论文研究-基于大数据的智慧校园建设研究 .pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.41M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 基于大数据的智慧校园建设研究# 张玲1，温向明2** 5 10 （1. 北京邮电大学异构网络构建与融合北京重点实验室，北京 100786； 2. 北京邮电大学通信与信息工程学院，北京 100876）摘要：近年来，“智慧”理念研究不断引起社会各界的注意，“智慧校园”也成为了教育行业信息化建设的方向。物联网为“智慧校园”提供底层物理基础，而云计算等的应用使得大批量的计算任务得以在较短时间内完成。同时“大数据”作为一种新的数据管理技术，对结构化、半结构化和非结构化数据深度学习，深度挖掘并形成智能决策依据使大数据技术成为 “智慧校园”不可或缺的一部分。尽管当前“大数据”技术发展还处于基础阶段，但从其定义、特性以及当前的应用领域可以看出它在“智慧校园”建设中的潜在价值。关键词：智慧校园；大数据；物联网；云计算中图分类号：TP311.13 15 The research of wise campus construction based on big data Zhang Ling1, Wen Xiangming2 (1. Beijing University of Posts and Telecommunication, Beijing Key Laboratory of Heterogeneous Network Construction and Convergence, Beijing 100876; 2. School of Communication and Information Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunication, Beijing 100876) Abstract: In recent years, the concept of "wisdom" studies have drew the attention of the society from all aspects of life; "intelligent campus" has become the direction of the informatization construction of education industry. Internet of things provide the underlying physical basis for "intelligent campus", and the application of cloud computing make it possible for large computing tasks to be finished in shorter time."Big data" at the same time, as a kind of new data management technology, on the depth of structured, semi-structured, and unstructured data study, depth excavation and intelligent decision-making make big data become an integral part of the "intelligent campus". Despite the "big data" is still in the stage of technical development, but from its definition, characteristics and application fields of the current, you can see its potential value in the construction of "intelligent campus". Key words: Wisdom campus；Big data；The Internet of things；Cloud computing 20 25 30 0 引言自从 2008 年 IBM 第一次提出“智慧地球”理念，即把新一代信息技术如大数据、云计 35 算、物联网等充分运用在社会的各行各业之中。