基于網(wǎng)格的高等教育評(píng)估系統(tǒng)研究

摘 要：應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)、網(wǎng)格、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，結(jié)合高等教育評(píng)估指標(biāo)體系，提出一種基于網(wǎng)格的高等教育計(jì)算機(jī)模糊評(píng)估的設(shè)計(jì)方案。該方案采用了多策略方法確定指標(biāo)權(quán)重，并用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)確定評(píng)估矩陣；在此基礎(chǔ)上對(duì)高等教育進(jìn)行綜合評(píng)估，以實(shí)現(xiàn)對(duì)高等教育的評(píng)估更加快捷、方便、準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)格； 高等教育評(píng)估系統(tǒng)； 存儲(chǔ)資源代理； 元數(shù)據(jù)目錄； 權(quán)重； 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP311.13文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-3695(2007)06-0034-04

1 背景

1.1 網(wǎng)格的概念

網(wǎng)格［1］產(chǎn)生于20世紀(jì)90年代中期，它是從電力網(wǎng)借鑒過(guò)來(lái)的。網(wǎng)格的最終目的是利用互聯(lián)網(wǎng)把分散在不同地理位置的計(jì)算機(jī)組織成一臺(tái)虛擬的超級(jí)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源、軟件資源、網(wǎng)絡(luò)資源、通信資源、知識(shí)資源、專家資源等資源的全面共享。

網(wǎng)格是一種關(guān)系科研、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、國(guó)防的重要國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施，在國(guó)內(nèi)外都引起了廣泛關(guān)注，各國(guó)政府和企業(yè)也大力支持網(wǎng)格計(jì)算的研究。美國(guó)政府在網(wǎng)格技術(shù)的基礎(chǔ)研究上，每年投入的經(jīng)費(fèi)就高達(dá)5億美元。英國(guó)政府宣布投資1億英鎊，用于研發(fā)英國(guó)國(guó)家網(wǎng)格。日本NTT數(shù)據(jù)

公司聯(lián)合Intel、SG等，在2002年中期開(kāi)展了為期六個(gè)月的網(wǎng)格計(jì)算試驗(yàn)。甚至連印度都啟動(dòng)了建設(shè)國(guó)家網(wǎng)格計(jì)劃。我國(guó)對(duì)網(wǎng)格技術(shù)的研究雖然起步較晚，但由于它是一項(xiàng)新興技術(shù)，國(guó)家對(duì)此非常重視，投入了大量的物力、人力。2002年4月，國(guó)家科技部召開(kāi)了網(wǎng)格戰(zhàn)略研討會(huì)，確認(rèn)將網(wǎng)格的研究和應(yīng)用列為“863”計(jì)劃的一個(gè)專項(xiàng)，其專項(xiàng)投資高達(dá)3億。2003年9月，英特爾與教育部宣布推動(dòng)基于安騰２架構(gòu)的教育科研網(wǎng)格計(jì)劃，將全面提高我國(guó)教育信息化基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)水平和高等學(xué)校的科研水平。

1.2 高等教育評(píng)估面臨的問(wèn)題

高等教育評(píng)估主要是對(duì)學(xué)校的辦學(xué)條件、學(xué)生素質(zhì)、理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、教師水平和教學(xué)管理等諸多因素的綜合評(píng)估。它具有多因素性、模糊性和動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)。通過(guò)評(píng)估，可以獲得關(guān)于教育的各種反饋信息；通過(guò)分析和研究這些反饋信息，才能發(fā)現(xiàn)教育中存在的諸多問(wèn)題，并找出問(wèn)題產(chǎn)生的原因，有針對(duì)性地采取解決措施，從而推動(dòng)高等教育質(zhì)量的提高。

由于我國(guó)高等教育評(píng)估理論研究相對(duì)滯后，評(píng)估活動(dòng)開(kāi)展的時(shí)間較短，仍處于初級(jí)階段。目前，高等教育評(píng)估主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

