云計(jì)算技術(shù)在智慧校園中應(yīng)用

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摘要：所謂“智慧校園”，即以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的智慧化的校園工作、學(xué)習(xí)和生活一體化的環(huán)境，它往往以應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)為載體，最終實(shí)現(xiàn)校園教學(xué)、科研及生活進(jìn)行充分融合。目前智慧校園正在成為教育行業(yè)信息化建設(shè)的方向，而其智慧的體現(xiàn)就在于對(duì)于信息的整合與處理。這些無不與大數(shù)據(jù)及云計(jì)算技術(shù)的特征相吻合，何況物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等新技術(shù)的應(yīng)用使得結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)管理方式已無法充分體現(xiàn)數(shù)據(jù)價(jià)值，是以大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)對(duì)于結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的管理及提供決策支持具有天然的優(yōu)勢(shì)。由此可見，大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)必然會(huì)成為智慧校園體系中數(shù)據(jù)價(jià)值最大化的體現(xiàn)。文章將對(duì)大數(shù)據(jù)及云計(jì)算技術(shù)的概念進(jìn)行闡述、對(duì)智慧校園的信息平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)進(jìn)行分析，并以此為基礎(chǔ)對(duì)大數(shù)據(jù)及云計(jì)算技術(shù)在智慧校園中的應(yīng)用進(jìn)行探究，以此為智慧校園的發(fā)展提供理論參考。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；云計(jì)算技術(shù)；智慧校園；概念；信息平臺(tái)架構(gòu)；應(yīng)用

0引言

學(xué)生的成長(zhǎng)和安全向來是學(xué)校方面管理任務(wù)中的重中之重，借用信息技術(shù)在有限的師資資源和繁重的管理任務(wù)之間做到兼顧平衡即是智慧校園的設(shè)計(jì)與應(yīng)用初衷。而智慧校園作為一種基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而創(chuàng)建的信息服務(wù)控制系統(tǒng)，其在日常運(yùn)作的過程中需要構(gòu)建數(shù)據(jù)自動(dòng)化監(jiān)控采集平臺(tái)與管理服務(wù)平臺(tái)，隨后借助數(shù)據(jù)自動(dòng)化監(jiān)控采集平臺(tái)對(duì)校園內(nèi)的諸多數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與分析，繼而通過管理服務(wù)平臺(tái)向后臺(tái)用戶傳遞信息，由后臺(tái)管理者對(duì)其進(jìn)行處理。在此過程中，數(shù)據(jù)信息一般具有兩個(gè)特征，由于數(shù)據(jù)總量較大、數(shù)據(jù)種類較多，數(shù)據(jù)收集的難度必然較高，同時(shí)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析難度也相對(duì)較大。而為了實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)與分析，加強(qiáng)大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)在智慧平臺(tái)中的應(yīng)用方可令智能終端、可感知設(shè)備及信息系統(tǒng)獲取海量數(shù)據(jù)，并基于這些數(shù)據(jù)分析掌握事物規(guī)律，最終實(shí)現(xiàn)現(xiàn)智慧校園資源動(dòng)態(tài)分配、高校業(yè)務(wù)部署等真正智能的應(yīng)用。

1大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)概述

1.1大數(shù)據(jù)技術(shù)

