智慧校園設計的理論與技術基礎研究

2014-10-07 15:21:50 大云網　點擊量：評論 (0)

摘　要：筆者分析了信息化相關理論與技術，將其合理運用到高校信息化建設之中，為智慧校園的設計研究提供科學的理論和技術基礎，并提出了用諾蘭模型理論、BSP、體系框架法等理論基礎以及SOA、云計算、物聯網等技

摘　要：筆者分析了信息化相關理論與技術，將其合理運用到高校信息化建設之中，為智慧校園的設計研究提供科學的理論和技術基礎，并提出了用諾蘭模型理論、BSP、體系框架法等理論基礎以及SOA、云計算、物聯網等技術方法，指導智慧校園的設計。

關鍵詞：智慧校園　教育信息化　信息技術

　隨著信息技術的發展和互聯網的廣泛應用，“云計算”“物聯網”“虛擬化”“數字地球”“智慧地球”等各種與之相關的概念不斷涌現，利用這些技術創建一個教學、科研、管理和服務手段現代化的“智慧校園”，推動高等教育的全方位改革，已成為當今世界各國高等教育改革的重要趨勢。

　　智慧校園是教育信息化的新的發展階段，是一項長期的系統工程。目前，無論是國內還是國外，在智慧校園領域都還處于探索與創新的階段，在實際應用中還面臨很多問題，而且國內外對智慧校園的研究和總結并不多見。只有通過分析信息化建設的理論基礎，研究信息化建設的技術基礎，并將這些理論和技術融匯到高校智慧校園的設計之中，才能使智慧校園的設計更加的切實可行。

1　智慧校園設計的理論基礎

1.1　諾蘭模型理論

　　諾蘭（Nolan）模型理論是信息系統發展的階段性理論，如圖1-1所示，它用于指導管理信息系統的建設，對于校園信息化建設也同樣具有指導意義。

　　諾蘭模型階段理論的具體內容如下：

　　第一階段，初裝階段。買第一臺計算機，并初步開發管理應用程序。

　　第二階段，蔓延。信息系統向各部門孤立擴展，數據處理能力得到迅速發展，出現許多新問題（如數據不一致、難以共享等），計算機使用效率不高。

　　第三階段，控制。此階段是計算機管理變為數據管理的關鍵。主要對組織機構中信息系統的數量與質量進行控制，但效益不理想，特點是成立了領導小組，統一規劃客服無序，采用了數據庫（DB）技術，信息系統呈現單點分散的特征，信息孤島問題嚴重，影響了信息化建設的發展。

　　第四階段，集成。在控制的基礎上重新規劃信息系統的建設，逐步改進原有系統，建立集中式數據庫，努力整合現有信息系統。特點是建立集中式的DB及相應的IS，增加大量硬件，預算費用迅速增長。

　　第五階段，數據管理。基本實現數據整合與信息共享，信息數據成為重要共享資源。開始設計開發為整個組織提供各種信息資源的信息管理平臺，以實現邏輯數據庫支持下的綜合應用。

　　第六階段，成熟。形成了完善的信息系統，能適應任何管理和技術的新變化，信息資源的利用更加高效，真正把IT和管理結合起來，為各個管理層次提供信息服務。信息系統與組織目標一致，從組織的事務處理到高層的管理與決策都能給予支持，使組織機構的競爭力和發展潛力得到提升。

　　高校信息化建設的發展歷程遵循了諾蘭模型的階段性發展理念，它為智慧校園的建設，特別是智慧校園的設計提供了科學的理論依據。

1.2　企業系統規劃法

　　BSP (企業系統規劃法，Business System Planning)方法由IBM公司提出，用于幫助制定大型信息系統的規劃，BSP的研究步驟如圖1-2所示。

　　BSP方法的基本思路是：要求所建立的信息系統支持企業目標；表達所有管理層次的要求；向企業提供一致性信息；對組織機構的變革具有適應性實質。即把企業目標轉化為信息系統戰略的全過程。

　　同樣，BSP方法也可以借鑒到高校信息化建設規劃制定之中，滿足高校智慧校園建設的需求。通過這種方法可以做到：確定出未來信息系統的總體結構，明確系統的子系統組成和開發子系統的先后順序；對數據進行統一規劃、管理和控制，明確各子系統之間的數據交換關系，保證信息的一致性。

