云上智慧化校园的建设研究

刘仕云

摘要：随着信息化社会的快速发展，云技术作为一种新兴计算机技术，已被广泛应用于各个领域。云上智慧化校园不仅能优化校园教育资源统筹规划、人才资源供给、校园产业结构配置，还有助于实现中国第二个百年奋斗目标、建设社会主义强国。文章通过探讨新型云计算与校园教育相结合的问题，综合运用5G+、WiFi6、大数据、人工智能等技术，研究“基于新型云计算数字化智慧校园——即云上校园”建设方案，推动校园教育信息化转型转段升级，实现从深化应用向融合的创新发展，以新型校园教育信息化支撑引领校园教育现代化。

关键词：智慧化校园；数字化教育；云上校园；云计算；校园信息化；5G+

中图分类号：TP311.13  文献标志码：A

1 国内外云上校园教育信息化建设现状

1.1 国外云上校园教育信息化建设现状

20世纪70年代，美国麻省理工学院提出了“e-campus”（数字智慧化校园）计划，利用早期先进的现代化计算机、网络通信等技术，在教学、管理、科研以及生活服务等诸多方面整合并集成校园资源，建设了一个面向未来的划时代三维虚拟校园，这是最早的数字化校园建设范本。1990年，美国克莱蒙特大学凯尼斯·格林（Kenneth Green）教授发起并主持的一项大型科研项目“信息化校园计划”标志着智慧数字化校园概念的首次提出。1998年，美国前副总统戈尔（Al Gore）在美国加利福尼亚科学中心发表了一个以数字信息化地球为题的演讲，对后世的信息发展起重大推动作用。1989年，英国政府和ICL、SUN、英国电信合作，在全国高校中推行计算机用于教学创新（Computer Teaching Initiative，CTI）项目，实现了教育在模式、内容、组织形式等方面的彻底革新；1995年，英国政府提出了“教育高速公路：前进之路”的倡议，将400家教育机构纳入相关项目并实现互联，进一步提高了信息化教育的广度与深度；1998年，英国政府通过的信息化教育法案以立法形式规定了教育数字信息化的建设方案，明确了规模化购置分配策略，为后来者在云上校园建设上提供了早期蓝本。21世纪以来，欧美政府就校园智慧数字化与Google、IBM、MircoSoft等科技巨头展开一系列合作，如全球最大的信息技术与业务解决方案公司IBM与亚拉巴马州的莫白儿县公共学区进行的云上校园合作、“希维塔斯”项目等，是现代最鲜明、最具特征及活力的新时代智慧化教育、智慧化校园案例。

由此可见，国外智慧化校园建设起步较早、时间跨度长，建设方案较成熟，具备以下特点：

（1）智慧数字校园建设发展时间较早且持续时间较长。

（2）智慧数字校园建设有明确的理念与规划方案、成熟的供应渠道以及实施策略。

（3）智慧数字校园建设规模大，不局限于院校自身，其合作范围较广，例如与新兴科技巨头合作。

（4）通过立法为智慧数字校园建设指明发展方向，提供政策保障，优化教育分配策略。

1.2 国内云上智慧化数字校园建设现状

随着世界教育信息化的迅速普及与我国宏观经济蓬勃发展，在中央部委相关政策支持及国家教育信息化建设资金的有力保障下，当前国内一、二线城市已经基本完成数字化校园相关建设，三、四线城市也基本完成数字化校园建设［1］。“云上智慧化”数字校园作为数字化校园的升级型，目前在华东、华北等地如火如荼地建设，不少高校已取得实质性突破。

在华北地区，清华大学于1996年在“211工程”的资助下提出并实施了“泰山工程”，在学校的基础设施上完成了50多栋建筑接入校园网，并实现了网上在线办公、在线管理、在线教学以及在线服务。在华东地区，复旦大学于2006年在学校制定的《十五发展规划纲要》中着重提出了“加快建设现代化信息化文明校园”口号并付诸实践，建设了数字化图书馆、数字化教育资源库、数字化科研数据库、数字化师生信息数据库、生活服务资源库等信息库，实现了海量数据信息共享以及综合数据管理，通过网络支持教学活动、科研活动和生活服务，建设党务、人事、财务等信息化管理系统，实现办公的数字化、智慧化、自动化。在华南地区，华南理工大学于2019年提出并实施“五个一”工程（一个账号、一个入口、一套数据、一张报表、一站式服务），在数据共享的基础上，推出了数字迎新、数字离校、教师一张表、网上办事大厅、移动门户、智慧后勤、智慧學工等，实现了对校内超过150个主要网站、200个以华南理工为内容主体的公众号的内容采集及聚合等服务。

