5G與新興技術智慧校園構建方案

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摘要:針對在智能新時代中如何實現智慧校園建設的困境，提出了基于5g等現代新興信息技術的智慧校園構建思路。在分析5G技術、人工智能、邊緣計算和VR技術的特點與優勢的基礎上，根據學生在學校內的日常學習生活需要，從三大應用場景——校園綜合服務平臺、智慧教學和智慧圖書館出發，具體分析每種場景如何應用新興技術來實現智慧化的功能，并結合網絡傳輸模型，規劃了系統總體建設框架。結果表明：基于5G等新興技術的智慧校園解決方案，幫助學校實現智能化的教學與管理活動。

關鍵詞:5G；智慧校園；應用場景

隨著5G技術的成熟與普及，教育教學進入跨界融合、創新教育的新階段[1]。5G更推動現有的智慧教育生態系統不斷發展，使得對更完善化的智慧校園空間應用的探索成為5G技術應用的熱點領域。與此同時人工智能、移動邊緣計算等新興技術的發展，并與5G技術的融合將助力新的教育場景的應用，使得智能教育生態空間更加“以人為本”和“立體化”[2]。在未來的世界一流高校的規劃與建設中，校園已不僅僅是傳統意義上的生活和學習的場所，它更是實景空間與虛擬空間相融合的智慧環境。我國目前在智慧校園的建設方面還不夠完善，基于各種新興技術下的智慧校園的探索顯得尤為重要。基于此，本文結合5G、人工智能、邊緣AI等現代多元信息技術，闡述基于5G的智慧校園服務三大場景、并提出系統建設架構。

15G及關鍵技術的簡介

1.15G技術

第五代通信技術5G是繼4G之后的最新一代的蜂窩移動通信技術，具備超大寬帶、超低時延和超大連接等特性，它是對多種新型無線移動通信技術集成后的綜合解決方案，是真正意義上的移動通信技術與互聯網技術的深度融合[3]。5G所提出的毫米波概念開創了高頻智能時代，在毫米波頻段中，頻道帶寬和傳輸速率可以提升數倍[4]。同時它也使信息通信突破時空限制，給用戶帶來極佳的交互體驗，縮短了人與物之間的距離，實現了人與萬物互聯共通。5G的崛起為智慧教學、智慧圖書館和一體化學校智慧平臺提供了強有力的技術保障，其高速率、低延遲等性能優勢為智慧校園的構建打下了基礎。

1.2人工智能

人工智能的概念早在20世紀60年代就已形成，發展階段經歷了3次浪潮，50—60年代是注重邏輯推理的機器翻譯時代，70—80年代是構建模型的專家系統時代，從2006年開始，進入重視數據、自主學習認知的智能時代，也是將智慧概念充分彰顯的一個時代。目前來說，人工智能技術主要應用在大數據智能、跨媒體智能、自主智能、人機混合增強智能和群體智能等領域[5]，作為一項顛覆性的技術正在深刻改變人類世界及社會形態。通過將人工智能算法應用在智慧校園的系統中，可以更有針對性的實現個性化服務，從而為學生帶來更好的體驗效果，對于智慧校園的構建起到關鍵性作用。依托5G+AI的技術融合將實現智慧教育系統中各模塊間快速、無縫式的互聯共通，推動智慧化學習環境的真正形成。

1.3VR

VR作為新一代信息通信技術，可以生成一種模擬環境，通過感知交互、渲染處理等方式使用戶沉浸到設定的虛擬環境中。具有沉浸性、多感知性、交互性等特性。5G技術為VR技術實現了更大的發展空間。融合5G+AI+VR的技術構建的智慧校園環境，能夠打造沉浸式的學習課堂，增強學習互動體驗，提升學生學習興趣和教學效果。

1.4邊緣計算

移動邊緣計算（movingedgecalculation，MEC）最早是2014年由歐洲電信標準化協會(europeantelecommuni-cationsstandardsinstitute，ETSI)提出，它是一種在移動網絡邊緣提供信息系統和云計算能力的網絡架構，可以將網絡業務直接下沉到離用戶更近的無線接入網側來提供云計算服務[6]。MEC是5G網絡中不可或缺的組成部分，二者融合后具有多級計算與通信協同的能力，能有效降低計算和存儲對通信資源的需求[7]。將MEC應用于智慧校園建設，可以提高VR的體驗需求并提供邊緣AI的功能，為智慧校園的建設提供堅實基礎。

2基于5G的智慧校園服務

如何運用5G以及上面介紹的新興信息技術，在智能控制、網絡互聯互通、遠程管理、智能通信等方面為學生的學習生活提供更好的服務，是當前各大高校智慧校園空間開發中應探索的問題。基于學生日常所需的各項功能，并結合最新技術，本文提出運用移動App客戶端、數據分析挖掘、人工智能、物聯網、人臉識別等智能化技術實現高校智慧校園建設的綜合解決方案。

