“互聯(lián)網+智慧校園”的立體架構及應用研究 *

王 曦

(南陽師范學院 軟件學院，河南 南陽 473061)

“互聯(lián)網+智慧校園”的立體架構及應用研究 *

王 曦

(南陽師范學院 軟件學院，河南 南陽 473061)

隨著“互聯(lián)網+”時代的到來，互聯(lián)網為智慧校園建設帶來了機遇和挑戰(zhàn)。“互聯(lián)網+智慧校園”意味著將互聯(lián)網和智慧校園深度融合，具有新的技術形態(tài)、數據形態(tài)、組織形態(tài)、空間形態(tài)、結構形態(tài)和關系形態(tài)。該文構建了由校園感知層、數據傳輸層、數據智能處理與存儲層、支撐服務層、應用服務層、智慧應用層6個橫向的層次，標準與評估體系、安全保障體系2個縱向體系組成的“六橫兩縱”智慧校園立體技術體系架構，并以智慧管理、智慧實驗室為例介紹了智慧校園的智慧應用，對“互聯(lián)網+智慧校園”建設進行了初步探討，旨在為“互聯(lián)網+”背景下的智慧校園建設提供參考。

“互聯(lián)網+”；智慧校園；智慧管理；智慧實驗室

一、引言

2015年3月5日，十二屆全國人大三次會議上李克強總理首次提出“互聯(lián)網+”行動計劃。2015年10月，中國共產黨第十八屆中央委員會第五次全體會議公報指出：實施網絡強國戰(zhàn)略，實施“互聯(lián)網+”行動計劃，實施國家大數據戰(zhàn)略，推進數據資源開放共享。由此，“互聯(lián)網+”進入了越來越多人的視野，也引起了各行各業(yè)的探討，正處在信息化高速發(fā)展的教育行業(yè)也包含其中。

目前，大多數高校處于轉型發(fā)展的關鍵時期，人數逐年遞增，規(guī)模逐漸擴大，校園建設過程中出現(xiàn)了諸多新問題、新現(xiàn)象、新特性。如何優(yōu)化和整合校園現(xiàn)有資源，構建便捷、高效、安全、人性化、低碳化的智慧校園，如何將互聯(lián)網思維、互聯(lián)網技術與智慧校園深度融合，解決“互聯(lián)網+”視閾下智慧校園建設中出現(xiàn)的諸多問題，是需要關注和進一步探討的問題[1]。本文將“互聯(lián)網+”與智慧校園結合在一起，概括出“互聯(lián)網+智慧校園”的內涵、特征，嘗試構建了“六橫兩縱”的“互聯(lián)網+智慧校園”立體技術體系架構，并對智慧管理、智慧實驗室兩個智慧應用進行了設計，期望能對“互聯(lián)網+智慧校園”的未來建設帶來一些啟發(fā)。

二、“互聯(lián)網+智慧校園”的內涵特征

“互聯(lián)網+”是互聯(lián)網發(fā)展的新形態(tài)，并非是把互聯(lián)網簡單疊加到傳統(tǒng)行業(yè)上，而是要把物聯(lián)網、大數據、云計算等互聯(lián)網技術與傳統(tǒng)行業(yè)高度融合，利用互聯(lián)網平臺將互聯(lián)網思維、信息通信技術融入傳統(tǒng)行業(yè)的形態(tài)演進和深入應用。過去的信息化校園建設，著重點在于校園內各個傳統(tǒng)業(yè)務環(huán)節(jié)的更新、優(yōu)化，解決的是物理校園內的問題，互聯(lián)網只是作為一種工具加入其中。“互聯(lián)網+”時代，我們面臨的并非是利用互聯(lián)網對校園業(yè)務進行補充、修補，更多的是用互聯(lián)網思維完全顛覆和重塑傳統(tǒng)校園，使其與互聯(lián)網有機地融為一體，從而實現(xiàn)校園頂層設計的“轉型”和底層架構的“升級”，最終產生大量的創(chuàng)新和實用價值[2]。將“互聯(lián)網+”與智慧校園疊加起來，是指以學習、科研、生活、管理為中心，實現(xiàn)校園這一教育載體和以互聯(lián)網為基礎的新技術的連接和融合，構建智能化學習、科研、生活、管理的過程，又指在此過程中打造的一個開放、共享、創(chuàng)新的智能化校園環(huán)境本身。

