基于信息化的教學(xué)管理指揮中心建設(shè)研究

馬雙成

(武警學(xué)院 訓(xùn)練部，河北 廊坊　065000)

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基于信息化的教學(xué)管理指揮中心建設(shè)研究

馬雙成

(武警學(xué)院 訓(xùn)練部，河北 廊坊065000)

信息化建設(shè)與應(yīng)用在院校教學(xué)管理與服務(wù)保障工作中發(fā)揮著重要作用。以武警學(xué)院教學(xué)管理指揮中心為研究對象，從技術(shù)和應(yīng)用角度對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和教學(xué)視頻監(jiān)控、課程錄制存儲、教學(xué)區(qū)域廣播、教學(xué)信息發(fā)布、教學(xué)設(shè)備管理等五個主要功能模塊進行探討。

教學(xué)管理；課程錄制；點播；廣播

隨著國內(nèi)高等院校的迅速發(fā)展，其相關(guān)資源越來越豐富，大量信息需要存儲、查詢和利用。計算機技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)的普及，為高等院校利用信息化技術(shù)進行教育教學(xué)相關(guān)信息管理提供了便利。其在大量節(jié)省人力物力的同時，提高了信息利用速度和準(zhǔn)確率，提升了教育教學(xué)管理效率，有效促進教育教學(xué)活動開展。

近年來，武警學(xué)院陸續(xù)建成教育教學(xué)信息系統(tǒng)、綜合實戰(zhàn)應(yīng)用系統(tǒng)、教學(xué)管理指揮中心、網(wǎng)上教學(xué)系統(tǒng)等教學(xué)訓(xùn)練和管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了課堂教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的互補、教學(xué)管理與教學(xué)保障的協(xié)同、教學(xué)工作與科研工作的配合、教育教學(xué)資源的高效共享。教學(xué)管理指揮中心于2005年9月投入使用，設(shè)備使用頻繁、老化嚴(yán)重，存在著以下諸多問題：監(jiān)控攝像機經(jīng)常發(fā)生故障，造成畫面出現(xiàn)卡屏、馬賽克等問題；監(jiān)控系統(tǒng)采用MPEG2視頻編碼方式，如提高圖像清晰度需占用很大的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源以及存儲資源；系統(tǒng)管理平臺基于C/S架構(gòu)，不支持跨網(wǎng)段的訪問和管理；教學(xué)管理不能與排課系統(tǒng)有機結(jié)合；多媒體教室數(shù)量增加后，不能實現(xiàn)全覆蓋等。其已經(jīng)不能滿足教學(xué)訓(xùn)練需求，亟待更新。

一、系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)及原則

為有效解決原教學(xué)管理指揮中心存在的問題，武警學(xué)院于2015年9月完成了教學(xué)管理指揮中心的建設(shè)和更新。此次系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)主要有：一是對已有多媒體教室環(huán)境進行升級擴容，包括綜合教學(xué)樓、1號教學(xué)樓、2號教學(xué)樓共計147間教室；二是實現(xiàn)與教育教學(xué)等信息系統(tǒng)的綜合集成；三是建設(shè)實訓(xùn)場所教學(xué)指揮監(jiān)控系統(tǒng)，融合教學(xué)指揮中心一期建設(shè)成果。其最終目標(biāo)是實現(xiàn)理論課教學(xué)場所和實訓(xùn)教學(xué)場所全部納入教學(xué)管理指揮中心管理，建成一套無縫接入教育教學(xué)信息系統(tǒng)，以教學(xué)視頻監(jiān)控和課程錄制存儲為核心功能，對課堂教學(xué)進行實時管理與教學(xué)評估，為各類考試提供技術(shù)和信息支持，方便快捷生成、使用豐富的課程資源，支持跨網(wǎng)段、跨路由、單點登錄的可視化網(wǎng)絡(luò)綜合信息管理系統(tǒng)，成為武警學(xué)院教學(xué)管理和教學(xué)保障的輔助、支撐和應(yīng)用平臺。

