云計算技術在智慧校園中應用

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摘要：所謂“智慧校園”，即以物聯(lián)網(wǎng)為基礎的智慧化的校園工作、學習和生活一體化的環(huán)境，它往往以應用服務系統(tǒng)為載體，最終實現(xiàn)校園教學、科研及生活進行充分融合。目前智慧校園正在成為教育行業(yè)信息化建設的方向，而其智慧的體現(xiàn)就在于對于信息的整合與處理。這些無不與大數(shù)據(jù)及云計算技術的特征相吻合，何況物聯(lián)網(wǎng)和云計算等新技術的應用使得結構化數(shù)據(jù)管理方式已無法充分體現(xiàn)數(shù)據(jù)價值，是以大數(shù)據(jù)與云計算技術對于結構化、半結構化和非結構化數(shù)據(jù)的管理及提供決策支持具有天然的優(yōu)勢。由此可見，大數(shù)據(jù)與云計算技術必然會成為智慧校園體系中數(shù)據(jù)價值最大化的體現(xiàn)。文章將對大數(shù)據(jù)及云計算技術的概念進行闡述、對智慧校園的信息平臺網(wǎng)絡體系架構進行分析，并以此為基礎對大數(shù)據(jù)及云計算技術在智慧校園中的應用進行探究，以此為智慧校園的發(fā)展提供理論參考。

關鍵詞：大數(shù)據(jù)；云計算技術；智慧校園；概念；信息平臺架構；應用

0引言

學生的成長和安全向來是學校方面管理任務中的重中之重，借用信息技術在有限的師資資源和繁重的管理任務之間做到兼顧平衡即是智慧校園的設計與應用初衷。而智慧校園作為一種基于互聯(lián)網(wǎng)技術而創(chuàng)建的信息服務控制系統(tǒng)，其在日常運作的過程中需要構建數(shù)據(jù)自動化監(jiān)控采集平臺與管理服務平臺，隨后借助數(shù)據(jù)自動化監(jiān)控采集平臺對校園內的諸多數(shù)據(jù)進行收集與分析，繼而通過管理服務平臺向后臺用戶傳遞信息，由后臺管理者對其進行處理。在此過程中，數(shù)據(jù)信息一般具有兩個特征，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，同時海量數(shù)據(jù)的存儲與分析難度也相對較大。而為了實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的收集、存儲與分析，加強大數(shù)據(jù)與云計算技術在智慧平臺中的應用方可令智能終端、可感知設備及信息系統(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，最終實現(xiàn)現(xiàn)智慧校園資源動態(tài)分配、高校業(yè)務部署等真正智能的應用。

1大數(shù)據(jù)與云計算技術概述

1.1大數(shù)據(jù)技術

所謂“大數(shù)據(jù)技術”，即一種規(guī)模大到在獲取、存儲、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值密度四個特征[1]。通常而言，基于大數(shù)據(jù)技術的系統(tǒng)運作一般會具有四個流程：數(shù)據(jù)采集，即將應用程序產生的數(shù)據(jù)以及日志同步至大數(shù)據(jù)系統(tǒng)內；數(shù)據(jù)存儲，即將海量數(shù)據(jù)在大數(shù)據(jù)系統(tǒng)內實現(xiàn)存儲；數(shù)據(jù)處理，即對原始數(shù)據(jù)進行過濾、拼接、轉換及最終應用，這種數(shù)據(jù)處理主要存在兩種形式，一種是在線的實時分析，另一種是離線批量處理；數(shù)據(jù)應用，在海量數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后對其提供外部服務，如生成可視化報表等。而為了實現(xiàn)這四個流程，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)則需要包含以下兩類組成結構。1.1.1Hadoop數(shù)據(jù)處理架構。Hadoop是一種分析和處理大數(shù)據(jù)的軟件平臺，是一個用Java語言實現(xiàn)的Apache的開源軟件框架，在大量計算機組成的集群中實現(xiàn)了對海量數(shù)據(jù)的分布式計算[2-3]。Hadoop采用MapReduce分布式計算框架，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)存儲系統(tǒng)，允許用簡單的編程模型在計算機集群上對大型數(shù)據(jù)集進行分布式處理。目前Hadoop主要存在Flume、Pig和Hive等模塊，其中Flume模塊能夠為Hadoop采集數(shù)據(jù)，繼而對數(shù)據(jù)進行傳輸；Pig模塊旨在借助編譯器對海量數(shù)據(jù)進行分析與處理；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中的一個存儲子模塊，而HDFS分布式文件系統(tǒng)則是Hbase數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)節(jié)點及主節(jié)點兩個部分[4]。在大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，HDFS系統(tǒng)主要負責對系統(tǒng)采集到的信息數(shù)據(jù)進行接收并為用戶創(chuàng)建文件，實現(xiàn)存入、讀取、修改、刪除等操作。當數(shù)據(jù)集大小超過計算機存儲能力時，那便勢必需要對數(shù)據(jù)集進行拆分存儲于不同的計算機中，而HDFS分布式文件系統(tǒng)則可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)集實現(xiàn)跨計算機管理。

