馬雙成

(武警學院 訓練部，河北 廊坊　065000)

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基于信息化的教學管理指揮中心建設研究

馬雙成

(武警學院 訓練部，河北 廊坊065000)

信息化建設與應用在院校教學管理與服務保障工作中發(fā)揮著重要作用。以武警學院教學管理指揮中心為研究對象，從技術和應用角度對網絡拓撲結構和教學視頻監(jiān)控、課程錄制存儲、教學區(qū)域廣播、教學信息發(fā)布、教學設備管理等五個主要功能模塊進行探討。

教學管理；課程錄制；點播；廣播

隨著國內高等院校的迅速發(fā)展，其相關資源越來越豐富，大量信息需要存儲、查詢和利用。計算機技術的發(fā)展和網絡的普及，為高等院校利用信息化技術進行教育教學相關信息管理提供了便利。其在大量節(jié)省人力物力的同時，提高了信息利用速度和準確率，提升了教育教學管理效率，有效促進教育教學活動開展。

近年來，武警學院陸續(xù)建成教育教學信息系統(tǒng)、綜合實戰(zhàn)應用系統(tǒng)、教學管理指揮中心、網上教學系統(tǒng)等教學訓練和管理信息系統(tǒng)，實現了課堂教學與網絡教學的互補、教學管理與教學保障的協(xié)同、教學工作與科研工作的配合、教育教學資源的高效共享。教學管理指揮中心于2005年9月投入使用，設備使用頻繁、老化嚴重，存在著以下諸多問題：監(jiān)控攝像機經常發(fā)生故障，造成畫面出現卡屏、馬賽克等問題；監(jiān)控系統(tǒng)采用MPEG2視頻編碼方式，如提高圖像清晰度需占用很大的網絡帶寬資源以及存儲資源；系統(tǒng)管理平臺基于C/S架構，不支持跨網段的訪問和管理；教學管理不能與排課系統(tǒng)有機結合；多媒體教室數量增加后，不能實現全覆蓋等。其已經不能滿足教學訓練需求，亟待更新。

一、系統(tǒng)建設目標及原則

為有效解決原教學管理指揮中心存在的問題，武警學院于2015年9月完成了教學管理指揮中心的建設和更新。此次系統(tǒng)建設的目標主要有：一是對已有多媒體教室環(huán)境進行升級擴容，包括綜合教學樓、1號教學樓、2號教學樓共計147間教室；二是實現與教育教學等信息系統(tǒng)的綜合集成；三是建設實訓場所教學指揮監(jiān)控系統(tǒng)，融合教學指揮中心一期建設成果。其最終目標是實現理論課教學場所和實訓教學場所全部納入教學管理指揮中心管理，建成一套無縫接入教育教學信息系統(tǒng)，以教學視頻監(jiān)控和課程錄制存儲為核心功能，對課堂教學進行實時管理與教學評估，為各類考試提供技術和信息支持，方便快捷生成、使用豐富的課程資源，支持跨網段、跨路由、單點登錄的可視化網絡綜合信息管理系統(tǒng)，成為武警學院教學管理和教學保障的輔助、支撐和應用平臺。

教學管理指揮中心的建設，遵循了以下建設原則：一是先進性原則。以軟件采集為核心將監(jiān)控與云錄播合并廣泛應用，以先進、成熟的視頻技術進行合理搭配，支持數據、語音、視頻等多媒體應用。二是實用性原則。采用H.264視頻編碼等國際標準和技術規(guī)范，設計簡潔、操作方便，利用寬帶網絡技術，支持高質量、遠距離的視音頻傳輸。三是穩(wěn)定性原則。所選用產品和技術經過廣泛檢驗，充分考慮系統(tǒng)在程序運行時的承載能力和容錯能力，達到高度可靠。四是兼容性原則，整個后臺核心基于Microsoft平臺技術，整個系統(tǒng)與Windows操作系統(tǒng)無縫連接，支持PC終端、Andriod移動設備。五是擴充性原則。采用開放式的結構，具有強大的擴展能力，著眼于近期目標和長期目標，充分考慮發(fā)展的需要，選用合適的設備，進行合理的性能組合，構建適合當前需求，支持功能擴展、升級擴容的系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)結構設計