教學(xué)管理指揮中心的建設(shè)，遵循了以下建設(shè)原則：一是先進性原則。以軟件采集為核心將監(jiān)控與云錄播合并廣泛應(yīng)用，以先進、成熟的視頻技術(shù)進行合理搭配，支持?jǐn)?shù)據(jù)、語音、視頻等多媒體應(yīng)用。二是實用性原則。采用H.264視頻編碼等國際標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，設(shè)計簡潔、操作方便，利用寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，支持高質(zhì)量、遠距離的視音頻傳輸。三是穩(wěn)定性原則。所選用產(chǎn)品和技術(shù)經(jīng)過廣泛檢驗，充分考慮系統(tǒng)在程序運行時的承載能力和容錯能力，達到高度可靠。四是兼容性原則，整個后臺核心基于Microsoft平臺技術(shù)，整個系統(tǒng)與Windows操作系統(tǒng)無縫連接，支持PC終端、Andriod移動設(shè)備。五是擴充性原則。采用開放式的結(jié)構(gòu)，具有強大的擴展能力，著眼于近期目標(biāo)和長期目標(biāo)，充分考慮發(fā)展的需要，選用合適的設(shè)備，進行合理的性能組合，構(gòu)建適合當(dāng)前需求，支持功能擴展、升級擴容的系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

教學(xué)管理指揮中心基于B/S架構(gòu)設(shè)計[1]。該系統(tǒng)與教育教學(xué)信息系統(tǒng)等業(yè)務(wù)系統(tǒng)統(tǒng)一認(rèn)證、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一數(shù)據(jù)。系統(tǒng)用戶統(tǒng)一登錄，按照權(quán)限分級劃分為四種角色：首長、參謀、教師、學(xué)生，對應(yīng)各級權(quán)限，實現(xiàn)平臺管理、攝像機控制、瀏覽器遠程控制。首長權(quán)限為系統(tǒng)功能的所有操作、云臺全控制、管理所有課程。參謀權(quán)限為系統(tǒng)功能授權(quán)操作、控制云臺、管理觀看所有課程，禁止改動課程信息。教師權(quán)限為管理自己的錄制課程、審查錄制的課程、決定是否進行推薦，禁止控制云臺。學(xué)生權(quán)限為點播已經(jīng)公開發(fā)布的課程和自己學(xué)習(xí)的課程，禁止控制云臺。

網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施是傳輸監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的基本平臺。從物理結(jié)構(gòu)分析，網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu)，各個監(jiān)控區(qū)域通過單模光纖與綜合教學(xué)樓教學(xué)管理指揮中心機房相連，其中接入點數(shù)量較多的區(qū)域均采用多模光纖聚合鏈路結(jié)構(gòu)，擴大連接帶寬，提高數(shù)據(jù)傳輸安全性。從層級結(jié)構(gòu)分析，網(wǎng)絡(luò)屬于二層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，接入交換機均為二層設(shè)備，所有接入設(shè)備的網(wǎng)關(guān)在核心交換機上統(tǒng)一設(shè)置，存儲單元直接與核心交換機相連。從系統(tǒng)的兼容性分析，整個系統(tǒng)絕大多數(shù)采用統(tǒng)一廠商設(shè)備，使網(wǎng)絡(luò)傳輸效率得到可靠保障，與原有系統(tǒng)的對接采用端口強制辦法，省去協(xié)商過程，發(fā)揮原有網(wǎng)絡(luò)最高能效。

整個網(wǎng)絡(luò)劃分為8個VLAN，綜合教學(xué)樓A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)劃分為4個VLAN，1號教學(xué)樓、2號教學(xué)樓和階梯教學(xué)樓劃分為3個VLAN，室外實訓(xùn)場所劃分為1個VLAN。在RG5750核心交換機上啟動三層交換功能，采用靜態(tài)路由的方式與網(wǎng)絡(luò)中心機房RG8600交換機通訊。網(wǎng)絡(luò)中大部分區(qū)域采用全千兆互聯(lián)設(shè)備，滿足監(jiān)控碼流需求，其余部分區(qū)域采用千兆上聯(lián)、百兆至終端的接入設(shè)備。核心交換機RG-S5750-24SFP/8GT為銳捷箱式交換機，背板帶寬達256 G(包轉(zhuǎn)發(fā)線速為155 Mbps)，完全滿足監(jiān)控終端設(shè)備同時訪問存儲服務(wù)器，進行數(shù)據(jù)交換的包轉(zhuǎn)發(fā)量要求。接入交換機采用銳捷二層全千兆交換機，滿足全端口同時工作的最大系統(tǒng)資源需求。課件點播和課件直播采用單播方式，提高網(wǎng)絡(luò)利用效率。

