高校大數(shù)據(jù)分析平臺設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
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摘要：隨著高校各類應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展，信息化建設(shè)將轉(zhuǎn)向大數(shù)據(jù)服務(wù)階段。如何有效利用分散在各系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，為學(xué)校的管理與決策提供數(shù)據(jù)支撐，是迫切需要解決的問題。文章闡述了數(shù)據(jù)采集整合過程和分布式存儲技術(shù)，設(shè)計(jì)了大數(shù)據(jù)分析平臺基礎(chǔ)架構(gòu)和功能模塊，分析了相關(guān)數(shù)據(jù)模型。通過搭建大數(shù)據(jù)分析平臺，測試了數(shù)據(jù)采集功能和各分析模塊的展示情況。
關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)分析平臺；Hadoop；數(shù)據(jù)采集
引言
隨著高校信息化建設(shè)快速推進(jìn)，國內(nèi)高?；就瓿筛黝惢A(chǔ)應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)，在應(yīng)用系統(tǒng)中也存儲了大量的數(shù)據(jù)，包括教師和學(xué)生的工作、生活、學(xué)習(xí)、教學(xué)和科研等數(shù)據(jù)，以及個(gè)系統(tǒng)的日志數(shù)據(jù)。由于各系統(tǒng)相對獨(dú)立無法進(jìn)行系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享，使得這些系統(tǒng)數(shù)據(jù)都閑置在各應(yīng)用系統(tǒng)中。因?yàn)樵趯W(xué)校的管理與決策中缺乏真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)做支撐，所以研究如何將閑置的數(shù)據(jù)有效利用起來，對高校的信息化建設(shè)會更有意義。大數(shù)據(jù)分析平臺是在現(xiàn)有各應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對各系統(tǒng)匯集起的海量數(shù)據(jù)資源進(jìn)行清洗、整理、挖掘、分析等操作后，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化程度提高其利用價(jià)值也更大。大數(shù)據(jù)分析平臺的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)，核心是分析模型，目標(biāo)是應(yīng)用。本文將整合校園內(nèi)各應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行挖掘、整理、分析，然后通過構(gòu)建數(shù)據(jù)模型，搭建統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)分析平臺，實(shí)現(xiàn)對零散的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，分析結(jié)果可以為學(xué)校及各部門的管理和決策提供數(shù)據(jù)支撐，數(shù)據(jù)的利用價(jià)值也更高。對師生在工作、生活、學(xué)習(xí)、教學(xué)和科研方面提供行為分析，分析結(jié)果為學(xué)校優(yōu)化管理方式，提升服務(wù)水平提供指導(dǎo)，勾畫“千人千面”，讓學(xué)校真正了解師生。
1關(guān)鍵技術(shù)簡介
Hadoop[1]是一個(gè)分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)，充分利用集群的優(yōu)勢對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和存儲。Hadoop由許多元素構(gòu)成，底層是分布式文件系統(tǒng)（HadoopDistributedFileSystem，HDFS），用來存儲集群中所有存儲節(jié)點(diǎn)中的文件。HDFS上一層是Ma-pReduce引擎,為海量的數(shù)據(jù)提供高速計(jì)算。ETL（Extract-Transform-Load）[2]是用來描述將數(shù)據(jù)從源端經(jīng)過抽?。‥xtract）、轉(zhuǎn)換（Transform）、加載（Load）到目的端的過程。使用ETL目的是將學(xué)校中分散、零亂、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的數(shù)據(jù)整合到一起，為學(xué)校管理決策提供數(shù)據(jù)支撐。