大数据视域下的校园无感知数据采集综合管理平台建设

关键词：大数据；无感知数据采集；综合管理平台；校园信息化

0 引言

国家高度重视教育信息化建设发展工作，中共中央、国务院及有关部门陆续发布了多项指导性政策文件。尤其是，2021年教育部发布的《高等学校数字校园建设规范（试行）》，提出了积极发展“互联网+教育”，推动信息技术与教育教学深度融合，提升高等学校信息化建设与应用水平的新要求。该规范以深化顶层设计、遵循需求驱动、创新发展机制、面向师生服务为指导思想。旨在通过整合AI人工智能、大数据、IoT物联网等新技术，紧密围绕学校发展战略和师生信息化需求，实现“建设一个安全、便捷、稳定的服务型智慧校园，实现跨越式发展”的目标。

1 平台建设需求与背景分析

目前，高校教学、办公及公寓等场所存在人员集中、人员流动高峰期等现象，尤其在学校教学时间段，大量场所处于无人状态。传统的管理方式更多依靠人员巡查，存在较大的管理盲区，时效性方面也存在较大不足。在水、电、暖等能源方面，存在一刀切问题，导致了较大的能源浪费[1]。

以学生公寓为例，为提升学校公寓管理智能化、信息化水平，进一步改善学生居住体验，优化现有管理方式，以达到更好的管理与服务效果，可以通过无感知数据采集方式实现公寓的精准考勤以及水、电、暖等公用能源优化配置。本平台借助学校现有的基础硬件，通过升级、购买、软件平台开发整合等方式，最终完成学校公寓无感知管理平台搭建。平台可以完成学生公寓人员进出精准识别统计、公寓内部水、电、暖能源的智能调配，并根据实际运行情况进行不断升级与优化。项目稳定运行后，可尝试开发数据API接口，与学校现有的学工系统、请假管理、校门通道机、电控系统、暖气流量计费、短信网关等进行整合，探索更加精细化的管理方式，陆续推广至学校其他管理场景，发挥规模化效应，进一步降低运行成本。

1.1 校园信息化建设的必然趋势

随着信息技术的不断发展，校园信息化建设已成为提升办学质量和服务能力的重要手段。无感知数据采集技术作为信息化建设的重要组成部分，能够实现数据的自动、高效收集，为校园管理提供科学依据。

1.2 校园数据采集与管理的挑战

传统的校园数据采集方式往往依赖于人工输入或者特定的数据采集设备，这种方式不仅效率低下，而且容易出错。同时，随着校园数据量的不断增加，如何有效地管理和分析这些数据也成为一个亟待解决的问题。

1.3 大数据技术的支持

大数据技术的发展为校园数据采集与管理提供了新的可能。通过大数据技术，可以实现对海量数据的快速处理和分析，从而挖掘出有价值的信息，为校园管理提供有力支持[2]。

2 平台设计思路与技术架构

目前，高校普遍完成了校园主干网建设，交换节点采用万兆核心，多机冗余，万兆以上汇聚，校园无线无缝覆盖，可以满足校园大数据传输冗余和后期扩展的需求。学校数据中心配备的存储设备，可满足无感知数据采集产生的各项数据存储要求，WAF、IPS、日志审计、防火墙等安全设备，可以应对平台运行的数据安全保护要求。

2.1 设计思路

本平台的设计思路是以大数据技术为基础，构建一个集数据采集、存储、处理、分析和可视化于一体的综合管理平台。通过无感知数据采集技术，实时收集校园内的各类数据[3]，并利用大数据技术进行分析和挖掘，为学校提供决策支持。

2.2 技术架构

技术架构如图1 所示，平台采用分层架构[4]，包括数据采集层、数据存储层、数据处理层、数据分析层和数据展示层。各层次之间通过标准化的接口进行数据传输和交互，保证了平台的可扩展性和灵活性。

3 平台功能模块与实施策略

3.1 项目总体技术方案

3.1.1 行为数据采集

利用计算机视觉技术，包括深度学习中的行为识别算法，结合人脸识别技术，确保数据的准确性和安全性。

3.1.2 能源数据采集

通过部署各类传感器设备，实现对学校内部环境的实时感知。通过物联网技术实现数据的无感知采集，监测场所区域内的人员分布、温度、湿度、光照强度、用电量等数据[5]。

3.1.3 数据采集模块

该模块负责实时采集校园内的各类数据，包括学生的学习行为数据、教师的教学数据、校园设施的使用数据等。通过无感知数据采集技术，确保数据的准确性和实时性。

3.1.4 数据存储与处理模块

该模块负责将采集到的数据进行存储和处理。利用云计算和分布式数据库技术，实现对海量数据的高效存储和快速处理[6]。

3.1.5 数据分析与挖掘模块

该模块利用机器学习和数据挖掘算法，对存储的数据进行深入分析和挖掘，提取有价值的信息和模型，为校园管理提供科学依据。

3.1.6 数据展示与决策支持模块

该模块将数据分析的结果以可视化的方式展示出来，为校方提供直观、易懂的决策支持。同时，根据数据分析的结果，为校方提供定量和科学的指导意见。

3.2 数据处理与分析

3.2.1 能源系统数据处理

数据传输至大数据处理平台，结合大模型或深度学习算法，进行能源数据的分析和建模，实现能源系统的智能化调度，智能算法将学校的实时环境数据与历史数据进行比对，预测能源需求，并采取调节措施。

3.2.2 能源系统智能化调度

建立能源系统智能决策模型，结合实时环境数据和需求预测，进行智能化调度。例如，在学校高峰用电期间，智能系统可自动调整空调和照明设备的使用，实现能源的合理分配和利用，降低学校用电成本[7]。

