在先進信息技術架構之上，有效的、智能的、量身定制的學習；還有學者認為智慧學習結合了社會學習的優勢和無處不在的泛在學習，是以學習為中心和面向服務的教育模式，而不是只專注于利用設備[6]。智慧學習是以學習者為中心的智能學習，把MOOCs、多種形式的在線開放課程和大學學習相結合，這種新的學習模式能在任何地方、任何時間進行，不局限于時間和空間，通過運用信息技術縮短面授時間。信息技術對學習產生實質性的影響，通過群組進行討論，確保信息快速交互，進行智慧共享。智慧校園要加強智能物聯網、高速網絡、集中存儲或分布式存儲、虛擬化技術、云計算等信息技術基礎設施建設，同時提供優質的平臺和豐富的資源，為學生提供智慧學習的環境。

創建智慧教室，打造開放學習空間 智慧教室集成了觸控大屏、功放音響、分布式錄播系統、電子書包、網絡控制等硬件設施，和基于物聯網與大數據的集控軟件，是通過立體交織的高速有線和無線網絡連接起來的智能化的教學平臺，實現對傳統教學模式的根本性變革。智慧教室為智慧校園提供優質的信息化的教學環境，其核心理念是按照學生的學習進度推進教學，引入物聯網和大數據的云平臺，為這一理念提供了切實的保障。其對教室中的人與設備均引入“身份”的概念，通過物聯網，可以即時地獲取、分析師生的教與學需求信息[7]。

智慧教室以學習者為中心，打破物理空間的束縛，為學習者打造一個開放的學習空間。其不再是一間封閉的教室。網絡互聯擴延了傳統教室的空間，基于網絡的互動教學突破了空間局限，調動了生生之間、師生之間、班級之間的互動積極性，讓區域間的班級互動成為可能，學習也由個體的機械記憶轉變為集體的、互動的過程。

修建智慧樓宇，實現綠色校園 在很多高校，智慧樓宇可將建筑物的電力、照明、空調、排水、消防、弱電和安保等自動化地進行集中監視、控制和管理，為用戶提供安全舒適、便捷高效的工作與生活環境，改變以往的教學樓使用效率不高，有時擁擠、有時閑置，中央空調、照明、電器等能源沒有得到及時合理控制，造成很大浪費的情況。通過建設智能教學樓，使整個系統和各種設備處在最佳的工作狀態，并保證系統運行的經濟性，以及管理的現代化、信息化和智能化，實現能耗的有效控制，減少能源浪費，實現綠色校園，提升和改善師生的校園生活品質。

建設智慧交通，方便師生生活 隨著中國家庭汽車擁有量的持續增長，學生擁有車輛為期不遠，停車難已經是一個極為普遍的問題。很多高校的校園面積有限，沒有足夠的停車位，合理地利用有限的停車位顯得尤為重要。通過智能IC卡技術，實現車輛圖像、車牌號碼的比對，識別校內、校外車輛。通過RFID技術結合電磁感應的無線車輛檢測器，有效地檢測出空閑車位，并報告給適當位置的接收器，傳遞給校園交通控制中心，實時統計和公布空閑車位數量和位置，采用電子顯示屏進行停車位指引，引導校內車輛泊位停車。

裝備智慧安防，實現平安校園 目前，很多高校搬離繁華的市區，在郊區建設新校區，周邊的治安環境不容樂觀。因此，智慧校園加強智慧安防建設，是建設平安校園的有力保障。當前大多數學校的安防系統的主要功能是視頻錄像，出現事件之后，通過調查視頻進行事后證據比對。智能安防系統技術是將計算機技術、通信技術和人臉識別、步態識別等檢測技術有機地結合在一起，實現圖像的傳輸和存儲、數據的存儲和處理、服務的信息化等。它能智能識別圖像和預測行為趨勢，并自動實現視頻跟蹤和報警，起到預防犯罪的作用；也能通過后臺系統的智能行為分析，及時發現學生的異常行為，及時智能預警，關愛學生心理健康，防患于未然。一個完整的智能化安防系統主要包括門禁、報警、監控和智能分析四大部分。

提供數字化決策，實現科學校園 智慧校園將打通各個信息孤島，實現校園信息數據的大整合，通過對各種各樣數據的抽取、轉換和裝載，進行數據挖掘，使學校管理層最大限度地獲得管理資源，明確決策目標，論證決策的必要性和可行性，為正確決策提供必要支持，實現決策的科學化、民主化和透明化，從而提高管理層決策的科學化水平。

加強運維團隊建設，保障智慧校園的運營 智慧校園的運維包括信息系統相關的主機、操作系統、數據庫、存儲設備、智能感應設備、安防設備、智慧交通設備及其他信息系統的運行維護與安全防范。智慧校園要降低智慧校園整體管理成本，提高其整體服務水平，并保證整個智慧校園的正常運行。基于日常維護數據和記錄日志，可提出智慧校園信息化建設的優化方案和改進建議，更好地為師生服務。從制度層面上，建立一套行之有效的智慧校園運營制度，保障智慧校園信息系統設備的及時維修和遠程可視遙控。從資金層面上，要為智慧校園的運營提供運營經費保障。智慧校園的運營尤其強調“人”的參與，需要建設一個技術可靠、人員穩定的運維管理團隊，才能保證智慧校園持續穩定地運營。

5 結語

高校智慧校園是校園信息化建設的必然趨勢。充分了解智慧校園的支撐技術并把握智慧校園的建設目標，有利于高校智慧校園的有效建設。本文論述了高校智慧校園的支撐技術，解析了高校智慧校園的建設目標，以期給我國高校智慧校園建設提供參考，從而能真正在把握技術和建設目標的基礎上，做出科學的建設方案和實施對策，構建真正充滿智慧的智慧校園，從而提高高校的工作效率、管理效率和決策效率，提高信息利用率和核心競爭力，滿足高校教學、科研和管理工作的需要。

參考文獻

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