Sqoop[3]是一款開源的工具，主要用于在Hadoop(Hive)與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞，可以將一個(gè)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入HDFS，也可以將HDFS的數(shù)據(jù)回流到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中。Sqoop也為NoSQL數(shù)據(jù)庫它也提供了連接器。Nutch[4]是一個(gè)開源的高度可擴(kuò)展和可伸縮性的分布式爬蟲框架。Nutch主要由爬蟲Crawler和查詢Searcher組成，Craw-ler主要用于從網(wǎng)絡(luò)上抓取網(wǎng)頁并建立索引，Searcher主要利用這些索引檢索用戶的查找關(guān)鍵詞來產(chǎn)生查找結(jié)果。兩者之間的接口是索引，所以除去索引部分，兩者之間的耦合度很低。
2基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1數(shù)據(jù)采集
大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用采用Hadoop平臺及生態(tài)工具，從校園卡數(shù)據(jù)、上網(wǎng)日志數(shù)據(jù)、教學(xué)數(shù)據(jù)、師生管理數(shù)據(jù)和安防數(shù)據(jù)等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫，以及網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)表格文件等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)中，采集師生相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)到分布式數(shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲、挖掘、分析和展示。確保數(shù)據(jù)采集對應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行不產(chǎn)生影響的情況下，可實(shí)時(shí)或定時(shí)增量采集數(shù)據(jù)。為了便于擴(kuò)展，架構(gòu)還支持從其它關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中采集結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，挖掘關(guān)聯(lián)性更多的數(shù)據(jù)關(guān)系。數(shù)據(jù)采集架構(gòu)如圖1。數(shù)據(jù)采集是大數(shù)據(jù)分析中最重要的一部分。結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)集成管道對業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取，按照數(shù)據(jù)分析模型要求對各應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)利用經(jīng)過抽取，轉(zhuǎn)換，加載至主數(shù)據(jù)庫；表格數(shù)據(jù)通過填報(bào)或?qū)氲姆绞竭M(jìn)入主數(shù)據(jù)庫；日志數(shù)據(jù)通過日志處理工具讀入主數(shù)據(jù)庫；互聯(lián)網(wǎng)中的社交、科研、輿情、Web等數(shù)據(jù)通過爬蟲工具采集至主數(shù)據(jù)庫。
2.2數(shù)據(jù)清洗整合
數(shù)據(jù)質(zhì)量是大數(shù)據(jù)分析效果的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)質(zhì)量的管理，是發(fā)揮數(shù)據(jù)價(jià)值的基石，也是大數(shù)據(jù)分析的重要前提。在數(shù)據(jù)分析平臺的建設(shè)過程中數(shù)據(jù)的清洗整合的工作占70%以上。大數(shù)據(jù)分析平臺從數(shù)據(jù)使用的角度管理數(shù)據(jù)的質(zhì)量，以可視化的形式反映數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，數(shù)據(jù)也可以利用可視化的界面對質(zhì)量檢測規(guī)則進(jìn)行配置。通過數(shù)據(jù)采集存入主數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，容易出現(xiàn)空字段，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不一致，數(shù)據(jù)描述不統(tǒng)一。數(shù)據(jù)的清洗整合主要通用數(shù)據(jù)質(zhì)量規(guī)則進(jìn)行自定義配置，根據(jù)規(guī)則對主數(shù)據(jù)庫中存在異常的數(shù)據(jù)通過缺值填寫、無效值重復(fù)值刪除、異常值優(yōu)化等方法提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，根據(jù)數(shù)據(jù)分析模型整合已抽取的數(shù)據(jù)。
