5G与新兴技术智慧校园构建方案

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摘要:针对在智能新时代中如何实现智慧校园建设的困境，提出了基于5g等现代新兴信息技术的智慧校园构建思路。在分析5G技术、人工智能、边缘计算和VR技术的特点与优势的基础上，根据学生在学校内的日常学习生活需要，从三大应用场景——校园综合服务平台、智慧教学和智慧图书馆出发，具体分析每种场景如何应用新兴技术来实现智慧化的功能，并结合网络传输模型，规划了系统总体建设框架。结果表明：基于5G等新兴技术的智慧校园解决方案，帮助学校实现智能化的教学与管理活动。

关键词:5G；智慧校园；应用场景

随着5G技术的成熟与普及，教育教学进入跨界融合、创新教育的新阶段[1]。5G更推动现有的智慧教育生态系统不断发展，使得对更完善化的智慧校园空间应用的探索成为5G技术应用的热点领域。与此同时人工智能、移动边缘计算等新兴技术的发展，并与5G技术的融合将助力新的教育场景的应用，使得智能教育生态空间更加“以人为本”和“立体化”[2]。在未来的世界一流高校的规划与建设中，校园已不仅仅是传统意义上的生活和学习的场所，它更是实景空间与虚拟空间相融合的智慧环境。我国目前在智慧校园的建设方面还不够完善，基于各种新兴技术下的智慧校园的探索显得尤为重要。基于此，本文结合5G、人工智能、边缘AI等现代多元信息技术，阐述基于5G的智慧校园服务三大场景、并提出系统建设架构。

15G及关键技术的简介

1.15G技术

第五代通信技术5G是继4G之后的最新一代的蜂窝移动通信技术，具备超大宽带、超低时延和超大连接等特性，它是对多种新型无线移动通信技术集成后的综合解决方案，是真正意义上的移动通信技术与互联网技术的深度融合[3]。5G所提出的毫米波概念开创了高频智能时代，在毫米波频段中，频道带宽和传输速率可以提升数倍[4]。同时它也使信息通信突破时空限制，给用户带来极佳的交互体验，缩短了人与物之间的距离，实现了人与万物互联共通。5G的崛起为智慧教学、智慧图书馆和一体化学校智慧平台提供了强有力的技术保障，其高速率、低延迟等性能优势为智慧校园的构建打下了基础。

1.2人工智能

人工智能的概念早在20世纪60年代就已形成，发展阶段经历了3次浪潮，50—60年代是注重逻辑推理的机器翻译时代，70—80年代是构建模型的专家系统时代，从2006年开始，进入重视数据、自主学习认知的智能时代，也是将智慧概念充分彰显的一个时代。目前来说，人工智能技术主要应用在大数据智能、跨媒体智能、自主智能、人机混合增强智能和群体智能等领域[5]，作为一项颠覆性的技术正在深刻改变人类世界及社会形态。通过将人工智能算法应用在智慧校园的系统中，可以更有针对性的实现个性化服务，从而为学生带来更好的体验效果，对于智慧校园的构建起到关键性作用。依托5G+AI的技术融合将实现智慧教育系统中各模块间快速、无缝式的互联共通，推动智慧化学习环境的真正形成。

1.3VR

VR作为新一代信息通信技术，可以生成一种模拟环境，通过感知交互、渲染处理等方式使用户沉浸到设定的虚拟环境中。具有沉浸性、多感知性、交互性等特性。5G技术为VR技术实现了更大的发展空间。融合5G+AI+VR的技术构建的智慧校园环境，能够打造沉浸式的学习课堂，增强学习互动体验，提升学生学习兴趣和教学效果。

