經管類實驗室智慧云服務平臺建設分析

李季明　高猛猛

摘? 要：當前，經管類實驗室存在著使用時間有限定、資源環境不足、桌面環境固定、交付桌面與面向社會所接觸到的環境匹配存在差異等瓶頸。結合當前實驗室現狀，深入分析和探討了經管類實驗室智慧云服務平臺建設的必要性、可行性、架構、可實現的功能及效益。結合實驗室建設實踐結果分析表明，平臺建成后可以最大化利用有限的資源環境，實現桌面資源的分時復用，有效提高資源利用率，改善教學質量，提升學院的教育信息化建設水平。

關鍵詞：云服務平臺;實驗室管理;云計算

中圖分類號：TP31? ? ?文獻標識碼：A

Smart Cloud Service Platform Construction Analysis of

Economic and Management Majors Laboratory

LI Jiming， GAO Mengmeng

（Business School， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

usstsnow@usst.edu.cn; mmgao@usst.edu.cn

Abstract： At present， there are bottlenecks in economic and management laboratories， such as limited use time， insufficient resource environment， fixed desktop environment， and difference between the delivery desktop and social environment. Based on the current status of laboratories， this paper proposes to deeply analyze and discuss the necessity， feasibility， architecture， possible functions and benefits of constructing a smart cloud service platform for economic and management laboratories. Practice results of laboratory construction show that the completed platform can maximize the use of limited resources and environment and realize the time-sharing reuse of desktop resources， and effectively improve the utilization rate of resources and teaching quality， so to improve the level of educational information construction in colleges.

Keywords： cloud service platform; laboratory management; cloud computing

1? ?引言（Introduction）

隨著網絡技術、信息技術的不斷發展，高校越來越重視學生實踐能力和創新能力的培養。計算機實驗室是高校理論課程、實踐教育課程、校內實習基地以及各種等級考試和培訓的必備場地[1-4]。

智慧云服務平臺是基于虛擬化和云計算技術，實現教學環境的“云端化”，教師和學生不受空間、時間和設備的限制訪問云資源[5-8]。通過智慧云平臺的使用，可提高師生使用的便捷性，為學生自主實驗操作，教師科學研究以及人才的創新實踐提供了基礎性環境支撐，實現了教學、實驗和科研資源的統一調度，將以往IT資源8 小時使用提升到24 小時，提高了資源的使用時長，一定程度上減少了信息化基礎設施建設成本，有助于信息化管理水平的提高。該方式更好地適應了創新人才培養的教學內容、課程體系、教學方法、教學手段，打破“以教材、課堂、教師為中心”的傳統教學模式，建立“以學生為主體，以教師為主導，以網絡為場所”的現代教學模式，因此建設智慧云服務平臺已迫在眉睫。

作為管理學院，從教學角度出發，學院雖為學生上課提供了實驗室，卻存在三大瓶頸：一是使用時間有限定，本科生實驗室開放時間為工作日早上8 點至下午5 點;二是桌面環境固定，師生僅能夠在實驗室內進行教學，桌面環境無法帶到課外;三是交付給學生的還是以桌面為主，與面向社會所接觸到的環境匹配存在差異。目前情況下，交付給學生的應該是基于實踐場景的一整套完整的實訓環境，而非僅僅一個桌面，從而讓學生的教學環境與工作環境貼合得更緊密。從科研角度出發，學院雖為研究生提供了科研學習用實驗室，但由于研究生人數過多、機位較少、學生喜歡占座等原因造成科研資源緊張。超過六成的研究生認為，影響他們積極參與科研的主要因素是學校提供的機會和支持不足。以往單純的桌面虛擬已經無法解決這些問題，因此需要有效解決這些問題的方法。

2? 智慧云服務平臺建設的必要性分析（Necessity analysis of smart cloud service platform construction）

