基于云计算平台的国网技术学院智慧校园设计构想

杨祥来 马凤霞 乔 磊 丁 扬 马 滨

国网技术学院信息中心 山东 济南 250002

0 引言

随着移动互联、物联网、云计算、大数据分析等先进信息化技术的不断发展，数字化校园向智慧校园过渡已经成为教育信息化发展的必然趋势。智慧校园依托先进的信息化技术和手段，优化校园信息流和业务流，整合院区信息化资源，通过一站式服务平台向广大师生提供个性化、智能化的信息服务［1］。

国网技术学院自2008年正式组建以来，在一体化平台及业务应用建设、信息安全保障等信息化工作方面都取得了较大进步。截止目前学院已建成高速、稳定的信息内外网络，建成内外网虚拟资源平台、云终端系统等数据中心基础平台，建成ERP、财务管控、培训管理信息系统等各类业务应用系统，提升了学院在管理运营、培训教学和综合服务等各方面的工作效率，全面建成了稳定可控、高效有序的数字化校园。但是在数字校园建设过程中忽视了资源共享和业务协同，存在重建设轻应用、集中建设分散使用等部分问题，导致各业务系统之间存在一定的信息孤岛与数字鸿沟［2］。智慧校园能够实现各业务系统之间的数据整合和互联互通，将庞大复杂的培训教学、运营管理、综合保障等业务应用及课件资源，抽象为简单、便捷、智能且具有良好用户体验的个性化定制服务，最终实现学院培训教学资源动态分配和信息服务自助化获取。

1 智慧校园内涵特征及关键技术

1.1 智慧校园内涵特征

国网技术学院智慧校园建设将遵循 “服务指导、强化协同、分步实施”的基本原则，重视基础数据资源整合，融合服务和管理理念，依托云计算技术分步分批建成各类业务应用［3］，充分利用智能手机终端，为学员学生和教职员工提供便捷的一站式学习生活、培训教学等信息化服务。

1）资源共享，网络融合

智慧校园建设将有效整合信息软硬件资源，实现资源动态分配、负载均衡，有效提高资源利用率。利用Hadoop云计算平台搭建服务器集群，形成多业务运行、多资源共享的一体化应用平台；实施“院区无线全覆盖”工程，实现信息网络、传感器网络、视频监控网络等多网融合的一体化网络环境。

2）业务协同，服务产品化

有效梳理各业务应用系统间关系，建设集中数据中心和异地灾备中心，实现应用接口统一管理、数据资源集中共享；专业设计培训教学“服务化”模型，搭建校园公共服务体系，实现应用服务产品化。

3）智能管理，科学决策

智慧校园设计将充分重视数据存储、数据分析、数据展现能力建设，将数据视为基础资源，采用大数据分析和数据挖掘技术构建一体化综合服务平台，为学院师生提供学习行为分析，为院区运营提供智能管理，为学院发展提供科学智慧决策。

1.2 智慧校园关键技术

1）云计算技术

云计算技术在教育领域已经得到了较好的推广应用，国内外多家教育机构都相继提出了“教育云”概念。云计算以基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）、软件即服务（SaaS）三层次向用户提供信息化服务［4］，具有可靠性高、易扩展、虚拟化等特点，颠覆和改变了传统的信息化架构和业务应用部署模式。IBM、Google等IT企业陆续推出了各自的教育云服务平台，但应用和开发成本较高，不适用于普通中高等学校［5］。智慧校园设计中将考虑应用开源Hadoop平台搭建云计算平台［6］，利用学校科研优势开展相关研究，为智慧校园建设提供基础平台和业务架构支撑。

Hadoop平台是Apache基金会支持开发的开分布式存储与计算系统，该平台框架最核心的设计是HDFS和Map Reduce。其中HDFS是一个高容错、高数据传输率的分布式文件系统（Hadoop Distributed File System），为海量的数据提供了存储平台，是Google File System （GFS）的开源实现。Map Reduce为分布式并行计算编程模型，为并行处理海量数据提供了软件框架，是Google Map Reduce的开源实现。

2）大数据分析技术

学院数字化校园建设过程中积累了大量的结构化和非结构化数据，通过利用数据挖掘、机器学习等技术手段对海量历史和实时数据进行挖掘分析［7－8］，实现校园信息化建设从数字化到数据化的过渡，智能分析学员学生生活习惯和学习状态，为学院培训教学业务提供科学的智能决策。