2.3分布式存儲及數(shù)據(jù)分析
分布式存儲主要是通過Hadoop分布式文件系統(tǒng)（HDFS）以及MapReduce框架將數(shù)據(jù)分散存儲在多臺獨(dú)立的設(shè)備上[5]，具有可擴(kuò)展、低成本、高性能、易用等特征。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)存儲是將所有數(shù)據(jù)集中存儲到存儲服務(wù)器上，存儲服務(wù)器的性能對存儲數(shù)據(jù)的影響較大，也成為平臺性能的瓶頸，不能滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲及使用的需要。在大數(shù)據(jù)分析平臺上使用分布式存儲，不但可以提高系統(tǒng)的可靠性、可用性和存取效率，還易于擴(kuò)展。高校存儲的大量數(shù)據(jù)應(yīng)用價(jià)值非常高，通過對抽取的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，搭建分析模型，實(shí)現(xiàn)用數(shù)據(jù)對師生的行為進(jìn)行畫像，實(shí)時(shí)了解學(xué)生學(xué)習(xí)、教師教課等情況。
2.4平臺架構(gòu)體系設(shè)計(jì)
大數(shù)據(jù)分析平臺主要向用戶展示師生行為，綜合數(shù)據(jù)分析，校情信息，教學(xué)及學(xué)習(xí)情況等。在平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)中要充分了解學(xué)校各系統(tǒng)目前運(yùn)行情況，學(xué)校各單位對數(shù)據(jù)的需求，以及學(xué)校目前的數(shù)據(jù)重量情況，在架構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)存儲空間設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮平臺發(fā)展的需要。底層數(shù)據(jù)抽取、清洗整合、分析建模等基礎(chǔ)工作并不能向用戶展示，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和模型的合理性決定了分析結(jié)果的可靠性。大數(shù)據(jù)分析平臺架構(gòu)體系如圖2：此架構(gòu)體系可以兼容多數(shù)高校已經(jīng)建設(shè)的數(shù)字校園結(jié)構(gòu)體系，可以與已有的平臺和數(shù)據(jù)中心相輔相成，建設(shè)效率更快的情況下還能節(jié)省成本。讓原來的建設(shè)成果發(fā)揮更大的價(jià)值。
3大數(shù)據(jù)分析平臺功能設(shè)計(jì)
大數(shù)據(jù)分析平臺的場景應(yīng)用是指通過數(shù)據(jù)建模把數(shù)據(jù)從各種維度、特征進(jìn)行分析，然后根據(jù)不同的場景應(yīng)用對分析結(jié)果進(jìn)行展示。各應(yīng)用場景的分析模型搭建需要充分了解各系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以便于從多維度區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)需求程度。在高校大數(shù)據(jù)分析中，數(shù)據(jù)的來源主要從學(xué)生綜合系統(tǒng)，人力資源，教務(wù)管理，圖書管理，校園卡系統(tǒng)，安防，上網(wǎng)管理，科研管理、資產(chǎn)管理和醫(yī)院管理等系統(tǒng)中獲取。大數(shù)據(jù)深入分析時(shí)，還要對非結(jié)構(gòu)化表格數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如通過表格填寫進(jìn)行管理數(shù)據(jù)采集，利用爬蟲程序?qū)ヂ?lián)網(wǎng)中期刊數(shù)據(jù)庫、微博數(shù)據(jù)、網(wǎng)頁數(shù)據(jù)、以及微信公眾號文章等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，再結(jié)合學(xué)校其它相對變化不大的數(shù)據(jù)，能搭建出更有價(jià)值的分析模型。各高校都有自己的特點(diǎn)，現(xiàn)有的各種分析模型并不能通用，必須根據(jù)本校實(shí)際情況對已有的分析模型進(jìn)行優(yōu)化或重新搭建。其中行為軌跡主要通過對各系統(tǒng)中定時(shí)定點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行串聯(lián)，形成一條行為路線。
3.1學(xué)生數(shù)據(jù)分析