2.1? ?實驗教學環境面臨挑戰

隨著實驗室桌面虛擬化技術在高等教育實驗室建設中不斷推廣應用，其應用場景逐漸覆蓋了公共計算機房、專業計算機房、多媒體教室、教師辦公室等多個場景，技術的不斷推廣和成熟，使得建設模式從單純的基于場景的項目建設向更高層次的頂層方案設計、復雜性場景、多期建設等模式發展[9-11]。

桌面虛擬化技術能夠根據場景特點和現場情況選擇融合架構桌面，對資源集中管理、系統監控和操作、靈活的部署和操作模式以及后續擴展提出了更高的要求。然而，融合架構的云桌面構建也帶來了新的挑戰，如缺乏實驗時間，難以適應學生的實驗環境，無法共享昂貴的資源，缺乏教學過程數據，缺乏科學研究資源等[12-13]。

2.2? ?新時代、新技術、新產業推動實驗教學環境變革

現階段各個高校轉型發展速度不斷加快，人才培養方式不斷優化，創新人才特別是拔尖創新人才的培養不斷深化，應用型、復合型、技術技能型人才培養比重不斷增加。從政策上來看，國家已發布《教育信息化2.0》《中國教育現代化2035》《新工科》等政策，這些新的政策都帶來了學校改變人才培養方式的思路;從技術上來看，虛擬化技術、云計算技術、大數據、人工智能移動互聯網、5G這些新的技術的出現，驅使著學校培養符合時代、符合當今技術的人才[7-9];從需求上來看，學生從填鴨式被動教學到主動參與探究，課堂教學延續到課外實訓，間接地要求學校從單純地提供操作系統到需要提供一套實驗環境和資源，能讓學生隨時隨地連接資源和訪問服務，提升自我動手能力;從產業導向上來看，產教融合、校企合作、產學合作、協同育人、創新創業等新產業環境，也驅使著學校不斷地創新培養人才的方式。

2.3? ?應對外部不確定的因素，保證教學科研順利進行

新型冠狀肺炎病毒的出現，對各國人民的工作、學習、生活都造成了巨大沖擊，例如，中小學生只能通過遠程的方式進行學習;大部分大學生都處于無事可做的狀態，想要進行實驗、學習，卻沒有一套完整的環境。通過建設智慧云服務平臺，可以協助實驗室管理者提前做好實驗室的建設規劃和管理，能夠應對日后各種類似突發狀況，緩解學生無法進行實驗的窘境。管理者可以通過平臺WEB端遠程設置相應的實驗環境課程，學生在門戶網站上直接申請相應的操作系統，下載相應的課件，在家運用自己的終端設備進行學習，實現“停課不停教，停課不停學”的模式。

3? 智慧云服務平臺建設的可行性分析（Feasibility analysis of smart cloud service platform construction）

3.1? ?設計規劃合理可行

為了保證智慧云服務平臺方案具有科學性、前瞻性和可行性，學院專門成立了調研小組，通過調研及結合學院實際情況具體分析需求，擬定了智慧云服務平臺的功能需求和軟硬件建設標準。

3.2? ?項目功能可靠可行

一是智慧云服務平臺硬件布局，依托學院實驗中心現有硬件設施，搭建一套能夠容納500 個終端點位同時并發需求的云桌面資源池，基于桌面虛擬化技術為實驗室教學提供快速部署、集中管理、教學管控和輕松運維的基礎運行環境;二是構建智慧云服務管理平臺，該平臺主要是管理員進行使用，主要的職責是對服務資源、服務對象、服務內容、服務計劃負責，管理平臺基于WEB界面，可以有效提高辦公的移動性和辦公效率;三是構建智慧云門戶網站，該門戶網站可以讓師生隨時隨地申請與查看實驗桌面并完成相關的學科實驗，以及查看最新通知和審批結果。