結合“互聯(lián)網+”與智慧校園的內涵和實際，“互聯(lián)網+智慧校園”的特征可概括為以下幾點：

(一)以泛在網和“云”“端”為核心的技術形態(tài)

“互聯(lián)網+”與智慧校園強調的是無所不在、無所不包、無所不能的泛在網絡，實現(xiàn)“人人”“人物”等各類終端之間信息的獲取、傳輸、存儲、分析、管理、使用，提供隨時、隨地、隨意的順暢通信。“云”指云平臺、云存儲、云計算，“端”指各類移動終端、智能終端。通過“端”連接“云”與用戶之間的數據、信息傳輸，使用戶獲得智能化、個性化便捷服務。

(二)以海量多源異構大數據為基礎的數據形態(tài)

隨著物聯(lián)網、互聯(lián)網的極速發(fā)展，校園內每天產生的數據量級將從現(xiàn)在的GB(Gigabyte)和TB(Terabyte)逐漸增長到PB(Petabyte)甚至EB(Exabyte)級。這些數據具有4V特性、時空多維特性、多尺度與多粒度、多元異構性，以半結構化和非結構化數據為主[3]。通過大數據、數據活化、數據挖掘等數據管理、應用和分析技術，從繁雜的數據中提取、整合信息，服務智慧校園建設。

(三)以實時感知、智能融合為目的組織形態(tài)

通過無所不在的傳感器、移動互聯(lián)網、智能終端，實現(xiàn)隨時隨地的數據獲取、感知和普適計算。通過校園中人與人、人與物、物與物之間的全面互聯(lián)，將新技術滲透到學校的各項業(yè)務中，在各項業(yè)務應用中實現(xiàn)個性定制、功能整合，推動實現(xiàn)智能融合、隨需隨意的個性化應用，充分發(fā)揮智慧校園的整體效能。

(四)物理空間和數字空間無縫銜接的空間形態(tài)

在原來的校園體系中，受地理區(qū)域、物理空間的限制，校園與外界涇渭分明。在“互聯(lián)網+智慧校園”體系中，由于互聯(lián)網的廣泛應用，學習、科研、生活、管理已不局限于校園的物理邊界內，依托互聯(lián)網技術突破了有限的校園視閾，形成廣闊的數字空間，呈現(xiàn)出一種新型的大學校園空間形態(tài)。

(五)“六橫兩縱”立體架構的結構形態(tài)

智慧校園的概念由“智慧城市”衍生而來，智慧校園也是智慧城市的一個縮影。借鑒科技部“863計劃”智慧城市(一期)項目組提出的“六橫兩縱”的智慧城市技術框架，將“互聯(lián)網+智慧校園”的技術體系框架分為校園感知層、數據傳輸層、數據智能處理與存儲層、支撐服務層、應用服務層、智慧應用層等6個橫向的層次，即“六橫”；同時貫穿全局的有標準與評估體系、安全保障體系，即“兩縱”[4]。

(六)高度開放、交互的關系形態(tài)

借助互聯(lián)網的深度融合，智慧校園中的各類信息化應用和“云”深度融合、自由交互，最大程度上發(fā)揮其應用過程中的智慧化。在“互聯(lián)網+”時代，校園中的教學和科研資源打破固有的邊界和區(qū)域，不再局限于校園內部，而是向社會延伸和開放，例如慕課、微課等。在這種關系形態(tài)中，學習個體來源的多樣性、個體學習的自主性、個體之間的交互性、學習范圍的廣闊性都得到了前所未有的拓展。

三、“互聯(lián)網+智慧校園”的立體架構

在“六橫兩縱”的智慧校園立體技術體系架構中，詳細介紹了各層的技術集合，也確定了以校園數據的感知、獲取、傳輸為基礎，以數據的分析、處理為核心，以校園內各種服務應用為目的的基本架構模型。“互聯(lián)網+智慧校園”的“六橫兩縱”立體技術體系架構如圖1所示[5]。

圖1 “互聯(lián)網+智慧校園”的“六橫兩縱”立體技術體系架構

(一)該架構實現(xiàn)的功能需求

1.全方位的智慧聯(lián)通

隨著高校地域、人員擴充，校區(qū)與校區(qū)之間、部門與部門之間的聯(lián)系、溝通顯得尤為重要。智慧校園作為一個感知信息、整合信息、傳播信息的綜合平臺，利用“互聯(lián)網+”的技術優(yōu)勢，實現(xiàn)無時無處不聯(lián)通、長尾聚合、資源高效利用，提高校園的智慧效能。