所謂“大數(shù)據(jù)技術(shù)”，即一種規(guī)模大到在獲取、存儲(chǔ)、管理、分析方面大大超出了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件工具能力范圍的數(shù)據(jù)集合，這種技術(shù)具有海量的數(shù)據(jù)規(guī)模、多樣的數(shù)據(jù)類型、快速的數(shù)據(jù)傳遞速度以及較低的價(jià)值密度四個(gè)特征[1]。通常而言，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的系統(tǒng)運(yùn)作一般會(huì)具有四個(gè)流程：數(shù)據(jù)采集，即將應(yīng)用程序產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以及日志同步至大數(shù)據(jù)系統(tǒng)內(nèi)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，即將海量數(shù)據(jù)在大數(shù)據(jù)系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)；數(shù)據(jù)處理，即對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、拼接、轉(zhuǎn)換及最終應(yīng)用，這種數(shù)據(jù)處理主要存在兩種形式，一種是在線的實(shí)時(shí)分析，另一種是離線批量處理；數(shù)據(jù)應(yīng)用，在海量數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后對(duì)其提供外部服務(wù)，如生成可視化報(bào)表等。而為了實(shí)現(xiàn)這四個(gè)流程，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)則需要包含以下兩類組成結(jié)構(gòu)。1.1.1Hadoop數(shù)據(jù)處理架構(gòu)。Hadoop是一種分析和處理大數(shù)據(jù)的軟件平臺(tái)，是一個(gè)用Java語言實(shí)現(xiàn)的Apache的開源軟件框架，在大量計(jì)算機(jī)組成的集群中實(shí)現(xiàn)了對(duì)海量數(shù)據(jù)的分布式計(jì)算[2-3]。Hadoop采用MapReduce分布式計(jì)算框架，根據(jù)GFS原理開發(fā)了HDFS（分布式文件系統(tǒng)），并根據(jù)BigTable原理開發(fā)了HBase數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，允許用簡(jiǎn)單的編程模型在計(jì)算機(jī)集群上對(duì)大型數(shù)據(jù)集進(jìn)行分布式處理。目前Hadoop主要存在Flume、Pig和Hive等模塊，其中Flume模塊能夠?yàn)镠adoop采集數(shù)據(jù)，繼而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸；Pig模塊旨在借助編譯器對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理；Hive模塊能夠在海量數(shù)據(jù)經(jīng)過采集、分析與處理后將其映射為數(shù)據(jù)庫表等。1.1.2HDFS分布式文件系統(tǒng)。HDFS是Hadoop中的一個(gè)存儲(chǔ)子模塊，而HDFS分布式文件系統(tǒng)則是Hbase數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)及主節(jié)點(diǎn)兩個(gè)部分[4]。在大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，HDFS系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)采集到的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行接收并為用戶創(chuàng)建文件，實(shí)現(xiàn)存入、讀取、修改、刪除等操作。當(dāng)數(shù)據(jù)集大小超過計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)能力時(shí)，那便勢(shì)必需要對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行拆分存儲(chǔ)于不同的計(jì)算機(jī)中，而HDFS分布式文件系統(tǒng)則可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)集實(shí)現(xiàn)跨計(jì)算機(jī)管理。

1.2云計(jì)算技術(shù)

就本質(zhì)而言，云計(jì)算技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)可謂密不可分，大數(shù)據(jù)可以視為云計(jì)算的應(yīng)用案例之一，而云計(jì)算則是大數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)工具之一，其中大數(shù)據(jù)注重的是數(shù)據(jù)分析，云計(jì)算則是偏向計(jì)算機(jī)軟硬件架構(gòu)與應(yīng)用[5]。是以在對(duì)大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行闡述后，云計(jì)算技術(shù)也并不難理解。所謂“云計(jì)算技術(shù)”，即通過網(wǎng)絡(luò)“云”將巨大的數(shù)據(jù)計(jì)算處理程序分解成無數(shù)個(gè)小程序并通過多部服務(wù)器組成的系統(tǒng)對(duì)小程序進(jìn)行處理和分析最終將結(jié)果反饋給客戶的一類技術(shù)。就目前而言，云計(jì)算技術(shù)一般包括以下兩類平臺(tái)。1.2.1OpenStack云管理平臺(tái)。Openstack是典型的IaaS（基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）模式的云平臺(tái)，它的作用主要在于對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施資源進(jìn)行管理，以此為用戶對(duì)資源的調(diào)用和使用提供便利。由于目前的Openstack多基于Linux內(nèi)核完成搭建，是以它往往能夠?qū)崿F(xiàn)跨平臺(tái)的應(yīng)用程序安裝[6]。從管理目標(biāo)來看，OpenStack所管理的資源是云平臺(tái)對(duì)資源，這種資源主要包括三類——計(jì)算資源、網(wǎng)絡(luò)資源與存儲(chǔ)資源。OpenStack云管理平臺(tái)的應(yīng)用令可擴(kuò)展的彈性云計(jì)算服務(wù)成為了可能，用戶可以在系統(tǒng)的后臺(tái)方進(jìn)行自主操作。1.2.2分布式計(jì)算與網(wǎng)格計(jì)算。分布式計(jì)算是一種與集中式計(jì)算相對(duì)、由多種計(jì)算技術(shù)集合而成的計(jì)算方法，由于云計(jì)算系統(tǒng)中的應(yīng)用多需要巨大的計(jì)算能力方可完成，在這種情況下若采用集中式計(jì)算難免會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間來完成，而分布式計(jì)算則可以將數(shù)據(jù)分解為許多小的部分并將其分配給多臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的大批量處理[7]。總體而言，分布式計(jì)算不僅能夠降低單一計(jì)算單位或處理單位的負(fù)載量，還能夠令海量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)快速處理。網(wǎng)格計(jì)算是分布式計(jì)算的一類，它的要旨主要在于將一個(gè)需要非常巨大的計(jì)算能力才能解決的問題劃分為“小部分”，繼而將這些“小部分”分別分配給不同的計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，最終完成多網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)資源的運(yùn)算、存儲(chǔ)。

2智慧校園信息平臺(tái)架構(gòu)

