基于智慧城市的多學(xué)科融合教學(xué)實驗平臺研究與建設(shè)

穆帥 戴忠 段桂華

摘? ? 要：文章從提高高校學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的角度出發(fā)，以智慧城市概念和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，研究了一個基于智慧城市的多學(xué)科融合教學(xué)實驗平臺，詳細闡述了該平臺的建設(shè)目標(biāo)、數(shù)據(jù)流、功能模塊結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)。該教學(xué)實驗平臺將多種實際應(yīng)用場景集成于一體，可支持多個學(xué)科的交叉融合實驗，能滿足不同級別的教學(xué)實驗要求。它通過在中南大學(xué)的分步建設(shè)和實際應(yīng)用，對教學(xué)實驗工作有積極的促進作用。

關(guān)鍵詞：智慧城市;物聯(lián)網(wǎng);多學(xué)科融合;教學(xué)實驗平臺

中圖分類號：G642.3? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2019）07-0065-02

在高等教育改革進程中，實踐教育成為提高高等教育質(zhì)量的突破口，是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才、提高教育教學(xué)水平的重要環(huán)節(jié)[1]?？萍紕?chuàng)新能力是國家競爭力的核心，而科技創(chuàng)新的大敵是習(xí)慣性思維。多學(xué)科融合能促使學(xué)生突破舊的思維方式的束縛，形成創(chuàng)新性思維。中南大學(xué)把基于智慧城市的多學(xué)科融合應(yīng)用于教學(xué)實驗平臺，研究構(gòu)建實景實驗教學(xué)系統(tǒng)，是實驗室建設(shè)的一種有益嘗試。

一、高校教學(xué)實驗平臺的現(xiàn)狀

實踐教學(xué)的目標(biāo)，是加強學(xué)生對理論知識的理解和掌握，提高發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，培養(yǎng)團隊合作精神和創(chuàng)新意識[2]。實踐教學(xué)必須通過相關(guān)的教學(xué)實驗平臺來實現(xiàn)。但是，目前國內(nèi)大多數(shù)高等院校的教學(xué)實驗平臺，功能比較單一，綜合程度不高，缺乏和實際應(yīng)用場景的聯(lián)系。這種教學(xué)實驗平臺束縛了學(xué)生的自主性和創(chuàng)造性，容易導(dǎo)致學(xué)生對實驗缺乏興趣，不利于學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，最終必將制約高等院校人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

2013年中南大學(xué)校長張堯?qū)W院士在訪談中指出，“實驗室建設(shè)要有哲學(xué)思想”，“要研究怎么樣引導(dǎo)學(xué)生去多動手，或怎么樣讓學(xué)生動手的激情發(fā)揮出來”[3]。為充分調(diào)動學(xué)生在教學(xué)實驗中動手的積極性、主動性和創(chuàng)造靈感，本文對基于智慧城市的多學(xué)科融合教學(xué)實驗平臺進行了研究，并介紹了中南大學(xué)對該教學(xué)實驗平臺的建設(shè)情況。

二、基于智慧城市的多學(xué)科融合教學(xué)實驗平臺

（一）建設(shè)目標(biāo)

“基于智慧城市的多學(xué)科融合教學(xué)實驗平臺”以智慧城市概念和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，集電商服務(wù)、智能制造、智能倉儲物流、智慧交通、智能家居概念、安防工程、圖形圖像處理、計算機視覺、移動通信、大數(shù)據(jù)、云平臺和透明計算等應(yīng)用于一體，可支持物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、計算機網(wǎng)絡(luò)、移動通信、圖形圖像處理、計算機視覺、大數(shù)據(jù)、云平臺和透明計算等多學(xué)科融合的教學(xué)實驗，能滿足沙盤演示、驗證性實驗、綜合設(shè)計性實驗、課程（畢業(yè)）設(shè)計和大學(xué)生創(chuàng)新實驗等要求。

