基于需求度和信譽度的實驗室資源預約策略研究

周春月， 陳家禮

（北京交通大學電子信息工程學院電子信息與計算機國家級實驗教學示范中心，北京100044）

0 引 言

實驗室是高等教育培養創新人才、實現卓越工程師教育培養目標的必備環境，在實現素質教育目標、提高學生科研能力、自我管理能力和團結協作能力等方面都起著積極作用。開放實驗解決了擴招之后大量學生在固定時間、固定班級的排課困難，也緩解了實驗設備短缺的壓力，同時也能極大地促進學生自主學習的積極性，并有利于提供不同層次特色、多樣化的綜合開放實驗教學模式和教學方法［1-3］。國家級電子信息與計算機實驗教學示范中心組成部分的通信工程專業實驗室承擔了通信專業本科生、研究生、留學生的大量實踐課程，年均學時數超過1 200 h。實驗室提供的近400 件套儀器設備涵蓋通信的各個專業方向，電信級大型傳輸、交換、接入設備30 余套。如何協調實驗室場地的占用、設備的借用和專業答疑教師的輪值，對學生的預約行為進行描述和分析，研究符合實驗室運行特征的有針對性、合理性和適用性的預約策略成為亟待解決的問題。

1 預約策略研究必要性分析

根據工程教育認證的核心理念，實驗室從2014 年開始逐步開展基于預期學習產出能力指標的通信工程專業實踐教學試點改革［4-5］，加大專業實驗內容的設計難度和開放力度，給予學生充分的自主和創新空間。在近幾年的開放實驗教學研究過程中，發現了在實驗開放過程中暴露出來的新問題。

（1）爭搶資源現象明顯。雖然實驗室在每學期初會發布開放時間表，但日常的占用率偏低，遇到課程驗收或期末考核，經常會出現一個實驗臺幾組人搶，排隊等待時間超長，資源占用失敗率高。除必修實踐課程之外，還會有專業課程設計、臨時課內實驗以及各級別的學科競賽和創新訓練的需求，實驗室資源占用沖突集中造成效率低下，時間得不到統籌合理安排。

（2）校企共建基地需統一規劃。通信工程專業實驗室是校企共建的產學研基地，企業對各專業實驗室及大型設備的使用未能像學校一樣提前半年制定計劃，故對實驗室的使用需要頻繁溝通協商。

（3）預約服務使用率低。實驗室自主開發的一些應用系統都是基于B／S模式的校園網Web服務，隨著互聯網向移動互聯網時代變遷，基于電腦終端系統越來越被學生忽視，預約服務使用率逐年降低。2016 年底，實驗室開發了微信公眾號，學生逐步適應了基于微信的服務模式，開通手機端的預約服務迫在眉睫。

基于以上現實存在的問題，在信息化和智能終端高度發達的今天，通過技術手段和合理的預約策略是可以得以緩解或解決的。為了最大限度地為學生提供公平條件下的資源使用預約，有必要研究基于微信平臺的實驗室環境和共享儀器的預約策略。高效預約安排不僅有助于減少學生的無效等待，提高實驗資源使用率，提升實驗室滿意度，使管理更為有序。良好的資源分配策略還可以提供優質的教學服務和體驗，盡量減少需求波動對資源占用效率的影響，緩解特定時期的設施超載運行現狀。

2 基于時間的單一參數預約策略

2.1 預約時間優先策略

資源預約的應用非常廣泛，如醫療門診、共享設備、展會場所、教室機房、無線信道資源預約等［6-12］。通常最簡單的模型是先來先到或分時段預約，但在實際的教學工作中往往需要在預約時間優先的基礎上，充分考慮學生的身份、資源的用途和輪值教師的專業優勢等條件。因此，在預約時間優先策略的前提下，系統需設定以下的基本原則：①必修課優先于限選和選修課；②選課學生優先于非選課學生；③教學用途優先于大創、競賽、畢業設計和科研需求；④大型緊缺儀器的使用原則上優先服務于本學院本專業學生；⑤可開放預約儀器及時段與輪值教師專業相關聯。

在此前提下，采納先到先得的公平預約模型，當資源占用信息實時更新后，可有效提高實驗室環境和設備的使用效率，有助于實驗室優化專業教師的值班時段。但該策略的最大問題是忽略了爽約及取消預約帶來的資源空閑。

2.2 考慮爽約的資源超量投放

當預約的提前時間較多、校園活動頻繁時，若缺乏有效的懲罰措施，爽約和遲到的發生就不可避免。參考民航的機票超售制度和醫療門診預約超量放號政策［12-13］，可以采納資源超量投放策略。對于超出可約資源的請求設置隊列，一旦出現爽約和超限遲到行為，隊列中請求自動轉化為準預約并通過消息發送協商請求，對及時確認的準預約自動更新為正式預約，未及時確認的準預約退回請求隊列。資源超量投放策略有效防止了爽約帶來的資源空置，通過微信實時發送協商消息具備技術可行性。

2.3 考慮取消預約的資源補充

相對于關乎誠信的爽約行為，提前取消預約是正常且不必處罰的行為。對于可能頻繁發生的取消預約同樣可以通過資源超量投放和預約請求隊列的方式來解決。當系統中有預約資源釋放時，優先解決請求隊列中的預約。為了減少隊列的協商消息，隊列值不宜設置過大（工作經驗值為3 ～5）。系統中無等待預約時，釋放的資源可重新被預約。

