基于情境感知的智慧校園系統(tǒng)研究

◆左衛(wèi)剛

基于情境感知的智慧校園系統(tǒng)研究

◆左衛(wèi)剛

(山西管理職業(yè)學院 山西 041051)

隨著傳感器技術的迅速發(fā)展，其在校園信息化建設中得到了廣泛應用，由此推進了智慧校園邁向一個嶄新的階段，而智慧校園中情境感知的數(shù)據(jù)采集與融合成為關鍵。在傳統(tǒng)智慧校園的構架基礎上，將情境感知融入其中，采用科學的方法和手段采集特定情境下的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)進行有效的融合，通過智能感知環(huán)境和綜合信息服務平臺，提高協(xié)同工作效率，從而為教師和學生提供個性化的高效服務，為學校決策者提供更加科學智能的決策。

情境感知；智慧校園；服務發(fā)現(xiàn)；協(xié)同服務；數(shù)據(jù)融合

0 引言

近年來，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術蓬勃發(fā)展，在各行業(yè)得到廣泛應用。這在一定程度上極大促進了各大高校從傳統(tǒng)數(shù)字校園逐漸向智慧校園的轉變。智慧校園是指基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等新興技術,集學生學習、教師工作、師生生活為一體的智能校園環(huán)境。在這一環(huán)境中，以資源整合、信息共享為主線，以服務師生工作學習生活為目標,打造一個便捷、智能的全方位一體化管理服務信息平臺。這就需要更加關注用戶的使用體驗，用戶在不同的場景下，系統(tǒng)根據(jù)終端設備采集到的數(shù)據(jù)能夠智能化地分析判斷出用戶的行為狀態(tài)及行為目的，為其提供個性化的服務需求。并能結合用戶操作及現(xiàn)在所處的特定場景，科學化地預測用戶下一步的行為，從而為其提供更為高效的針對性服務。這將在極大降低人力成本的同時，使學校的管理更加智能化、科學化、高效化。

1 構架研究

基于情境感知的智慧校園融合了大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等諸多前沿技術，它是一種全新的校園信息化形式，它可以將校園內各自為政的孤立數(shù)據(jù)進行有效整合，在解決信息孤島的同時，通過傳感網(wǎng)絡的硬件設備將用戶的各類數(shù)據(jù)有效采集，采用大數(shù)據(jù)技術將海量信息匯總并綜合分析，得出特定場景下的用戶行為狀態(tài)模型，不同場景下的用戶狀態(tài)模型使得智慧校園具備一定的智能感知能力，從而在減少人工干預的基礎上，更智能化地為教學科研、學生管理、后勤服務等提供智力支撐。

1.1 設計原則及思路

智慧校園的設計目標是在充分利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等先進技術的基礎上，更好地服務于教學、科研和管理。在設計與建設中應遵循以下原則：①實現(xiàn)節(jié)約型原則：盡可能的整合現(xiàn)有資源，避免造成資源浪費；②長遠設計，分步實施原則，總體規(guī)劃要有前瞻性，分布實施完成，為今后的業(yè)務需求預留充足的空間；③先進性原則：在建設中所有的網(wǎng)絡設施、傳感器設備等硬件設備要選用可靠廠家的產(chǎn)品，技術指標要達到要求，確保情境感知網(wǎng)絡的可靠性；④安全性原則：確保個人信息不被泄露及系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性和準確性；⑤實用性原則，要做到建用并重，保證其有效使用于日常，避免建而不用造成的浪費。

智慧校園的設計思路如下圖1所示，要遵照教育部和行業(yè)標準的前提下進行，建立科學統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準，將基礎設施統(tǒng)一管理，對信息資源進行有效整合，從而實現(xiàn)資源的有效交換與共享，建立統(tǒng)一信息門戶，實現(xiàn)單點登錄即可跨部門和系統(tǒng)協(xié)同辦公，以師生為中心，以服務為重點。做到從傳統(tǒng)單一管理教育信息化向個性化服務型教育信息化的轉變。

圖1 智慧校園設計思路

1.2 架構總體研究

基于情境感知的智慧校園是一個綜合性的體系結構，它使用感知層、基礎網(wǎng)絡層、教育平臺、系列化智慧服務，以高性能的寬帶網(wǎng)絡統(tǒng)一承載，不僅為師生和管理者提供信息服務，還可根據(jù)感知到的數(shù)據(jù)信息進行統(tǒng)計分析，綜合判斷。從而為管理者提供更加科學化的決策。基于情境感知的智慧校園的系統(tǒng)模型主要由以下三部分組成：感知層、服務層、事件層。

（1）感知層

感知層主要通過接口從硬件設備及環(huán)境條件中獲取事件層所需的信息并進行有效的管理和反饋。感知層通過傳感器終端獲取到相關信息，同時將這些信息轉換為數(shù)字信號，數(shù)字信號通過嵌入式系統(tǒng)進行處理和判斷，將普適應用抽象成服務。

（2）服務層

服務層是模型的中間層，其負責服務的發(fā)現(xiàn)、組合、信息獲取等。它將普適應用進行有效的組合并協(xié)調執(zhí)行。在此，智慧空間作為一種新型的人機交互系統(tǒng)，將計算資源分布和嵌入到校園的日常環(huán)境或工具中，方便師生獲得計算機系統(tǒng)服務。感知網(wǎng)絡感知到的信息可分為以下幾個類型：①用戶的身份、所處位置、所用設備等；②基于RFID的校園設備信息及狀態(tài)；③網(wǎng)絡環(huán)境信息，包括網(wǎng)絡特征、端口、標準等；④流環(huán)境特征。