3）移动互联技术

随着移动通信技术和智能手机终端的发展，移动互联技术不断影响和改变着人们的生活工作习惯。在院区内推广应用移动互联技术，优化整合院区现有有线、无线网络，为智慧校园提供高速、可靠的基础网络环境。

4）物联网技术

以传感器技术，Zigbee、UWB等短距离无线传输技术发展为特征的物联网技术实现了人人、人机、人物之间的互联互通，为人们提供了智能化的工作生活环境。在智慧校园建设过程中搭建覆盖院区各类资源的物联网［9］，能够实现对学院实训室、图书馆、浴室、照明等各类基础设施的智能化控制管理，推进智慧校园的建设发展。

2 基于云计算平台的国网技术学院智慧校园整体架构设计

2.1 基于云计算平台的国网技术学院智慧校园系统功能架构设计

国网技术学院智慧校园整体架构设计将采用开放、共享、安全的云计算服务平台，具体分为基础设施层IaaS、平台服务层PaaS、软件应用层SaaS，最终为学院师生提供一站式定制服务［10－11］。

基础设施层IaaS是由X86 PC服务器、磁盘阵列、网络设备、物联网设备等构成的软硬件资源池，向上层提供软硬件基础支撑服务。设计方案中将采用开源云计算平台Hadoop搭建云计算集群，为平台服务层PaaS提供封装后的分布式数据存储及计算服务。Hadoop云计算平台采用开源技术，对底层硬件设备要求较低，能够为智慧校园建设提供可靠高效、成本低廉、扩展方便的云计算服务。

平台服务层PaaS向智慧校园服务创造者提供业务应用开发环境支撑服务，通过云计算Web Service标准向软件应用层SaaS提供完善的应用服务引擎和应用编程接口，隐藏底层平台具体实现，实现接口调用服务化，使智慧校园服务创造者专注于业务需求挖掘和业务应用开发。

软件应用层SaaS部署智慧校园业务应用系统［12］，用户可通过相关客户端软件科获得软件应用服务。通过配置各类业务应用使用权限，为不同角色用户提供个性化定制服务（见图1）。

2.2 基于云计算平台的国网技术学院智慧校园物理拓扑架构设计

国网技术学院智慧校园建设采用校园私有云架构设计，利用开源Hadoop技术搭建底层分布式计算与分布式存储平台。Hadoop平台对硬件设备要求相对较低，依托性能及配置中等PC服务器即可搭建具备较高分布式计算水平及分布式存储能力的服务器集群。Hadoop平台搭建及研究开发相关软件基本为开源，大大降低了软件使用和研发成本。

底层基础设施将包括分布式服务器云计算集群、校园信息网络、校园物联网、校园监控网络，整合结构化数据、非结构化数据、实时数据流资源，构建集中数据中心和异地灾备系统，实现数据集中管理、业务交叉应用。Hadoop平台封装屏蔽了以上基础设备，将备份容灾、负载均衡屏蔽在基础设施服务层，通过Web服务器以Web Service的形式向用户提供支撑平台服务［13］，业务应用开发人员将不考虑底层基础架构实现，只需关注于软件开发过程（见图 2）。

3 基于角色的个性化定制服务和业务应用系统规划设计

3.1 基于角色的个性化定制服务

国网技术学院、国家电网公司团校、山东电力高等专科学校和山东省电力学校一体化运营，承担了国家电网公司新入职员工培训、国家电网员工技术技能培训、中高等教育教学等多种培训教学任务，国网技术学院智慧校园服务对象将包括长期班学员、短期班学员、专职培训师、兼职培训师、中高等教育教师、中高等教育学生、学院管理人员等院区用户，相比较普通高等学校，学院智慧校园用户构成类型复杂、数量较大，给智慧校园用户组及角色设计带来较大的挑战。

图1 基于云计算平台的国网技术学院智慧校园系统功能架构

本文依据各类型用户工作学习内容的不同，基于用户角色将一站式智能服务划分七类服务应用平台，具体包括管理人员服务平台、兼职培训师服务平台、专职培训师服务平台、教师服务平台、学员服务平台、学生服务平台、公共服务平台。前六类服务平台为长期在校人员提供各类基于不同角色的服务，而公共服务平台则针对初次到校人员或短期内在校人员，提供学院介绍、院区智能导航等公共基础服务。

基于软件应用服务平台接口开发智能手机终端软件，为不同类型的智慧校园用户配置不同的使用权限，移动终端应用软件将替代学院统一门户，成为用户获得各类信息化服务的窗口平台，智能手机将最终变成身份识别和支付终端并替换校园一卡通，软件服务逐渐产品化，学院广大师生通过智能移动终端将获得丰富多彩、智慧便捷的信息化服务。

