云上智慧化校園的建設研究

劉仕云

摘要：隨著信息化社會的快速發(fā)展，云技術作為一種新興計算機技術，已被廣泛應用于各個領域。云上智慧化校園不僅能優(yōu)化校園教育資源統(tǒng)籌規(guī)劃、人才資源供給、校園產(chǎn)業(yè)結構配置，還有助于實現(xiàn)中國第二個百年奮斗目標、建設社會主義強國。文章通過探討新型云計算與校園教育相結合的問題，綜合運用5G+、WiFi6、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術，研究“基于新型云計算數(shù)字化智慧校園——即云上校園”建設方案，推動校園教育信息化轉(zhuǎn)型轉(zhuǎn)段升級，實現(xiàn)從深化應用向融合的創(chuàng)新發(fā)展，以新型校園教育信息化支撐引領校園教育現(xiàn)代化。

關鍵詞：智慧化校園；數(shù)字化教育；云上校園；云計算；校園信息化；5G+

中圖分類號：TP311.13? 文獻標志碼：A

1 國內(nèi)外云上校園教育信息化建設現(xiàn)狀

1.1 國外云上校園教育信息化建設現(xiàn)狀

20世紀70年代，美國麻省理工學院提出了“e-campus”（數(shù)字智慧化校園）計劃，利用早期先進的現(xiàn)代化計算機、網(wǎng)絡通信等技術，在教學、管理、科研以及生活服務等諸多方面整合并集成校園資源，建設了一個面向未來的劃時代三維虛擬校園，這是最早的數(shù)字化校園建設范本。1990年，美國克萊蒙特大學凱尼斯·格林（Kenneth Green）教授發(fā)起并主持的一項大型科研項目“信息化校園計劃”標志著智慧數(shù)字化校園概念的首次提出。1998年，美國前副總統(tǒng)戈爾（Al Gore）在美國加利福尼亞科學中心發(fā)表了一個以數(shù)字信息化地球為題的演講，對后世的信息發(fā)展起重大推動作用。1989年，英國政府和ICL、SUN、英國電信合作，在全國高校中推行計算機用于教學創(chuàng)新（Computer Teaching Initiative，CTI）項目，實現(xiàn)了教育在模式、內(nèi)容、組織形式等方面的徹底革新；1995年，英國政府提出了“教育高速公路：前進之路”的倡議，將400家教育機構納入相關項目并實現(xiàn)互聯(lián)，進一步提高了信息化教育的廣度與深度；1998年，英國政府通過的信息化教育法案以立法形式規(guī)定了教育數(shù)字信息化的建設方案，明確了規(guī)模化購置分配策略，為后來者在云上校園建設上提供了早期藍本。21世紀以來，歐美政府就校園智慧數(shù)字化與Google、IBM、MircoSoft等科技巨頭展開一系列合作，如全球最大的信息技術與業(yè)務解決方案公司IBM與亞拉巴馬州的莫白兒縣公共學區(qū)進行的云上校園合作、“希維塔斯”項目等，是現(xiàn)代最鮮明、最具特征及活力的新時代智慧化教育、智慧化校園案例。

由此可見，國外智慧化校園建設起步較早、時間跨度長，建設方案較成熟，具備以下特點：

（1）智慧數(shù)字校園建設發(fā)展時間較早且持續(xù)時間較長。

（2）智慧數(shù)字校園建設有明確的理念與規(guī)劃方案、成熟的供應渠道以及實施策略。

（3）智慧數(shù)字校園建設規(guī)模大，不局限于院校自身，其合作范圍較廣，例如與新興科技巨頭合作。

（4）通過立法為智慧數(shù)字校園建設指明發(fā)展方向，提供政策保障，優(yōu)化教育分配策略。

1.2 國內(nèi)云上智慧化數(shù)字校園建設現(xiàn)狀

隨著世界教育信息化的迅速普及與我國宏觀經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，在中央部委相關政策支持及國家教育信息化建設資金的有力保障下，當前國內(nèi)一、二線城市已經(jīng)基本完成數(shù)字化校園相關建設，三、四線城市也基本完成數(shù)字化校園建設［1］。“云上智慧化”數(shù)字校園作為數(shù)字化校園的升級型，目前在華東、華北等地如火如荼地建設，不少高校已取得實質(zhì)性突破。