（二）數(shù)據(jù)流分析

根據(jù)“基于智慧城市的多學(xué)科融合教學(xué)實驗平臺”的建設(shè)目標(biāo)，確定以“客戶訂購→工廠生產(chǎn)→物流運輸 →商品倉儲→商品遞送”為主線，將多學(xué)科融合和多應(yīng)用集成，形成一個能夠完整演示智慧城市概念和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的綜合性系統(tǒng)。其過程描述如下：（1）客戶通過電商平臺下單。（2）訂單通過網(wǎng)絡(luò)傳送到智慧工廠，智慧工廠根據(jù)客戶訂單進行3D打印制造。在智慧工廠中，應(yīng)用智能家居的概念進行環(huán)境控制和照明控制。（3）制造完成的商品，由機器人撿取后，裝載到智能車輛上。（4）智能車輛裝載著商品，穿過沙盤中的智慧交通系統(tǒng)。智慧交通系統(tǒng)具有交通燈控制、視頻監(jiān)控和交通違章管理等功能，還可以根據(jù)路況進行路徑規(guī)劃。（5）商品被運送到智能倉儲系統(tǒng)后，由倉儲管理系統(tǒng)自動分配庫區(qū)，把商品卸載到相應(yīng)的貨架上。在智能倉儲系統(tǒng)中，利用門禁控制來管理進出車輛;利用安防工程實時監(jiān)測安全狀況，發(fā)現(xiàn)險情及時報警;利用停車場管理自動為車輛分配車位。（6）智能倉儲系統(tǒng)根據(jù)出貨單，對貨架上的商品進行圖形圖像處理和計算機視覺識別，由機器人抓取相應(yīng)的商品。（7）商品交給ROS自動尋跡機器人，遞送給指定的客戶。（8）客戶采用安卓手機客戶端進行簽收。簽字的筆跡信息通過WIFI或移動通信網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)器上，標(biāo)識訂單已完成，可以在網(wǎng)絡(luò)商店訂單查詢中查看。（9）客戶端的實驗團隊可以通過透明計算，獲得綜合平臺提供的信息（如交通監(jiān)控視頻、智能車輛位置和車輛違章記錄等），還可以在終端完成計算（如路徑規(guī)劃和計算機視覺識別等），用計算結(jié)果指導(dǎo)和操縱綜合平臺相應(yīng)環(huán)節(jié)的運行。（10）上述環(huán)節(jié)產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)，提交給云平臺存儲管理。（11）對云平臺存儲的數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)處理，提取挖掘出有價值的信息。

（三）功能模塊結(jié)構(gòu)

根據(jù)數(shù)據(jù)流分析，可以把“基于智慧城市的多學(xué)科融合教學(xué)實驗平臺”分為智能管理控制集成平臺、電商平臺、智慧工廠、智慧交通、智能倉儲物流、云平臺、透明計算和大數(shù)據(jù)等八大功能模塊。（1）智能管理控制集成平臺：整個綜合平臺的“大腦”，通過有線和無線網(wǎng)絡(luò)傳輸命令，綜合管理、控制所有的子系統(tǒng)運行。通過服務(wù)調(diào)度策略，能夠為多臺客戶端提供切換控制，支持團隊實驗。（2）電商平臺：模擬現(xiàn)實電商的網(wǎng)絡(luò)下單和簽單功能。（3）智慧工廠：負責(zé)訂單商品的生產(chǎn)，采用代表未來生產(chǎn)趨勢的3D打印方式實現(xiàn)。期間，融合智能家居概念中的環(huán)境控制和照明控制，輔助生產(chǎn)過程。（4）智慧交通：采用智能車輛為商品運輸?shù)妮d體，模擬智慧交通中的指示燈控制、視頻監(jiān)控和違章處理等功能，可以根據(jù)路況進行路徑規(guī)劃和導(dǎo)航。（5）智能倉儲物流：入庫時自動為商品運載車輛指定倉儲區(qū)域，盤點時通過RFID和閱讀器自動盤點，出庫時根據(jù)出貨單智能識別和抓取所需商品，通過ROS尋跡機器人自動遞送。其中，融合智能家居概念中的門禁控制，以管理進出車輛;融合安防工程，以監(jiān)測安全狀況;利用停車場管理，自動為車輛分配車位，模擬ETC收費功能。（6）透明計算：客戶端的實驗團隊可通過透明計算，獲取信息，完成計算、指導(dǎo)和操作教學(xué)實驗平臺的運轉(zhuǎn)。（7）云平臺：存儲上述環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)。（8）大數(shù)據(jù)處理：對云平臺存儲的數(shù)據(jù)進行綜合處理，提取挖掘有價值的信息。

（四）關(guān)鍵技術(shù)

1.智能網(wǎng)關(guān)。智能網(wǎng)關(guān)是“基于智慧城市的多學(xué)科融合教學(xué)實驗平臺”的重要部分，它既是連接前端各類型節(jié)點和用戶通信的紐帶，又擔(dān)負著不同設(shè)備通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換任務(wù)，還需要將協(xié)議轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)快速有效地發(fā)送到公共網(wǎng)絡(luò)。“基于智慧城市的多學(xué)科融合教學(xué)實驗平臺”通過智能網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)系統(tǒng)信息的采集、信息輸入、信息輸出、集中控制、遠程控制、聯(lián)動控制等功能。