这种思想马上被社会各层人士认可并予以高度的关注。随后中国浙江大学也在云计算和物联网等新技术的推动下提出了“智慧校园”理念。随着“智慧”相关理论与应用研究的深入，2011 年 6 月，麦肯锡全球研究院推出关于大数据的研究报告《Big data：the next frontier for innovation，competition，and pmductivity》 [1-3]。对大数据的关键技术和应用领域做了详尽分析，“大数据”成为“智慧”建设要素的 40 重要组成部分，充满智慧的“数据创新”时代正在形成。基金项目：北京市“三通两平台”网络技术规范研制作者简介：张玲，1990 年出生，女，硕士，主要研究方向为大数据，CoMP,5G,MIMO 等通信联系人：温向明（1959 出生），男，教授、博士生导师。现任北京邮电大学副校长、校党委常委、校学术委员会委员。主要研究方向：通信与信息系统理论及技术，大数据，云计算. E-mail: xiangmingwen@126.com - 1 -

中国科技论文在线 1 智慧校园的内涵 http://www.paper.edu.cn “智慧校园”是一个包含云计算、物联网等技术的综合体，不同于传统“数字校园”概念。“智慧校园”的设计理念就是通过新一代信息技术的应用使师生及管理人员能以更加精细和动态的方式开展教、学、管理的状态[4]。“智慧校园”通过把传感器嵌入和装备到校园 45 每个角落的供电系统、供水系统、建筑物、设备等校园生态系统的各种物件中，使其形成的物联网与互联网相联，实现校园生活与物理系统的整合，而后将学习系统、管理系统、办公系统等众多软件系统平台整合并融人“校园云”，最终将云、物联网、互联网整合起来，进而实现大规模数据的实时抓取，深度分析计算，形成更有效的决策依据[5]。 IBM 提出的智慧系统特征是：即能够更透彻的感知和度量(Instrumented)，更全面的互 50 联互通(IntercoIlllected)，更深入的智能化(InteIligent)。关于“智慧校园”的特征，国内一些学者提出了不同的解读。有人认为智慧校园(smart campus)应具有以下五个特征[6]：(1)环境全面感知；(2)网络无缝互通；(3)海量数据支撑； (4)开放学习环境； (5)师生个性服务。“智慧校园”的核心特征主要在三个方面：一是为广大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；二是将基于计算机网络的信息服务融入学 55 校的各个应用与服务领域，实现互联和协作；三是通过智能感知环境和综合信息服务平台，为学校与外部世界提供一个相互交流和相互感知的接口。“智慧校园”是信息技术高度融合、信息化应用深度整合、信息终端广泛感知的信息化校园。“智慧校园”系统兼有技术、教育和文化等多重属性，具有如下 9 大特征[7-8]： (1)融合的网络与技术环境。实现校园有线网、无线网、传感网、视频监控网等多种网 60 络的融合和多种信息化应用系统的融合，形成一体化的网络环境和应用环境； (2)广泛感知的信息终端。为广大师生提供一个全面的智能感知环境； (3)快速、综合的业务处理服务。能够对教学、科研、管理的各种业务、信息、数据按照基于流程的方式进行快速、综合处理，为广大师生提供一个全面综合业务处理与服务平台。 (4)智能的管理与决策支持。具有架构科学合理、低耗高效运转的学校智能化管理与决 65 策支持系统，能够对学校的人、财、物、活动、事件和业务流程进行感知、识别、跟踪、判断、处理、评价与提示指引。 (5)个性化的信息服务。能提供基于角色的个性化信息定制服务； (6)泛在的自主学习环境。通过实施有线和无线网络的全面覆盖，借助移动学习终端和教育云服务平台，任何时间可以在学校任何地点在线学习、互动交流和辅导答疑。实现教育 70 无处不在，学习随时随地。 (7)智慧的课堂。具有满足师生个性化教与学需求，实现自主探究、互动教学、协同学习等多种教学模式，并能对学习过程进行动态跟踪与评价的智慧课堂。 (8)充分共享、灵活配置的教学资源平台。建有教育云服务平台，能实现教育资源的按需动态分配和技术服务的充分共享。具有统一的教育资源建设标准和存储规范，能实现教育 75 资源的高效检索和智能汇聚。能提供海量的优质教育资源，并与教学系统无缝对接，满足教学需求； (9)蕴含教育智慧的学习社区。具有家校互通的沟通平台和学习社区，教师、学生、家长能够及时互动，分享教育经验与智慧。能整合各种社会力量，共同促进学生快速健康成长。 - 2 -