2.業(yè)務融合的智慧支撐

智慧校園的建設目標就是為了實現(xiàn)各類業(yè)務的智慧融合，打破原有相對封閉、低效的信息化架構。該架構利用目前比較成熟的云計算、大數據、智能設備等高科技手段，打造一個開放、高效、統(tǒng)一的信息化平臺，通過“云”的超大規(guī)模、虛擬化、高可靠性、通用性、按需服務等特征，為各類業(yè)務的使用者提供個性化、智能化服務，提升業(yè)務管理者的決策水平和業(yè)務使用者的學習能力。

3.無縫集成的智慧應用

無縫集成校園內新舊各類智慧應用，消除信息孤島和數據冗余，促進數據利用最大化。利用IT技術，把數據交換、用戶管理、身份認證、資源共享、業(yè)務整合等融合起來，建設一個開放性、兼容性、先進性、安全性、持續(xù)發(fā)展性的智慧校園。例如，將智慧校園中的各類智慧應用集成起來，開發(fā)成APP，實現(xiàn)一鍵操作。

(二)“六橫兩縱”的立體架構

1.校園感知層

通過感知設備、傳感網和各類移動終端對校園實施實時感測，對校園內人的活動狀態(tài)、物的運行狀態(tài)、人與物之間的互動狀態(tài)等實時感知，實時采集數據。校園感知層是“互聯(lián)網+智慧校園”架構中的先決條件和物質基礎。

2.數據傳輸層

采用泛在網中的有線、無線網絡通信技術、專網技術、傳輸控制技術實現(xiàn)自由全面的互聯(lián)，對校園中的數據、聲音、圖像、視頻等信息進行隨時隨地的傳輸。數據傳輸層是“互聯(lián)網+智慧校園”架構中的網絡基礎。

3.數據智能處理與存儲層

利用數據的存儲、清洗、挖掘、分析、活化、建模及安全等相關技術，對匯聚的智慧校園中各種數據進行處理、管理，向上層提供智能處理后的數據支持。數據智能處理與存儲層是“互聯(lián)網+智慧校園”架構中的數據基礎。

4.支撐服務層

利用各種通用、專用技術軟件，構建面向各類校園應用的公共服務支撐平臺，向應用服務層和智慧應用層提供共性服務支持。支撐服務層是“互聯(lián)網+智慧校園”架構中的技術基礎。

5.應用服務層

該層匯聚了不同校園業(yè)務的應用服務，提供了連接智慧應用層的平臺開發(fā)技術，是構建校園內各智慧應用領域的基礎，也實現(xiàn)了校園內外跨地域、跨部門、跨業(yè)務的交互應用。應用服務層是“互聯(lián)網+智慧校園”架構中的應用基礎。

6.智慧應用層

包括校園內各個智慧型應用，直接面向各類終端和各級用戶，為各類用戶、系統(tǒng)提供具體的智慧應用。根據“軟”“硬”件區(qū)分，智慧應用可歸納為下面兩大類[6]：“智慧軟件”側重于過程的智慧化，“智慧硬件”側重于物理技術架構的智慧化。

7.標準與評估體系、安全保障體系

“互聯(lián)網+智慧校園”中，標準與評估體系主要由信息技術基礎標準體系、信息資源標準體系、網絡基礎設施標準體系、信息安全標準體系、應用標準體系、管理標準體系等組成，安全保障體系包括網絡安全、操作系統(tǒng)安全、服務器安全、數據庫安全以及應用系統(tǒng)安全等，為智慧校園高效、穩(wěn)定、安全的運行提供了保障。

四、“互聯(lián)網+智慧校園”的應用實例

(一)智慧管理

智慧管理是智慧校園的重要組成部分，是智慧校園架構中的重要模塊，也是智慧校園中充分體會便捷、人性化、智能化服務的重要平臺。智慧管理是指將互聯(lián)網、大數據、云計算等信息技術運用到學校管理的各個部門，受眾到學校內外每一個用戶，在打造一個智能化管理平臺的同時，讓每一個受眾者體會到便捷、高效、安全、人性化服務的管理過程，在各種管理系統(tǒng)的信息化平臺上，對人才培養(yǎng)、科學研究、社會服務、文化傳承創(chuàng)新等高校職能提供智能化服務。