（3）事件層

在智慧校園的環(huán)境中，各個系統(tǒng)之間是相互關聯(lián)的，它們之間形成了一張錯綜復雜的網(wǎng)絡。用戶在不同設備和系統(tǒng)之間協(xié)同工作，而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)被全部匯聚在一起，為大數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)。在基于情境感知的智慧校園中，用戶的使用場景分為教學管理和日常生活兩個場景。在教學管理場景下，涉及到教學的組織、評價、考核、考勤等。日常生活場景下包括超市消費、餐飲管理、智能照明等。

智慧校園的系統(tǒng)應用滲透在校園的各個角落，情境感知網(wǎng)絡可以更深層次地了解每一個人的活動及預測或指導將要進行的活動，這些都不需要人工干預，而是通過智能化的設備獲取到數(shù)據(jù)，并進行科學的分析后即可得出結果，有效減少人力支出，實現(xiàn)高效科學的管理。

1.3 服務發(fā)現(xiàn)研究

基于情境感知的智慧校園與傳統(tǒng)的智慧校園的區(qū)別之一在于系統(tǒng)可以智能的感知用戶的行為和預期，主動為用戶提供個性化的服務。因主動服務發(fā)現(xiàn)的服務需求是未知的，因此系統(tǒng)需要根據(jù)所采集到的情境信息科學地分析用戶的預期服務需求，并選擇提供合理恰當?shù)姆?。這就需要一種基于情境感知事件的主動服務發(fā)現(xiàn)算法。首先，將通過傳感器等硬件設備與軟件系統(tǒng)感知到的信息變化視為情境事件，理清各個情境事件之間的先后關系；其次，對系統(tǒng)中已經(jīng)有類似情境事件的處理結果進行挖掘，并與目前情境事件進行對比；最后，融合以上兩點，根據(jù)當前情境事件所處的具體狀態(tài)及預知需求，提供個性化的信息服務。

1.4 協(xié)同服務研究

智慧校園的入口為校園信息門戶，門戶采用統(tǒng)一身份認證，用戶單點登錄即可實現(xiàn)在各個系統(tǒng)之間相互跳轉，從而解決了用戶因入口眾多等原因產(chǎn)生的困惑，這種一站式服務在一定程度上有效促進了數(shù)據(jù)之間的協(xié)同。而在業(yè)務流程中需要解決縱向協(xié)同和橫向協(xié)同兩類協(xié)同問題。

學校的各個職能部門之間存在業(yè)務聯(lián)系，許多數(shù)據(jù)需要跨部門、跨應用實現(xiàn)信息共享和業(yè)務協(xié)同。例如：學生網(wǎng)上選課后，需要支付教材費用到計財部門，支付成功后，教材科顯示支付成功才可領取教材。這樣的協(xié)同工作大大降低了人工成本。校園內的大量涉及到校院系各級部門的縱向協(xié)同需求，從學校層面自上而下形成垂直整合，事件處理的扁平化有助于提高工作效率。

2 智慧校園算法分析與設計

2.1 基于情境感知的服務發(fā)現(xiàn)模型

基于情境感知的服務發(fā)現(xiàn)應該在智慧校園服務索引數(shù)據(jù)庫的基礎上，將情境因素加入到重要的索引行列。我們可以針對校園中的各種服務進行分類，分類的根據(jù)是按照情境的類型，但是此種分類存在交叉性，比如：某項服務既屬于X類，也同時屬于Y類。出現(xiàn)這種情況對其進行如下處理：

（1）新發(fā)布的服務向服務索引數(shù)據(jù)庫發(fā)送請求；

（2）在接收到請求后，服務索引網(wǎng)關除獲取服務外，還需要獲取其所處的情境模式，環(huán)境因素等數(shù)據(jù)，以協(xié)同判斷在什么情況下將此服務確定為何種類型更為恰當；

（3）用戶在請求服務時，服務索引數(shù)據(jù)庫根據(jù)其目前所處的環(huán)境等參數(shù)來推測其所需要的服務，并賦予用戶設備服務權限。

2.2 基于情境感知的數(shù)據(jù)融合

智慧校園中通過無線傳感網(wǎng)絡感知周圍環(huán)境，當所處環(huán)境較為復雜時，單個傳感節(jié)點因受限于其硬件設備的承載能力，可通過增加感知節(jié)點來增強監(jiān)測信息的準確性和可靠性。但這種簡單的增加感知節(jié)點的方式極易造成信息冗余。

智慧校園中冗余數(shù)據(jù)的處理主要分為兩個方面：一方面是采用分布式數(shù)據(jù)庫技術，在系統(tǒng)的構建初期，就將獨立的傳感器計算群作為最基本的存儲單元，它與其他傳感數(shù)據(jù)融合存儲在一起，通過沉浸式計算，將所感知到的信息處理成一種形式的數(shù)據(jù)，方便后期數(shù)據(jù)的整合；另一方面：在系統(tǒng)運行中不可避免所產(chǎn)生的冗余信息，可通過數(shù)據(jù)清洗來進行解決。

3 結論

智慧校園是一項長期性的系統(tǒng)工程，本文僅僅是從智慧校園的設計架構和情境感知的數(shù)據(jù)處理上做了些簡單的研究，但智慧校園的情境感知在實際工作環(huán)境中較為復雜，在應用中還受到諸多因素的影響。希望隨著無線傳感網(wǎng)絡技術的進一步成熟，結合大數(shù)據(jù)、云計算等技術，智慧校園能夠全面感知校園物理環(huán)境，感知師生在不同地理位置，不同工作場景下的個性化特征，將師生的肢體行為和工作過程等細節(jié)信息通過傳感器進行自動化抓取，轉變?yōu)榭山y(tǒng)計的數(shù)據(jù)，為管理者的決策提供科學的依據(jù)，轉變教育理念，實現(xiàn)以人為本的個性化創(chuàng)新服務。

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