金 燄

（武漢城市職業(yè)學院，湖北 武漢 430064）

0 引 言

目前，國內多數(shù)高職院校的校園信息化建設已基本完成預定目標，由單一教學管理信息系統(tǒng)的研發(fā)逐漸升級成整體校園服務平臺的搭建。以單點登錄、門戶空間以及數(shù)據(jù)中心為基礎的一站式綜合服務平臺，成為校園信息化建設的主要內容。隨著物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、大數(shù)據(jù)、云計算以及人工智能等新技術的深度融合，學校業(yè)務需求不斷迭代更新，使得校園信息化呈現(xiàn)出平臺標準化、管理智能化、服務多樣化以及產品個性化的發(fā)展趨勢。為了更好地全面服務師生，進一步提升學校的教學管理水平與服務治理能力，需要對智慧校園總體框架進行科學研究與規(guī)劃，通過對比各類技術架構的優(yōu)缺點選擇最合適的技術架構，以適應校園信息化的發(fā)展趨勢，滿足建設需求。

1 研究現(xiàn)狀

國內很多專家與學者對智慧校園的總體框架進行了深刻研究與探討。蔣東興認為，近兩年我國高校信息化建設開始發(fā)生明顯變化，如大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、云計算、知識管理、社交網(wǎng)絡以及虛擬現(xiàn)實等新興信息技術被廣泛應用［1］。吳自強認為，在智慧校園建設過程中，頂層規(guī)劃具有重要的推動作用［2］。王燕認為，在從數(shù)字校園到智慧校園的建設過程中，加強智慧校園的頂層設計，構建智慧校園建設的通用架構模型，具有十分重要的意義［3］。

同時,也有不少學者從云計算、SOA、ESB、微服務以及分布式等方面入手，研究智慧校園的技術架構。肖祥林利用云計算和SOA 架構搭建異構網(wǎng)絡智慧校園平臺，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)融通，消除了信息孤島，解決了各業(yè)務服務在異構網(wǎng)絡中協(xié)同工作的難題［4］。華建祥提出的基于企業(yè)服務總線技術ESB 的共享數(shù)據(jù)中心建設方案，滿足了共享數(shù)據(jù)中心與應用系統(tǒng)之間的低耦合性和可擴展性，是校園信息化建設過程中應用系統(tǒng)集成的一種有效方案［5］。張廣鑫論述了選用微服務架構作為程序設計模式的優(yōu)勢作用［6］。

2 總體框架研究

2018 年6 月7 日，國家頒布《智慧校園總體框架（GBT 36342—2018）》（以下簡稱《標準》），明確規(guī)定了智慧校園總體系統(tǒng)架構，并針對教學環(huán)境、教學資源、校園管理、校園服務以及信息安全體系5 個方面進行了規(guī)范性論述。根據(jù)《標準》，結合高職院校智慧校園建設的實際情況，研究規(guī)劃出符合高職院校特點的智慧校園總體框架，如圖1 所示，大體包括6 層框架結構和1 個支撐保障體系。

圖1 智慧校園總體框架圖

2.1 感知終端設備層

通過各類傳感器、攝像頭及各類應用設備，感知終端設備層全面采集校園的人員、環(huán)境和資源等數(shù)據(jù)信息，具體包括物與物的感知、人與物的感知以及系統(tǒng)間信息的實時感知、捕獲和傳遞等［3］。運用物聯(lián)網(wǎng)技術采集師生在學校的教學、科研、服務以及生活等各類資源與活動的相關數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對學校各類設備和實訓室儀器運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集，從而為智慧校園平臺提供感知支撐。

2.2 硬件網(wǎng)絡服務層

硬件網(wǎng)絡服務層主要包括硬件設備和軟件設備。硬件設備包括學校的網(wǎng)絡接入設備、安全設備、負載均衡設備、應用服務器、存儲服務器、前置服務器以及無線網(wǎng)絡設備等物理硬件設備；軟件設備可分為云管理平臺、操作系統(tǒng)和典型應用軟件，運用超融合技術實現(xiàn)服務器、存儲和網(wǎng)絡的虛擬化，為系統(tǒng)平臺提供網(wǎng)絡與操作系統(tǒng)服務，構建智慧校園的基礎設施服務（Infrastructure as a Service，IaaS）層支撐體系。

2.3 數(shù)據(jù)中心交換層

數(shù)據(jù)中心交換層的統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心包括標準代碼庫、標準數(shù)據(jù)庫、中心庫、業(yè)務庫與數(shù)據(jù)交換工具。通過制定各類信息數(shù)據(jù)標準與定義的權威主數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中心交換層可使學校數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)交換的方式實現(xiàn)互聯(lián)互通。數(shù)據(jù)中心是學校最重要的信息資產，具備加密、備份、質量管理、手動、定時以及自動同步等系統(tǒng)能力，可為系統(tǒng)平臺提供數(shù)據(jù)支持，構成智慧校園的數(shù)據(jù)服務（Data as a Service，DaaS）層支撐體系。