2 智慧化校园现存问题及分析

2.1 基础设施存在隐患

日前，特别是疫情防控期间，我国高校的智慧化校园建设为师生提供了超大规模的在线教育平台，保障了全国各地教学活动的正常开展，但也存在不少问题。比如部分院校对校园数字化教育与智慧化建设不够重视、基础设施建设力度不足、存在大量老旧设备以及急需淘汰的设备、数据即时性难以保证、数据交流平台不完善或缺失、信息互动性难以保障，不仅对教学实践活动造成困扰，还埋下了极大的安全隐患。

2.2 建设方案存在隐患，缺乏科学性

智慧校园集感知设备、校园一卡通、校园社区服务、教育活动、科研活动、党务活动、团建活动等多维度事务于一体，在数据信息的储存、管理、及时处理、调配、安全等方面要求较高。但是，在当前智慧化校园建设方案中，不论是数据信息库的建立与管理，还是信息处理及管理员权限分配机制或数据容灾机制，都存在信息建立不具备科学性、处理不及时、权责管理不清晰、数据抗风险能力弱等问题。

2.3 信息编码缺乏统一标准

部分院校在数据接入、信息编码方式标准等方面缺乏重视，各部门在采集数据、数据库建设、数据处理方面采用不同的标准，导致数据信息编码规则缺乏统一性，进而在数据共享上出现数据重复、数据紊乱乃至部分数据缺失，影响信息共享即时性和可用性，降低自动化办公效率。智慧化校园系统的数据规模较大，数据处理操作也十分频繁。

3 解决措施

3.1 构建“5G+”新型云计算物联融合智慧化校园架构

老旧的电子产品不仅功能无法满足现代社会多样化的教学要求，零件老化、内部问题排查追踪困难、功耗异常等问题也会造成安全隐患。

“5G+”新型云计算物联融合技术在5G、WiFi6、智能物联网、云技术等多种前沿科技的支持下，将多媒体、学术资源、人与智能设备线上线下高度有机融合，形成“校园智能互联”，使设备云化、智能化，即时监控设备运行状态，精准确定设备故障缘由，及时自动化更新推送设备信息至管理端，进而规避安全风险、降低运营和管理成本、推动基础设施智能化升级。本文通过5G、WiFi6、物联网、云计算、人工智能等前沿科学技术有机融合，从过往的单一物联网技术的M2M三层架构（即感知层、网络层和应用层）以及巴音查汗等构建的物联嵌入式架构向集智能感知、网络融合、信息支撑、综合管理以及VR现实增强于一体的“5G+”新型云计算物联融合技术的体系架构升级［2-3］。本体系通过划分四层业务逻辑及智能硬件采集、地理测绘、5G、WiFi6、网络融合、计算资源整合、存储处理、校园智能化与可视化等十五大功能模块，构建了“5G+”新型云智慧化校园架构。该架构由感知层、网络层、计算层、服务层4个部分构成。依托于该架构，智能物联设备进行数据信息感知（包括但不限于地理数据及设备当前运行态），5G、WiFi6等网络介质进行网络融合并协定传输协议将数据传输到后端AI计算池。AI计算池在计算层通过关键词提取与气象局公开信息库等多种权威信息库信息支撑下通过数据分析与对比结合设备原始参数进行安全风险评估（包括但不限于寿命评估、运行态评估）与资源统合运算，进而在应用服务端进行资源可视化、风险可视化、3D虚拟化校园、部署“微众校园”与校园门户，设计管理应用介入平台，构建了一套安全保障架构（见图1）。

3.2 科学规划“5G+”云上智慧校园体系数据库设计

“5G+”云上智慧校园建设应根据具体需求，本文就科学规划“5G+”云上智慧校园体系数据库设计问题制定一套数据库底层管理策略，集中相应的网络计算资源，统一调配管理建设规模大、虚拟化、高可用性、高扩展性的虚拟计算资源池，建设网上办事、在线教育、学术资源、个人信息、信息发布空间，推动知识、人才、学术三大引擎建设，实现在线4A建设（Anytime，Anywhere，Anyone，Anything，即任何时间、任何地点、任何人、任何事务），为大运营、大服务、网络安全、组织服务提供强力保障［4］。

本数据库底层管理策略采用Hadoop进行分布式存储、分布式多任务处理，同时以“校名+库名+表名（汉语拼音或以英文单词进行连接结合）”“UTF-8”对数据库命名方式及编码方式进行规范，减少数据对接异常或数据乱码等问题的复现率，以基于角色分配规范并限制内外网数据访问，保障“5G+”云上智慧校园体系数据库的高可靠性、高扩展性、高效性。