從微觀上來說，智慧校園并非只是信息數(shù)據(jù)的采集、處理與分析，而應(yīng)該是一個(gè)集線下與線上兩方面于一體的整體，校方可以基于大數(shù)據(jù)及云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建教學(xué)及管理系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)等硬件設(shè)施實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的智能處理、簡(jiǎn)化人為管理流程，最終令校方的管理效率實(shí)現(xiàn)有效提升。目前智慧校園的信息平臺(tái)架構(gòu)可見圖1。經(jīng)過對(duì)智慧校園信息平臺(tái)的整體架構(gòu)進(jìn)行分析，可以將其分為四個(gè)層面——負(fù)責(zé)采集信息數(shù)據(jù)的感知層、負(fù)責(zé)對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)通信層、負(fù)責(zé)對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理的大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)層以及對(duì)信息數(shù)據(jù)處理結(jié)果

2形成反饋的應(yīng)用層四層。

2.1智能感知層

智能感知層是智慧校園運(yùn)作的根本層級(jí)，它主要負(fù)責(zé)對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行感知與收集。智能感知層主要依托于具有智能感知能力的Alot基座完成運(yùn)作，它能夠借助物聯(lián)設(shè)備為智慧校園提供接入與開放式的平臺(tái)架構(gòu)、將物聯(lián)感知設(shè)備統(tǒng)一接入設(shè)備中進(jìn)行管理，如視頻監(jiān)控設(shè)備、圖像識(shí)別設(shè)備、報(bào)警防范設(shè)備、照明通風(fēng)設(shè)備等。這些設(shè)備需要借助WSN無線傳感網(wǎng)絡(luò)與ZigBee協(xié)議完成信息傳遞，通過傳感器與無線網(wǎng)關(guān)的串聯(lián)，一旦傳感器收集到信息數(shù)據(jù)，該類信息數(shù)據(jù)可以快速被傳遞至附近的計(jì)算機(jī)，借助計(jì)算機(jī)為節(jié)點(diǎn)傳輸至校內(nèi)網(wǎng)中，而視頻監(jiān)控設(shè)備與圖像識(shí)別設(shè)備等設(shè)備則可以利用RFID讀取器對(duì)校內(nèi)的狀況實(shí)現(xiàn)感知與檢測(cè)[8]。

2.2網(wǎng)絡(luò)通信層

網(wǎng)絡(luò)通信層可以視作智慧校園實(shí)現(xiàn)運(yùn)作的“血管”，它主要包括幾類信息傳輸技術(shù)，其中應(yīng)用比較廣泛、效果比較良好的信息傳輸技術(shù)主要包括但并不僅僅限于4G及5G的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)等。由這些信息傳輸技術(shù)共同組成對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信層不僅能夠?yàn)橹腔坌@的信息傳遞提供便利，還能夠?yàn)橛脩籼峁┰L問服務(wù)。

2.3大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)層

大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)層是智慧校園的核心所在，也是大數(shù)據(jù)技術(shù)及云計(jì)算技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的主要區(qū)域，這個(gè)層級(jí)主要負(fù)責(zé)對(duì)通過智能感知層獲取、通過網(wǎng)絡(luò)通信通信層傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理及存儲(chǔ)[9]。大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)層主要由硬件與軟件兩部分組成，其中硬件主要為計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器等硬件設(shè)備，而軟件則主要包括分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件、數(shù)據(jù)處理軟件等，其運(yùn)作流程通常為將接入的物聯(lián)感知數(shù)據(jù)經(jīng)過清洗、治理、智能分析，通過網(wǎng)絡(luò)虛擬服務(wù)器終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理包括統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和共享數(shù)據(jù)、各業(yè)務(wù)域產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，最終利用分布式存儲(chǔ)技術(shù)對(duì)處理過后的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。2.4應(yīng)用層應(yīng)用層是智慧校園的最終層級(jí)，亦是直接與用戶實(shí)現(xiàn)接觸的層級(jí)，它的要旨在于將經(jīng)大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)層處理后的信息表達(dá)在應(yīng)用程序內(nèi)，而用戶則可以根據(jù)這些信息實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)校園的管理，如目前的高校已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)的教務(wù)管理、一卡通管理等。

3大數(shù)據(jù)及云計(jì)算技術(shù)在智慧校園中的應(yīng)用

經(jīng)過對(duì)大數(shù)據(jù)及云計(jì)算技術(shù)概念的闡述與智慧校園信息平臺(tái)架構(gòu)的分析，可大致做出大數(shù)據(jù)及云計(jì)算技術(shù)在教學(xué)、管理及安全等幾個(gè)方面的智慧校園應(yīng)用假設(shè)。

3.1構(gòu)建公共數(shù)據(jù)集成與共享平臺(tái)

