基于需求度和信誉度的实验室资源预约策略研究

周春月， 陈家礼

（北京交通大学电子信息工程学院电子信息与计算机国家级实验教学示范中心，北京100044）

0 引 言

实验室是高等教育培养创新人才、实现卓越工程师教育培养目标的必备环境，在实现素质教育目标、提高学生科研能力、自我管理能力和团结协作能力等方面都起着积极作用。开放实验解决了扩招之后大量学生在固定时间、固定班级的排课困难，也缓解了实验设备短缺的压力，同时也能极大地促进学生自主学习的积极性，并有利于提供不同层次特色、多样化的综合开放实验教学模式和教学方法［1-3］。国家级电子信息与计算机实验教学示范中心组成部分的通信工程专业实验室承担了通信专业本科生、研究生、留学生的大量实践课程，年均学时数超过1 200 h。实验室提供的近400 件套仪器设备涵盖通信的各个专业方向，电信级大型传输、交换、接入设备30 余套。如何协调实验室场地的占用、设备的借用和专业答疑教师的轮值，对学生的预约行为进行描述和分析，研究符合实验室运行特征的有针对性、合理性和适用性的预约策略成为亟待解决的问题。

1 预约策略研究必要性分析

根据工程教育认证的核心理念，实验室从2014 年开始逐步开展基于预期学习产出能力指标的通信工程专业实践教学试点改革［4-5］，加大专业实验内容的设计难度和开放力度，给予学生充分的自主和创新空间。在近几年的开放实验教学研究过程中，发现了在实验开放过程中暴露出来的新问题。

（1）争抢资源现象明显。虽然实验室在每学期初会发布开放时间表，但日常的占用率偏低，遇到课程验收或期末考核，经常会出现一个实验台几组人抢，排队等待时间超长，资源占用失败率高。除必修实践课程之外，还会有专业课程设计、临时课内实验以及各级别的学科竞赛和创新训练的需求，实验室资源占用冲突集中造成效率低下，时间得不到统筹合理安排。

（2）校企共建基地需统一规划。通信工程专业实验室是校企共建的产学研基地，企业对各专业实验室及大型设备的使用未能像学校一样提前半年制定计划，故对实验室的使用需要频繁沟通协商。

（3）预约服务使用率低。实验室自主开发的一些应用系统都是基于B／S模式的校园网Web服务，随着互联网向移动互联网时代变迁，基于电脑终端系统越来越被学生忽视，预约服务使用率逐年降低。2016 年底，实验室开发了微信公众号，学生逐步适应了基于微信的服务模式，开通手机端的预约服务迫在眉睫。

基于以上现实存在的问题，在信息化和智能终端高度发达的今天，通过技术手段和合理的预约策略是可以得以缓解或解决的。为了最大限度地为学生提供公平条件下的资源使用预约，有必要研究基于微信平台的实验室环境和共享仪器的预约策略。高效预约安排不仅有助于减少学生的无效等待，提高实验资源使用率，提升实验室满意度，使管理更为有序。良好的资源分配策略还可以提供优质的教学服务和体验，尽量减少需求波动对资源占用效率的影响，缓解特定时期的设施超载运行现状。

2 基于时间的单一参数预约策略

2.1 预约时间优先策略

资源预约的应用非常广泛，如医疗门诊、共享设备、展会场所、教室机房、无线信道资源预约等［6-12］。通常最简单的模型是先来先到或分时段预约，但在实际的教学工作中往往需要在预约时间优先的基础上，充分考虑学生的身份、资源的用途和轮值教师的专业优势等条件。因此，在预约时间优先策略的前提下，系统需设定以下的基本原则：①必修课优先于限选和选修课；②选课学生优先于非选课学生；③教学用途优先于大创、竞赛、毕业设计和科研需求；④大型紧缺仪器的使用原则上优先服务于本学院本专业学生；⑤可开放预约仪器及时段与轮值教师专业相关联。

在此前提下，采纳先到先得的公平预约模型，当资源占用信息实时更新后，可有效提高实验室环境和设备的使用效率，有助于实验室优化专业教师的值班时段。但该策略的最大问题是忽略了爽约及取消预约带来的资源空闲。

2.2 考虑爽约的资源超量投放

当预约的提前时间较多、校园活动频繁时，若缺乏有效的惩罚措施，爽约和迟到的发生就不可避免。参考民航的机票超售制度和医疗门诊预约超量放号政策［12-13］，可以采纳资源超量投放策略。对于超出可约资源的请求设置队列，一旦出现爽约和超限迟到行为，队列中请求自动转化为准预约并通过消息发送协商请求，对及时确认的准预约自动更新为正式预约，未及时确认的准预约退回请求队列。资源超量投放策略有效防止了爽约带来的资源空置，通过微信实时发送协商消息具备技术可行性。

2.3 考虑取消预约的资源补充

相对于关乎诚信的爽约行为，提前取消预约是正常且不必处罚的行为。对于可能频繁发生的取消预约同样可以通过资源超量投放和预约请求队列的方式来解决。当系统中有预约资源释放时，优先解决请求队列中的预约。为了减少队列的协商消息，队列值不宜设置过大（工作经验值为3 ～5）。系统中无等待预约时，释放的资源可重新被预约。