(1)評(píng)估理論體系和操作體系不完善。

由于我國(guó)真正開(kāi)展高等教育評(píng)估的理論研究和實(shí)踐的時(shí)間較短，目前大多仍是借鑒和移植國(guó)外的評(píng)估理論及經(jīng)驗(yàn)，尚未真正建立起符合我國(guó)國(guó)情的高等教育評(píng)估理論體系和操作體系。

(2)評(píng)估模式相對(duì)落后。

縱觀我國(guó)的高等教育評(píng)估模式，大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：

手工評(píng)估模式階段。主要采用問(wèn)卷調(diào)查或?qū)＜掖蚍郑詈帽砀窠y(tǒng)一收齊后交給專門(mén)的統(tǒng)計(jì)人員進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析并得出結(jié)論。該模式不但耗費(fèi)太多的人力、財(cái)力、時(shí)間，而且統(tǒng)計(jì)工作相當(dāng)煩瑣，統(tǒng)計(jì)結(jié)果又不利于保存。

單機(jī)評(píng)估模式階段。該模式是在手工評(píng)估模式的基礎(chǔ)上，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析并得出結(jié)論。與手工模式相比，在評(píng)估效率上有所提高，但系統(tǒng)開(kāi)放性差，信息共享性差，而且容易形成信息孤島。

網(wǎng)絡(luò)評(píng)估模式階段。以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為操作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)高等教育評(píng)估的所有功能。實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)硬件的連通，與前面兩種形式相比，具有一定的優(yōu)點(diǎn)；但還沒(méi)有解決互聯(lián)網(wǎng)上所有高等教育評(píng)估資源的全面連通，沒(méi)有真正解決信息孤島的問(wèn)題。

(3)評(píng)估算法的單一。

評(píng)估算法的好壞直接影響到評(píng)估效果。從以往的評(píng)估實(shí)踐來(lái)看，還有不少缺陷，如傳統(tǒng)的方法是選擇若干評(píng)估要素和指標(biāo)，人為地賦予每個(gè)要素或指標(biāo)特定的權(quán)重系數(shù)，然后根據(jù)專家評(píng)估組的打分進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算而獲得評(píng)估結(jié)果。盡管這種判斷可以說(shuō)是一種從定性到定量的飛躍，但這種方法主觀性較大，信息丟失較多，因而容易使評(píng)估精度和靈敏度都比較低。

1.3 教育評(píng)估網(wǎng)格建立的必要性

高等教育評(píng)估工作是采集、處理教育評(píng)估數(shù)據(jù)并向相關(guān)部門(mén)提供信息服務(wù)的工作。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，高等教育評(píng)估工作也面臨著巨大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

(1)2003年9月，教育部決定啟動(dòng)“教育科研網(wǎng)格(ChinaGrid)”項(xiàng)目。教育部副部長(zhǎng)趙沁平任項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)小組組長(zhǎng)，華中科技大學(xué)博士生導(dǎo)師金海博士擔(dān)任項(xiàng)目專家組組長(zhǎng)，全國(guó)共有12所高校獲準(zhǔn)參與該項(xiàng)目的科技攻關(guān)。該項(xiàng)目完成后，可實(shí)現(xiàn)全國(guó)100所重點(diǎn)大學(xué)計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)、信息、專家資源的全面共享，大大簡(jiǎn)化和方便了全國(guó)教育系統(tǒng)的資源配置，全面提高了我國(guó)高等教育信息化基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)水平和高校教學(xué)科研水平。

(2)高等教育評(píng)估是一個(gè)系統(tǒng)工程。要想從本質(zhì)上解決中國(guó)高等教育評(píng)估的問(wèn)題，就要站在信息技術(shù)的前沿，充分利用中國(guó)教育科研網(wǎng)格，將評(píng)估數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化后得到廣泛應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)一體化信息的管理與共享，為高等教育評(píng)估工作提供有效的、便捷的、廉價(jià)的服務(wù)，推動(dòng)我國(guó)高等教育評(píng)估工作向前發(fā)展。