中国科技论文在线 2 什么是大数据？ 80 2.1 大数据的历史 http://www.paper.edu.cn 大数据”这个术语最早期的引用可追溯到 apache org 的开源项目 Nutch[9]。当时，大数据用来描述为更新网络搜索索引需要同时进行批量处理或分析的大量数据集。随着谷歌 MapReduce和 Google File System （GFS）的发布，大数据不再仅用来描述大量的数据，还涵盖了处理数据的速度。 85 大约从 2009 年开始，“163 大数据”才成为互联网信息技术行业的流行词汇。美国互联网数据中心指出，互联网上的数据每年将增长 50%，每两年便将翻一番，而目前世界上 90%以上的数据是最近几年才产生的。此外，数据又并非单纯指人们在互联网上发布的信息，全世界的工业设备、汽车、电表上有着无数的数码传感器，随时测量和传递着有关位置、运动、震动、温度、湿度乃至空气中化学物质的变化，也产生了海量的数据信息。 90 2.2 大数据的特点大数据分析相比于传统的数据仓库应用，具有数据量大、查询分析复杂等特点。《计算机学报》刊登的“架构大数据：挑战、现状与展望”一文列举了大数据分析平台需要具备的几个重要特性，对当前的主流实现平台——并行数据库、MapReduce及基于两者的混合架构进行了分析归纳，指出了各自的优势及不足，同时也对各个方向的研究现状及作者在大数据分析方面的努力进行了介绍，对未来研究做了展望[10]。 95 大数据的 4 个“V”，或者说特点有四个层面：第一，数据体量巨大。从 TB 级别，跃升到 PB 级别；第二，数据类型繁多。前文提到的网络日志、视频、图片、地理位置信息等等。第三，处理速度快，1 秒定律，可从各种类型的数据中快速获得高价值的信息，这一点也是和传统的数据挖掘技术有着本质的不同。第四，只要合理利用数据并对其进行正确、准 100 确的分析，将会带来很高的价值回报。业界将其归纳为 4 个“V”——Volume（大量）、 Variety（多样）、Velocity（高速）、Value（价值）[11]。从某种程度上说，大数据是数据分析的前沿技术。简言之，从各种各样类型的数据中，快速获得有价值信息的能力，就是大数据技术。明白这一点至关重要，也正是这一点促使该技术具备走向众多企业的潜力。 105 2.3 大数据的应用 1)商业智能服务。传统数据分析只是形成对已有结构化数据的分析报告，例如某季度销售业绩是多少等，由于不能快速处理非结构化数据，因此无法涉及决策和规划方面的问题。大数据利用 ETL(Extract、Transform、Load)技术对抓取的数据、日志文件或传感器数据的快速处理，实现“未知的未知”商业决策，将传统 BI(Business Intelligence)工具所形成的“已知的未知”提升到了一个新境界[12]。 110 2)电子商务营销。电子商务和社交网络的兴起将大数据带人新的征程。基于互联网的营销将在行为分析的基础上向个性化时代过渡，拉近了消费者与企业之间的关系。客户的每一次点击、收藏、“顶”、分享、加好友、转发、评价等行为被自动纳入企业的销售漏斗中。通过对“大数据”的深度挖掘并与业务相结合，基于数据驱动型的发现和决策方式告诉商家 115 什么是正确的商品，谁是正确的用户，什么是应该发表的正确内容等，对客户形成所谓的“360 度客户视角”。 3)公共服务。如今，城市正面临预算超支、住房、医疗、社会保障、公共基础设施等一 - 3 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 系列难题，利用大数据技术可及时预测出疾病暴发趋势、物价走向、劳动力资源分配、行业投资方向等城市热点问题走向，提前消除争端。客观的、透明化的市政数据是维系公民与社 120 会的最佳纽带。伴随着各国电子政务的推进，政务数据越来越透明化，公民将能准确了解政府的运作效率和社会发展方向。 4)教育服务。学校包含了师生教学、生活的各个方面。教育资源均衡、师资综合建设、地区生源教育质量、专业建设、就业形势、网络教学等众多教育问题成为学校和教育主管部门面临重要问题。利用大数据技术对基于物联网和云计算等新技术的校园信息化设施展开大 125 规模的数据抓取，并实施有效深度数据分析，可为实现教育资源优化，提高人才培养质量提供科学的决策依据。