教學管理指揮中心基于B/S架構設計[1]。該系統(tǒng)與教育教學信息系統(tǒng)等業(yè)務系統(tǒng)統(tǒng)一認證、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一數據。系統(tǒng)用戶統(tǒng)一登錄，按照權限分級劃分為四種角色：首長、參謀、教師、學生，對應各級權限，實現平臺管理、攝像機控制、瀏覽器遠程控制。首長權限為系統(tǒng)功能的所有操作、云臺全控制、管理所有課程。參謀權限為系統(tǒng)功能授權操作、控制云臺、管理觀看所有課程，禁止改動課程信息。教師權限為管理自己的錄制課程、審查錄制的課程、決定是否進行推薦，禁止控制云臺。學生權限為點播已經公開發(fā)布的課程和自己學習的課程，禁止控制云臺。

網絡基礎設施是傳輸監(jiān)控系統(tǒng)數據的基本平臺。從物理結構分析，網絡采用星型結構，各個監(jiān)控區(qū)域通過單模光纖與綜合教學樓教學管理指揮中心機房相連，其中接入點數量較多的區(qū)域均采用多模光纖聚合鏈路結構，擴大連接帶寬，提高數據傳輸安全性。從層級結構分析，網絡屬于二層網絡結構，接入交換機均為二層設備，所有接入設備的網關在核心交換機上統(tǒng)一設置，存儲單元直接與核心交換機相連。從系統(tǒng)的兼容性分析，整個系統(tǒng)絕大多數采用統(tǒng)一廠商設備，使網絡傳輸效率得到可靠保障，與原有系統(tǒng)的對接采用端口強制辦法，省去協(xié)商過程，發(fā)揮原有網絡最高能效。

整個網絡劃分為8個VLAN，綜合教學樓A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)劃分為4個VLAN，1號教學樓、2號教學樓和階梯教學樓劃分為3個VLAN，室外實訓場所劃分為1個VLAN。在RG5750核心交換機上啟動三層交換功能，采用靜態(tài)路由的方式與網絡中心機房RG8600交換機通訊。網絡中大部分區(qū)域采用全千兆互聯設備，滿足監(jiān)控碼流需求，其余部分區(qū)域采用千兆上聯、百兆至終端的接入設備。核心交換機RG-S5750-24SFP/8GT為銳捷箱式交換機，背板帶寬達256 G(包轉發(fā)線速為155 Mbps)，完全滿足監(jiān)控終端設備同時訪問存儲服務器，進行數據交換的包轉發(fā)量要求。接入交換機采用銳捷二層全千兆交換機，滿足全端口同時工作的最大系統(tǒng)資源需求。課件點播和課件直播采用單播方式，提高網絡利用效率。

整個網絡集成172個信息采集點，主要傳輸信息為數字視頻信號，數字圖像傳輸數據將成為網絡流量分析的主要內容。各監(jiān)控模式下生成不同格式圖像所需碼流如表1所示。

表1　不同格式圖像碼流

系統(tǒng)數字圖像生成格式為D1[2]，按照“圖像格式比特率大小×攝像機的路數=網絡帶寬最低需求”計算相應鏈路的數據傳輸飽和狀態(tài)。所需數據傳輸帶寬為1 Mbps(視頻格式的比特率)×48(48口網絡交換機完全配滿)=48 Mbps(上行帶寬)，即各區(qū)域監(jiān)控網絡上行帶寬至少為48 Mbps。按照校園網1 000人點播和1 000路的錄像轉存系統(tǒng)錄制課程，按照每路視頻1 Mbps流量計算總帶寬為2 000 Mbps，兩臺服務器支持的點播帶寬為4 000 Mbps。另外，監(jiān)控系統(tǒng)核心交換機與網絡中心的RG8600交換機以4路千兆鏈路聚合[3]的方式上聯，上聯帶寬為4 000 Mbps，如系統(tǒng)按照總帶寬60%正常運行可支持2 400 Mbps，完全能夠滿足教學點播和課程錄制的帶寬需求。

三、系統(tǒng)功能設計

教學管理指揮中心是一個綜合資源管理平臺，其主要包括教學視頻監(jiān)控、課程錄播存儲、教學區(qū)域廣播、教學信息發(fā)布、教學設備管理等五個主要功能模塊。

(一)教學視頻監(jiān)控

教學視頻監(jiān)控覆蓋范圍包括綜合教學樓、1號教學樓、2號教學樓147間理論課教學場所和綜合技能訓練場、軍體訓練場、塑膠運動場等實訓教學場所。每間多媒體教室設2個信息采集點，通過三分屏(教師場景、學生場景、課件)畫面，實時監(jiān)控課堂教學秩序，及時處理有關問題，支持多屏在線巡課，同時觀摩多間教室，支持遠程教學觀摩，評估打分。

