高校智慧校園的構建與研究

王克平，肖 源

(中國人民大學 a.信息技術中心；b.公共政策實驗室；c.實驗室建設與設備管理處，北京 100872)

0 引 言

智慧校園是教育信息化發展到新的階段的必然產物，是高校應對目前“互聯網+教育”挑戰的一個必然選擇，是數字校園建設的進一步深化與提升。智慧校園就是實現方便的網絡學習、高度信息化的科研、快捷的校務治理、多彩的校園文化、豐富的校園生活。它的目的就是建設一個安全、環保節能的校園，如同智慧地球一樣，隨著物聯網技術的發展帶動了智慧校園的發展，將會有更多的人工智能產品應用到智慧校園[1]。據最新數據預測，到2020年，全球將有310億個互聯設備聯網工作，屆時，人們盡情享受無處不在的互聯網。智慧校園也正是通過物聯網技術連接任何能夠用到的設備與技術，例如RFID、二維碼、視頻監控等，實現它的各種功能[2-3]。

1 智慧校園概念與現狀

簡單的說，智慧校園是信息化校園的延伸。從信息化業務運行方面來看，數字校園主要注重管理信息化，智慧校園更加重視信息技術與科研、人才培養和社會服務的結合，利用最新大數據技術進行科學分析與決策，以及提供跨部門業務的融合服務。為了支撐高校智慧教育業務的開展，這是智慧校園的目標。從信息化角度來看，數字校園主要注重信息門戶，智慧校園更加重視服務框架[4]。圖1展示出智慧校園的有效組成部分。①智慧校園綜合運用云計算、物聯網、大數據、智能感知、移動互聯等這些新興信息技術；②結合學校的物理環境，智能識別學生、教職工群體或個體特征，同時智能識別他們的學習、工作情景。③將學校的物理空間和數字空間充分銜接，改變學生、教職工與學校資源的交互方式，提供以人為本的個性化服務。

圖1 智慧校園組成和特點

基于智能的傳感器所組成的物聯網，智慧校園實現對校園的全覆蓋的感知，并且能夠隨時獲取信息，借助云計算等新技術對感知信息進行信息分析并處理，可以針對校園中的各種需求提供預測和智能的決策，總而提高校園的管理效率，創造一個高效率的智能校園[5]。

高校校園有自己的特點，高校智慧校園的建設目標[6]，主要包括以下3個方面內容：

(1)智慧教育教學。如大力推動線上線下融合教學及基于大數據教學評價，開展智慧型人才培養；

(2)智慧科研支撐。開展智慧型科學研究工作，減少科研過程的重復勞動，加強科研協作，提高科研水平與效率；

(3)智慧管理與服務。通過物聯網和智能感知技術，構建智慧型校園管理與信息化支撐平臺，整合校園資源，開展智慧型服務；

通過大數據技術挖掘校園運行規律，開展智慧型社會服務，利用信息化手段加快科技成果轉化，利用大數據技術為學校管理者決策提供支持，高校智慧校園可促進管理服務流程不斷優化或再造、創新管理服務模式，實現校系、部門間業務協同和統一服務平臺[7]。

另外一個最重要的優勢，智慧校園能夠充分響應國家號召，開展校園文化創新，發展先進文化，創新高校網絡思想政治教育，提升高等院校的建設水平。

2 高校智慧校園概念模型

與前幾年的數字校園相比，在智能感知、物聯網、移動互聯、大數據和云計算技術的支撐下，高校的物理校園包括人群、設施、環境等，已經和虛擬校園密不可分，高校涉及到的所有人的活動已經處于一個物理空間和虛擬空間高度融合的環境中。

通過校園虛擬映像到實體校園的映射以及校園物理信息系統，作用于實體校園，具體概念框架見圖2。

圖2 高校智慧校園概念模型圖

智慧校園分為五大部分：

(1)物聯網。應用智能感知技術采集校園環境信息(溫度、濕度、光度、壓力、位置等)，用可穿戴技術采集人群活動信息(位置、視頻、圖像)，實現校園的物理信息采集、環境控制和人群協同，構建校園物理信息系統[8]。

(2)互聯網。應用移動互聯、智能終端和移動應用技術，構建全天候、全覆蓋的網絡應用環境，將校園中的社交信息、位置信息和傳感信息映射到網絡空間中[9](包括位置網，地下管線，gis；傳感器網：ZigBee，RFID)。

(3)網絡空間。基于云平臺，應用業務流程管理、活動協作支撐、大數據分析等技術，在網絡空間中建立校園虛擬映像，并據此構建校園虛擬運營環境，建立實體校園和校園虛擬映像之間的關聯[10]。