在華北地區(qū)，清華大學于1996年在“211工程”的資助下提出并實施了“泰山工程”，在學校的基礎設施上完成了50多棟建筑接入校園網(wǎng)，并實現(xiàn)了網(wǎng)上在線辦公、在線管理、在線教學以及在線服務。在華東地區(qū)，復旦大學于2006年在學校制定的《十五發(fā)展規(guī)劃綱要》中著重提出了“加快建設現(xiàn)代化信息化文明校園”口號并付諸實踐，建設了數(shù)字化圖書館、數(shù)字化教育資源庫、數(shù)字化科研數(shù)據(jù)庫、數(shù)字化師生信息數(shù)據(jù)庫、生活服務資源庫等信息庫，實現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)信息共享以及綜合數(shù)據(jù)管理，通過網(wǎng)絡支持教學活動、科研活動和生活服務，建設黨務、人事、財務等信息化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)辦公的數(shù)字化、智慧化、自動化。在華南地區(qū)，華南理工大學于2019年提出并實施“五個一”工程（一個賬號、一個入口、一套數(shù)據(jù)、一張報表、一站式服務），在數(shù)據(jù)共享的基礎上，推出了數(shù)字迎新、數(shù)字離校、教師一張表、網(wǎng)上辦事大廳、移動門戶、智慧后勤、智慧學工等，實現(xiàn)了對校內(nèi)超過150個主要網(wǎng)站、200個以華南理工為內(nèi)容主體的公眾號的內(nèi)容采集及聚合等服務。

2 智慧化校園現(xiàn)存問題及分析

2.1 基礎設施存在隱患

日前，特別是疫情防控期間，我國高校的智慧化校園建設為師生提供了超大規(guī)模的在線教育平臺，保障了全國各地教學活動的正常開展，但也存在不少問題。比如部分院校對校園數(shù)字化教育與智慧化建設不夠重視、基礎設施建設力度不足、存在大量老舊設備以及急需淘汰的設備、數(shù)據(jù)即時性難以保證、數(shù)據(jù)交流平臺不完善或缺失、信息互動性難以保障，不僅對教學實踐活動造成困擾，還埋下了極大的安全隱患。

2.2 建設方案存在隱患，缺乏科學性

智慧校園集感知設備、校園一卡通、校園社區(qū)服務、教育活動、科研活動、黨務活動、團建活動等多維度事務于一體，在數(shù)據(jù)信息的儲存、管理、及時處理、調(diào)配、安全等方面要求較高。但是，在當前智慧化校園建設方案中，不論是數(shù)據(jù)信息庫的建立與管理，還是信息處理及管理員權限分配機制或數(shù)據(jù)容災機制，都存在信息建立不具備科學性、處理不及時、權責管理不清晰、數(shù)據(jù)抗風險能力弱等問題。

2.3 信息編碼缺乏統(tǒng)一標準

部分院校在數(shù)據(jù)接入、信息編碼方式標準等方面缺乏重視，各部門在采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫建設、數(shù)據(jù)處理方面采用不同的標準，導致數(shù)據(jù)信息編碼規(guī)則缺乏統(tǒng)一性，進而在數(shù)據(jù)共享上出現(xiàn)數(shù)據(jù)重復、數(shù)據(jù)紊亂乃至部分數(shù)據(jù)缺失，影響信息共享即時性和可用性，降低自動化辦公效率。智慧化校園系統(tǒng)的數(shù)據(jù)規(guī)模較大，數(shù)據(jù)處理操作也十分頻繁。