2.4 碎片時間段的充分利用

考慮到學校管理和學生自由時間的特點，預約時間段最適宜以小時為基本單位。但學習本身又很難用固定時長來約束，這樣就必然會出現預約時間段內的“釋放時間”，這些被臨時空出來的碎片時間段將大概率被閑置。微信平臺的最大優勢就在于消息的實時群發，對于時長較短的碎片時間段，優化方案是推送給正在預約時段內實驗的群體，延長在場學生的實驗時間顯然比重新提供預約的彈性更佳，實際效率要高。

3 基于需求和信譽度多參數資源預約策略

3.1 資源需求度與差異化服務權重

基于時間的單一參數預約策略只考慮了時間軸上的預約隊列，雖然具備了面向學生的公平性，但卻忽視了對教育目標和質量的考慮。對于臨近考核驗收學生和畢業班學生的剛需，不能簡單用“機會面前，人人平等”來回避。在資源有限、截止時間受限、可用時間不完全可控前提下，抽簽搶票的機會公平并不適用于教學資源的投放。所以，本系統需要充分考慮預約的迫切性。同時，對于失信的爽約和遲到行為如不加以懲罰和限制，將會進一步惡化預約環境，造成大量資源的突發性閑置。因此，系統需要根據學生的歷史爽約行為定義信譽度，提供帶權重的差異化服務機制。

3.2 長時與短時相結合的混合分段預約

在實驗資源預約策略中，面臨的問題是為給定的實驗室環境設備尋找最佳的使用效率和達到最優的教學目標。所謂最優策略就需要充分考慮時間效用最大化和需求迫切度。為此，系統設計了長時與短時相結合的混合分段預約模型（見圖1）。兩個階段的預約均需依照前文考慮學生的爽約和取消率。長時預約階段提供了充分的時間提前量，學生可提前計劃安排學習時段和時長，根據需要預留實驗資源。長時預約策略基于時間優先，以時間效用最大化為目標。長時預約的提前量可以設置為1 ～2 周。

圖1 混合分段預約策略流程圖

短時預約提供當日或當周的實驗資源，一般適用于結課或驗收前的總結性學習或最終調試測試。短時預約策略基于需求度，系統根據課程情況對部分人群賦予高需求度權重，如臨近結課的班級、臨近驗收的小組、畢業班學生等。在計算權重前提下依然采用時間優先策略，以減少資源空置率并充分體現開放的自由度和公平性。短時預約提前量可設置為當日～1 周。

在實驗資源的預約容量一定的前提下，批量投放長短時預約資源。系統判斷用戶預約行為與使用時段的邏輯關系，通過系統預訂的優先級來實時決策接受還是拒絕到達的用戶預約請求。對于每次預約行為和實際履約行為進行評測，給出信譽度評級，并參考預約用戶隨時間預約頻率的變化，通過動態數據獲取用戶的預約請求分布情況，以此來優化開放教學安排。

3.3 基于微信的自主預約和自助推送

隨著互聯網和新媒體快速發展，微信平臺憑其廣泛應用、便捷的溝通體驗和豐富的多媒體展示功能，成為深受學生喜愛的通信社交工具［14］。相比于傳統的網站預約，基于微信小程序的預約系統借助微信平臺聯合登錄，不再受校園網和地點限制，提供一種優質服務的自主預約平臺和信息推送渠道，真正做到隨時隨地安排學習，每時每刻獲知資源占用狀態［15-16］。避免了無效等待，又可以隨時再分配釋放資源和碎片時段。微信與手機的綁定機制也可以為預約系統提供有效的身份證明，輔之以學號的關聯，就可以有效推行多參數的實驗資源預約策略。圖2 所示為微信預約小程序的部分界面。

圖2 基于微信小程序的實驗資源預約系統

為了保障實驗室和實驗操作安全，小程序還提供了首次預約前的安全答題測試，作為實驗室安全準入的必要條件。

4 結 語

本文探討了高校開放實驗室資源預約策略，在時間優先的預約模型基礎上，綜合考慮了取消預約和爽約的情況，提出了基于需求度和信譽度的多參數混合分段預約策略。既保證了預約公平性，又兼顧了對實驗資源具有剛需性的學生的迫切度。已經開發完成的基于微信小程序的實驗資源預約系統目前可以提供實時的信息共享、便捷預約和釋放資源的再利用，最大限度提高服務的學生人數和設備占用率。系統在本年度開設的“未來互聯網課程設計”課程中試運行，對大小近50 余件套的實驗設備進行了提前預約，良好的體驗感和便捷的預約方式得到學生的好評。

本文提出的最優預約策略為動態預約策略，能夠反映實際的預約過程，具有技術可操作性和實用性，未來的研究工作還可以在以下幾個層面進行拓展：①對當前的預約策略進行數學模型描述，從理論角度證明其優化；②目前的信譽值和需求度權重只是在抽樣調查和經驗的基礎上設定參數，需要通過模型仿真驗證公平的權值；③積極推進網絡虛擬仿真實驗室的建設，在實驗室非開放時段也能提供虛擬實驗資源。未來的開放實驗室資源預約將會是在大數據背景下的智能學習策略，真正實現按需分配的智慧預約。