透明的数据更能体现以学生为中心的教育思想，便于提前规划专业学习方向，融合学生与教师之间矛盾，缓解社会就业压力。 3 基于大数据的智慧校园建设 3.1 需求分析 130 目前高校在校园网建设方面已经有了一定的成绩，比如教学方面在教室安装多媒体，微机室安装智能教学软件。已经实现了电教化。学生管理方面安装了一卡通、监控等，提高教学管理的能力。通过物联网技术的支持。在校园管理中可以达到流程化、更高效的作用。智慧校园中物联网的应用将应用于学校的各个领域，比如教学、科研、管理以及生活服务等方面。“智慧校园”使得联网实体不断扩大，传统的数据架构已无法满足数据处理要求，大数 135 据更易实现对获取的各类体量数据形成实时、快速而有效的价值分析。大数据的设计理念使得数据之间的关联性越来越强，通过利用数据(元数据)和解析学(数据的含义)获取的信息展开自动分析和深度挖掘，形成对之前、当下、未来教育更有价值的分析结果，充分体现校园的“智慧”特色[13]。 3.2 智慧校园的总体设计 140 ①感知层：对学生的师生以及设备资源等提供全面的智能感知和综合服务平台； ②网络接入层：将各类网络的信息服务融入到学校的各个应用与服务领域，实现信息的互联以及实时传递，通过智能感知环境和综合信息服务平台，为学校和外界提供一个相互交流和相互感知的平台； ③数据层：对综合信息服务平台的数据进行全面的集成和智能分析； 145 ④应用层：实现智能决策、按需服务、资源合理调度和灵活应对等功能，将决策应用进业务系统。 3.3 智慧校园构建思路如图 1 所示，基于大数据的智慧校园体系架包含 4 个模块，分别为基础设施、信息服务、数据采集/数据处理、业务系统，分别对应感知层，网络接入层，数据层和应用层。智慧校 150 园的建设需要 4 个平台：网络基础设施、物联感知系统、大数据分析处理系统和云计算业务平台。 (1)网络基础设施网络基础设施采取功能细分，专网专用的方式，将此平台分为 4 部分。 ①接入网：方便师生平时上互联网。此部分在建设时考虑采用三个步骤进行过渡的方法。 155 最初采用有线为主、无线为辅的方法，接着建设无线网络，将有线和无线进行融合，引入 3G 校园网络通道。最后实现无线为主、有线专用、移动网络作为补充。 - 4 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn ②教学网：教学专用线路有：高带宽专网、数字媒体网络、尝试三网融合。建成高清多媒体教学网络环境，提供教学支撑。 ③科研网：支持科学研究。此部分的特点是技术先进、灵活可控、专用网络，考虑到这 160 些特点决定采用结合 IPv6 网络和无线网络；高速接入云计算平台；加强专网接入和使用管理。 ④资源网：支持资源沉淀和传播活动，具体有：光纤网络、异地备份存储网络和集中、安全、高速的网络环境。 165 (2)物联感知系统图 1 基于大数据的智慧校园体系架构 Fig.1 Wisdom campus architecture based on big data 物联感知系统是整个智慧校园中最可见的一部分。拟利用传感器、采集器、RFID、二 170 维码、视频监控等感知技术和设备，实现校园环境管理的数字化。首先，部署传感器等数据采集设备并联网。其次，利用 RFID、二维码等技术标识校园环境。再次，构建校园环境信息数据库和应用平台。利用校园智能物联网络建设应用。 (3)大数据分析处理系统 “智慧校园”通过对大量非结构化形态的数据分析形成智慧教学和管理，因此对数据获 175 取、数据类型、数据处理和分析能力要求较高。基于大数据的路径分析、时间序列分析、图分析、what—if 分析等超越常规报表的深度分析符合学校日益增长的需求。基于云计算的应用模式和数据整合共享、交叉复用并形成智力资源以及知识服务能力的大数据成为“智慧校园”关注的焦点。大数据分析处理系统通过对业务系统数据信息的采集来为整个教学系统作出最佳的决策。 180 以某位学生小明为例，从小明在教学系统某个科目的学习时间，作业系统中错题个数及错题知识点，可以判断小明的学习时间和精力分配与小明考试系统中成绩的分布关系，从而让老师可以依据系统针对小明的情况做出的最佳决策而改变小明的学习习惯，帮助小明更综合的全面发展。