整個網(wǎng)絡(luò)集成172個信息采集點，主要傳輸信息為數(shù)字視頻信號，數(shù)字圖像傳輸數(shù)據(jù)將成為網(wǎng)絡(luò)流量分析的主要內(nèi)容。各監(jiān)控模式下生成不同格式圖像所需碼流如表1所示。

表1　不同格式圖像碼流

系統(tǒng)數(shù)字圖像生成格式為D1[2]，按照“圖像格式比特率大小×攝像機的路數(shù)=網(wǎng)絡(luò)帶寬最低需求”計算相應(yīng)鏈路的數(shù)據(jù)傳輸飽和狀態(tài)。所需數(shù)據(jù)傳輸帶寬為1 Mbps(視頻格式的比特率)×48(48口網(wǎng)絡(luò)交換機完全配滿)=48 Mbps(上行帶寬)，即各區(qū)域監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)上行帶寬至少為48 Mbps。按照校園網(wǎng)1 000人點播和1 000路的錄像轉(zhuǎn)存系統(tǒng)錄制課程，按照每路視頻1 Mbps流量計算總帶寬為2 000 Mbps，兩臺服務(wù)器支持的點播帶寬為4 000 Mbps。另外，監(jiān)控系統(tǒng)核心交換機與網(wǎng)絡(luò)中心的RG8600交換機以4路千兆鏈路聚合[3]的方式上聯(lián)，上聯(lián)帶寬為4 000 Mbps，如系統(tǒng)按照總帶寬60%正常運行可支持2 400 Mbps，完全能夠滿足教學(xué)點播和課程錄制的帶寬需求。

三、系統(tǒng)功能設(shè)計

教學(xué)管理指揮中心是一個綜合資源管理平臺，其主要包括教學(xué)視頻監(jiān)控、課程錄播存儲、教學(xué)區(qū)域廣播、教學(xué)信息發(fā)布、教學(xué)設(shè)備管理等五個主要功能模塊。

(一)教學(xué)視頻監(jiān)控

教學(xué)視頻監(jiān)控覆蓋范圍包括綜合教學(xué)樓、1號教學(xué)樓、2號教學(xué)樓147間理論課教學(xué)場所和綜合技能訓(xùn)練場、軍體訓(xùn)練場、塑膠運動場等實訓(xùn)教學(xué)場所。每間多媒體教室設(shè)2個信息采集點，通過三分屏(教師場景、學(xué)生場景、課件)畫面，實時監(jiān)控課堂教學(xué)秩序，及時處理有關(guān)問題，支持多屏在線巡課，同時觀摩多間教室，支持遠程教學(xué)觀摩，評估打分。

教育教學(xué)信息平臺訪問教學(xué)監(jiān)控數(shù)據(jù)流工作機理是：校園網(wǎng)計算機向教育教學(xué)信息平臺服務(wù)器發(fā)送認(rèn)證請求，教育教學(xué)信息平臺服務(wù)器收到請求通過認(rèn)證后，發(fā)送通過權(quán)限訪問的頁面，校園網(wǎng)計算機通過權(quán)限訪問頁面選擇所要查看的攝像機，攝像機將視頻圖像直接傳送給校園網(wǎng)計算機。

(二)課程錄制存儲

通過與教育教學(xué)信息系統(tǒng)平臺對接，統(tǒng)一身份認(rèn)證，用戶只需在統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)中登錄即可直接訪問錄播系統(tǒng)，無需重復(fù)登錄，錄播平臺定期自動更新同步用戶信息和同步課表信息。教師、學(xué)生、管理人員等用戶可點播授權(quán)的課程資源，系統(tǒng)滿足并發(fā)1 000點的課程資源點播服務(wù)。系統(tǒng)采用ETL的方式對接，在服務(wù)器上建立公用數(shù)據(jù)庫，保存用戶信息和課表信息，云錄播子系統(tǒng)允許訪問數(shù)據(jù)庫。Media Server LMS提供開始/停止錄制/直播的接口，通過文件上傳接口文檔，實現(xiàn)文件上傳程序(Uploader)與云錄播平臺之間的數(shù)據(jù)交換。