图2 基于云计算平台的国网技术学院智慧校园物理拓扑架构

3.2 业务应用系统规划设计

业务系统建设是智慧校园设计的关键，将会直接影响用户的使用体验。业务应用系统规划设计将遵循“新建与改造并举、强调应用、分步实施”的原则，有效发挥支撑应用平台服务功能，为智慧校园应用系统部署提供开发平台和数据接口，实现数据资源集中共享，根本上消除信息孤岛与信息烟囱。

依据应用功能和服务用户的不同将业务系统分为院区运营管理、培训教学、综合保障（校园一卡通）、科研实训、数字化图书馆五大类。具体如下：

院区运营管理部分包括辅助决策、ERP、协同办公、规划设计、人资管控、财务管控、OA、学院网站、官方微信、官方微博等应用服务。

培训教学部分包括培训管理、网络大学、微课资源、课件作业、教务管理、精品课程、学员学生交流、师生互动、学员学生活动、多媒体资源、试题库、学员学生档案、实训室状态查询、教师状态查询、在线备课、名师讲坛、技能竞赛、学习行为分析、培训质量测评、教学质量测评等应用服务。

综合保障部分包括一卡通消费查询、宿舍电量管理、餐厅菜单提示、餐厅状态查询、浴室状态查询、校医院就诊服务、工会活动安排、体育设施状态查询、院区导航地图、公寓状态查询、周边餐饮指南、周边住宿指南、车位查询、公车管理、心理咨询、信息通信运维、会议室预约、网络视频会议管理、短信平台、一体化监控等应用服务。

科研实训部分包括科研项目管理、技能大师工作室、专利论文、科研交流、科研讲座、院士论坛、实训室管理、实训设备维护、国际合作等应用服务。

数字图书馆部分包括个人信息、图书查询、图书借阅、知识中心、电子书下载、读书交流、新书推荐、CNKI、国网技术学院学报、国网数字图书馆等应用服务。

智慧校园设计中将考虑利用大数据和学习分析技术对各类业务应用历史和实时数据进行挖掘分析［14］。分析海量培训教学资源，构建知识架构图，为学员学生提供开放式、智能化、个性化的培训教学和自主学习服务；分析学生生活习惯、学习记录、图书借阅历史等数据，挖掘学生学习兴趣和心理状态，必要情况下进行适当的学习干预，进而调整教师教学手段、提高学生学习效率。

4 总结与展望

本文中我们依托云计算、大数据等先进信息化技术，构想了国网技术学院智慧校园设计方案。智慧校园建设将打破各业务系统间信息孤岛，实现数字校园向智慧校园的顺利过渡；统筹培训教学资源，实现资源动态合理分配、数据高效集中共享，进一步优化培训教学手段，提升学生自主学习能力；为学院管理人员提供辅助决策，推动学院管理制度创新，最终实现培训教学信息化、管理决策科学化。

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［2］孙柏祥.云计算－高校教育信息化建设和发展的新模式［J］.中国电化教育.2010，（05）：123－125.

［3］宗平.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，2010，30（4）：15－19，51.

［4］云计算白皮书校订稿［R］.北京：中国电子学会云计算专家委员会，2009.

［5］ Y.Khmelevsky and V.Voytenko.Cloud Computing Infrastructure Prototype for University Education and Research ［C］.15th Western Canadian Conference on Computing Education，WCCCE 2010，May 7，2010-May 8，2010，Kelowna，BC，Canada，2010.AssociationforComputing Machinery，2010：4.

［6］姜文.基于 Hadoop平台的数据分析和应用［D］.北京：北京邮电大学，2011.

［7］维克托·迈尔－舍恩伯格，肯尼思·库克耶.大数据时代［M］．杭州：浙江人民出版社，2013.

［8］宓詠，赵泽宇.大数据创新智慧校园服务［J］.中国教育信息化，2013，（1）：3－7.

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［10］王燕.智慧校园建设总体架构模型及典型应用分析［J］.中国电化教育，2014，（9）：88－92.

［11］兰鹏飞.基于云计算的智慧校园支撑服务平台的设计与实现［D］.北京：北京工业大学，2013.

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［13］屠晓云.基于Web Service数据交换的研究和实现［D］.北京：北京化工大学，2007.

［14］ Enhancing Teaching and Learning through Educational Data Mining and Learning Analytics ［DB／OL］.［2012－10 －12］.http：／／www.ed.gov／edblogs／technology／files／2012 ／03／edm－la－brief.pdf.