2.圖像識別技術(shù)。圖像識別技術(shù)是人工智能的一個重要領(lǐng)域，它是指對圖像進行對象識別，以識別各種不同模式的目標(biāo)和對象的技術(shù)。圖像識別技術(shù)的基本過程包括信息的獲取、圖像預(yù)處理、特征抽取及選擇、分類器設(shè)計和分類決策等。“基于智慧城市的多學(xué)科融合教學(xué)實驗平臺”通過圖像識別技術(shù)，實現(xiàn)對商品的智能識別、抓取、交通信息的監(jiān)控、違章車輛的判別等功能。

3.云計算平臺。云計算是一種能夠通過網(wǎng)絡(luò)隨時隨地以便利的、按需付費的方式獲取計算資源（包括網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲、應(yīng)用和服務(wù)等）并提高其可用性的模式?！盎谥腔鄢鞘械亩鄬W(xué)科融合教學(xué)實驗平臺”通過云服務(wù)，把實驗數(shù)據(jù)存儲到實驗室的云計算平臺上。

4.大數(shù)據(jù)處理。大數(shù)據(jù)具有大量、高速、多樣、低價值密度和真實性等特點，大數(shù)據(jù)處理技術(shù)包括大規(guī)模并行處理數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)挖掘、分布式文件系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)庫、云計算平臺、互聯(lián)網(wǎng)和可擴展的存儲系統(tǒng)。“基于智慧城市的多學(xué)科融合教學(xué)實驗平臺”可以調(diào)用大數(shù)據(jù)服務(wù)器的相關(guān)服務(wù)，對存儲在云計算平臺上的實驗數(shù)據(jù)進行分析挖掘。

5.透明計算。透明計算是在2004年由張堯?qū)W院士提出的，其核心是將數(shù)據(jù)存儲、計算與管理相分離，并確立了跨終端、跨平臺的“雙跨”原則和“按需服務(wù)”的理念。在“基于智慧城市的多學(xué)科融合教學(xué)實驗平臺”中，透明客戶端可以通過透明服務(wù)器獲取信息、完成計算或操作實驗平臺。

三、平臺建設(shè)和展望

“基于智慧城市的多學(xué)科融合教學(xué)實驗平臺”在中南大學(xué)已獲批準(zhǔn)并開始建設(shè)，綜合考慮學(xué)校下?lián)艿馁Y金、模塊開發(fā)的難易程度、專業(yè)實驗的需求和實驗場地的安排，分期、分批、逐步建設(shè)和完善該教學(xué)實驗平臺。目前，已建成的云計算實驗平臺、大數(shù)據(jù)實驗平臺和智慧交通實驗平臺，在教學(xué)實驗過程中發(fā)揮了積極的作用。

當(dāng)“基于智慧城市的多學(xué)科融合教學(xué)實驗平臺”建成之后，能夠為學(xué)生提供更優(yōu)質(zhì)的教育教學(xué)資源，可支持信息類及相關(guān)專業(yè)的多學(xué)科融合性實驗，使學(xué)生對智慧城市概念和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用有更直觀深刻的認識，使學(xué)生能夠更深入地理解和掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)、數(shù)據(jù)分析與信息處理技術(shù)、圖形圖像處理技術(shù)、計算機視覺、大數(shù)據(jù)、云平臺和透明計算等知識，促進提高學(xué)生學(xué)以致用的能力、工程實踐的能力、科學(xué)研究的能力和應(yīng)用創(chuàng)新的能力。同時，也能夠為教師的教學(xué)科研提供必要的支持和幫助。

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[3]夏有為.實驗室建設(shè)要有哲學(xué)思想——訪中南大學(xué)校長張堯?qū)W院士[J].實驗室研究與探索，2013，（12）.

收稿日期：2018-12-17

作者簡介：穆帥（1975—），男，河北辛集人，中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院講師，主要從事物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、信號檢測及處理研究。

基金項目：湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項目“‘雙創(chuàng)背景下信息安全專業(yè)課程開放式教學(xué)模式及方法研究”（2017jy40）;中南大學(xué)實驗室建設(shè)與管理研究項目“基于智慧城市的多學(xué)科融合教學(xué)實驗平臺研究”（160260009）;中南大學(xué)教學(xué)改革研究項目“基于應(yīng)用場景的多學(xué)科融合實驗教學(xué)模式研究”（160010025）