高校智慧校园建设支撑技术及目标研究

刘勇 刘梦莲

摘 要 论述高校智慧校园建设的支撑技术和建设目标。智能物联网、高速互联网、高速无线网、虚拟化技术、云计算、统一存储和分布式存储、大数据平台等技术为高校智慧校园建设提供了强大的技术支撑，而创造智慧型学习环境，实现绿色校园、平安校园和科学校园，是高校智慧校园建设的目标。

关键词 智慧校园；智能物联网；虚拟化技术；绿色校园

中图分类号：G717 文献标识码：A

文章编号：1671-489X（2018）16-0005-04

1 前言

IBM于2008年首次提出智慧地球的概念，2013年，我国首批智慧城市试点启动。浙江大学在信息化“十二五”规划中提出建设智慧校园的蓝图，南京邮电大学于2011年提出一个较为完整的智慧校园规划，当前国内众多高校正在开展智慧校园建设。

2 智慧校园概念解读与架构

对智慧校园，国内学者有多种不同的理解。有人认为是以物联网为基础的校园应用[1]，是一种智慧的学习环境[2]，

是对数字化校园的进一步扩展与提升[3]。

有学者指出智慧校园具有三大核心特征[4]：

1）能为师生提供一个全面的智能感知环境和综合信息服务平台，提供基于角色的个性化定制服务；

2）能将基于计算机网络的信息服务融入学校的各个应用领域，实现互联和协作；

3）能为学校与外部世界提供一个相互交流和相互感知的接口。

国外学者认为，智慧校园利用信息技术来改变学生的学习和教师的工作，“为人们创造服务”[5]。总之，智慧校园综合运用智能物联网、高速互联网、高速无线网、虚拟化技术、云计算、统一存储和分布式存储以及大数据平台等信息技术，全方位感知校园物理环境，智能识别师生个体，实现以人为本的个性化服务。

智慧校园的本质因人而建，服务于人，通过智能互联网和商业数据挖掘等技术，智能地提供一些预定的场景，为师生提供个性化的服务。图1显示了智慧校园的平台架构，其中后端是多种技术和多种系统的IT基础架构做支撑，在实时环境中，通过智能物联网和数据挖掘等技术为师生提供丰富多彩的应用和服务。

智慧校园的规划各有差异。每个高校可以根据自身的特点，综合考虑人才培养理念、办学特色和校园文化等特征，设计自己的业务架构、应用架构、资源架构和数据架构，设计出学校未来数年内操作性较强的智慧校园。以物联网、云计算、大数据技术为支撑，智慧校园应用软件架构如图2所示。

3 智慧校园的支撑技术探析

智能物联网是智慧校园的“慧眼” 物联网是通过传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络，是智慧校园的重要感知部分。其核心层基于TCP/IP，但接入层协议繁多，传输通道可使用RFID、ZigBee、蓝牙、GPRS、3G、4G、Wi-Fi和有线网等；通过RFID、红外、IP Camera、门禁、光栅、光敏传感器、烟雾感应器和温度湿度传感器等智能感应器，实现物体与人、物体与物体、系统与系统之间实时的感知，并将感知的信息报告给智慧校园管理中心；管理中心通过下发指令去控制相应的设备，从而使物体和系统具有一定的智能性，实现智能控制。智能物联网是智慧校园“慧眼”，能准确地感知变化和反馈信息，是智慧校园的重要组成部分。

高速互联网和高速无线网是智慧校园的基础设施 校园光纤网络、高速无线局域网和移动4G网络等组成一个立体交织的、高可用的、无处不在的高速网络，为智慧校园的互联互通提供基本保障。2011年，我国正式启动“宽带中国·光网城市”工程，ChinaNet骨干互联网总带宽达到20 Tbit/s，国际出口总带宽达到440 Gbit/s，为用户打造了一个无处不在的高速网络。光纤网络已经进入校园，局域网交换机从千兆升级到万兆，桌面接入进入千兆时代。移动4G网络在城市已经覆盖完善，4G用户数已经超过九亿，资费日趋低廉，为智慧校园的广域网移动接入提供了基础条件。