2.4 應用開發(fā)支撐層

應用開發(fā)支撐層由數(shù)據(jù)服務支撐工具、應用開發(fā)支撐工具、系統(tǒng)開發(fā)框架、大數(shù)據(jù)與AI 支撐框架等構成。運用數(shù)據(jù)服務支撐工具將智慧校園數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)服務接口，可為上層各類系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務，形成細粒度能力支持。借助應用開發(fā)支撐工具的流程重構工具與頁面表單工具，可快速定制各種微服務應用。新建的系統(tǒng)應用不需要直接訪問數(shù)據(jù)庫，后端數(shù)據(jù)庫變更時可以只修改數(shù)據(jù)服務接口而不需要逐一修改前端所有相關應用，大幅降低了流程與界面設計難度。系統(tǒng)開發(fā)框架能快速實現(xiàn)系統(tǒng)平臺開發(fā)設計工作，同時大數(shù)據(jù)與AI支撐框架提供了智慧校園大數(shù)據(jù)與AI 運算功能，構成了智慧校園的平臺服務（Platform as a Service，PaaS）層支撐體系。

2.5 業(yè)務系統(tǒng)應用層

業(yè)務系統(tǒng)應用層包含的系統(tǒng)覆蓋學校各個職能部門和二級學院的日常業(yè)務，主要由教務系統(tǒng)、學工系統(tǒng)、科研系統(tǒng)、人事系統(tǒng)、財務系統(tǒng)、后勤系統(tǒng)、圖書系統(tǒng)、宿管系統(tǒng)以及OA 系統(tǒng)等組成。各業(yè)務系統(tǒng)既相對獨立又有機互通，共同組成學校綜合管理的應用服務后臺。它既能處理各部門的日常業(yè)務，又能實現(xiàn)跨部門的數(shù)據(jù)流轉和業(yè)務辦理，同時可為前端應用提供系統(tǒng)支持，構成了智慧校園的軟件服務（Software as a Service，SaaS）層支撐體系。

2.6 用戶前端空間層

用戶前端空間層提供良好的用戶使用界面，使得用戶能根據(jù)自己的習慣和愛好進行個性化界面設置。用戶通過智慧校園統(tǒng)一平臺身份驗證進入各自業(yè)務門戶空間，根據(jù)不同的身份類型，按照權限級別呈現(xiàn)對應的服務，其中服務對應獨立的業(yè)務應用場景。用戶的服務界面與實際的業(yè)務系統(tǒng)剝離，使得服務過程數(shù)據(jù)通過各類接口保留至智慧校園各個業(yè)務系統(tǒng)中。此外，前端門戶空間的運用使得學校信息化服務更加高效與便捷。

2.7 支撐保障體系

智慧校園建設的支撐保障體系包括信息數(shù)據(jù)標準、網(wǎng)絡信息安全、建設管理規(guī)范和運維保障體系。

2.7.1 信息數(shù)據(jù)標準

信息數(shù)據(jù)標準是信息數(shù)據(jù)根據(jù)學校具體情況和實際需求，在采集、處理、交換、用戶訪問以及傳輸過程中，定義的一套科學、實用與完善的信息化標準體系和規(guī)范，是實現(xiàn)學校DaaS 層支撐體系、信息資源共享和信息系統(tǒng)得到協(xié)同發(fā)展的基礎，具有良好的兼容性、開放性和可管理性。

2.7.2 網(wǎng)絡信息安全

網(wǎng)絡信息安全是智慧校園平臺的數(shù)據(jù)信息在傳輸、交換、存儲和處理過程保持信息原樣性，杜絕有用信息泄漏給不具備授權的個人、實體或其他系統(tǒng)。當系統(tǒng)遭受攻擊或破壞時，它能迅速恢復并能投入使用，具有完整性、保密性、可用性、不可否認性以及可控性等特點。

2.7.3 建設管理規(guī)范

建設管理規(guī)范主要包括智慧校園建設過程中，建設方與承建方人員的組織與管理、建設方與承建方的權責界定、項目過程的度量、項目總體計劃、項目進度計劃、項目風險控制、項目質量保證、項目過程能力評估以及項目配置等管理方面的標準規(guī)范，以保證智慧校園建設項目能按時、保質保量地實施。

2.7.4 運維保障體系

運維保障體系包括硬件網(wǎng)絡與服務器設備、網(wǎng)絡安全設備、存儲設備虛擬機、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫的日常運行、定期巡檢與維護的規(guī)章管理制度等，以保證云管理平臺的正常運行，降低運維的整體管理成本，提高IaaS 平臺的整體服務水平。同時，根據(jù)日常維護的數(shù)據(jù)和記錄，給研發(fā)部門提供IaaS 平臺優(yōu)化及改善建議。