(3)網(wǎng)格技術(shù)能夠?qū)⒑Ａ康摹⒎植荚诟鞯氐脑u(píng)估資源進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)全面共享，為解決目前高等教育評(píng)估信息應(yīng)用中所面臨的問(wèn)題提供一種切實(shí)可行的技術(shù)支持。

(4)建立一個(gè)高等教育評(píng)估網(wǎng)格，利用網(wǎng)格技術(shù)來(lái)滿足各高校在進(jìn)行評(píng)估時(shí)對(duì)高性能、大容量分布存儲(chǔ)和分布式計(jì)算等需求，從而有利于各高校有效地尋找可用資源、訪問(wèn)數(shù)據(jù)和共享數(shù)據(jù)。另外，挖掘隱藏在評(píng)估數(shù)據(jù)中關(guān)聯(lián)信息和同源關(guān)系等，有利于國(guó)家對(duì)高等教育的各項(xiàng)工作進(jìn)行宏觀管理和指導(dǎo)。

2 高等教育評(píng)估網(wǎng)格的體系結(jié)構(gòu)

該體系結(jié)構(gòu)由前臺(tái)用戶界面和后臺(tái)網(wǎng)格服務(wù)系統(tǒng)組成，如圖1所示。

前臺(tái)是基于Windows環(huán)境的用戶界面，它提供了評(píng)估方案的輸入、評(píng)估結(jié)果的查詢及顯示等，并把相關(guān)的需求提交給后臺(tái)網(wǎng)格服務(wù)系統(tǒng)處理。后臺(tái)是基于Linux環(huán)境的，由網(wǎng)格服務(wù)代理和工作站機(jī)群構(gòu)成，主要根據(jù)從前臺(tái)獲取的需求提供相應(yīng)的網(wǎng)格服務(wù)，如確定最優(yōu)評(píng)估矩陣。

圖1 高等教育評(píng)估網(wǎng)格的體系結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)維護(hù)、模糊評(píng)估、信息查詢、數(shù)據(jù)分析、報(bào)表打印五大模塊組成。其功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

(1)數(shù)據(jù)維護(hù)主要包括對(duì)評(píng)估指標(biāo)、指標(biāo)權(quán)重、評(píng)估等級(jí)、評(píng)估結(jié)果等信息的插入、修改、刪除等基本操作。

(2)模糊評(píng)估包括評(píng)估指標(biāo)的確定、評(píng)估等級(jí)的確定、評(píng)估算法的確定、權(quán)重的確定。

(3)信息查詢包括對(duì)評(píng)估指標(biāo)、評(píng)估結(jié)果、權(quán)重等信息進(jìn)行查詢。

(4)數(shù)據(jù)分析包括對(duì)權(quán)重、評(píng)估指標(biāo)、評(píng)估結(jié)果等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

(5)報(bào)表打印包括對(duì)評(píng)估結(jié)果、評(píng)估指標(biāo)、指標(biāo)權(quán)重等信息進(jìn)行打印。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 存儲(chǔ)資源代理

眾所周知，存儲(chǔ)資源代理［2］是網(wǎng)格中的數(shù)據(jù)管理核心，是為高層應(yīng)用訪問(wèn)分布的異構(gòu)存儲(chǔ)資源和數(shù)據(jù)副本提供統(tǒng)一接口的中間件。可將其分為三個(gè)層次，即高層服務(wù)、中間層服務(wù)和核心服務(wù)。不同的模塊之間相互作用，共同實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理功能。其軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 存儲(chǔ)資源代理的軟件結(jié)構(gòu)