另外小明从入取至毕业整个在校期间的学习和生活信息都可被获取，围绕该学生产生了大量结构化、半结构化和非结构化数据，通过大数据技术对该学生展开学习行为、 - 5 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 185 生活习惯乃至思想变化方面的科学分析，并对其未来产生的可能和方向做出判断依据，也便于学生开展自我调整，更便于学校优化后期的教育管理方式[14]。校园内各个实体产生的大规模数据信息进入存储，繁杂的数据类型、实时快速的数据处理、数据的深度挖掘、规模化的算法计算等数据处理技术要求依靠物联网、云计算和大数据技术得以实现。大数据在“智慧校园”中的战略意义不仅在于获取庞大的数据信息，更在于 190 对这些含有意义的数据进行专业化处理。大量获取的结构化、半结构化和非结构化的数据作为原始类信息经过深度加工、整理和分析提炼转化为有效的信息和知识。 (4)云计算业务平台云计算平台基础设施包括机房环境、计算平台、存储平台、容灾系统等。首先，要建设云计算管理系统．构建云计算安全环境，培养管理、运维、服务团队，在此基础上形成按资 195 源使用付费的新型服务模式，鼓励云计算服务应用。云计算可以把大量的高度虚拟化的计算和存储资源管理起来，组成一个大的资源池，用来统一提供服务。智慧校园的业务系统包含学习，管理和生活三个方面，学生，教师以及管理人员通过接入这些系统来管理自己的学习和工作以及生活。 4 结论 200 云计算、物联网和大数据技术助力了“智慧校园”急速发展。大数据应用，是通过数据分析的方法从大数据中发掘潜在价值，具有重要的研究意义和实际价值。基于大体量数据的深度分析让系统可以智能决策，使“智慧校园”建设得以实现。目前大数据的研究虽然仍处于起步阶段，但大数据的技术特性和潜在价值使其必将成为“智慧校园”中“智慧”精髓部分。随着智慧校园的研发和建设，将对学校的信息化建设产生极大的影响，促进学校和方面 205 的发展从而提高学校的竞争力。致谢本论文由北京市“三通两平台”网络技术规范研制，在此向所有相关工作人员表示感谢！ [参考文献] (References) 210 215 220 225 [1] Manyika J，Chui M，Brown B，etal．Big data：The next frontier for innovation，competition，and productivity[R]．McKinsey Global Institute,2011. [2] 王彩峰．物联网技术在高校校园中的应用[J]．现代计算机，2012，25(2)：12-15． [3] 孟小峰，慈祥．大数据管理：概念、技术与挑战[J]．计算机研究与发展，2013，50(1)：146-169． [4] 宗平，朱洪波，黄刚，许建真．智慧校园设计方法的研究[J]．南京邮电大学学报(自然科学版)，2010， (8)：4-5． [5] 徐春林.高校校园物联网的探索与应用[J]．科技创新导报，2010，35(31)：21-26． [6] 姚琪．大数据在"智慧校园"中的价值研究[J]．南京工业职业技术学院学报，2013，Vol.3, No.4, 54-56.. [7] 朴钟鹤.教育的革命:韩国智能教育战略探析[J]，教育科学，2012，65(04),45-47. [8] 温从雷，王晓瑜.马来西亚智能学校及其实施计划[J],现代远距离教育 2006,24(04),45-48. [9] 黄荣怀，杨俊锋，胡永斌.从数字学习环境到智慧学习环境-学习环境的变革与趋势,[J],2008,34(3)：67-69. [10] 李卢一，郑燕林.物联网在教育中的应用[J]，现代教育技术，2010，34(02)，26-28. [11] 黄荣怀，张进宝，胡永斌，杨俊锋.智慧校园:数字校园发展的必然趋势[J]，开放教育研究，2012， 24(04),23-27. [12] 宗平，朱洪波，黄刚，许建真.智慧校园设计方法的研究[J]，南京邮电大学学报（自然科学版），2010， 45(08)，46-49. [13] 黄荣怀，张进宝，胡永斌，杨俊锋.智慧校园:数字校园发展的必然趋势[J]，开放教育研究，2012，34(04)， 56-59. [14] 朱洪波，张登银，杨龙祥，孙知信，宗平.南京邮电大学基于物联技术的"智慧校园"建设与规划[J]，中国教育网络，2011，34(11)，45-49. - 6 -

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