面向大數據的高校智慧校園系統構建研究

陳氫 徐光明

摘? 要：隨著社會信息化程度的不斷提升，數據已經成為這個時代極為重要的產物，大數據憑借對海量數據的管理、挖掘與應用，在各行各業展現了強大的生產力。探討了高校智慧校園系統構建思路，提出了智慧校園系統的總體框架，闡述了框架中數據感知、數據傳輸、大數據挖掘、智慧應用與支撐保障體系等五個主要層次布局，構建了一個具有高價值性的數據循環生態，將教育大數據轉變為推進高?？茖W決策與發展的強大生產力。

關鍵詞：智慧校園;大數據;系統構建

中圖分類號：TP311? ? ?文獻標識碼：A

Abstract：With the continuous improvement of the level of social informatization，data has become extremely important in this era.Big data，with its management，mining and application of massive data，has demonstrated strong productivity in all walks of life.In this paper，the construction idea of university intelligent campus system is discussed and the overall framework of intelligent campus system is proposed.In the framework，the layout of five main levels are expounded，including data perception，data transmission，big data mining，intelligent application，support and guarantee system.The construction of a high-value data recycling ecosystem transforms educational big data into a powerful productivity that promotes scientific decision-making and development in universities.

Keywords：intelligent campus;big data;system construction

1? ?引言（Introduction）

隨著社會信息化程度的不斷提升，數據已經成為了這個時代極為重要的產物。大數據憑借對海量數據的管理、挖掘與應用，在各行各業展現了強大的生產力。我國的高校信息化在經歷了從校園網絡到數字校園的轉變后，隨著云計算、物聯網等新興信息技術的出現，正在實現從數字校園到智慧校園的變革。如果說數字校園的建設實現了在辦公、教務、招生、就業、師資、后勤、教育評價、教學研究、資源支持等全領域由線下管理轉為線上管理的模式轉變，那么智慧校園的建設則是在此基礎上向深度和廣度挖掘價值[1]。智慧校園依托先進的現代信息技術，將校園的人、物、信息等資源有機連接起來，形成以系統的數據交互分析與應用為手段，以數據二次開發挖掘為基礎，以開發各種智慧化、個性化應用為目標的綜合信息化校園，從而全面提升學校各類日?；顒优c管理的水平。

2? 智慧校園系統構建思路（Construction ideas of intelligent campus system）

智慧校園與高校傳統信息化在設計思路上的重大區別就是對于數據的利用，在傳統信息化建設的時代，強調信息的被擁有，是被頂層建筑用以控制和管理外部環境的，而在智慧校園時代，更注重數據價值的再開發，強調數據的應用價值的再挖掘，這不僅僅是信息化建設的技術跨越，更重要的是一種思路與理念的突破[2]。

2.1? ?基于“大數據技術”的新數據形態

在大數據技術的理念下，對于數據的定義正在發生著新的改變。在傳統認知里，高校的數據多數是指教師、學生、管理部門在日?；顒又兴伞⒎e累、存儲的信息。而大數據的“大”字，不僅是要求數據體量的龐大，而且也要求相關數據覆蓋面更大，隨著大數據分析應用越發的成熟，越來越多以往不被人們所關注的信息也加入人們對于數據的認知中來，而這些數據往往具有各種不同的形態。例如，學生的位置信息、軌跡信息、感知信息、空間信息、行為信息等等，越來越多的信息被引入大數據的分析[3]，因此，智慧校園的數據庫建設必須具有拓展性與包容性，而多樣化的數據形態也對數據的規范化提出了更高的要求。

2.2? ?基于“線上線下結合”的新技術形態

智慧校園的建設需要數據采集的聯動性，這種采集的過程有的是依靠人的，有的是依靠物的，有的是主動收集的，有的是被動采集的，就需要對人、物實現交互聯系。要想實現這種交互聯系，“線下”就是對人、物實現平面的連接，例如移動終端與各類固定設備系統的連接，而“線上”就是實現空間的連接，將線下平面連接立體化，從而實現加速設備之間的交互，形成一個有機整體。

2.3? ?基于“應用構建”的新開發形態

由于數據的多樣化存在，究竟采集哪些數據成為數據采集的一大難點，數據采集的針對性程度，直接關系著數據的冗余度，基于大數據理念構建智慧校園并不是指凡是數據都要采集。因此，必須加強對于應用構建的研究，切實了解具體應用會涉及哪些數據，哪些是已經存在的數據，哪些是需要進一步拓展采集的數據，再將其運用到具體的應用中加以檢驗，形成數據采集、應用、管理、優化的循環機制。