存儲(chǔ)資源代理可以分為數(shù)據(jù)副本管理、數(shù)據(jù)移動(dòng)、數(shù)據(jù)訪問(wèn)、數(shù)據(jù)定位、緩沖區(qū)、查詢優(yōu)化和訪問(wèn)模式管理、存儲(chǔ)管理等幾個(gè)模塊。數(shù)據(jù)副本管理模塊主要負(fù)責(zé)管理文件和元數(shù)據(jù)副本，它需調(diào)用數(shù)據(jù)移動(dòng)模塊完成管理功能。數(shù)據(jù)移動(dòng)模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)在不同存儲(chǔ)資源之間的移動(dòng)，通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)定位模塊確定數(shù)據(jù)的物理位置；然后通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)訪問(wèn)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)。數(shù)據(jù)訪問(wèn)模塊主要負(fù)責(zé)與具體的存儲(chǔ)設(shè)備和其他的存儲(chǔ)資源代理聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問(wèn)。數(shù)據(jù)定位模塊把一個(gè)與位置無(wú)關(guān)的標(biāo)志符轉(zhuǎn)換成一個(gè)與位置有關(guān)的標(biāo)志符，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)物理位置定位；數(shù)據(jù)定位過(guò)程中，需要利用元數(shù)據(jù)目錄獲取有關(guān)數(shù)據(jù)的各種信息。緩沖區(qū)的主要目標(biāo)是提高數(shù)據(jù)訪問(wèn)的效率。查詢優(yōu)化和訪問(wèn)模式管理模塊可以保證對(duì)給定的一個(gè)查詢，執(zhí)行一個(gè)優(yōu)化的遷移和復(fù)制操作，包括動(dòng)態(tài)監(jiān)控和配置信息在內(nèi)的元數(shù)據(jù)的支持。存儲(chǔ)管理模塊主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)本地存儲(chǔ)系統(tǒng)的資源。當(dāng)然，這些模塊的正常工作均離不開(kāi)網(wǎng)格安全機(jī)制的支持。

4.2 元數(shù)據(jù)目錄

元數(shù)據(jù)［3］根據(jù)其所描述的內(nèi)容可分為以下三類：

(1)應(yīng)用元數(shù)據(jù)。描述文件的內(nèi)容或?qū)μ幚碓撐募膽?yīng)用程序有用的信息，如數(shù)據(jù)的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)、獲取數(shù)據(jù)的必要條件等。

(2)系統(tǒng)元數(shù)據(jù)。描述網(wǎng)格自身結(jié)構(gòu)的信息，如存儲(chǔ)系統(tǒng)的容量和使用策略等。

(3)副本元數(shù)據(jù)。描述關(guān)于數(shù)據(jù)副本的信息，如文件與具體存儲(chǔ)系統(tǒng)之間的映射信息等。

網(wǎng)格中的所有元數(shù)據(jù)構(gòu)成元數(shù)據(jù)目錄［4］，它為用戶身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)定位、訪問(wèn)控制、數(shù)據(jù)復(fù)制等提供支持。一個(gè)網(wǎng)格至少要建立一個(gè)主元數(shù)據(jù)目錄；根據(jù)實(shí)際情況可以建立子元數(shù)據(jù)目錄；整個(gè)元數(shù)據(jù)目錄構(gòu)成一個(gè)樹(shù)型結(jié)構(gòu)。應(yīng)用程序通過(guò)元數(shù)據(jù)目錄來(lái)獲取所需文件，當(dāng)應(yīng)用程序提交所需要數(shù)據(jù)的某些特性后，元數(shù)據(jù)目錄根據(jù)這些特性與某邏輯文件相關(guān)聯(lián)。復(fù)制文件管理模塊將使用復(fù)制管理元數(shù)據(jù)來(lái)定位該邏輯文件的物理位置以供訪問(wèn)。

隨著網(wǎng)格的不斷發(fā)展，元數(shù)據(jù)在不斷增多，其結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，使元數(shù)據(jù)的管理變得更為復(fù)雜。主要表現(xiàn)如下：

（1）不同的系統(tǒng)可能采用不同的方法來(lái)存儲(chǔ)和描述元數(shù)據(jù)，因此元數(shù)據(jù)管理既要能管理這種異構(gòu)性，又要保證在分布式環(huán)境中元數(shù)據(jù)訪問(wèn)的效率；