大數(shù)據(jù)及云計(jì)算技術(shù)在智慧校園中的最顯著應(yīng)用便是“數(shù)據(jù)集成與信息共享”，即對(duì)學(xué)校管理過程中的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理，并將各類數(shù)據(jù)分享給全校師生[10]。與以往的公共數(shù)據(jù)信集成與共享平臺(tái)不同的是，基于大數(shù)據(jù)及云計(jì)算技術(shù)的公共數(shù)據(jù)集成與共享平臺(tái)擁有更快的信息傳遞速度與信息共享廣度，一舉打破了以往“由極個(gè)別人員建設(shè)智慧校園”的現(xiàn)狀與內(nèi)部信息孤島的格局。在新的格局形成后，只要是校內(nèi)人員皆可以通過智慧校園平臺(tái)隨時(shí)隨地地獲取自己需要的信息數(shù)據(jù)。

3.2創(chuàng)設(shè)智能學(xué)習(xí)環(huán)境

大數(shù)據(jù)即云計(jì)算技術(shù)在智慧校園中的另一大應(yīng)用是可以借助這兩種技術(shù)創(chuàng)設(shè)智能學(xué)習(xí)環(huán)境，其實(shí)際應(yīng)用主要包括幾個(gè)方面：一，智能資源上傳與獲取，借助大數(shù)據(jù)及云計(jì)算技術(shù)，學(xué)生能夠隨時(shí)隨地通過智慧校園平臺(tái)獲取優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)資源及教學(xué)內(nèi)容，而教師則可以對(duì)自己掌握的、優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源進(jìn)行上傳以供學(xué)生觀看；二，構(gòu)建云課堂，教師可以借助云課堂隨時(shí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行隨堂測(cè)驗(yàn)，以此提高課堂質(zhì)量，而在某些課堂中，學(xué)生也能夠憑自身愛好選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，令學(xué)習(xí)環(huán)境更見人性化、智能化，實(shí)現(xiàn)教學(xué)效率與質(zhì)量的雙向提升；三，學(xué)生狀態(tài)監(jiān)測(cè)，通過在黑板上方安裝攝像頭捕捉所有學(xué)生的面部表情和動(dòng)作，實(shí)時(shí)分析學(xué)生的聽課狀態(tài)，讓老師實(shí)時(shí)了解學(xué)生的聽課狀況，根據(jù)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)作出教學(xué)調(diào)整與生成性資源利用，以此提高課堂質(zhì)量。

3.3強(qiáng)化學(xué)校管理

強(qiáng)化學(xué)校管理也是大數(shù)據(jù)及云計(jì)算技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，比較可行的途徑有以下兩個(gè)方面：一，利用人臉識(shí)別技術(shù)進(jìn)行考勤，人臉識(shí)別考勤智慧班牌能夠借助教務(wù)系統(tǒng)的排課信息，通過人臉識(shí)別、拍照、刷卡等多種身份識(shí)別技術(shù)進(jìn)行識(shí)別考勤，系統(tǒng)可以客觀記錄、統(tǒng)計(jì)學(xué)生的到場(chǎng)情況，提高老師考勤效率且考勤信息具有可靠性；二，利用動(dòng)態(tài)人臉識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行安全管理在校園門口通過動(dòng)態(tài)人臉識(shí)別系統(tǒng)和閘機(jī)系統(tǒng)的結(jié)合應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生無感知人臉考勤，以及實(shí)現(xiàn)黑白名單的判斷，其中已授權(quán)的人員可通過刷臉進(jìn)出，未授權(quán)的人員則需要通過訪客登記獲取授權(quán)方可進(jìn)入，除此之外，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)還可以建立黑名單系統(tǒng)，對(duì)黑名單人員進(jìn)行識(shí)別預(yù)警，有效實(shí)現(xiàn)學(xué)生和校園安全；三，以海量數(shù)據(jù)為學(xué)校管理提供決策支持，通過大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)對(duì)學(xué)校財(cái)務(wù)信息進(jìn)行采集分析，可以清晰展現(xiàn)各項(xiàng)收入、支出情況，為學(xué)校財(cái)務(wù)決策提供數(shù)據(jù)支持等[11]。

4結(jié)語

綜上所述，大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)為智慧校園的進(jìn)一步發(fā)展帶來了新的契機(jī)。運(yùn)用大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)等新型技術(shù)搭建信息共享平臺(tái)，一方面可以使校管理層實(shí)時(shí)了解學(xué)校發(fā)展?fàn)顩r，令校老師及時(shí)發(fā)現(xiàn)教學(xué)問題；另一方面則可以提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，令學(xué)生獲得更多教學(xué)資源。隨著信息技術(shù)在未來的持續(xù)發(fā)展，智慧校園在學(xué)校管理中所占的比重會(huì)越來越高，校方勢(shì)必需要不斷地提高大數(shù)據(jù)及云計(jì)算技術(shù)在智慧校園中的應(yīng)用水平，通過不斷的實(shí)踐與改善令其更好地服務(wù)于現(xiàn)代化教育改革。

作者:王磊 田茂琴 古榮龍 單位:四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院