2.4? ?基于“長遠綜合性”的新規劃形態

智慧校園的建設以軟硬件建設為基礎、以數據中心為核心、以數據分析為手段、以服務應用開發為目標，最終實現校園智慧化的正是各類“服務智慧化”。智慧化的服務應用將會在智慧校園的建設中不斷被引入，因此，智慧校園的建設將是一個長期的、動態的、不斷被建設與優化的過程。在智慧校園的規劃中，這種過程就要求規劃必然是具有長遠性綜合性的，無論是軟硬件的基礎設施建設，還是數據采集的覆蓋面與標準化，抑或是服務應用的開發等，應當充分予以長遠性的規劃。

3? 智慧校園系統總體框架（Overall framework of intelligent campus system）

基于大數據的智慧校園建設主要是數據收集、整合、挖掘與再應用的過程，建立以大數據為核心，以智能感知為神經末梢，以移動互聯為神經網絡，以智慧應用為依托，以自適應、個性化用戶交互為目標的智慧校園支撐平臺，實現高校各項業務的智慧型應用。智慧校園總體框架如圖1所示。

4? 智慧校園系統各層次布局（Layout of intelligent campus system at different levels）

4.1? ?感知層

感知層是通過各類感應技術，實現對師生日?；顒訝顟B、教科研儀器設備運行狀態、日常學習與各類生活環境互動狀態等全面感知，采取實時數據采集與反饋，為智慧校園提供大量數據的物理基礎。從主流應用技術來看，目前采用較多的是通過傳感器、RFID、GPS、攝像機、激光掃描器、識別儀、采集器等信息采集設備對校園的各種物理量、化學量或生物量進行動態化的信息捕獲，獲取現場實時狀態，借助各類網絡及時傳輸至數據中心，開展數據跟蹤與分析，供決策分析。

感知形式主要包括：物與物之間的感知、人與物之間的感知、系統間信息的感知。因此，智慧校園系統的感知層除了要對人員、信息等因素進行感知以外，還需要借助大數據技術的應用，對學習者的個體特征和學習情境等內容進行感知[4]。這三大類感知的對象紛繁復雜，不僅類型多，而且覆蓋面廣，因此，感知層布局需要進行一定的整合和針對性設計。

4.2? ?傳輸層

數據傳輸層是數據在采集之后傳遞到服務器的核心，在其設計中要充分考慮其安全性、穩定性、快速性與可靠性。在智慧校園中，大量的師生日常活動數據，如一卡通信息、交互信息、財務信息、個人信息、軌跡信息等大量隱私信息需要頻繁傳輸讀寫，因此，傳輸層的安全性直接關系到校園信息安全。同時，大量的日?；顒臃催^來又依賴著智慧校園的服務開展，如果不能保證傳輸層的穩定，便會對日?；顒赢a生直接的干擾。因此，傳輸層設計將以完全獨立的數據傳輸專網的形式構建，以實現與信息網絡的物理隔離，專網專用，保障傳輸層性能要求。

由于業務系統是在專網上運行，因此，在專網上需要提供可靠的傳輸安全通道，部署統一的網絡管理平臺，包括預警、拓撲等基本管理功能。可采用VLAN+VRF與VRF+MPLSVPN的方式，二三層隔離相結合。系統整體以各業務應用為前端，包括各類教學應用、科研應用、管理應用、綜合應用等，而后端主要為數據中心服務器。鑒于智慧校園大量的數據傳輸需求，對于傳輸的穩定性與傳輸效率有著較高的要求，前端網絡應當盡可能地采用二層架構方式，接入層要以雙鏈路乃至多鏈路的方式連接至核心節點，而且，其連接帶寬在有條件的情況下，應當盡可能拓展。由于大量數據需要傳輸，為避免網絡堵塞，拓撲結構為萬兆核心、千兆主干、千兆或百兆到桌面的架構。出口鏈路負載均衡與防火墻均采用雙冗余設計，系統架構分為核心層、匯聚層、分布接入層。并根據信息系統的具體情況，部署FW、IPS、網絡資源平臺管理系統。

4.3? ?大數據層

大數據層布局是智慧校園規劃的關鍵，決定了數據最終被收集、處理、分析與利用。大數據層就是智慧校園的“大腦”，包括數據的存儲與計算的物理平臺、信息收集與數據管理平臺、數據分析處理的應用支撐平臺，是連接智慧校園各部分、匯聚智慧校園各種信息的樞紐，“大腦”的發達程度決定了智慧校園的“智慧”程度。