教育教學信息平臺訪問教學監(jiān)控數據流工作機理是：校園網計算機向教育教學信息平臺服務器發(fā)送認證請求，教育教學信息平臺服務器收到請求通過認證后，發(fā)送通過權限訪問的頁面，校園網計算機通過權限訪問頁面選擇所要查看的攝像機，攝像機將視頻圖像直接傳送給校園網計算機。

(二)課程錄制存儲

通過與教育教學信息系統(tǒng)平臺對接，統(tǒng)一身份認證，用戶只需在統(tǒng)一身份認證系統(tǒng)中登錄即可直接訪問錄播系統(tǒng)，無需重復登錄，錄播平臺定期自動更新同步用戶信息和同步課表信息。教師、學生、管理人員等用戶可點播授權的課程資源，系統(tǒng)滿足并發(fā)1 000點的課程資源點播服務。系統(tǒng)采用ETL的方式對接，在服務器上建立公用數據庫，保存用戶信息和課表信息，云錄播子系統(tǒng)允許訪問數據庫。Media Server LMS提供開始/停止錄制/直播的接口，通過文件上傳接口文檔，實現文件上傳程序(Uploader)與云錄播平臺之間的數據交換。

課程點播系統(tǒng)數據流工作機理是：以單播的方式實現課程的訪問和接收。校園網計算機向平臺服務器發(fā)送認證請求，通過后，平臺服務器會向發(fā)送請求計算機發(fā)送通過權限訪問的頁面，確定點播課程后，平臺服務器會從磁盤陣列中把所點播課程發(fā)送給點播計算機。多媒體教學組播數據流工作機理是：教室端計算機向平臺服務器發(fā)起組播接收信號請求，平臺服務器向教室計算機發(fā)送組播列表，教室端計算機可從列表中選擇所要接收的組播源。平臺服務器中的組播功能模塊會把課程以組播的方式發(fā)送給教室端計算機，通過投影系統(tǒng)展示給教師和學生。課程錄像數據流工作機理是：每間教室端監(jiān)控視頻信號和計算機數據流經過錄像服務器合成課程(單視頻課程錄制，不需要錄像服務器進行課程合成)，通過平臺服務器將課程錄像(單路視頻或計算機屏幕+監(jiān)控視頻)存入磁盤陣列。

隨著光纖SAN[4]存儲技術的成熟，使得集群共享后端海量存儲的方案成為可能。該方案克服了原有的傳輸速率低下、數據傳輸誤碼率高、無法實現數據大集中的DAS直連存儲方式缺點，課程錄制存儲采取SAN(存儲局域網)架構。磁盤陣列可以增加冗余控制器和冗余電源，以保障系統(tǒng)的安全性。存儲數據備份可以考慮增加磁帶機，以實現整個系統(tǒng)數據的災難恢復。

存儲系統(tǒng)平臺使用7臺HP DL380G8服務器，每臺服務器做RAID5，以保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。其中，5臺作為錄像存儲服務器，2臺作為平臺及點播服務器，以雙通道全光纖方式(8GHBA)與磁盤陣列建立高速鏈接。為保障錄像服務器的安全性，每臺服務器配置2塊SCSI硬盤并做RAID1，1臺HP P2000 G3 MSA采用SAN的存儲結構方式連接服務器。通過系統(tǒng)存儲空間數據分析，磁盤存儲陣列共配置54塊2 TB硬盤，容量總計108 TB。整個系統(tǒng)有172路視頻信號，每路視頻按照D1格式錄制，每個教室課程錄像每天10小時，每個學期錄制時間總長約90天，需要存儲空間約為67 TB。剩余存儲空間約為總容量1/3，用于做RAID或擴容存儲。另外，學院原有3臺HP服務器提供存儲服務，做完RAID后剩余8 TB存儲空間，用于考試期間錄像視頻存儲。

(三)教學區(qū)域廣播

教學區(qū)域廣播涵蓋傳統(tǒng)廣播系統(tǒng)功能，包括日常廣播、背景音樂、定時打鈴、英語聽力考試和電臺節(jié)目轉播等。多套節(jié)目同時在設定的分區(qū)播放，分區(qū)內的每個終端接收相應播放內容。編制每天各時段節(jié)目播放計劃后，可實現定時播放。