城市Wi-Fi热点和校园网Wi-Fi热点已经普及，方便师生高速接入智慧校园平台。由于六类线受到传输距离的限制，再加上光纤价格低于六类线的价格，网线将被光纤取代，光纤进宿舍是大势所趋，光网校园为期不远。我国经过这几年的高速网络基础设施建设，带宽不再是信息高速公路的瓶颈。依托高速网络的各种应用如雨后春笋般的涌现。智慧校园依托立体交织的、高速的泛在网络，为全校师生和社会提供各种各样的应用服务。

虚拟化技术让智慧校园按需分配 很多高校的信息系统应急而建，一个应用运行在单台物理服务器上，服务器数量繁多。部分服务器资源空闲，部分服务器负载过重，且绝大部分服务器采用单机运行的模式，系统的高可用性得不到保障。数据大多数存放在服务器本地硬盘，安全性得不到保障。单机运行容易出现故障，虽然部分重要应用采用双机模式，但一般都采用冷备模式，造成服务器的巨大浪费。

智慧校园拟采用服务器虚拟化和桌面虚拟化技术。服务器虚拟化是把服务器物理资源（如CPU、内存、磁盘、I/O等）抽象成一个可以动态管理的逻辑资源池，把单台物理服务器变成多台逻辑上相互隔离的虚拟服务器，实现资源按需分配，提高服务器资源的利用率，简化服务器的管理，实现服务器整合。不仅能降低电力和冷却能耗，节省物理空间和成本，而且能提高基础架构的利用率，提高系统稳定性，减少宕机事件的发生。高校计算机机房使用的微机，报废周期一般是5～8年。有些微机并没有物理上的损坏，只是运行速度变慢，CPU和内存不能满足现行软件的运行而被淘汰，导致计算能力的巨大浪費。

采用云桌面虚拟化技术，单台终端计算机的计算能力都在虚拟化的服务器上，CPU和内存可以动态调整，按需分配。除非承载计算能力的服务器物理损坏，否则计算能力一直可用。如原本承载50个云桌面的计算机机房，由于操作系统或软件升级等原因，承载云桌面数量上有所减少，但能获得与之前一样的使用体验，从而减少IT设备的浪费。通过一台服务器，可以实现对成百上千台计算机终端进行集中化管理、智能化部署系统和自动化更新维护，从而构建一个高效、安全和统一的计算机教学实训平台。智慧校园的普通计算机实训机房，拟采用云桌面虚拟化技术，不仅方便多终端桌面集中控管，最大限度地利用计算机资源，减少投资成本，而且能提高数据的安全性，实现绿色环保。

云计算是智慧校园的发展趋势 云计算是一种按使用量付费的模式。这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源共享池（资源包括网络、服务器、存储、应用软件和服务），使资源能够被快速提供。云计算把计算当作公用资源，是现有技术和模式的演进和采用，而不是一个具体的产品或者技术。云计算是基于互联网的计算方式，将各种IT资源以服务的方式通过互联网交付给用户。常见的云服务有着公共云与私有云兩种。公有云有着SaaS（软件即服务）、PaaS（平台即服务）及IaaS（基础设施即服务）三个层次服务。早期的智慧校园IT建设一般都选用虚拟化技术架构，未来逐步迁移到私有云、混合云，最终迁移到公有云。

统一存储和分布式存储是实现大数据平台的基础 把先前分散存放在各个服务器上的数据统一存放在磁盘阵列上，实现统一存储。磁盘阵列通过器件冗余、RAID重构、硬盘坏道检测修复和快照等技术，保障数据的安全。同时，统一存储也可以配置备份存储，对数据进行定期增量备份或者异地灾备。由于实施了统一存储，各个应用所需要的磁盘空间可以“统筹规划，按需分配”，彻底解决单台服务器磁盘空间不足或者过剩的问题。智慧校园将使用统一存储，为SAN、NAS和iSCSI提供多层存储。统一存储支持基于块访问协议（如FCP和iSCSI）和基于文件访问协议（如CIFS和NFS），并使用相同的管理工具和管理界面。