3 解決措施

3.1 構建“5G+”新型云計算物聯(lián)融合智慧化校園架構

老舊的電子產(chǎn)品不僅功能無法滿足現(xiàn)代社會多樣化的教學要求，零件老化、內(nèi)部問題排查追蹤困難、功耗異常等問題也會造成安全隱患。

“5G+”新型云計算物聯(lián)融合技術在5G、WiFi6、智能物聯(lián)網(wǎng)、云技術等多種前沿科技的支持下，將多媒體、學術資源、人與智能設備線上線下高度有機融合，形成“校園智能互聯(lián)”，使設備云化、智能化，即時監(jiān)控設備運行狀態(tài)，精準確定設備故障緣由，及時自動化更新推送設備信息至管理端，進而規(guī)避安全風險、降低運營和管理成本、推動基礎設施智能化升級。本文通過5G、WiFi6、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等前沿科學技術有機融合，從過往的單一物聯(lián)網(wǎng)技術的M2M三層架構（即感知層、網(wǎng)絡層和應用層）以及巴音查汗等構建的物聯(lián)嵌入式架構向集智能感知、網(wǎng)絡融合、信息支撐、綜合管理以及VR現(xiàn)實增強于一體的“5G+”新型云計算物聯(lián)融合技術的體系架構升級［2-3］。本體系通過劃分四層業(yè)務邏輯及智能硬件采集、地理測繪、5G、WiFi6、網(wǎng)絡融合、計算資源整合、存儲處理、校園智能化與可視化等十五大功能模塊，構建了“5G+”新型云智慧化校園架構。該架構由感知層、網(wǎng)絡層、計算層、服務層4個部分構成。依托于該架構，智能物聯(lián)設備進行數(shù)據(jù)信息感知（包括但不限于地理數(shù)據(jù)及設備當前運行態(tài)），5G、WiFi6等網(wǎng)絡介質(zhì)進行網(wǎng)絡融合并協(xié)定傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶蠖薃I計算池。AI計算池在計算層通過關鍵詞提取與氣象局公開信息庫等多種權威信息庫信息支撐下通過數(shù)據(jù)分析與對比結合設備原始參數(shù)進行安全風險評估（包括但不限于壽命評估、運行態(tài)評估）與資源統(tǒng)合運算，進而在應用服務端進行資源可視化、風險可視化、3D虛擬化校園、部署“微眾校園”與校園門戶，設計管理應用介入平臺，構建了一套安全保障架構（見圖1）。

3.2 科學規(guī)劃“5G+”云上智慧校園體系數(shù)據(jù)庫設計

“5G+”云上智慧校園建設應根據(jù)具體需求，本文就科學規(guī)劃“5G+”云上智慧校園體系數(shù)據(jù)庫設計問題制定一套數(shù)據(jù)庫底層管理策略，集中相應的網(wǎng)絡計算資源，統(tǒng)一調(diào)配管理建設規(guī)模大、虛擬化、高可用性、高擴展性的虛擬計算資源池，建設網(wǎng)上辦事、在線教育、學術資源、個人信息、信息發(fā)布空間，推動知識、人才、學術三大引擎建設，實現(xiàn)在線4A建設（Anytime，Anywhere，Anyone，Anything，即任何時間、任何地點、任何人、任何事務），為大運營、大服務、網(wǎng)絡安全、組織服務提供強力保障［4］。

本數(shù)據(jù)庫底層管理策略采用Hadoop進行分布式存儲、分布式多任務處理，同時以“校名+庫名+表名（漢語拼音或以英文單詞進行連接結合）”“UTF-8”對數(shù)據(jù)庫命名方式及編碼方式進行規(guī)范，減少數(shù)據(jù)對接異常或數(shù)據(jù)亂碼等問題的復現(xiàn)率，以基于角色分配規(guī)范并限制內(nèi)外網(wǎng)數(shù)據(jù)訪問，保障“5G+”云上智慧校園體系數(shù)據(jù)庫的高可靠性、高擴展性、高效性。

3.3 增強網(wǎng)絡安全建設

“5G+”云上智慧化校園系統(tǒng)作為一個面向大眾的開放系統(tǒng)，面對各種各樣的威脅與攻擊，系統(tǒng)穩(wěn)定性受到考驗。本系統(tǒng)通過設立完善的防火墻，修改數(shù)據(jù)庫默認運行端口或配置為socket文件監(jiān)聽防止SQL數(shù)據(jù)庫注入，在軟硬件上通過工控交換機設置相應策略進行流量清洗及IP訪問限制以及限定數(shù)據(jù)流入、流出方向及IP訪問限制以便于防范DDOS攻擊、XSS及CSRF跨域攻擊，通過禁止密碼登錄或限定（連接）嘗試次數(shù)及有效期或使用ED25519等新型的優(yōu)異的算法進行加密處理過的密鑰預防密碼（哈希）枚舉并制定數(shù)據(jù)備份策略，定期備份及檢查數(shù)據(jù)確保數(shù)據(jù)安全及系統(tǒng)穩(wěn)定。