系統(tǒng)基于IP網絡，遵循TCP/IP協(xié)議[5]，采用IP廣播(IP廣播終端+音箱)方式，利用以太網接口連接數字廣播終端。廣播時原有多媒體音箱開啟，IP廣播終端的音頻輸出給功率放大器，通過多媒體音箱播出而不經過計算機。功放電源可通過轉換器控制供電，根據語音信號的有無，自動切換外接功放的電源，避免功放24小時持續(xù)工作，廣播完畢自動斷電(供斷電時轉換控制器會判斷教室是否在使用功放，以免影響多媒體教學的正常進行)。訓練場地廣播系統(tǒng)設置40只60 W室外防水音柱。IP廣播終端、4口交換機、轉換器的供電需要24小時常供電，供電與監(jiān)控系統(tǒng)編碼器共用220 V交流電。

(四)教學信息發(fā)布

管理端硬件(服務器)集成在機房平臺服務器，管理端軟件集成于綜合管理平臺，具備節(jié)目制作、發(fā)布、審核管理、終端監(jiān)控及維護、播放日程管理、系統(tǒng)權限設置等功能。播放終端硬件(顯示屏)架設在終端點位，在綜合教學樓、1號教學樓共有16個信息發(fā)布終端，由分體機信息發(fā)布終端(工控機)和50吋液晶電視組成。信息發(fā)布終端通過教室網絡(連接中控和IP終端接入的4口交換機)連入校園網，供電方式與IP廣播系統(tǒng)相同，通過一根VGA電纜將信號推送至50吋液晶電視。

(五)教學設備管理

教學設備管理使用HC多媒體管理平臺，對中控、電腦、投影機等教學設備狀態(tài)實時刷新、控制管理，實時對投影燈泡用時查詢，實現教室端計算機遠程監(jiān)看、控制，支持教室端和管理平臺雙向對講，支持4、9、16多畫面數字電視墻的刷新和顯示。多媒體設備管理平臺兼容控制艾威康網絡中控等多種不同控制協(xié)議的網絡中央控制器，開放協(xié)議控制與翰博爾錄播系統(tǒng)平臺進行無縫對接，支持多校區(qū)集中控制管理。

四、結束語

基于信息化的教學管理指揮中心建設與應用，是現代教育領域的重點研究內容之一，對于教學活動的有效管理起著不可替代的作用。該教學管理指揮中心系統(tǒng)依托學院校園網平臺，與互聯網、公安網物理隔離，采用成熟的網絡、云計算處理和信息管理技術，具有可靠的安全性能，是集多媒體教學、課程錄制、課堂直播、課程資源、教學監(jiān)管和教學評估于一體的教育教學應用系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠對課堂教學進行有效的系統(tǒng)化、信息化管理，便于師生開展教學，對于提升武警學院教學系統(tǒng)運行管理的工作質量和服務保障水平發(fā)揮了強有力的支撐和推動作用。為進一步提高教學場所管理的信息化應用水平，應在現有系統(tǒng)平臺基礎上，升級改造為高清系統(tǒng)，逐步將其他教學場所都納入到教學管理指揮中心進行管理，努力做到教學場所信息化管理無死角。

[1] 邱虹坤，等.基于B/S在線考試系統(tǒng)開發(fā)[J].沈陽航空工業(yè)學院學報，2006(5).

[2] 孫衛(wèi)東.圖像處理技術手冊[M].北京：科學出版社，2007.

[3] 田增國.組網技術與網絡管理[M].北京：清華大學出版社，2009.

[4] 舒繼武.存儲區(qū)域網絡精華[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[5] 任泰明.TCP·IP協(xié)議與網絡編程[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004.

(責任編輯劉彥超)

A Research on the Construction of the Command Center System for Teaching Management Based on Informational

MA Shuangcheng

(StaffOffice，TheArmedPoliceAcademy，Langfang，HebeiProvince065000，China)

Information construction and application plays an important role in the teaching management and service of colleges and universities. The command center system for teaching management as a research object， in the perspectives of technology and the application， this paper analyzes the network topology structure and five aspects contents of teaching video monitoring， the generation of curriculum resources， the teaching of regional broadcasting，the issuing teaching information， the teaching equipment management， the high efficiency， in order to improve the service quality of personnel training.

teaching management； the course to record； vod； broadcasting

2015-09-12

馬雙成(1976—)，男，河北霸州人，高級工程師。

G473

A

1008-2077(2016)07-0067-04