1.2云計算技術

就本質而言，云計算技術與大數(shù)據(jù)技術可謂密不可分，大數(shù)據(jù)可以視為云計算的應用案例之一，而云計算則是大數(shù)據(jù)的實現(xiàn)工具之一，其中大數(shù)據(jù)注重的是數(shù)據(jù)分析，云計算則是偏向計算機軟硬件架構與應用[5]。是以在對大數(shù)據(jù)技術進行闡述后，云計算技術也并不難理解。所謂“云計算技術”，即通過網(wǎng)絡“云”將巨大的數(shù)據(jù)計算處理程序分解成無數(shù)個小程序并通過多部服務器組成的系統(tǒng)對小程序進行處理和分析最終將結果反饋給客戶的一類技術。就目前而言，云計算技術一般包括以下兩類平臺。1.2.1OpenStack云管理平臺。Openstack是典型的IaaS（基礎設施即服務）模式的云平臺，它的作用主要在于對基礎設施資源進行管理，以此為用戶對資源的調用和使用提供便利。由于目前的Openstack多基于Linux內核完成搭建，是以它往往能夠實現(xiàn)跨平臺的應用程序安裝[6]。從管理目標來看，OpenStack所管理的資源是云平臺對資源，這種資源主要包括三類——計算資源、網(wǎng)絡資源與存儲資源。OpenStack云管理平臺的應用令可擴展的彈性云計算服務成為了可能，用戶可以在系統(tǒng)的后臺方進行自主操作。1.2.2分布式計算與網(wǎng)格計算。分布式計算是一種與集中式計算相對、由多種計算技術集合而成的計算方法，由于云計算系統(tǒng)中的應用多需要巨大的計算能力方可完成，在這種情況下若采用集中式計算難免會耗費大量時間來完成，而分布式計算則可以將數(shù)據(jù)分解為許多小的部分并將其分配給多臺計算機進行計算，最終實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的大批量處理[7]?？傮w而言，分布式計算不僅能夠降低單一計算單位或處理單位的負載量，還能夠令海量數(shù)據(jù)實現(xiàn)快速處理。網(wǎng)格計算是分布式計算的一類，它的要旨主要在于將一個需要非常巨大的計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算機進行處理，最終完成多網(wǎng)絡數(shù)據(jù)資源的運算、存儲。

2智慧校園信息平臺架構

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，而應該是一個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)及云計算技術構建教學及管理系統(tǒng)，通過計算機等硬件設施實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的智能處理、簡化人為管理流程，最終令校方的管理效率實現(xiàn)有效提升。目前智慧校園的信息平臺架構可見圖1。經(jīng)過對智慧校園信息平臺的整體架構進行分析，可以將其分為四個層面——負責采集信息數(shù)據(jù)的感知層、負責對信息數(shù)據(jù)進行傳輸?shù)木W(wǎng)絡通信層、負責對信息數(shù)據(jù)進行分析與處理的大數(shù)據(jù)業(yè)務層以及對信息數(shù)據(jù)處理結果

2形成反饋的應用層四層。

2.1智能感知層

智能感知層是智慧校園運作的根本層級，它主要負責對信息數(shù)據(jù)進行感知與收集。智能感知層主要依托于具有智能感知能力的Alot基座完成運作，它能夠借助物聯(lián)設備為智慧校園提供接入與開放式的平臺架構、將物聯(lián)感知設備統(tǒng)一接入設備中進行管理，如視頻監(jiān)控設備、圖像識別設備、報警防范設備、照明通風設備等。這些設備需要借助WSN無線傳感網(wǎng)絡與ZigBee協(xié)議完成信息傳遞，通過傳感器與無線網(wǎng)關的串聯(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算機，借助計算機為節(jié)點傳輸至校內網(wǎng)中，而視頻監(jiān)控設備與圖像識別設備等設備則可以利用RFID讀取器對校內的狀況實現(xiàn)感知與檢測[8]。

2.2網(wǎng)絡通信層

網(wǎng)絡通信層可以視作智慧校園實現(xiàn)運作的“血管”，它主要包括幾類信息傳輸技術，其中應用比較廣泛、效果比較良好的信息傳輸技術主要包括但并不僅僅限于4G及5G的移動網(wǎng)絡、有線網(wǎng)絡等。由這些信息傳輸技術共同組成對網(wǎng)絡通信層不僅能夠為智慧校園的信息傳遞提供便利，還能夠為用戶提供訪問服務。