2.1基于App的校園綜合平臺構建

校園一卡通目前廣泛應用于各大高校學生的日常生活之中，學生僅用一張校園卡，就能夠滿足借閱書籍、食堂就餐、超市購物、浴室洗浴等各種需求。同時綁定了學生的身份認證，使得高校實現規范化管理，加強了對校園各個環節秩序的把控。但目前基于手機App的支付方式已經普遍應用于社會中，App支付和刷卡支付相比較，保留了刷卡的及時與便捷，還擁有丟失后不易盜刷的優勢，并且可以記錄學生的日常消費和行動軌跡，通過數據分析，可以獲得學生的精準個人畫像，還可以加入人臉識別技術，在為學校監管提供便利的同時，也保障學生的權益。2.1.1日常支付功能學生在就餐、購物和洗浴時都需要支付相關費用，如果采用App的掃碼支付方式，學校只需要開發或者購買相應的App系統，提供掃碼付款、付款碼付款或人臉識別付款等支付手段，學生僅需要在手機端下載App，省去了校園卡的卡片實體，也有效防范了卡片丟失盜刷帶來的損失。2.1.2預約功能在App中還可以加入預約功能，對于學校來說，食堂就餐高峰一直是令人頭疼的問題，高峰期間就餐人數多、購餐窗口少、排隊等候時間長，如果在App中加入預約訂餐功能，學生可以提前一天預定所需飯菜，學校后勤在預定時間將飯菜送至學生宿舍或指定餐位，則大大節省學生等待時間，同時由于提前了解學生需求，可以更加準確的預估食材需求，也方便了學校后勤采購，節省采購或存儲成本。圖書館學習和機房上機也能夠提供預約服務，通過App端的預約選位占位，結合人臉識別技術，能夠確保學生本人在預定時間使用，可以更加合理的規劃學校有限的服務資源。2.1.3學生精準畫像在掌握了學生校內的消費、學習等行為數據后，結合后臺數據分析挖掘，可以得到學生的精準個人畫像，方便對學生的管理。大學生中有部分群體自控能力差，存在作息、飲食不規律等問題，還有少部分群體存在心理障礙，受到外界刺激易沖動，可能產生極端行為，因此學生的心理問題一直是近年來高校和社會關注的重點。基于學生的日常行為數據，可以將學生分類，如是否愛學習？是否存在過度消費甚至借貸？還可以監控學生的異常行為。如果出現行為異常，輔導員可以及時介入，深入了解原因，防范學生極端行為出現。對于學生來說，系統根據學生的行為可提供有針對性的建議，幫助學生日常生活學習規劃。還能夠根據學生本人的意愿和家長的需求，將學生的行為數據定期匯總后發送給學生家長，方便家長掌握學生的在校學習生活情況。

2.2智慧教學解決方案

2.2.1在線沉浸式學習利用5G+VR技術幫助在線教學突破真實世界的時空限制，超越真實和虛擬世界的區隔，實現教學內容在環境中的泛在化與即時化，為師生提供虛擬化的真實性教學環境，在增強學生學習興趣的同時，還能夠提升學生的學習能力。尤其對于一些實操性的實驗教學，更應多利用VR技術，使師生沉浸其中，VR技術可以根據課程需要隨時更改場景、虛擬實驗設備等，對于一些昂貴或不易完成的實驗尤為方便，大大降低實驗的成本，為學生積累更多的實訓經驗。同時教師也能夠隨時在線監督學生實驗行為是否規范、標準，并進行指導。學生能夠做到足不出戶的享受實訓教學，甚至體育課程，也可以采用VR技術模擬實現。此外，教師還可以利用沉浸式教學讓不在同一地區、同一地點的同學進行同組實驗練習，甚至體育教學中的分組對抗。2.2.2在線直播智慧教學在線教學直播對于網絡技術的要求較高，即便采用光纖網絡，依舊會造成直播時延、卡頓等問題，而5G的零時延、高速率和低成本的優勢，能夠很好地解決這些問題，并能夠將教育資源很好的傳送到偏遠地區，使得偏遠地區的學生也能夠及時在線學習。智慧校園中的在線教學是一種深度融合新興信息技術智能創新型課堂,與傳統課程教學有所不同，具體表現為：第一，借助互聯網+、云計算及相應的信息服務平臺，智慧校園將匯聚豐富的課程資源，進行精準課程內容供給。第二，通過智慧技術的支持，收集教學活動中海量數據，由平臺的數據分析層分析挖掘，實現對于教育全程的監控，不斷改進并提升教學水平，得到實時、動態與多元的教學評價。通過傳感器進行捕獲、記錄學習者所處學習過程中的各項數據信息后傳回平臺數據層，經過分析挖掘，得到有針對性的推送模型，可以及時、準確地向學生提供個性化的學習資源及服務。甚至國外有學者綜合運用多種信息技術打造以學習者為中心的智慧學習環境，監測所處環境位置及識別當前學習完成進度，適宜的為其推薦定制化的學習資源[8]。通過對學生的學習需求、學習習慣等信息的評價分析，智慧校園能夠幫助教師了解學生的學習狀態，提供個性化的學習策略，形成切實的智慧學習方案，做到以學生學習為核心的智慧教學。