3.3 增强网络安全建设

“5G+”云上智慧化校园系统作为一个面向大众的开放系统，面对各种各样的威胁与攻击，系统稳定性受到考验。本系统通过设立完善的防火墙，修改数据库默认运行端口或配置为socket文件监听防止SQL数据库注入，在软硬件上通过工控交换机设置相应策略进行流量清洗及IP访问限制以及限定数据流入、流出方向及IP访问限制以便于防范DDOS攻击、XSS及CSRF跨域攻击，通过禁止密码登录或限定（连接）尝试次数及有效期或使用ED25519等新型的优异的算法进行加密处理过的密钥预防密码（哈希）枚举并制定数据备份策略，定期备份及检查数据确保数据安全及系统稳定。

3.4 优化数据处理逻辑

在校园教育综合服务中，不少名词或字段的复现频率与其他名次（字段）复现频率之间存在显著性差异。因此，可以通过改进关系型和非关系型数据库中的表段设置、缓存策略，结合大数据信息特征使用或创造新的优异算法提高缓存命中率，进而优化数据处理。同时，在校园教育综合服务中，待处理的数据往往呈现出复杂性、多样性以及时限性。以应用层的校园3D实景为例，不仅包括二维上的校园基础建筑地理数据，还包括三维空间上的具体外貌、内部构造、内部基础设施布局。由于不同建筑在具体构造、内部设施布局以及地理维度方面的不同，相关数据往往庞杂且多样。

本系统运用大数据处理工具提取少量关键维度字段进行数据降维、筛选、过滤，以解決数据维度过多及庞杂问题，通过改善数据缓存策略、优化处理算法或制定新的数据缓存及处理算法、优化数据衡量指标，加强维度数据关系，提高数据命中率及黏性。为应对多并发访问情况，可结合AI技术，采用代理服务器缓存针对应用层进行缓存优化，如图2所示。

3.5 “5G+”万物互联云智慧化校园

目前，5G通信技术有吞吐量大（10～20 Gbit/s）、时延低至1 ms、功耗低至20耗瓦、较4G LTE连接密度提升高达3倍、每平方千米百万连接的频谱效率、10 Mbps/m2以上且用户体验速率达到100 Mbit/s的流量密度、支持500 km/h的高速移动等优异的性能。WiFi6新技术较上一代拓展了5.8 Ghz频带与信道带宽。新型多用户技术同时在上行链路与下行链路提供了更多可访问性。1024QAM调制技术大大增强了数据子载波调制性能，连接传输速率较上一代提升了1.5倍。本系统通过将5G、WiFi6和万兆宽带接入技术进行网络融合，结合智能感知设备，运用物联网、人工智能及现实增强技术建立万物互联式云智慧化校园，为智能数据采集降低成本以及提供时延和链接保障，为线上超清教育提供更为可靠的传输服务，在智能交互上提供更为贴心、更贴近真人的用户体验。

4 结语

本文通过研究新兴的5G网络技术、云计算、大数据等技术，在数据存储、数据处理流程、分析策略上进行创新，从信息安全维护、智能物联、数据透析、云上管理4个维度构造新型“5G+”新型云上智慧校园系统架构。目前，云上智慧校园尚处于摸索阶段，但它代表未来校园的建设理念，前景广阔。

参考文献

［1］王福成.基于云计算的高校教学资源整合研究［J］.福建电脑，2011（2）：33-34.

［2］陈平，刘臻.智慧校园的物联网基础架构研究［J］.武汉大学学报（理学版），2012（S1）：141-146.

［3］巴音查汗，安鵬.基于嵌入式及RFID物联网技术的智慧校园系统设计与实现［J］.现代电子技术，2017（16）：63-65，68.

［4］吴颖俊.浙江大学：基于“云”的智慧校园［J］.中国教育网络，2010（11）：25-26.

（编辑 王永超）

Research on the construction of intelligent campus on the cloud

Liu  Shiyun

（Department of Public Courses， Qiannan Medical College for Nationalities， Duyun 558000， China）

Abstract：  With the rapid development of the information society， cloud technology as an emerging computer technology has been widely used in various fields. Cloud intelligent campus can not only optimize the overall planning of campus education resources， the supply of talent resources， the allocation of campus industrial structure， but also help to realize Chinas second centenary goal and build a strong socialist country. By discussing the combination of new cloud computing and campus education， this paper comprehensively uses 5G+， WiFi6， big data technology， artificial intelligence and other technologies to study the construction plan of “digital smart campus based on new cloud computing-that is， cloud campus”， promotes the transformation and upgrading of campus education informatization， realizes the innovative development from deepening application to integration， and leads the modernization of campus education with the support of new campus education informatization.

Key words： smart campus; digital education; cloud campus; cloud computing; campus informatization; 5G+