遵循“數據倉庫+主數據+大數據”的建設思路，在校內重新構建新的基礎數據平臺[5]。大數據層包括學校各個部處的日常業務數據，囊括所有需要集成到數據中心的業務系統數據。因此，該層一是要實現與各業務數據庫之間的有效對接，二是要對業務數據庫傳輸來的數據進行標準化的抽取、清洗，根據預定義的標準進行轉換再存儲。主要包括共享用數據庫、主題存儲用數據庫與數據倉庫。大數據核心數據管理與技術如圖2所示。

對于數據結構的構建，要對學校各個職能部門的數據字典進行具體分析，充分了解其數據庫的結構，數據標準要統一，要消除各職能部門之間的數據鴻溝和信息孤島，建立起學校信息系統的數據表結構以及與數據中心的關聯關系，為最終構建統一的數據共享中心提供規范的數據資源。大數據層核心數據庫結構框架如圖3所示。

數據中心的構建包括兩個方面的工作：一方面是現有數據庫信息的采集與整合，另一方面是數據庫信息的交換與共享。數據中心的兩大職能正是信息采集與整合、信息交換與共享。其中，對現有數據庫信息進行采集與整合尤為重要，要特別注意不同種類的數據源的整合。常用技術包括SOA技術、EAI技術和ESB技術?；赟OA的數據交互方式多是以XML技術為基礎，同時融入了Web Services和SOA的概念[6]，在國內被應用的較多。

4.4? ?智慧應用層

智慧應用層是指各種智慧型的校園業務應用，如教學、科研、管理、服務等，是智慧校園服務價值性的重要體現。從數據采集的角度而言，智慧應用即是要實現什么樣的服務，也就決定了數據采集的最基本需求[7]。但在智慧應用的同時，也在產生著許多新數據，這些數據又成為大數據的基礎，這就需要我們對智慧校園的應用提出基本的需求。

4.5? ?支撐保障體系

智慧校園將全面采集學校各類數據，數據安全將會面臨前所未有的挑戰。其主要表現在四個環節，即采集安全、傳輸安全、存貯安全與硬件保障。

采集安全保障主要是要確保數據的可追溯。一是數據一旦出現疑似失真，要實現數據的逆向可追溯至數據的源頭，包括數據的演變過程，控制數據被惡意篡改的風險。二是一旦出現數據崩潰時，可以重新追溯數據，進行數據復原。傳輸安全保障主要是強化標準化的建立。一是對傳輸接口與通道的標準化，確保系統整合;二是對數據交換的標準化，包括接口等，以應對各類業務應用系統同時向數據中心傳輸數據;三是對傳輸權限的標準化，確保不同用戶擁有適度、合理的權限等級。存儲安全保障主要是數據備份等技術。目前，智慧校園較為主流的采用HBASE數據庫集群。其穩定性和可靠強較高，一旦節點出現問題，會激發HA強制機制，主動同步，確保數據一致性。硬件保障主要是運用硬件技術來現實現安全防護。常見的有在骨干節點增加企業級防火墻，提高服務器負載能力，使用專業的DNS設備，啟用管理軟件防護功能等[8]。

5? ?結論（Conclusion）

教育大數據應用是未來教育改革與研究的重大驅動力之一。智慧校園是教育大數據的重要載體，只有智慧校園的成熟構建，才能確保教育大數據的采集與分析，反之，教育大數據的應用開發前沿性，也一定程度上反映了智慧校園的“智慧程度”，兩者是相輔相成的?；诖髷祿母咝Ｖ腔坌@系統還將在教學質量科學評價、專業動態競爭力觀測，以及招生—在?！蜆I全過程跟蹤等方面發揮作用。

參考文獻（References）

[1] Ying Hu.Study on the key algorithms and framework design of intelligent campus education platform based on big data technology[J].Technical Bulletin，2017（15）：63-69.

[2] Jia Yanmei.Construction and application of intelligent campus in colleges and Uuniversities under the background of big data[C].Advances in Intelligent Systems and Computing，2019：866-872.

[3] Yingkai，Miao.Research on construction of data switching center for intelligence campus[C].IEEE 2nd International Conference on Big Data Analysis（ICBDA），2017：542-545.

[4] 高強.基于大數據下的智慧校園建設總體架構模型及典型應用[J].電腦知識與技術，2017，13（21）：162-163;170.

[5] 黃成兵.大數據環境下高校智慧校園建設應用探討[J].智能計算機與應用，2017，7（1）：131-133.

[6] 秦志民，劉素珍.高校智慧校園數據交換平臺的設計與實現[J].信息技術與標準化，2017（5）：76-78.

[7] 李川.基于數據挖掘技術下的智慧校園構建分析[J].電腦知識與技術，2017，13（20）：10-13.

[8] 馮金才.智慧校園大數據安全技術防范[J].電腦知識與技術，2017，13（12）：15-16.