高校智慧后勤建設與應用

張 軍，劉亞茹

（河南水利與環境職業學院，河南 鄭州 450008）

0 引言

近年來,高校信息化建設由互聯網逐漸過渡到物聯網全新階段,智慧后勤建設作為物聯網建設的重要部分,成為高校信息化建設的重點領域。 自2015 年至今,作為信息化建設不可缺少的一環,高校智慧后勤建設依然處于初級階段。 目前,高校智慧后勤建設主要偏重于基礎設施層面和技術層面［1］。 2019 年《綠色校園評價標準》和2021 年《高等學校數字校園建設規范(試行)》等文件提出將“資源節約型、優質服務型”作為智慧化后勤未來建設目標和數字校園建設的重要組成部分。

1 研究意義

目前,高校智慧后勤建設主要偏重于基礎設施層面和技術層面的建設。 當前智慧后勤建設的新熱點是將5G 信息與高校后勤管理信息化系統有效結合,提升高校內部管控和安全管理,實現“管理育人、服務育人、環境育人”的宗旨［2］。 智慧后勤綜合管理平臺通過運用物聯網、5G 通信等技術,融合軟硬件、IT 信息系統等方法,打通后勤各系統之間的信息孤島,實現信息資源共享及優化配置［3］。 智慧后勤綜合管理平臺通過集成學習數據算法、空間地理信息等技術獲取基礎數據,借助具有動態識別的智慧后勤管控預測模型實現數據分析。 根據數據分析結果將智慧后勤綜合管理平臺應用到提升學校的風險識別、預測、處置等信息化治理能力等場景中,實現高校后勤管理環閉信息鏈,更好地服務于高校發展和改革,推動高校后勤的單一智能化場景向全方位的智慧化轉變［4-5］。 本次研究對破解后勤管理工作中的沒有風險預測、后勤工作數據不直觀等難題,提高高校管理效率,具有重大意義。

國內對于智慧后勤研究仍處于相對較少的階段。目前,智慧后勤研究遵循“以人為本、重在服務”的目標。 基于物聯網等技術的智能化后勤建設改變原有數據采集應用的方式,服務設計思維從解決單個問題上升到對整個智能化后勤進行全面統籌規劃［6］。 國外對于智慧后勤的研究和應用已覆蓋教育領域各個方面,例如美國賓夕法尼亞大學已經推出新型Penny Card,此卡基于物聯網與無線射頻技術設計,擁有銀行卡功能和SIM 卡功能,可以利用手機實現小額支付功能,幾乎涵蓋了校園的所有業務［7］。 北卡羅來納州立大學通過建設云計算平臺,為校內提供資源整合與管理服務等［8］。

2 研究內容

2.1 開發智慧后勤綜合管理平臺

2.1.1 頂層設計

課題研究融合智慧管理、智慧服務、大數據分析、5G 通信等技術,構建集智能化感知、智能化控制、智能化互動反饋、智能化數據分析、智能化視窗于一體的智慧后勤管理系統平臺,實現后勤信息化服務。 通過對基礎數據的分析,完成風險識別、處置風險的任務。 平臺構建基于大數據分析的決策支持系統,為學校內涵發展和質量提升提供信息化的支撐,提高學校的信息化治理水平。

2.1.2 基礎設計

智慧后勤綜合管理平臺以地理信息技術(GIS)為基礎,以三維可視化場景為基礎,以5G 通信技術為保障,借助“物聯網+大數據+人工智能”的模式實現數據采集、分析和決策建議等功能服務,幫助高校合理配置資源。 基礎架構自底向上分為設備層、網絡層和應用層。

(1)設備層。 設備層采用多種物聯網設備,運用無線傳感、射頻識別等各種感知技術采集水電能耗的使用狀態數據、設施設備的運行狀態等數據。 檢測數據包括水壓力、流量、水質(礦物質含量、含氧量、水質硬度等)、閥門開閉狀態、用電負荷、線纜溫度等。

(2)網絡層。 運用5G 技術,網絡層將采集到的數據通過MQTT 傳輸協議由物聯網模塊發送至后臺服務器。 網絡層通過MQTT 傳輸協議將設備運行狀態數據采集至服務端,并將數據以Web 頁面的方式呈現出來。

(3)應用層。 在智慧后勤綜合管理平臺上運用云計算、集成學習數據算法、空間地理信息技術等新一代信息技術,對基礎數據進行分析處理后,通過移動端、PC 端、運營端等各種信息化的便捷手段,給校領導、師生、教職工、運行維護人員等提供服務。

2.1.3 架構設計

(1)一體化。 平臺通過云技術構建信息共享的基礎平臺,把各應用系統嵌入云平臺。 平臺使用CAS 技術(中央認證服務),實現用戶信息、設備信息、使用信息、操作界面信息的共享,統一操作界面、統一數據訪問、統一身份認證、統一資源調用,為實現大數據分析及個性化使用提供基礎。

(2)智能化。 平臺通過物聯網技術把所有設備物聯起來,實現一個平臺對所有設備的集中管控。 所有設備可以根據學校需要實現自動化、場景化運行,同時亦可以通過智能語音技術、人機交互方式將從傳統的鼠標鍵盤操作演化到自然的語音命令控制交互,真正實現設備管理的智能化。

(3)數據化。 平臺通過數據化分析各類平臺、設備、資源的利用率,能夠準確地幫助后勤管理進行決策,幫助人員對設備進行有效管理,對某一設施進行針對性關注,加強薄弱環節完善。

(4)可視化。 平臺借助拼接屏直觀地展示全校設施設備建設及使用情況,包括:設備投放及使用情況、故障發生與維護情況及全校實時實況,有利于分享建設成果、突顯建設成績。