高校管理中對學(xué)生的管理十分重要，對學(xué)生的數(shù)據(jù)分析需要站在學(xué)生的角度進(jìn)行思考，如學(xué)生上課考勤分析，首先針對學(xué)生的課表、學(xué)生請銷假、教室考勤機(jī)、校園卡記錄、上網(wǎng)記錄、圖書借閱、安防數(shù)據(jù)、校醫(yī)院系統(tǒng)等可以分析出有哪些學(xué)生沒有上課。根據(jù)學(xué)生日常行為軌跡或習(xí)慣，以及消費(fèi)情況分析該生是否在談戀愛。根據(jù)學(xué)生上數(shù)據(jù)分析該生是否沉迷于網(wǎng)游。通過分析學(xué)生上課情況、教師情況、行為軌跡或習(xí)慣、以及相似課程成績等數(shù)據(jù)對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行預(yù)警，并對產(chǎn)生預(yù)警的原因進(jìn)行分析。通過數(shù)據(jù)分析使學(xué)生管理者輕松的掌握學(xué)生狀態(tài)，同時(shí)也可得到出現(xiàn)該狀態(tài)的原因。在貧困生鑒別和精準(zhǔn)扶貧方面，根據(jù)學(xué)生每月在校消費(fèi)情況、家庭情況、助學(xué)貸款等數(shù)據(jù)篩選學(xué)生，并將男女分析算法區(qū)別設(shè)計(jì)。學(xué)生宿舍安全方面，通過宿舍智能電表實(shí)時(shí)監(jiān)測用電情況，對違規(guī)使用大功率、高電流及電表高溫等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警并將預(yù)警信息推送給相關(guān)人員進(jìn)行處理。另外還可以通過數(shù)據(jù)分析對學(xué)生異常消費(fèi)、上網(wǎng)時(shí)長，上網(wǎng)行為、心理健康、學(xué)業(yè)、學(xué)生軌跡等情況進(jìn)行預(yù)警，可以對突發(fā)事件處理給予指導(dǎo)。通過用戶畫像從不同靜態(tài)屬性標(biāo)簽勾畫學(xué)生人群進(jìn)行展示，并支持深入挖掘?qū)W生消費(fèi)行為信息，輔助學(xué)校在勤工助學(xué)、助學(xué)貸款、貧困生評定、價(jià)格調(diào)整、餐廳分流、超市分布、浴室建設(shè)等方面提供數(shù)據(jù)支撐。
3.2教師數(shù)據(jù)分析
在教學(xué)管理方面，通過教學(xué)數(shù)據(jù)、學(xué)生評教、學(xué)生到課率、教師備課、科研、圖書借閱等數(shù)據(jù)可以分析出教師所適合的優(yōu)勢課程，為教學(xué)管理人員課程安排提供指導(dǎo)，將數(shù)據(jù)推送至教師可以為其發(fā)展提供指導(dǎo)。通過教師的校園卡消費(fèi)、行為軌跡、上網(wǎng)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)分析教師是否存在離職風(fēng)險(xiǎn)，如校園卡消費(fèi)方面出現(xiàn)有意清零或提現(xiàn)，經(jīng)常瀏覽招聘網(wǎng)站或投遞簡歷等行為。
3.3其他數(shù)據(jù)分析
大數(shù)據(jù)分析能夠?qū)W(xué)生和教師分析外，還可以從其他方面進(jìn)行分析用來服務(wù)于校領(lǐng)導(dǎo)、后勤管理、校園卡管理、校園安全管理等?？蒲蟹治龇矫?，通過對年度科研項(xiàng)目立項(xiàng)和科研成果等科研數(shù)據(jù)的分析，可以預(yù)測學(xué)?？蒲邪l(fā)展情況，結(jié)合學(xué)校發(fā)展目標(biāo)對發(fā)現(xiàn)的問題及時(shí)進(jìn)行干預(yù)。教學(xué)管理方面，通過對不同專業(yè)、不同年級學(xué)生的選課情況和課程成績等數(shù)據(jù)的分析，是否需要對學(xué)校開設(shè)的選修課信息通信王樹國等：高校大數(shù)據(jù)分析平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)學(xué)校的培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生管理方面，通過校園卡、安防終端、相關(guān)賬號等數(shù)據(jù)可以進(jìn)行身份識別，可以通過數(shù)據(jù)分析獲得實(shí)時(shí)在校人數(shù)，以及早出晚歸、夜不歸宿的學(xué)生，在綜合學(xué)生數(shù)據(jù)后對學(xué)生的行為進(jìn)行安全預(yù)警。餐飲消費(fèi)、行為軌跡等數(shù)據(jù)與學(xué)習(xí)成績進(jìn)行分析，分析結(jié)果可以指導(dǎo)輔導(dǎo)員對學(xué)生進(jìn)行分類管理。餐廳管理方面，通過對師生消費(fèi)時(shí)間、季節(jié)、窗口人流量、消費(fèi)金額等數(shù)據(jù)分析，后勤和餐飲經(jīng)營者可以清楚的知道每個(gè)餐廳、每個(gè)窗口消費(fèi)及收入情況，便于后勤對餐廳的管理，并及時(shí)對餐廳或窗口進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整?？赏ㄟ^結(jié)合消費(fèi)人群信息對消費(fèi)用戶數(shù)據(jù)深入挖掘，獲得不同地方的人喜歡的口味，不同年級學(xué)生的餐飲習(xí)慣等情況。