1.4边缘计算

移动边缘计算（movingedgecalculation，MEC）最早是2014年由欧洲电信标准化协会(europeantelecommuni-cationsstandardsinstitute，ETSI)提出，它是一种在移动网络边缘提供信息系统和云计算能力的网络架构，可以将网络业务直接下沉到离用户更近的无线接入网侧来提供云计算服务[6]。MEC是5G网络中不可或缺的组成部分，二者融合后具有多级计算与通信协同的能力，能有效降低计算和存储对通信资源的需求[7]。将MEC应用于智慧校园建设，可以提高VR的体验需求并提供边缘AI的功能，为智慧校园的建设提供坚实基础。

2基于5G的智慧校园服务

如何运用5G以及上面介绍的新兴信息技术，在智能控制、网络互联互通、远程管理、智能通信等方面为学生的学习生活提供更好的服务，是当前各大高校智慧校园空间开发中应探索的问题。基于学生日常所需的各项功能，并结合最新技术，本文提出运用移动App客户端、数据分析挖掘、人工智能、物联网、人脸识别等智能化技术实现高校智慧校园建设的综合解决方案。

2.1基于App的校园综合平台构建

校园一卡通目前广泛应用于各大高校学生的日常生活之中，学生仅用一张校园卡，就能够满足借阅书籍、食堂就餐、超市购物、浴室洗浴等各种需求。同时绑定了学生的身份认证，使得高校实现规范化管理，加强了对校园各个环节秩序的把控。但目前基于手机App的支付方式已经普遍应用于社会中，App支付和刷卡支付相比较，保留了刷卡的及时与便捷，还拥有丢失后不易盗刷的优势，并且可以记录学生的日常消费和行动轨迹，通过数据分析，可以获得学生的精准个人画像，还可以加入人脸识别技术，在为学校监管提供便利的同时，也保障学生的权益。2.1.1日常支付功能学生在就餐、购物和洗浴时都需要支付相关费用，如果采用App的扫码支付方式，学校只需要开发或者购买相应的App系统，提供扫码付款、付款码付款或人脸识别付款等支付手段，学生仅需要在手机端下载App，省去了校园卡的卡片实体，也有效防范了卡片丢失盗刷带来的损失。2.1.2预约功能在App中还可以加入预约功能，对于学校来说，食堂就餐高峰一直是令人头疼的问题，高峰期间就餐人数多、购餐窗口少、排队等候时间长，如果在App中加入预约订餐功能，学生可以提前一天预定所需饭菜，学校后勤在预定时间将饭菜送至学生宿舍或指定餐位，则大大节省学生等待时间，同时由于提前了解学生需求，可以更加准确的预估食材需求，也方便了学校后勤采购，节省采购或存储成本。图书馆学习和机房上机也能够提供预约服务，通过App端的预约选位占位，结合人脸识别技术，能够确保学生本人在预定时间使用，可以更加合理的规划学校有限的服务资源。2.1.3学生精准画像在掌握了学生校内的消费、学习等行为数据后，结合后台数据分析挖掘，可以得到学生的精准个人画像，方便对学生的管理。大学生中有部分群体自控能力差，存在作息、饮食不规律等问题，还有少部分群体存在心理障碍，受到外界刺激易冲动，可能产生极端行为，因此学生的心理问题一直是近年来高校和社会关注的重点。基于学生的日常行为数据，可以将学生分类，如是否爱学习？是否存在过度消费甚至借贷？还可以监控学生的异常行为。如果出现行为异常，辅导员可以及时介入，深入了解原因，防范学生极端行为出现。对于学生来说，系统根据学生的行为可提供有针对性的建议，帮助学生日常生活学习规划。还能够根据学生本人的意愿和家长的需求，将学生的行为数据定期汇总后发送给学生家长，方便家长掌握学生的在校学习生活情况。