2.3智慧圖書館解決方案

圖書館作為信息知識傳播中心，為學生提供學習場地和學習資源，保障學生日常學習所需。基于5G等多元信息技術構建全新圖書館服務平臺，涵蓋智能安全監測、個性化資源推送、機器人助手服務、智能座位管理、能耗系統監測等智慧服務，實現對圖書館的智慧化管理。2.3.1智能圖書館安全監測基于5G和物聯網技術的控制感知系統，實時監控圖書館的人流、溫度、濕度、空氣中二氧化碳的含量（濃度）等，實現對環境自動監測，并根據管理需要智能調節。比如根據人數多少和所在位置自動控制燈光開關數量，在無人使用時自動關閉，或根據外界光照強度自動調節燈光亮度，降低能源消耗。在閉館后系統自主監測并及時關閉潛在的隱患設備，防止事故發生，做到智慧安全管理。圖書館的管理人員通過5G技術超過10Gbit/s的高速傳輸效率與低時延傳輸性能，得到實時視頻與圖像信息，可及時掌握館內動態，結合視頻數據的系統實時智慧分析，實現系統自動預警，提高安防系數，實現智能安防。2.3.2智慧機器人輔助服務圖書館館藏量大，借閱查找目標讀物的過程較為繁瑣，就算利用信息檢索技術的的數字化查閱，也需要讀者親自去書架中尋找所需書籍，免不了耗時耗力。因此借鑒5G在工業機器人領域的技術構建新一代圖書館平臺，師生在App上提前預約借書，完成預約后，智能機器人根據預約信息把書籍提前送到預約書架，免去了尋找書籍的過程，提高借閱效率。同時，智能機器人還可以用模擬真人的交流形式，為在校師生提供資源檢索、實時圖書查找、還書等服務，師生只需對它發送語音命令即可。

3智慧校園建設架構

智慧化校園的建設不是簡單的信息化工程，而是現代化管理技術與信息化技術相融合的復雜系統工程[9]，總體架構模型從上到下依次分為感知層、網絡層、數據層、應用層和服務層。結合前述的智慧校園各項功能，建立如圖1所示的總體架構。其中物理感知層、網絡層與數據層共同搭建基礎架構，實現數據收集傳輸與處理分析、數據庫管理等基本功能，通過與應用層及服務層緊密連接，對得到的實時數據進行分析。應用層通過開發針對不同場景的功能區，滿足智慧校園的各類實際需求，實現完善的智能服務體系。服務層基于網絡層與數據層的支持，主動為用戶提供智能化消息推送，為用戶提供智慧校園服務。具體如下：（1）網絡層。應用5G移動通信技術架構，基于5G+AI、5G+VR、5G+MEC的全面部署，形成人與物、物與物以及設備與資源互聯共通的全場景模式，是各智能服務應用互動的關鍵。（2）數據層。依托信息化技術的支持，以及網絡層的保障，針對平臺各系統模塊進行數據存儲、挖掘與分析，并及時反饋所需信息。包括管理數據庫、教育教學數據庫、科研數據庫以及應用功能層各模塊所需的數據庫。（3）應用層。包括各類管理系統的應用，通過數據挖掘技術，采集并整合用戶信息行為，基于智能化的決策，提供個性化的服務；對教務信息系統、智慧學習空間系統、圖書借還管理系統、綜合平臺系統等進行高度整合，構建智慧化的校園環境。（4）信息服務層。該層涵蓋數據分析及處理傳送，進行內容分發并向用戶提供及時的消息推送，使用戶體驗到便捷的智慧校園服務。同時有數據倉庫進行信息儲備，通過將所需的推送信息存儲在專用數據庫中以備用戶的隨時查詢，提高用戶使用效率。

4結束語

5G技術加速了信息融合與傳播的層級，融合VR、MEC、AI等新興技術應用，可實現實景體驗、低延遲處理、虛擬人工輔助等智慧化服務功能，構建完善的智能服務新平臺，推動個性化服務的升級，能夠極大的方便師生，滿足生活和教學的信息化要求。通過5G及MEC全覆蓋部署的校園將實現更高速、更安全的校園通信系統，并提供更優質資源的平臺，以此實現教學教研、管理服務等高度數字化、智能化。本文簡述了當前以5G為代表的新興信息技術，構建了智慧校園三大應用場景，并提出總體架構解決方案，能夠幫助學習教學與管理服務實現數字化、智能化，全面提升學校的信息化水平，為最終建立滿足師生需求的信息化智慧校園提供參考。

作者：王瑤 鄧迪凡 楊鳳 吳仟龍