3 技術架構對比

智慧校園總體框架是校園信息化建設的規(guī)劃藍圖，而合適的技術架構是校園信息化建設的基石。目前，主流的技術架構有3 種。

3.1 面向服務架構SOA（Service-Oriented Architecture）

SOA 是一種設計理念。智慧校園建設基于面向服務架構SOA 進行設計，需根據(jù)需求改造數(shù)據(jù)庫和業(yè)務系統(tǒng)，為智慧校園平臺提供接口應用服務。將學校現(xiàn)有或新建的系統(tǒng)管理功能封裝成接口服務，服務之間通過相互依賴關系建立一套完整的服務體系，以保留以往的信息化系統(tǒng)而不需要全部推倒重來。SOA 能對業(yè)務的變化做出快速反應，利用對現(xiàn)有的應用程序和應用基礎結構的投資來解決新的業(yè)務需求，呈現(xiàn)出一個可以支持有機業(yè)務的構架［7］。

智慧校園SOA 架構模型，如圖2 所示。智慧校園教務系統(tǒng)中的學籍管理模塊功能封裝并對外開放服務接口，可為學工系統(tǒng)、財務系統(tǒng)以及后勤系統(tǒng)等其他業(yè)務系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務。后勤系統(tǒng)的住宿信息和人事系統(tǒng)的教工信息，可以同樣的方式提供完整的數(shù)據(jù)服務功能。服務之間通過網(wǎng)絡進行調用，但服務間的關系比較雜亂無序。隨著服務數(shù)量的不斷增長，服務的管理難度成幾何倍數(shù)增長。

圖2 智慧校園SOA 架構模型

3.2 企業(yè)服務總線ESB（Enterprise Service Bus）

基于ESB 的共享數(shù)據(jù)中心建設方案滿足共享數(shù)據(jù)中心與應用系統(tǒng)之間的低耦合性和擴展性，屏蔽了應用系統(tǒng)之間的直接交互，實現(xiàn)了多應用系統(tǒng)同類型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)同步，同時對舊有應用系統(tǒng)改動小，是校園信息化建設過程中應用系統(tǒng)集成的一種有效方案［5］。隨著智慧校園業(yè)務的多維度開展，服務越來越多，而純SOA 架構已不能滿足智慧校園發(fā)展的需要。這時候如果引入ESB 概念，項目調用會更清晰。如圖3 所示，ESB 類似一根數(shù)據(jù)管道，用來連接智慧校園的各個服務節(jié)點。智慧校園各業(yè)務系統(tǒng)基于不同協(xié)議的不同服務，通過ESB 承擔消息轉化、解釋以及路由的工作，以此實現(xiàn)不同信息服務的有序互聯(lián)互通。但是，當智慧校園遇到海量信息數(shù)據(jù)請求處理時，ESB 這一根數(shù)據(jù)管道將成為智慧校園平臺的性能“瓶頸”。

圖3 智慧校園ESB 架構模型

3.3 微服務架構MA（Microservice Architecture）

微服務架構是一種去中心化、高可用性和高容錯性的分布式服務架構。每個服務架構都有明確的功能目標，且業(yè)務邊界明確清晰。它采用輕量級通信協(xié)議實現(xiàn)服務的請求響應交互，且服務內部邏輯聯(lián)系緊密，外部耦合度低［6］。區(qū)別于SOA 和ESB架構，智慧校園的學籍微服務是獨立運行和部署的，如圖4 所示。學籍微服務完成學籍相關的前端和后臺功能，可以視為一個完整的微型應用。學籍微服務的REST API 可供其他業(yè)務或終端訪問，而API Gateway 對其負載均衡、緩存、路由、訪問控制、服務代理、監(jiān)控以及日志等基本數(shù)據(jù)服務進行管控。API Gateway 類似于ESB 的功能，在微服務架構中像一個API 數(shù)據(jù)管道，對數(shù)據(jù)進行管理和調度。智慧校園應用系統(tǒng)遇到高并發(fā)時，微服務的高可用性和高容錯性將發(fā)揮重要作用。

圖4 智慧校園微服務分布式架構模型

但是，微服務架構屬于分布式架構，會產生額外的復雜因素。相對于SOA 架構來說，它的開發(fā)測試過程更加復雜，需要考慮更多服務間的通信機制，且部署更復雜。原教務系統(tǒng)只需要一臺服務器，但微服務架構需要多臺服務器用來實現(xiàn)微服務集群，必定會增加系統(tǒng)開發(fā)、測試和部署的復雜度。

簡單對比可知：SOA 側重將智慧校園平臺應用系統(tǒng)的業(yè)務流程作為一個模塊開發(fā)，將一些基礎服務抽離出來共享，實現(xiàn)一定程度的可復用；ESB從SOA 發(fā)展而來，可更高效地實現(xiàn)多個系統(tǒng)的服務調用和服務提供的解耦；微服務架構屬于分布式架構，相對于SOA 而言，微服務的粒度更細，可復用性更強。

4 結 語

按照建造智慧校園總體框架的要求進行校園信息化建設，能有效加快智慧校園各應用系統(tǒng)的垂直整合和水平集成，規(guī)范促進智慧校園軟件生態(tài)的完善；校園信息化建設過程中，根據(jù)技術架構的各自特點，可合理選擇能達到個性化業(yè)務快速響應與業(yè)務系統(tǒng)高效集成的技術架構，以滿足智慧校園平臺標準化、管理智能化、服務多樣化和產品個性化的發(fā)展趨勢。