目前，大部分學校的教育管理信息化水平都比較高，但是也存在著部門之間系統(tǒng)不兼容、數據共享程度低、數據冗余度大、信息利用不充分等問題。各個學校建成的信息化系統(tǒng)龐雜繁復，導致用戶被動地去適應系統(tǒng)，便捷性、高效性大打折扣。在“互聯(lián)網+智慧校園”的發(fā)展階段，更強調用戶的核心地位，注重系統(tǒng)和用戶之間交互性的開發(fā)，強調在交互開發(fā)的過程中，各類智慧應用的數據、信息以個性化、按需地推送給用戶，提供動態(tài)、高效服務。

為了提升校園管理的智慧水平，充分利用管理系統(tǒng)中的數據信息，需要建立統(tǒng)一的智慧管理云平臺，對用戶需求進行智能分析、響應、處理，提供資源配置、數據集成、信息管理、運行狀態(tài)監(jiān)測、管理質量監(jiān)控等業(yè)務支持，實現(xiàn)教育管理的資源配置預測、智能決策、過程管控、科學評估和安全預警等[7]。參考上述架構，結合高校智慧管理實踐經驗，給出某高校基于“互聯(lián)網+”的智慧管理系統(tǒng)結構，如圖2所示。

圖2 智慧管理系統(tǒng)結構

在該架構中，以攝像頭、傳感器、RFID、手機移動終端等感知設施為基礎，采集的視頻、語音、圖片、文字、數據通過3G/4G通信、互聯(lián)網進行通信傳輸，在校園云平臺利用數據處理軟件進行數據采集、存儲、轉換、計算、分析、備份等。涉及校園智慧管理相關內容，數據資源包括了“人、事、物、地”的結構化、半結構化、非結構化類型的數據。支撐服務層具體細化為應用集成環(huán)境、數據支撐服務和決策支持服務等內容。在智慧管理的應用服務層，以智慧管理涵蓋的業(yè)務管理和處置過程為依據，設計了OA應用系統(tǒng)、人事信息管理系統(tǒng)、學生管理系統(tǒng)、綜合財務系統(tǒng)平臺、教務管理平臺等應用模型。通過智慧管理應用平臺，在PC和移動終端上實現(xiàn)實時動態(tài)管理，對全校數據信息進行整合、協(xié)同，隨時隨地提供智能化服務，并自動生成數據統(tǒng)計表，為智慧決策提供大數據支持。

(二)智慧實驗室

高校實驗室承擔著培養(yǎng)學生自主性學習能力、綜合素質、創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新能力的重要任務，也是教師教學、科研、創(chuàng)新能力提高的重要平臺。目前，大部分高校實驗室還存在著信息管理碎片化、設備管理人工化、安全管理非智能化、環(huán)境管理非低碳化、資源管理非共享化等諸多問題。智慧實驗室作為智慧校園的重要組成部分，以物聯(lián)網、傳感器、射頻識別、云技術等互聯(lián)網技術為基礎，為師生提供一個智能化實驗環(huán)境和綜合信息管理系統(tǒng)，打造一個泛在互聯(lián)、互動協(xié)作、高度開放、信息共享、智能化、可視化、低碳化、安全化的智慧應用平臺[8]。

結合智慧實驗室的功能需求，智慧實驗室體系結構設計如圖3所示。智慧實驗室體系主要由三部分構成：第一部分由實驗教學信息系統(tǒng)、設備資產管理系統(tǒng)、智能水電管理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、智能門禁系統(tǒng)、智能環(huán)境系統(tǒng)等七個功能子系統(tǒng)組成；第二部分是總控系統(tǒng)，采集存儲傳感器節(jié)點信息，并保存到數據庫中，對收集的信息進行實時響應、分析、處理；第三部分是客戶端訪問控制設備，由觸摸控制臺、PC、手機等移動終端組成，用戶通過這些終端進行操作和控制[9]。