(4)大數據。應用大數據技術，對網絡空間中的校園虛擬映像進行全方位分析，掌握實體校園的運行規律。

(5)智慧運行。基于相關規律對校園的運營管理、資源調度、業務活動等作出決策，從而實現校園的智慧運行與管理，構建起智慧校園[11]。

3 高校智慧校園體系構架

智慧校園體系架構是實現智慧校園的關鍵，高等院校構建智慧校園的目標是為了實現學校物理與數字空間的高度融合，就需要建立智慧校園信息化支撐平臺，這個平臺必須以智能感知為信息節點，以移動互聯網為運行網絡，以大數據分析技術為核心，以智慧應用服務為依托，以個性化用戶交互為目標，實現高校各項業務的運行。這樣就可以得出高校智慧校園體系架構的初步框架[12-13]，如圖3所示。

圖3 高校智慧校園體系架構

(1)智能感知層。智能感知層包括感知節點、感知網絡、業務支撐平臺和物聯網應用系統建設等內容。采用各種感應技術，例如ZigBee、無線傳感網絡、射頻識別技術、網絡攝像機，他們所采集的數據能夠為智慧校園數據來源。

ZigBee技術是一種廉價、短距離、低功耗、低速率的無線通信技術。RFID:射頻識別技術，又稱無線射頻識別，可通過電信號識別特定目標并讀寫相關數據。RFID讀寫器也分移動式的和固定式的，目前RFID技術應用很廣，如：圖書館，門禁系統，食品安全溯源等。IP CAM就是網絡攝像機，它只要插上電源，并且聯網就能通過網絡發布視頻。例如在西湖布置200多個網絡攝像機，網上就可以看到西湖景色。

校園物聯網屬于校園泛在網絡建設的范疇，不僅是對高速校園網感知手段的提升，也是對其感知范圍的擴展，物聯網感知領域可觸及校園內任意角落，可利用更加廣泛的信息化手段獲取校園環境信息，并使之成為信息決策的基礎[14]。

(2)網絡通信層 。高速校園網是保證用戶信息化體驗的最直接手段，也是信息化校園各類智慧應用系統得以正常運行的保障，屬于基礎建設范疇。網絡通信層包括校園網出口、校園核心網、樓宇接入網和校園無線網等建設內容。一般網絡通信層都是采用有線和無線網絡技術，可以實現及時傳輸各種數據，實現隨時隨地接入、高速互聯、隨需應用，為智慧校園提供寬帶泛在的網絡基礎[15-16]。

(3)云計算層。云計算層為智慧校園的大數據處理、應用服務提供基礎的計算和存儲支撐服務。云計算層應用虛擬化技術實現基礎資源(包括計算資源、存儲資源和帶寬資源)的充分應用，最大限度發揮資源效能。云計算層不僅包括機房基礎設施建設、計算資源建設、存儲資源建設、網絡資源建設，也包括虛擬化基礎設施和運營管理平臺建設等內容[17]。

(4)大數據層。大數據層是智慧校園的核心，包括數據存儲、管理、數據分析和數據挖掘的支撐平臺，是連接智慧校園各部分、匯聚智慧校園各種信息的樞紐，為智慧校園提供堅實的數據基礎。

校園大數據建設是信息化校園的基礎建設內容，是數據治理的最終成果，既包括對結構化數據的治理，也包括對非結構化數據的治理。結構化數據主要來源于校園業務，非結構化數據主要來源于運行設備和運行環境，大數據層須兼顧各類異構數據的采集和管理。

大數據層包括主體虛擬映像和數據服務平臺兩個部分的建設內容，前者分為元數據管理和主數據管理，后者則包括數據采集平臺、數據分析平臺和數據交換平臺等內容。

(5)智慧應用層。智慧應用層包括智慧應用基礎支撐平臺、智慧學生事務平臺、智慧財務資產平臺、智慧業務協同平臺、智慧生活服務平臺、智慧信息資源平臺、智慧決策服務平臺等建設內容。這些就是各種校園信息化業務應用，是智慧校園發揮作用的關鍵，也是智慧校園建設的重點。

統一的身份認證、統一的數據交換、統一的支撐平臺、統一的信息標準(信息化建設時需要)。智慧應用層是信息化校園項目建設的核心內容，既是校園內大量信息服務的載體，也是校園內諸多繁雜業務的梳理成果的體現。

(6)智能終端層。智能終端層支持各種智能終端，為各類用戶提供與其所處環境、所用終端相適應的多屏交互模式，提升智慧校園的用戶體驗。

用戶交互層是面向最終用戶的感知界面，既包括不同服務主體(教師、學生、教育管理者和社會公眾等)的個性化適配問題，也包括不同呈現終端(PC、手機、平板電腦和自助服務終端等)的兼容性適配問題，由統一的自適應交互平臺完成。

(7)支撐保障體系。沒有完善的支撐保障體系，智慧校園是無法運轉的，這些保障體系大致包括信息安全保障體系、信息化運維服務體系。他們為智慧校園安全、穩定、高效的運行提供切實的保障。