实现数据统一存储，使智慧校园的存储架构化繁为简，存储资源更具灵活性，为实现大数据平台提供条件。分布式存储通过分布式技术和高速网络，把物理上分散的多台X86服务器本地磁盘介质组成一个大规模存储资源池，对虚拟机和上层的应用提供标准的SCSI和iSCSI接口。数据存储时被分片打散到多个节点上，分片数据支持分布在不同的存储节点、不同的机柜之间。同时，数据存储时采用多副本技术，每一个分片的不同副本也被分散保存到不同的存储节点上，从而保障数据安全。

大数据平台是实施智慧校园的基础 大数据是新一代自然资源，对校园网中的各种动态数据、静态数据和各种形态的数据进行实时分析、数据集成和数据挖掘。大数据技术从各种各样类型的数据海洋中快速获得有价值的信息。大数据关系到学校组织与管理，对大数据的合理解析，可以帮助学校调整专业方向，增强服务能力，提供更好的教学环境。收集并管理来自校园的正确数据，包括结构化和非结构化的数据，以便进行感知、学习和调整，通过分析，获得新洞察，发掘商机，从而打造竞争优势。大数据平台是实施智慧校园的基础，通过建设大数据平台，把之前分散的系统进行整合，打通信息孤岛，实现单点登录和统一门户等。

商业智能为智慧校园决策提供支持 通过大数据平台，对校园里的数据经过抽取、转换和装载，得到学校的一个全局视图，然后在此基础上进行查询和分析、数据挖掘，最后将得到的结果呈现给学校管理者，为管理者的招生计划、财务决策、学科建设等决策提供支持，对学风、项目经费和就业状况等实现智能预警，优化资源利用，实现量化评估，提供专家系统。

4 智慧校园建设目标解析

创造智慧学习环境，实现智慧学习 有学者称智慧学习为情境感知无处不在的泛在学习；有学者认为它是建立在先进信息技术架构之上，有效的、智能的、量身定制的学习；还有学者认为智慧学习结合了社会学习的优势和无处不在的泛在学习，是以学习为中心和面向服务的教育模式，而不是只专注于利用设备[6]。智慧学习是以学习者为中心的智能学习，把MOOCs、多种形式的在线开放课程和大学学习相结合，这种新的学习模式能在任何地方、任何时间进行，不局限于时间和空间，通过运用信息技术缩短面授时间。信息技术对学习产生实质性的影响，通过群组进行讨论，确保信息快速交互，进行智慧共享。智慧校园要加强智能物联网、高速网络、集中存储或分布式存储、虚拟化技术、云计算等信息技术基础设施建设，同时提供优质的平台和丰富的资源，为学生提供智慧学习的环境。

创建智慧教室，打造开放学习空间 智慧教室集成了触控大屏、功放音响、分布式录播系统、电子书包、网络控制等硬件设施，和基于物联网与大数据的集控软件，是通过立体交织的高速有线和无线网络连接起来的智能化的教学平台，实现对传统教学模式的根本性变革。智慧教室为智慧校园提供优质的信息化的教学环境，其核心理念是按照学生的学习进度推进教学，引入物联网和大数据的云平台，为这一理念提供了切实的保障。其对教室中的人与设备均引入“身份”的概念，通过物联网，可以即时地获取、分析师生的教与学需求信息[7]。

智慧教室以学习者为中心，打破物理空间的束缚，为学习者打造一个开放的学习空间。其不再是一间封闭的教室。网络互联扩延了传统教室的空间，基于网络的互动教学突破了空间局限，调动了生生之间、师生之间、班级之间的互动积极性，让区域间的班级互动成为可能，学习也由个体的机械记忆转变为集体的、互动的过程。