課程點播系統(tǒng)數(shù)據(jù)流工作機理是：以單播的方式實現(xiàn)課程的訪問和接收。校園網(wǎng)計算機向平臺服務(wù)器發(fā)送認(rèn)證請求，通過后，平臺服務(wù)器會向發(fā)送請求計算機發(fā)送通過權(quán)限訪問的頁面，確定點播課程后，平臺服務(wù)器會從磁盤陣列中把所點播課程發(fā)送給點播計算機。多媒體教學(xué)組播數(shù)據(jù)流工作機理是：教室端計算機向平臺服務(wù)器發(fā)起組播接收信號請求，平臺服務(wù)器向教室計算機發(fā)送組播列表，教室端計算機可從列表中選擇所要接收的組播源。平臺服務(wù)器中的組播功能模塊會把課程以組播的方式發(fā)送給教室端計算機，通過投影系統(tǒng)展示給教師和學(xué)生。課程錄像數(shù)據(jù)流工作機理是：每間教室端監(jiān)控視頻信號和計算機數(shù)據(jù)流經(jīng)過錄像服務(wù)器合成課程(單視頻課程錄制，不需要錄像服務(wù)器進行課程合成)，通過平臺服務(wù)器將課程錄像(單路視頻或計算機屏幕+監(jiān)控視頻)存入磁盤陣列。

隨著光纖SAN[4]存儲技術(shù)的成熟，使得集群共享后端海量存儲的方案成為可能。該方案克服了原有的傳輸速率低下、數(shù)據(jù)傳輸誤碼率高、無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)大集中的DAS直連存儲方式缺點，課程錄制存儲采取SAN(存儲局域網(wǎng))架構(gòu)。磁盤陣列可以增加冗余控制器和冗余電源，以保障系統(tǒng)的安全性。存儲數(shù)據(jù)備份可以考慮增加磁帶機，以實現(xiàn)整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的災(zāi)難恢復(fù)。

存儲系統(tǒng)平臺使用7臺HP DL380G8服務(wù)器，每臺服務(wù)器做RAID5，以保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。其中，5臺作為錄像存儲服務(wù)器，2臺作為平臺及點播服務(wù)器，以雙通道全光纖方式(8GHBA)與磁盤陣列建立高速鏈接。為保障錄像服務(wù)器的安全性，每臺服務(wù)器配置2塊SCSI硬盤并做RAID1，1臺HP P2000 G3 MSA采用SAN的存儲結(jié)構(gòu)方式連接服務(wù)器。通過系統(tǒng)存儲空間數(shù)據(jù)分析，磁盤存儲陣列共配置54塊2 TB硬盤，容量總計108 TB。整個系統(tǒng)有172路視頻信號，每路視頻按照D1格式錄制，每個教室課程錄像每天10小時，每個學(xué)期錄制時間總長約90天，需要存儲空間約為67 TB。剩余存儲空間約為總?cè)萘?/3，用于做RAID或擴容存儲。另外，學(xué)院原有3臺HP服務(wù)器提供存儲服務(wù)，做完RAID后剩余8 TB存儲空間，用于考試期間錄像視頻存儲。

(三)教學(xué)區(qū)域廣播

教學(xué)區(qū)域廣播涵蓋傳統(tǒng)廣播系統(tǒng)功能，包括日常廣播、背景音樂、定時打鈴、英語聽力考試和電臺節(jié)目轉(zhuǎn)播等。多套節(jié)目同時在設(shè)定的分區(qū)播放，分區(qū)內(nèi)的每個終端接收相應(yīng)播放內(nèi)容。編制每天各時段節(jié)目播放計劃后，可實現(xiàn)定時播放。

系統(tǒng)基于IP網(wǎng)絡(luò)，遵循TCP/IP協(xié)議[5]，采用IP廣播(IP廣播終端+音箱)方式，利用以太網(wǎng)接口連接數(shù)字廣播終端。廣播時原有多媒體音箱開啟，IP廣播終端的音頻輸出給功率放大器，通過多媒體音箱播出而不經(jīng)過計算機。功放電源可通過轉(zhuǎn)換器控制供電，根據(jù)語音信號的有無，自動切換外接功放的電源，避免功放24小時持續(xù)工作，廣播完畢自動斷電(供斷電時轉(zhuǎn)換控制器會判斷教室是否在使用功放，以免影響多媒體教學(xué)的正常進行)。訓(xùn)練場地廣播系統(tǒng)設(shè)置40只60 W室外防水音柱。IP廣播終端、4口交換機、轉(zhuǎn)換器的供電需要24小時常供電，供電與監(jiān)控系統(tǒng)編碼器共用220 V交流電。