3.4 優(yōu)化數(shù)據(jù)處理邏輯

在校園教育綜合服務中，不少名詞或字段的復現(xiàn)頻率與其他名次（字段）復現(xiàn)頻率之間存在顯著性差異。因此，可以通過改進關系型和非關系型數(shù)據(jù)庫中的表段設置、緩存策略，結合大數(shù)據(jù)信息特征使用或創(chuàng)造新的優(yōu)異算法提高緩存命中率，進而優(yōu)化數(shù)據(jù)處理。同時，在校園教育綜合服務中，待處理的數(shù)據(jù)往往呈現(xiàn)出復雜性、多樣性以及時限性。以應用層的校園3D實景為例，不僅包括二維上的校園基礎建筑地理數(shù)據(jù)，還包括三維空間上的具體外貌、內(nèi)部構造、內(nèi)部基礎設施布局。由于不同建筑在具體構造、內(nèi)部設施布局以及地理維度方面的不同，相關數(shù)據(jù)往往龐雜且多樣。

本系統(tǒng)運用大數(shù)據(jù)處理工具提取少量關鍵維度字段進行數(shù)據(jù)降維、篩選、過濾，以解決數(shù)據(jù)維度過多及龐雜問題，通過改善數(shù)據(jù)緩存策略、優(yōu)化處理算法或制定新的數(shù)據(jù)緩存及處理算法、優(yōu)化數(shù)據(jù)衡量指標，加強維度數(shù)據(jù)關系，提高數(shù)據(jù)命中率及黏性。為應對多并發(fā)訪問情況，可結合AI技術，采用代理服務器緩存針對應用層進行緩存優(yōu)化，如圖2所示。

3.5 “5G+”萬物互聯(lián)云智慧化校園

目前，5G通信技術有吞吐量大（10～20 Gbit/s）、時延低至1 ms、功耗低至20耗瓦、較4G LTE連接密度提升高達3倍、每平方千米百萬連接的頻譜效率、10 Mbps/m2以上且用戶體驗速率達到100 Mbit/s的流量密度、支持500 km/h的高速移動等優(yōu)異的性能。WiFi6新技術較上一代拓展了5.8 Ghz頻帶與信道帶寬。新型多用戶技術同時在上行鏈路與下行鏈路提供了更多可訪問性。1024QAM調(diào)制技術大大增強了數(shù)據(jù)子載波調(diào)制性能，連接傳輸速率較上一代提升了1.5倍。本系統(tǒng)通過將5G、WiFi6和萬兆寬帶接入技術進行網(wǎng)絡融合，結合智能感知設備，運用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能及現(xiàn)實增強技術建立萬物互聯(lián)式云智慧化校園，為智能數(shù)據(jù)采集降低成本以及提供時延和鏈接保障，為線上超清教育提供更為可靠的傳輸服務，在智能交互上提供更為貼心、更貼近真人的用戶體驗。

4 結語

本文通過研究新興的5G網(wǎng)絡技術、云計算、大數(shù)據(jù)等技術，在數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理流程、分析策略上進行創(chuàng)新，從信息安全維護、智能物聯(lián)、數(shù)據(jù)透析、云上管理4個維度構造新型“5G+”新型云上智慧校園系統(tǒng)架構。目前，云上智慧校園尚處于摸索階段，但它代表未來校園的建設理念，前景廣闊。

參考文獻

［1］王福成.基于云計算的高校教學資源整合研究［J］.福建電腦，2011（2）：33-34.

［2］陳平，劉臻.智慧校園的物聯(lián)網(wǎng)基礎架構研究［J］.武漢大學學報（理學版），2012（S1）：141-146.

［3］巴音查汗，安鵬.基于嵌入式及RFID物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧校園系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術，2017（16）：63-65，68.

［4］吳穎俊.浙江大學：基于“云”的智慧校園［J］.中國教育網(wǎng)絡，2010（11）：25-26.

（編輯 王永超）

Research on the construction of intelligent campus on the cloud

Liu? Shiyun

（Department of Public Courses， Qiannan Medical College for Nationalities， Duyun 558000， China）

Abstract：? With the rapid development of the information society， cloud technology as an emerging computer technology has been widely used in various fields. Cloud intelligent campus can not only optimize the overall planning of campus education resources， the supply of talent resources， the allocation of campus industrial structure， but also help to realize Chinas second centenary goal and build a strong socialist country. By discussing the combination of new cloud computing and campus education， this paper comprehensively uses 5G+， WiFi6， big data technology， artificial intelligence and other technologies to study the construction plan of “digital smart campus based on new cloud computing-that is， cloud campus”， promotes the transformation and upgrading of campus education informatization， realizes the innovative development from deepening application to integration， and leads the modernization of campus education with the support of new campus education informatization.

Key words： smart campus; digital education; cloud campus; cloud computing; campus informatization; 5G+