　　企業系統規劃法是從企業目標入手，逐步將企業目標轉化為信息系統的目標和結構，從而更好地支持企業目標的實現。BSP的目標轉化過程，如圖1-3所示：

　　企業系統規劃法的優點在于利用它能保證信息系統獨立于企業的組織機構，使信息系統具有對環境變更的適應性。即使將來企業的組織機構或管理體制發生變化，信息系統的結構體系也不會受到太大的沖擊。

1.3　體系框架法

　　體系框架方法是一種頂層設計方法，目前國內外信息化系統設計普遍采用這種方法，主要包括業務框架、信息系統框架、技術框架等，它通過圖形的方式直觀的實現對信息化系統頂層設計的理解。

　　體系框架法，是運用系統論的方法，統籌考慮項目各層次和各要素，統籌規劃，通過對項目目標的充分理解，從全局的角度梳理核心流程，設計出信息系統的體系框架，在最高層次上尋求問題的解決之道。體系框架法是可實施、可操作的，是規劃的具體化，是規劃實現的具體手段，能有效促進資源的共享和信息的互聯互通，集中有效資源，高效快捷地實現目標。

　　體系框架法可以廣泛應用于信息化建設領域，是智慧校園建設的重要設計方法。智慧校園的建設是一項大工程，通過體系框架法可以從全局視覺出發，構建理念一致、結構統一、功能協調、資源共享、部件標準化的信息系統，改變信息系統建設各自為政的局面。

2　智慧校園設計的技術基礎

　　智慧校園的設計，要求建立信息交換與共享的跨業務、跨部門的統一信息平臺，以實現應用的整合，并為將來信息服務的拓展提供支撐。

　　這樣的系統運行在復雜的軟件和硬件平臺之上，對系統的體系構架有很高的要求。只有采用基于SOA的體系結構，才能夠保證各類系統的完全集成，保證后續新系統、新功能和新應用的拓展。

2.1　SOA的體系結構

SOA稱為面向服務的體系結構，它是一種軟件體系結構，也是一種組件模型，它將不同應用系統提供的不同服務，通過這些服務之間定義良好的接口和契約聯系起來。它貫穿于業務服務的整個生命周期，將業務服務作為協調業務需求與信息系統的關鍵組織原則，允許不同系統之間相互交換數據，參與業務流程，而不需要去考慮這些系統所使用的編程語言、操作系統和硬件平臺。

　　SOA結構有服務提供者、服務使用者、服務注冊中心三種角色：服務請求者，發起服務請求并在服務注冊中心查找所需的服務，然后綁定服務提供者，獲得使用該服務；服務注冊中心，為服務提供者注冊發布的服務，為服務使用者提供搜索服務并進行授權；服務提供者，向服務注冊中心注冊自己的服務，并且對使用自身服務的請求進行服務功能的響應。SOA結構如圖2-1所示。

　　基于SOA構架的智慧校園設計及實現的核心是建立SOA技術標準，在不改變學校各種應用底層架構的基礎上，SOA可以很好地將不同廠家、不同運行環境、不同開發工具開發的不同應用系統中的數據和功能包裝起來并納入到新系統中。當多個運行在不同平臺和技術下的系統需要相互通信時，SOA尤其適用，能夠實現松散型、低耦合的集成，不同的信息系統可以相互調用功能服務。

2.2　SOA的技術標準

　　2.2.1　WEB服務

　　智慧校園系統的設計基于SOA的整體構架思想，采用WEB Services和XML的數據交換技術進行業務系統整合和集成支持。

　　WEB Services是SOA的實現平臺。SOA服務的主要表現形式是WEB services即WEB服務， Web Services采用對象/組件技術、使用標準的Internet協議，具有比任何現有的對象技術更好的開放性。目前，WEB服務己成為SOA的主要技術。WEB services的描述語言WSDL，發現和集成協議UDDI，簡單對象訪問協議SOAP，構成了WEB services最基本的技術規范。WEB services的運行方式與SOA的設計思想也是基本類似的，WEB Services的結構,見圖2-2。

　　服務提供者將其服務的描述信息WSDL發送到UDDI注冊中心，WSDL文檔提供了與WEB services進行交互的信息；服務使用者查詢注冊中心獲得所要使用服務的WSDL文檔；服務使用者向提供者發送請求消息SOAP，然后由服務提供者返回SOAP應答消息。

　　WEB services的技術規范WS2DL 、SOAP 和UDDI 都建立在XML（可擴展標記語言）基礎之上，正是因為使用XML數據交互引擎，才能實現異構系統間數據的抽取、加載、發布和訂閱，完成數據格式的轉換，解決不同平臺、不同數據結構和模式之間的差異，使原本復雜的數據層集成變得簡單起來，使智慧校園應用集成在數據層上達成一致。