通过以上技术方案的实施，学校将实现对教职工各环节行为数据和学校内部环境的智能化无感知采集，并通过智能决策支持系统，提供实时的管理建议，提升学校管理的精细化和智能化水平。

4 平台技术路线

阶段一：需求分析和系统设计

通过多种形式调研，明确无感知数据采集的范围，设计系统架构，确定数据采集设备的部署位置和传感器种类。

阶段二：融合打通与数据统一

充分利用学校现有的信息系统，依托开发者平台，进行关联打通，破除系统间壁垒，建立校园中心数据库，统一人脸库，统一设备管理库，实现由物到人的统一感知，统一监管，统一调度，提升信息化管理效率。

阶段三：无感知数据采集设备的部署和联网

对校园内现有的数据感知设备进行使用情况调研，符合利旧改造条件的，进行利旧改造，新增的功能区域部署无感知数据采集设备，这些设备将与校园内网连接，确保数据能够实时传输至数据处理中心[8]。

阶段四：数据处理与分析算法的开发

建立大数据处理平台，用于接收、存储和处理从各传感器采集到的数据。同时，开发相关大模型及深度学习算法，用于分析各类型采集数据。

阶段五：智能决策支持系统的构建

整合开发的算法，建立智能模型。这些模型将被用于预测场所环境和能源系统的未来利用趋势。同时，基于这些预测，团队将开发决策支持系统，为学校管理者提供实时建议，帮助他们做出更加智能化的决策，该系统还将包括一个报警系统，用于监测到异常行为或环境时发出警报。

阶段六：系统测试和优化

对整个系统进行全面测试。包括数据的准确性、算法的准确性、系统的稳定性等方面的测试。同时，根据测试结果，对系统进行必要的优化和调整，确保系统能够在实际应用中稳定可靠地运行。

5 项目应用情况

应用场景1：学生宿舍晚归统计

场景1预期效果：通过宿舍出入口安装的人脸识别摄像头，对出入的学生进行人脸比对，符合要求的视为归寝，根据学校的作息规则对晚归人员进行记录以及预警。

应用场景2：学生回校无感知销假

场景2预期效果：首先系统通过中心数据库获取学生的销假时间，并在一定的时间段内在校园出入口的摄像头中进行人脸检索，检索到符合学生特征的人脸后进行轨迹跟踪，确保学生真正进入学校，避免销假后再次外出的情况。

应用场景3：校园公区水电自动抄表

场景3预期效果：通过物联网远传技术，对校园内的公区水电进行远传查抄，每月数据可自动定时回传至数据中心，管理人员可根据每天，每月进行能耗计量统计。

应用场景4：核心设备机房跑冒滴漏无感知管控

场景4预期效果：在学校的核心设备机房，例如空调机房，供水机房安装AI分析摄像机，通过图形算法的训练，可识别出跑水，漏气，液位降低等常见的故障，配合短路保护器，BA控制器等硬件，实现核心机房的全方位安全感知[9]

应用场景5：校园教室及办公区水电暖分时控制与调节

场景5预期效果：

1） 校园教室及办公区供水分时控制与调节。

通过预设规则，可在每天傍晚，节假日，周末对区域用水的流速或。水阀的开闭进行控制，直饮水可控制非高峰时段低温运行，达到节能的目的[10]。

2） 校园教室及办公区供暖分时控制与调节。

通过预设规则与锅炉机组联动，控制进回水温度，使得夜间午间，办公楼暖气低温运行。根据排课表，考勤，加班申请，人员轨迹等信息进行大数据分析，对可能会使用的区域，结合当天气温进行预热。各区域内温控面板可联网，进行远程开关和调温。

3） 校园教室及办公区供电分时控制与调节。

通过联网定时器和红外感应器对教室，办公室内光线进行无感知调节，夜间自动断电切换至感应模式，杜绝长明灯。

应用场景6：校园路灯照明自动调节

场景6预期效果：

通过联网时控器与调光模块的配合，对校园主干道路灯进行夜间感应开灯，清晨调光辅助，实现照明区域按需点亮，减少浪费

应用场景7：校园重点人员轨迹管控与重点区域预警

场景7预期效果：

1） 可通过规则预设，选定重点关注人员，通过与重点区域的联动管理避免安全事件发生。

2） 可将楼顶、高层连廊设为重点区域，当夜间或平时非工作时间段，有人闯入并长时间停留，将按照预设的规则进行逐级预警提醒。

应用场景8：外来人员轨迹管理

场景8预期效果：外来人员乘车或步行进入学校后，面部数据及步态数据会实时分析上传至平台，如有需要，只须确定入校时间，便可自动生成校园的形成轨迹，方便学校的安全管理。

6 项目网络信息安全保障措施

1） 加强基础物理环境安全防护措施，对于重点部位部署防辐射、防火以及安装不间断电源（UPS） 等设施设备。

2） 加强访问控制，对用户访问网络资源的权限进行严格的认证和控制，例如进行用户身份认证，对口令加密、更新和鉴别，设置用户访问目录和文件的权限，控制网络设备配置的权限等。

3） 采用可靠数据加密措施，确保采集数据安全传输。

4） 建立灾难备份机制，实施信息过滤、容错、数据镜像、数据备份和审计等。

5） 完善各项管理使用制度，加强用户的安全意识教育，定期进行安全培训，提高安全意识。定期开展安全检查，及时发现和处理潜在的安全隐患。

7 案例分析与应用效果

为了验证平台的实用性和有效性，通过一段时间的运行和测试，发现平台能够高效地采集校园内的各类数据，并利用大数据技术进行分析和挖掘，具体应用效果如下。

7.1 提升管理效率

通过平台提供的数据支持，学校能够更加精准地了解校园情况，从而做出更加科学、合理的决策，不仅提升了管理效率，还降低了管理成本。