圖3 智慧實驗室體系結構

在七個功能子系統(tǒng)中，實驗教學信息系統(tǒng)安裝在客戶端，用于顯示實驗室名稱、課程名稱、課程時間、授課老師、專業(yè)班級，便于查詢、統(tǒng)計。設備資產管理系統(tǒng)由RFID標簽、RFID讀卡器和配套軟件組成，設備、儀器、耗材、藥劑上帶有RFID標簽，實驗室門口安裝有超高頻RFID讀卡器，對設備等采購、出入庫、使用操作、維修進行統(tǒng)一管理。智能水電管理系統(tǒng)對用電、用水、用氣進行實時監(jiān)測、智能控制，并將其用量與上一周期進行自動比對，如有異常，及時發(fā)出警告提示。監(jiān)控系統(tǒng)通過攝像頭能實現(xiàn)監(jiān)控室內及周邊防范系統(tǒng)(公共區(qū)域監(jiān)控、出入口管理聯(lián)動)、紅外柵欄/門窗報警系統(tǒng)(區(qū)域監(jiān)視、報警聯(lián)動管理)、實驗室安防(燃氣報警、火警、緊急觸發(fā))等功能，并對采集的實時安防信息進行分析處理[10]。考勤系統(tǒng)由RFID考勤機、考勤卡和配套軟件組成，對進入實驗室人員進行身份識別、考勤統(tǒng)計，對非法用戶進行警告提示，并對考勤情況進行遠程監(jiān)控、存檔打印。智能門禁系統(tǒng)具有身份認證、遠程控制開門、來訪視頻監(jiān)視、預警報警等功能。智能環(huán)境系統(tǒng)是基于溫濕度、光線、煙霧傳感器和空調、電視、電燈、窗簾的開關控制器搭建的，通過傳感器對溫度、濕度、采光、煙霧等參數實時監(jiān)測，將數據進行傳輸、分析、處理，通過總控系統(tǒng)連接空調、電視、電燈、窗簾等，執(zhí)行相應的操作。

五、結束語

互聯(lián)網的洶涌浪潮不斷沖擊著教育行業(yè)，迫使教育行業(yè)不斷轉型升級、整合、創(chuàng)新。面對此嚴峻形勢，將“互聯(lián)網+”與智慧校園高度融合，體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢：資源高效利用、無界線信息交流、綠色低碳化發(fā)展、全方位一體化智能服務。但在該架構的實現(xiàn)過程中會遇到諸多問題：硬件不匹配、軟件不兼容、管理隊伍不專業(yè)、使用者信息化水平不高等瓶頸問題。下一步的研究主要關注上述問題的解決和網絡安全問題的防范。“互聯(lián)網+智慧校園”不僅是校園信息化建設的新階段，更是新形勢下校園建設的新變革。隨著信息技術的不斷發(fā)展，智慧校園將借助互聯(lián)網和新技術的力量，把搭建智能化信息平臺和構建智能化教學、科研、管理、生活過程作為目標，積極面對高等教育的轉型發(fā)展和互聯(lián)網帶來的巨大挑戰(zhàn)。

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[2]吳旻瑜,劉歡,任友群.“互聯(lián)網+”校園:高校智慧校園建設的新階段[J].遠程教育雜志,2015,(4):8-13.

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[5]863 Smart City (first phase) project group.Technical white paper of Smart City(2012)[EB/OL].www.docin.com/p-417808631.htm,2016-06-18.

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Three-dimensional Construction and Application Study on “Internet+ Smart Campus”

Wang Xi
(School of Software, Nanyang Normal University, Nanyang Henan 473061)

With “Internet+” age coming, Internet brings about opportunity as well as challenge to the construction of smart campus.Uniting internet and smart campus, “Internet+ Smart Campus” possesses new forms of technology, data, organization, space,structure and relationship, and constructs a three-dimensional technological framework of six horizontal levels including campus perception, data transmission, intelligent data processing and storage, supportive services, application services, smart application,and two longitudinal systems including standard and evaluation, security assurance. This thesis presents the application of smart administration and smart lab, making a preliminary discussion of “Internet+ smart campus” construction, in order to provide a reference for smart campus construction in the context of “Internet+”.

“Internet+”; Smart Campus; Smart Administration; Smart Lab

G434

A

王曦：碩士，講師，研究方向為計算機應用、網絡安全(nanyangwangxi@163.com)。

2016年7月28日

責任編輯：趙興龍

1006—9860(2016)10—0107—05

* 本文受到河南省科技廳基礎與前沿技術研究計劃項目“大數據與云計算環(huán)境下智慧校園架構及應用研究”(項目編號：142300410397)資助。