(四)教學(xué)信息發(fā)布

管理端硬件(服務(wù)器)集成在機房平臺服務(wù)器，管理端軟件集成于綜合管理平臺，具備節(jié)目制作、發(fā)布、審核管理、終端監(jiān)控及維護、播放日程管理、系統(tǒng)權(quán)限設(shè)置等功能。播放終端硬件(顯示屏)架設(shè)在終端點位，在綜合教學(xué)樓、1號教學(xué)樓共有16個信息發(fā)布終端，由分體機信息發(fā)布終端(工控機)和50吋液晶電視組成。信息發(fā)布終端通過教室網(wǎng)絡(luò)(連接中控和IP終端接入的4口交換機)連入校園網(wǎng)，供電方式與IP廣播系統(tǒng)相同，通過一根VGA電纜將信號推送至50吋液晶電視。

(五)教學(xué)設(shè)備管理

教學(xué)設(shè)備管理使用HC多媒體管理平臺，對中控、電腦、投影機等教學(xué)設(shè)備狀態(tài)實時刷新、控制管理，實時對投影燈泡用時查詢，實現(xiàn)教室端計算機遠程監(jiān)看、控制，支持教室端和管理平臺雙向?qū)χv，支持4、9、16多畫面數(shù)字電視墻的刷新和顯示。多媒體設(shè)備管理平臺兼容控制艾威康網(wǎng)絡(luò)中控等多種不同控制協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中央控制器，開放協(xié)議控制與翰博爾錄播系統(tǒng)平臺進行無縫對接，支持多校區(qū)集中控制管理。

四、結(jié)束語

基于信息化的教學(xué)管理指揮中心建設(shè)與應(yīng)用，是現(xiàn)代教育領(lǐng)域的重點研究內(nèi)容之一，對于教學(xué)活動的有效管理起著不可替代的作用。該教學(xué)管理指揮中心系統(tǒng)依托學(xué)院校園網(wǎng)平臺，與互聯(lián)網(wǎng)、公安網(wǎng)物理隔離，采用成熟的網(wǎng)絡(luò)、云計算處理和信息管理技術(shù)，具有可靠的安全性能，是集多媒體教學(xué)、課程錄制、課堂直播、課程資源、教學(xué)監(jiān)管和教學(xué)評估于一體的教育教學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)φn堂教學(xué)進行有效的系統(tǒng)化、信息化管理，便于師生開展教學(xué)，對于提升武警學(xué)院教學(xué)系統(tǒng)運行管理的工作質(zhì)量和服務(wù)保障水平發(fā)揮了強有力的支撐和推動作用。為進一步提高教學(xué)場所管理的信息化應(yīng)用水平，應(yīng)在現(xiàn)有系統(tǒng)平臺基礎(chǔ)上，升級改造為高清系統(tǒng)，逐步將其他教學(xué)場所都納入到教學(xué)管理指揮中心進行管理，努力做到教學(xué)場所信息化管理無死角。

[1] 邱虹坤，等.基于B/S在線考試系統(tǒng)開發(fā)[J].沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2006(5).

[2] 孫衛(wèi)東.圖像處理技術(shù)手冊[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[3] 田增國.組網(wǎng)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)管理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[4] 舒繼武.存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)精華[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[5] 任泰明.TCP·IP協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)編程[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

(責(zé)任編輯劉彥超)

A Research on the Construction of the Command Center System for Teaching Management Based on Informational

MA Shuangcheng

(StaffOffice，TheArmedPoliceAcademy，Langfang，HebeiProvince065000，China)

Information construction and application plays an important role in the teaching management and service of colleges and universities. The command center system for teaching management as a research object， in the perspectives of technology and the application， this paper analyzes the network topology structure and five aspects contents of teaching video monitoring， the generation of curriculum resources， the teaching of regional broadcasting，the issuing teaching information， the teaching equipment management， the high efficiency， in order to improve the service quality of personnel training.

teaching management； the course to record； vod； broadcasting

2015-09-12

馬雙成(1976—)，男，河北霸州人，高級工程師。

G473

A

1008-2077(2016)07-0067-04