上網(wǎng)管理方面，通過對上網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類匯總、關(guān)鍵詞提取、應(yīng)用程序分類、安全設(shè)備日志分析、用戶信息分類等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以為學(xué)校網(wǎng)絡(luò)保障、網(wǎng)絡(luò)用戶管理、網(wǎng)絡(luò)安全預(yù)警、個(gè)人信息保護(hù)等提供數(shù)據(jù)支撐。圖書館管理方面，通過對學(xué)生和教師借閱時(shí)間、借閱書籍類型、借閱人類型、館藏圖書、在線期刊數(shù)據(jù)庫瀏覽等數(shù)據(jù)分析，以及學(xué)生進(jìn)出圖書館的次數(shù)與成績之間的關(guān)系，為圖書館管理和圖書需求情況提供數(shù)據(jù)支撐，更便于師生了解圖書館進(jìn)出高峰時(shí)間段、哪個(gè)區(qū)域人流量較多、哪種書籍更受人喜歡等信息。校園安全方面，通過對校園安防平臺中進(jìn)出校門、進(jìn)出校內(nèi)各樓宇、視頻邊界和人員密度報(bào)警等數(shù)據(jù)的分析，為學(xué)校安全管理提供指導(dǎo)。對校園卡及財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)分析，可以讓校園卡管理老師了解學(xué)生、老師、臨時(shí)卡等在消費(fèi)、充值、使用等方面的情況，為師生進(jìn)一步提高服務(wù)質(zhì)量和主動(dòng)服務(wù)意識提供指導(dǎo)。大數(shù)據(jù)分析平臺主要功能設(shè)計(jì)如圖3。大數(shù)據(jù)分析平臺可對用戶進(jìn)行功能和數(shù)據(jù)授權(quán)。數(shù)據(jù)權(quán)限可分為全局、院系、輔導(dǎo)員和普通老師等級別，模塊權(quán)限可根據(jù)角色對功能模塊進(jìn)行授權(quán)?？蔀閹熒峁┐髷?shù)據(jù)報(bào)告，可在PC和手機(jī)端訪問。學(xué)生和老師可了解食堂擁擠、窗口美食、洗澡高峰、充值趨勢、消費(fèi)水平等等。數(shù)據(jù)智能管理方面，可以把數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)根據(jù)自己想要的結(jié)果輕松配置出來，功能強(qiáng)大，操作簡單，用戶可自己操作。
4平臺實(shí)現(xiàn)
數(shù)據(jù)分析平臺基于JAVA框架，使用在智能代碼助手、重構(gòu)、JUnit、CVS整合、代碼分析等方面功能優(yōu)越的IntelliJIDEA進(jìn)行開發(fā)，數(shù)據(jù)庫使用Oracle。在數(shù)據(jù)源管理中，利用Sqoop工具在Hadoop與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞，也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向流通，其底層實(shí)現(xiàn)就是MapReduce。對某些NoSQL數(shù)據(jù)庫利用Sqoop連接器，同樣可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流。新建數(shù)據(jù)源如圖4所示。權(quán)限管理在大數(shù)據(jù)分析平臺管理中主要進(jìn)行組織管理，角色管理，用戶管理等。其中用戶角色定義中，根據(jù)不同用戶的需求分別定義管理員、校領(lǐng)導(dǎo)、院處領(lǐng)導(dǎo)、辦公室、教師、輔導(dǎo)員、學(xué)生等角色，根據(jù)不同角色劃分不同權(quán)限，每種角色都可以訂閱本角色范圍內(nèi)的需求信息，也可以根據(jù)學(xué)校管理需要給特定人推送相關(guān)信息。在用戶管理中對不同角色用戶可以進(jìn)行批量權(quán)限劃分，通過對前臺的編碼實(shí)現(xiàn)對分析結(jié)果的展示，個(gè)人畫像展示如圖5。
5結(jié)語
闡述了高校在數(shù)據(jù)管理方面存在的問題，構(gòu)建了大數(shù)據(jù)分析平臺技術(shù)架構(gòu)，功能模塊。基于Hadoop技術(shù)對大數(shù)據(jù)分析平臺的部分功能進(jìn)行了測試。平臺試運(yùn)行后為在校師生提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)推送服務(wù)，并為相關(guān)部門的管理提供了數(shù)據(jù)支撐。平臺在對數(shù)據(jù)抽取和分析模型搭建方面還有進(jìn)一步提升的空間，例如在學(xué)生健康狀況分析和學(xué)習(xí)情況分析，可以通過進(jìn)一步數(shù)據(jù)挖掘，分析出質(zhì)量更高的結(jié)果。
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作者：王樹國 皮宗輝 付文豪 單位：喀什大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與信息管理中心