3.3? ?建設過程、技術保障可靠可行

第一，為響應國家創新創業政策，提高學院實驗室管理水平，本著“安全、可靠、經濟、易擴展、易維護和高性價比”的原則，利用云計算、虛擬化等技術，基于學院現有網絡環境，實現學院實驗中心實驗室的升級改造，促進學院實驗實訓環境的信息化推進。第二，系統軟硬件的操作、顯示界面簡單易用，利于管理人員操作與使用。硬件設備基于目前的硬件設施進行拓展升級，且管理軟件兼容性強，可與其他相關設備進行控制和聯動。第三，系統的設計方案、系統的構成和設備配置、施工、安裝、測試等規范化程度高。第四，系統具有集成功能，其管理、分析、通訊接口都符合統一的互聯標準及技術協議的要求。第五，系統堅持以人為本的原則，滿足技術的先進性、設備的標準化、網絡的開放性、系統的可擴展性和可靠性等要求。

4? ?智慧云服務平臺架構分析（Architectural analysis of smart cloud service platform）

智慧云服務平臺整體上可以劃分為三層，從下往上分別是硬件基礎設施層、資源池層、服務層，不同的用戶依據不同的使用性質具有不同的權限，如圖1所示。具體到使用層面可以分成三大功能模塊，分別是管理平臺、服務管理端、門戶網站。

4.1? ?智慧云服務平臺——管理平臺

將所有的基礎環境、IT配套設置準備完成后，就需要建設存儲資源池和計算資源池，方便學生和教師能夠隨時隨地訪問和利用虛擬桌面。管理平臺的底層基于KVM技術，嚴格來說底層采用KVM-QEME技術，KVM只是提供訪問CPU、內存的一個接口，而QEME負責調用KVM中的設備文件、模擬IO設備、虛擬設備的創建等。管理平臺的上層采用的是OpenStack技術，可以為用戶單獨創建虛擬機，為用戶提供虛擬服務，同時可以對虛擬機進行管理，可進行虛擬機的創建、開機、關機、掛起、暫停、調整、遷移、重啟、銷毀等操作。

4.2? ?智慧云服務平臺——服務管理端

服務管理端平臺主要是供管理員使用，其主要職責是對服務資源、服務對象、服務內容、服務計劃負責。而學生則可以直接在門戶網站進行相關（想申請的桌面、想要的操作系統、想要的軟件、申請的時間）申請，由管理員進行統一管理。服務管理端平臺基于WEB界面，不會局限于教師只能在某一地點才能進行設置管理，提高了辦公的移動性和辦公效率。

4.3? ?智慧云服務平臺——門戶網站

門戶網站主要面對的是學生和想要利用虛擬桌面進行研發的教師。教師和學生可以在網站上查看服務桌面的數量、可預約的數量、可使用的數量、Windows與Linux操作系統的數量，實現服務桌面的使用、預約、取消預約，作業的發布、提交，以及課程資料的上傳、課程資源的下載、教學云盤的使用等功能模塊，使學生即使在家里也可遠程收到教師布置的作業，完成相關的學科實驗。

5? 可實現功能及效益分析（Analysis of possible functions and benefits）

5.1? ?可實現功能

（1）統一桌面服務門戶：針對管理員、教師、學生等不同權限用戶，提供統一的門戶入口，不同角色登錄后，均可進入桌面服務中心，使用自己權限范圍內的功能模塊，能夠實現桌面預約的管理和使用，針對不同的實驗環境自動回收策略，按需獲取作業空間及學習網盤服務。

（2）終端接入訪問不受時間地點限制：第一，師生可通過任意PC或者筆記本終端隨時隨地訪問服務桌面;第二，通過云端服務器提供實驗桌面環境，解決終端設備差異的兼容性問題;第三，交付的桌面環境可獲得高性能體驗。

（3）根據不同教學科研的需求定制云桌面服務計劃，從“量”和“時”兩個維度出發進行桌面服務的定制：一方面，從資源使用量需求出發，針對服務桌面的使用人數、并發使用量、資源配額要求、云桌面用途來定制資源整體用量;另一方面，從資源使用時間出發，定制云桌面服務時間計劃，針對不同實驗環境、科研環境設定使用時長、使用時間段和周期。