2.4 碎片时间段的充分利用

考虑到学校管理和学生自由时间的特点，预约时间段最适宜以小时为基本单位。但学习本身又很难用固定时长来约束，这样就必然会出现预约时间段内的“释放时间”，这些被临时空出来的碎片时间段将大概率被闲置。微信平台的最大优势就在于消息的实时群发，对于时长较短的碎片时间段，优化方案是推送给正在预约时段内实验的群体，延长在场学生的实验时间显然比重新提供预约的弹性更佳，实际效率要高。

3 基于需求和信誉度多参数资源预约策略

3.1 资源需求度与差异化服务权重

基于时间的单一参数预约策略只考虑了时间轴上的预约队列，虽然具备了面向学生的公平性，但却忽视了对教育目标和质量的考虑。对于临近考核验收学生和毕业班学生的刚需，不能简单用“机会面前，人人平等”来回避。在资源有限、截止时间受限、可用时间不完全可控前提下，抽签抢票的机会公平并不适用于教学资源的投放。所以，本系统需要充分考虑预约的迫切性。同时，对于失信的爽约和迟到行为如不加以惩罚和限制，将会进一步恶化预约环境，造成大量资源的突发性闲置。因此，系统需要根据学生的历史爽约行为定义信誉度，提供带权重的差异化服务机制。

3.2 长时与短时相结合的混合分段预约

在实验资源预约策略中，面临的问题是为给定的实验室环境设备寻找最佳的使用效率和达到最优的教学目标。所谓最优策略就需要充分考虑时间效用最大化和需求迫切度。为此，系统设计了长时与短时相结合的混合分段预约模型（见图1）。两个阶段的预约均需依照前文考虑学生的爽约和取消率。长时预约阶段提供了充分的时间提前量，学生可提前计划安排学习时段和时长，根据需要预留实验资源。长时预约策略基于时间优先，以时间效用最大化为目标。长时预约的提前量可以设置为1 ～2 周。

图1 混合分段预约策略流程图

短时预约提供当日或当周的实验资源，一般适用于结课或验收前的总结性学习或最终调试测试。短时预约策略基于需求度，系统根据课程情况对部分人群赋予高需求度权重，如临近结课的班级、临近验收的小组、毕业班学生等。在计算权重前提下依然采用时间优先策略，以减少资源空置率并充分体现开放的自由度和公平性。短时预约提前量可设置为当日～1 周。

在实验资源的预约容量一定的前提下，批量投放长短时预约资源。系统判断用户预约行为与使用时段的逻辑关系，通过系统预订的优先级来实时决策接受还是拒绝到达的用户预约请求。对于每次预约行为和实际履约行为进行评测，给出信誉度评级，并参考预约用户随时间预约频率的变化，通过动态数据获取用户的预约请求分布情况，以此来优化开放教学安排。

3.3 基于微信的自主预约和自助推送

随着互联网和新媒体快速发展，微信平台凭其广泛应用、便捷的沟通体验和丰富的多媒体展示功能，成为深受学生喜爱的通信社交工具［14］。相比于传统的网站预约，基于微信小程序的预约系统借助微信平台联合登录，不再受校园网和地点限制，提供一种优质服务的自主预约平台和信息推送渠道，真正做到随时随地安排学习，每时每刻获知资源占用状态［15-16］。避免了无效等待，又可以随时再分配释放资源和碎片时段。微信与手机的绑定机制也可以为预约系统提供有效的身份证明，辅之以学号的关联，就可以有效推行多参数的实验资源预约策略。图2 所示为微信预约小程序的部分界面。

图2 基于微信小程序的实验资源预约系统

为了保障实验室和实验操作安全，小程序还提供了首次预约前的安全答题测试，作为实验室安全准入的必要条件。

4 结 语

本文探讨了高校开放实验室资源预约策略，在时间优先的预约模型基础上，综合考虑了取消预约和爽约的情况，提出了基于需求度和信誉度的多参数混合分段预约策略。既保证了预约公平性，又兼顾了对实验资源具有刚需性的学生的迫切度。已经开发完成的基于微信小程序的实验资源预约系统目前可以提供实时的信息共享、便捷预约和释放资源的再利用，最大限度提高服务的学生人数和设备占用率。系统在本年度开设的“未来互联网课程设计”课程中试运行，对大小近50 余件套的实验设备进行了提前预约，良好的体验感和便捷的预约方式得到学生的好评。

本文提出的最优预约策略为动态预约策略，能够反映实际的预约过程，具有技术可操作性和实用性，未来的研究工作还可以在以下几个层面进行拓展：①对当前的预约策略进行数学模型描述，从理论角度证明其优化；②目前的信誉值和需求度权重只是在抽样调查和经验的基础上设定参数，需要通过模型仿真验证公平的权值；③积极推进网络虚拟仿真实验室的建设，在实验室非开放时段也能提供虚拟实验资源。未来的开放实验室资源预约将会是在大数据背景下的智能学习策略，真正实现按需分配的智慧预约。