修建智慧楼宇，实现绿色校园 在很多高校，智慧楼宇可将建筑物的电力、照明、空调、排水、消防、弱电和安保等自动化地进行集中监视、控制和管理，为用户提供安全舒适、便捷高效的工作与生活环境，改变以往的教学楼使用效率不高，有时拥挤、有时闲置，中央空调、照明、电器等能源没有得到及时合理控制，造成很大浪费的情况。通过建设智能教学楼，使整个系统和各种设备处在最佳的工作状态，并保证系统运行的经济性，以及管理的现代化、信息化和智能化，实现能耗的有效控制，减少能源浪费，实现绿色校园，提升和改善师生的校园生活品质。

建设智慧交通，方便师生生活 随着中国家庭汽车拥有量的持续增长，学生拥有车辆为期不远，停车难已经是一个极为普遍的问题。很多高校的校园面积有限，没有足够的停车位，合理地利用有限的停车位显得尤为重要。通过智能IC卡技术，实现车辆图像、车牌号码的比对，识别校内、校外车辆。通过RFID技术结合电磁感应的无线车辆检测器，有效地检测出空闲车位，并报告给适当位置的接收器，传递给校园交通控制中心，实时统计和公布空闲车位数量和位置，采用电子显示屏进行停车位指引，引导校内车辆泊位停车。

装备智慧安防，实现平安校园 目前，很多高校搬离繁华的市区，在郊区建设新校区，周边的治安环境不容乐观。因此，智慧校园加强智慧安防建设，是建设平安校园的有力保障。当前大多数学校的安防系统的主要功能是视频录像，出现事件之后，通过调查视频进行事后证据比对。智能安防系统技术是将计算机技术、通信技术和人脸识别、步态识别等检测技术有机地结合在一起，实现图像的传输和存储、数据的存储和处理、服务的信息化等。它能智能识别图像和预测行为趋势，并自动实现视频跟踪和报警，起到预防犯罪的作用；也能通过后台系统的智能行为分析，及时发现学生的异常行为，及时智能预警，关爱学生心理健康，防患于未然。一个完整的智能化安防系统主要包括门禁、报警、监控和智能分析四大部分。

提供数字化决策，实现科学校园 智慧校园将打通各个信息孤岛，实现校园信息数据的大整合，通过对各种各样数据的抽取、转换和装载，进行数据挖掘，使学校管理层最大限度地获得管理资源，明确决策目标，论证决策的必要性和可行性，为正确决策提供必要支持，实现决策的科学化、民主化和透明化，从而提高管理层决策的科学化水平。

加强运维团队建设，保障智慧校园的运营 智慧校园的运维包括信息系统相关的主机、操作系统、数据库、存储设备、智能感应设备、安防设备、智慧交通设备及其他信息系统的运行维护与安全防范。智慧校园要降低智慧校园整体管理成本，提高其整体服务水平，并保证整个智慧校园的正常运行。基于日常维护数据和记录日志，可提出智慧校园信息化建设的优化方案和改进建议，更好地为师生服务。从制度层面上，建立一套行之有效的智慧校园运营制度，保障智慧校园信息系统设备的及时维修和远程可视遥控。从资金层面上，要为智慧校园的运营提供运营经费保障。智慧校園的运营尤其强调“人”的参与，需要建设一个技术可靠、人员稳定的运维管理团队，才能保证智慧校园持续稳定地运营。

5 结语

高校智慧校园是校园信息化建设的必然趋势。充分了解智慧校园的支撑技术并把握智慧校园的建设目标，有利于高校智慧校园的有效建设。本文论述了高校智慧校园的支撑技术，解析了高校智慧校园的建设目标，以期给我国高校智慧校园建设提供参考，从而能真正在把握技术和建设目标的基础上，做出科学的建设方案和实施对策，构建真正充满智慧的智慧校园，从而提高高校的工作效率、管理效率和决策效率，提高信息利用率和核心竞争力，满足高校教学、科研和管理工作的需要。

参考文献

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