2.3大數(shù)據(jù)業(yè)務層

大數(shù)據(jù)業(yè)務層是智慧校園的核心所在，也是大數(shù)據(jù)技術及云計算技術得以實現(xiàn)的主要區(qū)域，這個層級主要負責對通過智能感知層獲取、通過網(wǎng)絡通信通信層傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)進行分析、處理及存儲[9]。大數(shù)據(jù)業(yè)務層主要由硬件與軟件兩部分組成，其中硬件主要為計算機、數(shù)據(jù)庫、服務器等硬件設備，而軟件則主要包括分布式數(shù)據(jù)存儲軟件、數(shù)據(jù)處理軟件等，其運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)絡虛擬服務器終實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理包括統(tǒng)一標準的基礎數(shù)據(jù)和共享數(shù)據(jù)、各業(yè)務域產生的業(yè)務數(shù)據(jù)，最終利用分布式存儲技術對處理過后的信息數(shù)據(jù)進行存儲。2.4應用層應用層是智慧校園的最終層級，亦是直接與用戶實現(xiàn)接觸的層級，它的要旨在于將經(jīng)大數(shù)據(jù)業(yè)務層處理后的信息表達在應用程序內，而用戶則可以根據(jù)這些信息實現(xiàn)對整個校園的管理，如目前的高校已經(jīng)能夠實現(xiàn)的教務管理、一卡通管理等。

3大數(shù)據(jù)及云計算技術在智慧校園中的應用

經(jīng)過對大數(shù)據(jù)及云計算技術概念的闡述與智慧校園信息平臺架構的分析，可大致做出大數(shù)據(jù)及云計算技術在教學、管理及安全等幾個方面的智慧校園應用假設。

3.1構建公共數(shù)據(jù)集成與共享平臺

大數(shù)據(jù)及云計算技術在智慧校園中的最顯著應用便是“數(shù)據(jù)集成與信息共享”，即對學校管理過程中的各類數(shù)據(jù)進行采集與處理，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)信集成與共享平臺不同的是，基于大數(shù)據(jù)及云計算技術的公共數(shù)據(jù)集成與共享平臺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“由極個別人員建設智慧校園”的現(xiàn)狀與內部信息孤島的格局。在新的格局形成后，只要是校內人員皆可以通過智慧校園平臺隨時隨地地獲取自己需要的信息數(shù)據(jù)。

3.2創(chuàng)設智能學習環(huán)境

大數(shù)據(jù)即云計算技術在智慧校園中的另一大應用是可以借助這兩種技術創(chuàng)設智能學習環(huán)境，其實際應用主要包括幾個方面：一，智能資源上傳與獲取，借助大數(shù)據(jù)及云計算技術，學生能夠隨時隨地通過智慧校園平臺獲取優(yōu)質的學習資源及教學內容，而教師則可以對自己掌握的、優(yōu)質的教學資源進行上傳以供學生觀看；二，構建云課堂，教師可以借助云課堂隨時對學生進行隨堂測驗，以此提高課堂質量，而在某些課堂中，學生也能夠憑自身愛好選擇學習內容，令學習環(huán)境更見人性化、智能化，實現(xiàn)教學效率與質量的雙向提升；三，學生狀態(tài)監(jiān)測，通過在黑板上方安裝攝像頭捕捉所有學生的面部表情和動作，實時分析學生的聽課狀態(tài)，讓老師實時了解學生的聽課狀況，根據(jù)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)作出教學調整與生成性資源利用，以此提高課堂質量。

3.3強化學校管理

強化學校管理也是大數(shù)據(jù)及云計算技術的實際應用，比較可行的途徑有以下兩個方面：一，利用人臉識別技術進行考勤，人臉識別考勤智慧班牌能夠借助教務系統(tǒng)的排課信息，通過人臉識別、拍照、刷卡等多種身份識別技術進行識別考勤，系統(tǒng)可以客觀記錄、統(tǒng)計學生的到場情況，提高老師考勤效率且考勤信息具有可靠性；二，利用動態(tài)人臉識別系統(tǒng)進行安全管理在校園門口通過動態(tài)人臉識別系統(tǒng)和閘機系統(tǒng)的結合應用，可以實現(xiàn)學生無感知人臉考勤，以及實現(xiàn)黑白名單的判斷，其中已授權的人員可通過刷臉進出，未授權的人員則需要通過訪客登記獲取授權方可進入，除此之外，動態(tài)系統(tǒng)還可以建立黑名單系統(tǒng)，對黑名單人員進行識別預警，有效實現(xiàn)學生和校園安全；三，以海量數(shù)據(jù)為學校管理提供決策支持，通過大數(shù)據(jù)、云計算等技術對學校財務信息進行采集分析，可以清晰展現(xiàn)各項收入、支出情況，為學校財務決策提供數(shù)據(jù)支持等[11]。

4結語

綜上所述，大數(shù)據(jù)與云計算技術為智慧校園的進一步發(fā)展帶來了新的契機。運用大數(shù)據(jù)與云計算技術等新型技術搭建信息共享平臺，一方面可以使校管理層實時了解學校發(fā)展狀況，令校老師及時發(fā)現(xiàn)教學問題；另一方面則可以提高學生的自主學習能力，令學生獲得更多教學資源。隨著信息技術在未來的持續(xù)發(fā)展，智慧校園在學校管理中所占的比重會越來越高，校方勢必需要不斷地提高大數(shù)據(jù)及云計算技術在智慧校園中的應用水平，通過不斷的實踐與改善令其更好地服務于現(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)技術學院