（2）元數(shù)據(jù)目錄應(yīng)該采用具有良好可擴(kuò)展性的層次式分布式結(jié)構(gòu)，它要能支持大規(guī)模組織中的各種信息源；

（3）元數(shù)據(jù)目錄需要一套合理的管理機(jī)制。

4.3 計(jì)算機(jī)模糊評(píng)估

4.3.1 指標(biāo)權(quán)重的確定

為了使指標(biāo)權(quán)重的確定更科學(xué)合理，本文提出一種基于德?tīng)柗瀑x權(quán)、主成分賦權(quán)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的多策略評(píng)估賦權(quán)［5，6］方法。

其主要思路如下：

首先，利用德?tīng)柗瀑x權(quán)法，根據(jù)建立的指標(biāo)體系和專家的經(jīng)驗(yàn)判斷，由評(píng)估組專家直接對(duì)各個(gè)評(píng)估指標(biāo)賦權(quán)。

其次，利用主成分分析法對(duì)指標(biāo)體系的指標(biāo)層權(quán)重進(jìn)行調(diào)整，從而做到指標(biāo)的動(dòng)態(tài)賦權(quán)。

在這里可以將上述兩種方法集成在一起。具體算法如下：

最后，根據(jù)變換后的評(píng)估數(shù)據(jù)和綜合評(píng)價(jià)結(jié)果作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)樣本，通過(guò)學(xué)習(xí)將專家的經(jīng)驗(yàn)和指標(biāo)數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律作為知識(shí)積累起來(lái)，并最后得到各指標(biāo)的權(quán)重。這樣既可以把人的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)充分利用，又可以擺脫人為主觀因素的干擾。

4.3.2 計(jì)算機(jī)模糊評(píng)估模型的建立

建立高等教育計(jì)算機(jī)模糊評(píng)估模型［7，8］的步驟如下(以實(shí)踐教學(xué)為例來(lái)說(shuō)明)：

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)基于Windows、Linux和Globus Toolkit 3環(huán)境下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格服務(wù)。高等教育評(píng)估網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)的基本框架如圖5所示。

用戶通過(guò)網(wǎng)格應(yīng)用入口提交應(yīng)用請(qǐng)求；服務(wù)代理負(fù)責(zé)接收用戶請(qǐng)求，并從注冊(cè)中心搜尋能夠提供和處理該類請(qǐng)求的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，將請(qǐng)求提交到節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)利用資源存儲(chǔ)代理從物理存儲(chǔ)設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)，同時(shí)啟動(dòng)并行數(shù)據(jù)處理算法，進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算；網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)計(jì)算結(jié)束后，負(fù)責(zé)把分布在各個(gè)參與訪問(wèn)問(wèn)題計(jì)算的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)匯集起來(lái)，得到完整的計(jì)算結(jié)果。

6 結(jié)束語(yǔ)

高等教育評(píng)估應(yīng)用網(wǎng)格是以網(wǎng)格技術(shù)為基礎(chǔ)，以國(guó)家高等教育評(píng)估工作為依托，基于寬帶傳輸、海量數(shù)據(jù)組織、模糊評(píng)估技術(shù)和網(wǎng)格基礎(chǔ)支撐環(huán)境等多領(lǐng)域的應(yīng)用平臺(tái)。評(píng)估信息的處理和應(yīng)用是分布式的、協(xié)作式和智能化的。系統(tǒng)能夠利用分布的數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)相應(yīng)的評(píng)估信息進(jìn)行分析、處理，形成高等教育評(píng)估功能強(qiáng)大的分布計(jì)算能力以及高速的評(píng)估信息獲取、傳輸、存儲(chǔ)和共享。高等教育評(píng)估應(yīng)用網(wǎng)格的研究還處于起步階段，尚需在體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格關(guān)鍵技術(shù)、并行數(shù)據(jù)處理等方面作深入研究。

本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。