(8)統一安全支撐體系。信息安全貫穿信息化校園建設始終，并可持續發揮其信息保護職能。構造主動安全防御體系，快速發現網絡隱患、監測安全漏洞、防止網絡攻擊、實現安全防御，是統一安全支撐體系建設的目標。

統一支撐體系不僅包括物理層防護體系、網絡層防護體系、數據層防護體系、應用層防護體系和交互層防護體系等建設內容，還包括校園各類智慧應用系統的安全等級保護體系建設內容。

(9)統一IT 治理體系。IT 治理既包括數據的規范化治理(即統一數據標準)建設內容，也包括數據管理、數據應用、數據交互、數據共享、應用系統建設、應用系統管理等相關制度建設，其目的是構建良性可持續發展的校園IT 生態體系。

(10)統一系統運維服務體系。良好健全的運維服務體系是確保信息化校園各項目成果系統正常運行并提供優質服務的關鍵。統一運維服務體系不僅包括運維支撐系統的建設內容，也包括運維服務團隊建設和運維服務制度建設的內容。

4 高校智慧校園成功案例分析

目前很多高校都在建設智慧校園，在調研過程中，南京航空航天大學就構建出了符合自己學校特點的智慧校園[18]，該校的智慧校園整體框架如下圖4所示。

圖4 南京航空航天大學智慧校園整體構架圖

可以看出南京航空航天大學的智慧校園大致分為7層，分別為：基礎設施層、公共支撐層、數據資源層、共享服務層、應用服務層、信息決策層、用戶訪問層。

(1)基礎設施層。高速泛在融合網絡平臺建設，有線網絡、無線網絡、政務外網、一卡通網、視頻專網、安防專網的建設和升級。感知校園包括①環境數據感知：基礎環境感知、無線頻譜感知、業務數據感知；數據可視化；②智慧遠程管控：基礎環境智能管控環境頻譜智能控制、業務層面智能管控、教學部門的教室教學設備管控。網絡安全綜合防護平臺建設的主要內容包括安全技術體系設計、出口安全防護、通信網絡安全設計、安全管理中心設計和雙數據中心建設。

(2)公共支撐層與數據資源層。校園云數據中心是智慧校園的公共支撐層，建立虛擬化云服務平臺，提供統一的軟硬件基礎支撐平臺，全面實現以虛擬化方式提供主機和存儲資源，支持500臺虛擬化服務器，存儲容量達到1PB。網絡云盤：面向全校師生用戶提供共享協作的網絡私有云盤服務，用戶空間達到1TB，實現跨設備、跨應用的統一管理和訪問，支持系統自備份和文件級細粒度備份，保障數據可用性。

(3)共享服務層。校園大數據中心是智慧校園的公共服務層。學校整個信息資源服務大數據平臺的建設內容主要分為4部分：前置系統、ETL平臺、數據倉庫和統一數據服務接口。依據學校的實際需求情況，設計一個以大數據平臺為核心，抽取包括各業務系統數據、無線新生態等在內的全部數據進行整合和統一管理的大數據平臺，整個系統全面支持業各業務實際應用，從數據端到最終的信息資源服務業務支撐。同時建設全校基本數據和業務數據的大數據分析和數據挖掘平臺。通過大數據分析和數據挖掘為日常的管理工作提供分析依據。

(4)應用服務層。這些應用服務層包括智慧教室、智慧圖書館、數字檔案館、電子校務、智能支付、智能后勤、平安校園。

(5)信息決策層。信息決策層就是利用應用服務層的各種服務，搭建信息化教育教學能力提升工程、信息化綜合科研能力提升工程、智能化校園信息管理與服務平臺，支撐用戶決策。

(6)用戶訪問層。學校的用戶訪問層用門戶網站實現所有系統的訪問，統一門戶網站如圖5所示。

圖5 南京航空航天大學智慧校園信息門戶網站

智慧校園已經在南京航空航天大學成功運行，該校也在十三五規劃中提出學校以智慧校園建設為契機，全面提升信息化水平。面向“兩化融合”“中國制造2025”“互聯網+”等國家發展戰略，根據“一校兩區”布局，實施信息化專項建設，打造與信息化發展趨勢和學校改革發展需求相適應的智慧校園，形成具有感知、控制、協同與服務能力的智慧運行管理平臺體系，推進信息技術與學校各項事業的深度融合[19]。

5 結 語

智慧校園勢必成為高校發展的方向，是教育發展的高級形態，更是高校建設的理想目標，信息化無疑是達成這一目標的最有力的手段。智慧校園已經不只是理念，已經有它的理論基礎和實施手段，智慧校園的最終形態必將是隨時隨地為校園里的每一個人提供信息化服務。將伴隨著國家的科教興國戰略，使高等教育在國際上處于領先地位，在未來成為引領者。