基于情境感知的智慧校园系统研究

◆左卫刚

基于情境感知的智慧校园系统研究

◆左卫刚

(山西管理职业学院 山西 041051)

随着传感器技术的迅速发展，其在校园信息化建设中得到了广泛应用，由此推进了智慧校园迈向一个崭新的阶段，而智慧校园中情境感知的数据采集与融合成为关键。在传统智慧校园的构架基础上，将情境感知融入其中，采用科学的方法和手段采集特定情境下的数据，并将这些数据进行有效的融合，通过智能感知环境和综合信息服务平台，提高协同工作效率，从而为教师和学生提供个性化的高效服务，为学校决策者提供更加科学智能的决策。

情境感知；智慧校园；服务发现；协同服务；数据融合

0 引言

近年来，大数据、物联网等新兴技术蓬勃发展，在各行业得到广泛应用。这在一定程度上极大促进了各大高校从传统数字校园逐渐向智慧校园的转变。智慧校园是指基于物联网和大数据等新兴技术,集学生学习、教师工作、师生生活为一体的智能校园环境。在这一环境中，以资源整合、信息共享为主线，以服务师生工作学习生活为目标,打造一个便捷、智能的全方位一体化管理服务信息平台。这就需要更加关注用户的使用体验，用户在不同的场景下，系统根据终端设备采集到的数据能够智能化地分析判断出用户的行为状态及行为目的，为其提供个性化的服务需求。并能结合用户操作及现在所处的特定场景，科学化地预测用户下一步的行为，从而为其提供更为高效的针对性服务。这将在极大降低人力成本的同时，使学校的管理更加智能化、科学化、高效化。

1 构架研究

基于情境感知的智慧校园融合了大数据、云计算、物联网等诸多前沿技术，它是一种全新的校园信息化形式，它可以将校园内各自为政的孤立数据进行有效整合，在解决信息孤岛的同时，通过传感网络的硬件设备将用户的各类数据有效采集，采用大数据技术将海量信息汇总并综合分析，得出特定场景下的用户行为状态模型，不同场景下的用户状态模型使得智慧校园具备一定的智能感知能力，从而在减少人工干预的基础上，更智能化地为教学科研、学生管理、后勤服务等提供智力支撑。

1.1 设计原则及思路

智慧校园的设计目标是在充分利用物联网、大数据等先进技术的基础上，更好地服务于教学、科研和管理。在设计与建设中应遵循以下原则：①实现节约型原则：尽可能的整合现有资源，避免造成资源浪费；②长远设计，分步实施原则，总体规划要有前瞻性，分布实施完成，为今后的业务需求预留充足的空间；③先进性原则：在建设中所有的网络设施、传感器设备等硬件设备要选用可靠厂家的产品，技术指标要达到要求，确保情境感知网络的可靠性；④安全性原则：确保个人信息不被泄露及系统数据的完整性和准确性；⑤实用性原则，要做到建用并重，保证其有效使用于日常，避免建而不用造成的浪费。

智慧校园的设计思路如下图1所示，要遵照教育部和行业标准的前提下进行，建立科学统一的数据标准，将基础设施统一管理，对信息资源进行有效整合，从而实现资源的有效交换与共享，建立统一信息门户，实现单点登录即可跨部门和系统协同办公，以师生为中心，以服务为重点。做到从传统单一管理教育信息化向个性化服务型教育信息化的转变。

图1 智慧校园设计思路

1.2 架构总体研究

基于情境感知的智慧校园是一个综合性的体系结构，它使用感知层、基础网络层、教育平台、系列化智慧服务，以高性能的宽带网络统一承载，不仅为师生和管理者提供信息服务，还可根据感知到的数据信息进行统计分析，综合判断。从而为管理者提供更加科学化的决策。基于情境感知的智慧校园的系统模型主要由以下三部分组成：感知层、服务层、事件层。

（1）感知层

感知层主要通过接口从硬件设备及环境条件中获取事件层所需的信息并进行有效的管理和反馈。感知层通过传感器终端获取到相关信息，同时将这些信息转换为数字信号，数字信号通过嵌入式系统进行处理和判断，将普适应用抽象成服务。

（2）服务层

服务层是模型的中间层，其负责服务的发现、组合、信息获取等。它将普适应用进行有效的组合并协调执行。在此，智慧空间作为一种新型的人机交互系统，将计算资源分布和嵌入到校园的日常环境或工具中，方便师生获得计算机系统服务。感知网络感知到的信息可分为以下几个类型：①用户的身份、所处位置、所用设备等；②基于RFID的校园设备信息及状态；③网络环境信息，包括网络特征、端口、标准等；④流环境特征。