（4）交付一整套桌面環境：可以針對每個學生用戶交付定制化獨立的桌面環境，也可以針對不同專業或多個班級（跨專業融合課）交付一致的桌面環境。

（5）服務桌面自動發布：任課教師根據設置的服務時間計劃，自動觸發發布桌面，在服務時間計劃內，桌面可以被預約使用，學生可以預約多個時間段，可以查看預約總時長、剩余時長，根據自己課外的時間合理安排實驗時間，實現教師工作減負，學生使用更靈活。

（6）角色分層，權限隔離：根據交付用戶的特性，通過平臺設置多種角色，角色大類包括管理角色（任課教師、學生管理員）、運維角色（機房管理人員）、用戶角色（學生、科研人員）。按照內容管理角色分層分級，權限分離，實現精細化管理，用戶統一身份認證，所有角色的資源互相獨立，訪問安全隔離。

（7）基礎架構混合集成：底層基礎架構采用混合模式，支持E-VDI和eDaaS混合部署模式，按需對外提供服務桌面基礎設施資源混合集成和資源集中構建（資源池、服務模板、鏡像等），能夠集中管理與運維。一套硬件資源可以保證日常教學、實驗、科研同時使用，在課堂內資源優先保證教學業務，在課外資源可以靈活調度提供實驗實訓、科研等活動。

（8）服務數據可視化多維度呈現：根據底層基礎架構融合，實現統一的數據庫調度與運維，能夠按照不同維度提供BI展示。針對管理運維BI：展現軟硬件服務資源總量、資源使用情況、服務對象、數據對比;針對教師用戶BI：提供任課教師教學過程數據呈現，使教師掌握學生的實驗和作業情況;針對學生用戶BI：提供學生歷史預約記錄、使用記錄數據BI展示。

（9）平臺服務規模自由擴展：根據不同組織的資源訴求，彈性調整組織配額，可以靈活控制資源負載上限，保護資源合理分配使用，減少占用浪費;根據平臺資源使用率可視化分析，合理規劃擴展資源，不影響現有服務使用。

5.2? ?經濟及社會效益

（1）提升效率：采用先進的技術提升管理效率，解決了工作量大的問題，同時符合教育信息化管理的發展方向;實現了課堂實驗教學環境“延續”到課外，隨時隨地實驗和訓練。

（2）改善性能：通過引入一些新的技術解決了現有傳統臺式計算機硬件配置固定無法調整的局限性，從而使得每個實驗室按需分配，性能最大程度地滿足教學的需要;各類資源（硬件、軟件）的有效整合利用，構建了“教、學、訓、研”數字化桌面空間。

（3）提升安全性：改變分散式的管理模式，降低終端病毒侵入、系統軟件故障的發生概率，從而提升信息化教學的管理安全性。

（4）提升擴展性：考慮到將來整個實驗中心內部運行管理模式的提升，通過數據沉淀（基礎資源數據、實驗教學數據、

學生過程數據、服務數據等）、數據分析和可視化呈現，支撐教學改革和決策規劃。

6? ?結論（Conclusion）

本文主要分析了如何建設智慧云服務平臺，為師生提供一個開放的、靈活的、可靠的私有云實驗環境，結合多媒體教學、監控系統、錄播、實訓教程、資源課程，形成學院內部的IT資源服務中心，面向教師、學生、科研團隊提供“自助式桌面云服務平臺”，由傳統的5×8 h學習延伸為7×24 h的自助式學習，突破學生只能在實驗室學習的局限。在不影響正常教學的前提下，將閑置的物理資源回收并以課程服務桌面的形式按需交付給學生、教師、科研團隊，使教學、實驗能夠“延續”到課外，最大化利用有限的資源環境，實現桌面資源的分時復用，提高教與學的質量，推動學院的教育信息化建設邁上一個新的臺階。

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作者簡介：

李季明（1980-），男，碩士，實驗師.研究領域：實驗室管理，計算機應用，物流管理，復雜網絡.

高猛猛（1994-），男，碩士，助理實驗師.研究領域：實驗室管理，物流管理，復雜網絡.