(5)特色設計。 智慧后勤綜合管理平臺的特色突出表現物聯融合系統化、能源管控專業化、服務管理規范化和決策分析智能化4 個方面。

①物聯融合系統化:通過物聯網設備,在線實時監測,將設備、事務、流程信息都轉化為數據,各個物聯網設備之間互聯互通,通過事先設定的規則引擎,實現資源利用率和生產水平的提高。

②能源管控專業化:專業化的能源管控,保障了計劃用能的準確實施,精準定位耗能漏洞,提供專業的節能運行建議,延長能源設備的使用壽命,降低能源運行成本。

③服務管理規范化:消除信息孤島、數據孤島,讓信息實時共享,各級人員及時了解、掌控、分析工作事項的進度、狀態、問題等；自動化、流程化的管理方式,讓事找人,使業務流程規范化、流轉過程自動化,進而提高工作效率。

④決策分析智能化:對歷史數據進行消化、分析,智能推送分析結果,讓決策更加具有針對性、有效性,讓決策更加貼近實際,增加決策的創新能力。

2.2 創新水、電、氣、暖等領域節能管控算法

平臺層是智慧后勤的核心,提供數據管理、挖掘、分析的支撐,包括對結構化與非結構化數據的治理。結構化數據主要來源于后勤業務數據,非結構化數據主要來源于智能感知數據,數據層兼顧各種結構數據的整合和管理。 本課題在已有平臺基礎上,融入一種水、電領域節能管控優化算法模型。

2.2.1 數據預處理

在智慧后勤綜合管理平臺基礎之上,本研究通過對校園水、電、氣、暖等能源在使用過程中產生的數據進行搜集,對搜集到的數據進行預處理。 預處理數據主要分為兩步,即為數據的隨機排序和數據分類。 在已采集好的數據中,存在由于網絡問題、異常處理不及時等原因而造成的缺損值、重復值、離群值等數據問題,會對算法模型的構建成功與否造成影響。 由于采集到的數據指標類型不一樣,有圖像數據、連續性數據、數值型數據等,因此要對搜集的原始數據進行數據清洗,包括去重、填補缺失值、刪除離群值等相關預處理工作。 為了滿足算法模型對數據輸入的要求和達到提升預測效果的目的,本次研究采用熱卡填充法解決數據缺失問題。 為了過濾掉異常值計劃采用經典的正態分布假設,本研究對清洗后的數據進行數據轉換和Z標準化。

2.2.2 數據模型選取

基于本次課題研究目的選擇機器學習中集成學習模型,在Spark 平臺運用長短期記憶網絡模型和集成學習模型分別對實際的采集后勤數據進行預測。 在集成學習模型中,計劃改進傳統Stacking 框架忽略特征重要度的缺點,同時挖掘一些時間維度特征和后勤設備的信息特征,以完善該集成學習模型。

2.2.3 模型訓練

針對集成學習模型,結合常用的梯度學習算法,本課題使用BPTT 算法進行模型訓練,找出符合監測后勤設備的穩定模型,降低預測誤差率。 本課題將兩種模型混合,通過分配不同的權值,來減少單一模型可能帶來的泛化性能不佳或陷入區域最小值等問題。 本課題結合氣候變化等因素,實現能源指標的合理度評價。氣溫的變化會導致供水管網壓力變化而帶來的供水管網破裂,影響供水管網運行安全；不同用電區域的電能負荷變化會帶來的三相不平衡用電,影響供電電網運行安全的能耗走勢的科學預測。

2.2.4 風險預測

在智慧后勤綜合管理平臺中,本課題將報修事項、維修事項、效率管理等進行了綜合,打通現有的報修管理系統、資產管理系統、采購管理系統等信息孤島,激活各個系統的信息數據,提高數據活性,增強后勤的智慧管理能力。 通過人員報修數據或系統自主發現已出現的故障數據,綜合需維修設備的運行數據(如投運年限、設計壽命等),基于本課題研究的智能算法,預測其他同類設備是否存在故障風險或故障風險概率,并依據現有經驗數據自動輸出相應的處置管理辦法。 平臺能夠精準地統計出水、電、氣、暖等分類能耗和綜合能耗,系統以曲線圖形展現各類能耗的消耗趨勢,便于管理方實時掌控能源消耗情況。 同時,平臺還可以展示逐時、逐日、逐月、逐年的能耗數據報表,分類能耗數據,展示分項數據逐時統計,并與往年同期用能記錄情況進行對比,掌握用能趨勢。 通過進一步的數據分析,定位高耗能點問題所在,幫助學校做好高耗能、高排放、高污染項目的改造工作,使高校在對設備改造與新建的過程中,進一步節約能源,節約成本。 幫助校園建筑及設備設施等實現綠色運行管理,總體達到資源節約型、環境友好型、管理智慧型綠色學校的標準。

3 實現后勤智慧化管理

面對信息化日益增強的形式,后勤工作的數據越來越多樣化、多元化、多途徑,給后勤工作帶來了極大的困擾。 建設智慧后勤綜合管理平臺的首要目標就是解決在當今信息爆炸的時代后勤的運行管理工作的效率問題。 通過智慧后勤綜合管理平臺,利用物聯網、大數據、人工智能等新興技術將資源進行有效整合,實現減員增效。

4 結語

高校后勤管理系統不僅僅為教師和學生服務,同時也承擔著管理學校教學育人的重任。 在這個信息化的時代背景下,在后勤管理各環節中使用以計算機技術為基礎的各種先進技術,能夠促使管理模塊合理化、管理方法科學化、管理過程規范化、管理質量標準化。高校后勤管理系統能為高校教育的管理服務實現整體化創造條件,提高人、財、物的利用效率,為高校各項事業的可持續發展做出貢獻。