　　以Web Services技術進行互操作的可信整合與業務集的無縫集成，可以解決全局業務調用、集成，整合、個性服務等問題，實現業務協作與應用系統集成，使得所有的應用數據，可以通過Web Services技術相互進行調用，真正實現業務流互聯互通、各類應用業務的集成與發展。

　　2.2.2　面向對象的組件技術

　　面向對象的組件技術，基于跨平臺業界標準（Java、XML 等），開發環境完全獨立于操作系統和硬件。面對對象的組件化設計提供了公用組件和應用組件等多種組件服務。應用組件基于對業務功能的抽象，并且可復用；公用組件提供獨立的業務基礎服務，例如服務引擎、工作流引擎、菜單管理引擎、消息引擎、格式轉換、電子表單、個性化訂制等。

　　以面向對象的組件技術提供的組件服務構建分布式應用系統，能夠在異構環境下為不同設備上的應用提供互操作性，實現應用系統的無縫集成；同時，可插拔、可重用的組件使系統能輕易地組合或拆分其功能模塊，提供了系統良好的可伸縮性，能夠降低軟件開發與再開發的成本，加快軟件開發的速度。

　　面向對象的組件技術，將業務系統的運行模式和服務功能獨立，使用更靈活的組件方式來提升系統的集成能力、提升面向未來的應用整合的綜合支撐。

　　2.2.3　靈活的工作流技術

　　2.2.3.1　面向數據服務的工作流技術

　　提供在異構數據環境中的多種工作流自定義，實現各類業務系統基于業務規則，業務調度，業務處理的數據交換、管理和服務。并依據工作流的工作方式完成數據交換引擎對數據抽取和數據分發，實現業務系統非規范數據結構與公共數據庫的標準數據結構的相互轉換，所有的設計和實施過程脫離對數據庫的深層操作，數據交換的腳本定義，為用戶在全局數據環境的管理和服務等方面提供透明的運行模式。

　　2.2.3.2　面向業務服務的工作流技術

　　協同工作環境需要一個直觀的，可視化的工作流設計環境，領導或決策人員對協同工作的工作流進行設計，查看和修改。針對其用戶的特點，直接讓其進行底層的控制顯然不合適，所以需要一個專門的設計環境。

　　面向業務服務的工作流主要是解決流程類業務的需求和提供支撐。一個業務流程可能包括多個任務節點，每個任務節點需要有特定的執行人、填寫必要的數據或者是由特定的程序進行自動處理。從學校組織結構的角度，每個流程可能在部門內部、部門之間進行流轉；從學校業務角度，流程可能在系統內部流轉，也可能跨越多個系統進行流轉。制定合理、適用、靈活的工作流,要求在設計上，采用圖形化的方式進行流程的定制，支持串行、并行、條件路由，支持循環和自循環等復雜流程設計，以XML提供工作流引擎調用數據交換服務，支持部門之間（包括同級部門和上下級部門）進行流程的協同運轉；采用嚴格的權限控制，實現以業務數據表單流轉，流程的監控以及異常情況的處理來控制業務處理的狀態，完成提醒、代辦、催辦等服務；以人性化的服務特點實現手寫簽名、留痕等應用。

2.3　開發與運行結構

　　2.3.1　開發平臺

　　J2EE (Java 2 Platform, Enterprise Edition)是一組技術規范與指南，是構建基礎平臺和整合應用建設的首選。J2EE所包含的各類服務架構、組件和技術層次，并遵循共同的規格和標準，被設計成專門用來解決多層式應用解決方案的開發、部署以及管理上的問題，讓遵循J2EE構建的不同平臺存在良好的兼容性，解決不同信息系統之間無法互通的問題。

　　J2EE使用多層的分布式應用模型，能夠為不同的服務提供獨立的層：客戶層（client tier）在客戶端機器上運行，包括Html頁面，客戶端應用程序支持HTTP協議；Web層（WEB tier）在J2EE應用服務器上運行，Web層組件主要指Jsp，Java servlet等WEB部件；業務層也稱為企業組件層，在J2EE應用服務器上由EJB容器運行，支持EJB、JMS、JTA 等服務和技術，因此也叫EJB tier；企業信息系統層(EIS tier)，EIS的數據層主要特點是有數據庫的支持，它在EIS服務器上運行，處理企業信息系統軟件。J2EE典型四層結構，如圖2-3所示:

　　J2EE是一種業界標準，它包含許多組件，支持XML Web Services標準，在滿足新應用需求的前提下，可以充分利用用戶的原有投資，保留用戶原有的IT資產；因為與平臺無關性的結構，使J2EE程序編寫相對簡單，能簡化并且規范應用系統的開發與部署，進而提高系統開發的高效性；支持異構環境，基于J2EE開發的應用系統不依賴特定的硬件、中間件和操作系統，可部署到任何平臺，極大的提高了系統的可移植性，以及再利用價值。

　　遵循J2EE規范的多層計算平臺，可以有效地進行資源與服務的融合；簡化應用系統的開發和運行維護，方便應用系統在框架體系上的技術延伸和服務延伸，符合智慧校園系統的開發要求。

　　2.3.2　運行結構

　　系統平臺的開發和運行結構應基于后臺數據庫的三層架構，即Web應用服務器、中間件應用服務器和數據庫服務器，任何應用服務器需要訪問數據庫服務都需要通過中間件應用服務器，并且根據需要可以把Web應用服務器、中間件應用服務器和數據庫服務器部署在不同的VLAN 里，以加強安全性。

2.4　云計算技術

　　20世紀的60年代，美國科學家約翰·麥卡錫提出將計算能力作為公用事業，像水和電一樣提供給用戶，這一理念成為云計算思想的起源。隨后信息技術領域又相繼提出了分布式計算、公用計算、并行計算、效用計算、虛擬化、網絡存儲、負載均衡等一系列的面向服務的新理念和新技術，這些理念和技術都成為了云計算技術的重要支撐，云計算是這些計算機技術發展融合的產物。因此，云計算應具有如下核心特征：隨時隨地隨需的自助服務；多人共享資源池；快速靈活的部署；服務可監控可量測；基于虛擬化技術減少用戶終端的處理負擔；降低用戶對IT專業知識的依賴。由此可定義，云計算（cloud computing）是基于網絡的一種計算方式，它通過網絡按需向用戶提供可動態升級和易擴展的虛擬化資源。

　　云計算有三種部署類型：公用云（Public Cloud）、私有云（Private Cloud）、混合云（Hybrid Cloud）。云計算部署模型，如圖2-4所示。

　　云計算有三種服務模式：軟件即服務(SaaS)、平臺即服務(PaaS)、基礎架構即服務(IaaS)。云計算的服務模式，見圖2-5所示。

　　云計算是繼互聯網之后全社會關注的熱點，他將帶來生活、生產方式和商業模式的根本性改變。當前，中國云計算產業尚處于導入和準備階段，處于大規模爆發的前夕；同時，云計算的出現也為教育信息化的發展帶來了新的機遇，云計算將在我國高校得到廣泛的應用普及。通過服務器與存儲資源的有機整合，能提供安全高效、簡單靈活、可復用、可擴展的強大計算資源，形成實效化的云計算平臺，使高校師生能夠通過云計算平臺提供的IaaS、PaaS和SaaS服務，創建、測試和部署學習、研究計劃，不僅節省了資金的投入，而且能夠提高教學與科研的工作效率。

2.5　物聯網技術

　　2009年，中國物聯網研究發展中心與CCSA“泛在網”工作組TC10成立，物聯網受到了全社會極高的關注；與此同時，在無錫建立了“感知中國”中心，成立了中科院無錫傳感網工程中心，并提出了“感知中國”的物聯網發展理念，推動了物聯網在中國的發展，業內人士認為，物聯網將掀起全球的第三次信息產業革命。

　　物聯網（internet of things IOT）是新一代信息技術的重要組成部分。其概念在2005年國際電信聯盟發布的《ITU互聯網報告2005：物聯網》中被正式提出。物聯網就是物物相連的互聯網，它利用射頻自動識別（RFID）等各種信息傳感設備，利用無線數據通信等技術，在互聯網的基礎上，構建一個覆蓋一切事物的網絡，物聯網內的物品能夠彼此進行“交流”，實時采集連接物體的信息，通過信息的傳遞和交換，實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理。物聯網概念模型，如圖2-6所示。

　　物聯網的技術架構包括應用層、網絡層和感知層。應用層是物聯網和用戶的接口，實現物聯網的智能應用；網絡層（也稱為傳輸層）由各種網絡和管理系統組成，負責傳遞和處理感知層獲取的信息；感知層由各種傳感設備和網關組成，包括RFID標簽和讀寫器、溫度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、濕度傳感器、攝像頭、GPS、二維碼標簽等感知終端,主要作用是物體的識別、信息的采集和簡單處理。物聯網技術架構，如圖2-7所示。