（3）事件层

在智慧校园的环境中，各个系统之间是相互关联的，它们之间形成了一张错综复杂的网络。用户在不同设备和系统之间协同工作，而产生的数据被全部汇聚在一起，为大数据分析提供依据。在基于情境感知的智慧校园中，用户的使用场景分为教学管理和日常生活两个场景。在教学管理场景下，涉及到教学的组织、评价、考核、考勤等。日常生活场景下包括超市消费、餐饮管理、智能照明等。

智慧校园的系统应用渗透在校园的各个角落，情境感知网络可以更深层次地了解每一个人的活动及预测或指导将要进行的活动，这些都不需要人工干预，而是通过智能化的设备获取到数据，并进行科学的分析后即可得出结果，有效减少人力支出，实现高效科学的管理。

1.3 服务发现研究

基于情境感知的智慧校园与传统的智慧校园的区别之一在于系统可以智能的感知用户的行为和预期，主动为用户提供个性化的服务。因主动服务发现的服务需求是未知的，因此系统需要根据所采集到的情境信息科学地分析用户的预期服务需求，并选择提供合理恰当的服务。这就需要一种基于情境感知事件的主动服务发现算法。首先，将通过传感器等硬件设备与软件系统感知到的信息变化视为情境事件，理清各个情境事件之间的先后关系；其次，对系统中已经有类似情境事件的处理结果进行挖掘，并与目前情境事件进行对比；最后，融合以上两点，根据当前情境事件所处的具体状态及预知需求，提供个性化的信息服务。

1.4 协同服务研究

智慧校园的入口为校园信息门户，门户采用统一身份认证，用户单点登录即可实现在各个系统之间相互跳转，从而解决了用户因入口众多等原因产生的困惑，这种一站式服务在一定程度上有效促进了数据之间的协同。而在业务流程中需要解决纵向协同和横向协同两类协同问题。

学校的各个职能部门之间存在业务联系，许多数据需要跨部门、跨应用实现信息共享和业务协同。例如：学生网上选课后，需要支付教材费用到计财部门，支付成功后，教材科显示支付成功才可领取教材。这样的协同工作大大降低了人工成本。校园内的大量涉及到校院系各级部门的纵向协同需求，从学校层面自上而下形成垂直整合，事件处理的扁平化有助于提高工作效率。

2 智慧校园算法分析与设计

2.1 基于情境感知的服务发现模型

基于情境感知的服务发现应该在智慧校园服务索引数据库的基础上，将情境因素加入到重要的索引行列。我们可以针对校园中的各种服务进行分类，分类的根据是按照情境的类型，但是此种分类存在交叉性，比如：某项服务既属于X类，也同时属于Y类。出现这种情况对其进行如下处理：

（1）新发布的服务向服务索引数据库发送请求；

（2）在接收到请求后，服务索引网关除获取服务外，还需要获取其所处的情境模式，环境因素等数据，以协同判断在什么情况下将此服务确定为何种类型更为恰当；

（3）用户在请求服务时，服务索引数据库根据其目前所处的环境等参数来推测其所需要的服务，并赋予用户设备服务权限。

2.2 基于情境感知的数据融合

智慧校园中通过无线传感网络感知周围环境，当所处环境较为复杂时，单个传感节点因受限于其硬件设备的承载能力，可通过增加感知节点来增强监测信息的准确性和可靠性。但这种简单的增加感知节点的方式极易造成信息冗余。

智慧校园中冗余数据的处理主要分为两个方面：一方面是采用分布式数据库技术，在系统的构建初期，就将独立的传感器计算群作为最基本的存储单元，它与其他传感数据融合存储在一起，通过沉浸式计算，将所感知到的信息处理成一种形式的数据，方便后期数据的整合；另一方面：在系统运行中不可避免所产生的冗余信息，可通过数据清洗来进行解决。

3 结论

智慧校园是一项长期性的系统工程，本文仅仅是从智慧校园的设计架构和情境感知的数据处理上做了些简单的研究，但智慧校园的情境感知在实际工作环境中较为复杂，在应用中还受到诸多因素的影响。希望随着无线传感网络技术的进一步成熟，结合大数据、云计算等技术，智慧校园能够全面感知校园物理环境，感知师生在不同地理位置，不同工作场景下的个性化特征，将师生的肢体行为和工作过程等细节信息通过传感器进行自动化抓取，转变为可统计的数据，为管理者的决策提供科学的依据，转变教育理念，实现以人为本的个性化创新服务。

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