2.2智慧教学解决方案

2.2.1在线沉浸式学习利用5G+VR技术帮助在线教学突破真实世界的时空限制，超越真实和虚拟世界的区隔，实现教学内容在环境中的泛在化与即时化，为师生提供虚拟化的真实性教学环境，在增强学生学习兴趣的同时，还能够提升学生的学习能力。尤其对于一些实操性的实验教学，更应多利用VR技术，使师生沉浸其中，VR技术可以根据课程需要随时更改场景、虚拟实验设备等，对于一些昂贵或不易完成的实验尤为方便，大大降低实验的成本，为学生积累更多的实训经验。同时教师也能够随时在线监督学生实验行为是否规范、标准，并进行指导。学生能够做到足不出户的享受实训教学，甚至体育课程，也可以采用VR技术模拟实现。此外，教师还可以利用沉浸式教学让不在同一地区、同一地点的同学进行同组实验练习，甚至体育教学中的分组对抗。2.2.2在线直播智慧教学在线教学直播对于网络技术的要求较高，即便采用光纤网络，依旧会造成直播时延、卡顿等问题，而5G的零时延、高速率和低成本的优势，能够很好地解决这些问题，并能够将教育资源很好的传送到偏远地区，使得偏远地区的学生也能够及时在线学习。智慧校园中的在线教学是一种深度融合新兴信息技术智能创新型课堂,与传统课程教学有所不同，具体表现为：第一，借助互联网+、云计算及相应的信息服务平台，智慧校园将汇聚丰富的课程资源，进行精准课程内容供给。第二，通过智慧技术的支持，收集教学活动中海量数据，由平台的数据分析层分析挖掘，实现对于教育全程的监控，不断改进并提升教学水平，得到实时、动态与多元的教学评价。通过传感器进行捕获、记录学习者所处学习过程中的各项数据信息后传回平台数据层，经过分析挖掘，得到有针对性的推送模型，可以及时、准确地向学生提供个性化的学习资源及服务。甚至国外有学者综合运用多种信息技术打造以学习者为中心的智慧学习环境，监测所处环境位置及识别当前学习完成进度，适宜的为其推荐定制化的学习资源[8]。通过对学生的学习需求、学习习惯等信息的评价分析，智慧校园能够帮助教师了解学生的学习状态，提供个性化的学习策略，形成切实的智慧学习方案，做到以学生学习为核心的智慧教学。

2.3智慧图书馆解决方案

图书馆作为信息知识传播中心，为学生提供学习场地和学习资源，保障学生日常学习所需。基于5G等多元信息技术构建全新图书馆服务平台，涵盖智能安全监测、个性化资源推送、机器人助手服务、智能座位管理、能耗系统监测等智慧服务，实现对图书馆的智慧化管理。2.3.1智能图书馆安全监测基于5G和物联网技术的控制感知系统，实时监控图书馆的人流、温度、湿度、空气中二氧化碳的含量（浓度）等，实现对环境自动监测，并根据管理需要智能调节。比如根据人数多少和所在位置自动控制灯光开关数量，在无人使用时自动关闭，或根据外界光照强度自动调节灯光亮度，降低能源消耗。在闭馆后系统自主监测并及时关闭潜在的隐患设备，防止事故发生，做到智慧安全管理。图书馆的管理人员通过5G技术超过10Gbit/s的高速传输效率与低时延传输性能，得到实时视频与图像信息，可及时掌握馆内动态，结合视频数据的系统实时智慧分析，实现系统自动预警，提高安防系数，实现智能安防。2.3.2智慧机器人辅助服务图书馆馆藏量大，借阅查找目标读物的过程较为繁琐，就算利用信息检索技术的的数字化查阅，也需要读者亲自去书架中寻找所需书籍，免不了耗时耗力。因此借鉴5G在工业机器人领域的技术构建新一代图书馆平台，师生在App上提前预约借书，完成预约后，智能机器人根据预约信息把书籍提前送到预约书架，免去了寻找书籍的过程，提高借阅效率。同时，智能机器人还可以用模拟真人的交流形式，为在校师生提供资源检索、实时图书查找、还书等服务，师生只需对它发送语音命令即可。

3智慧校园建设架构

智慧化校园的建设不是简单的信息化工程，而是现代化管理技术与信息化技术相融合的复杂系统工程[9]，总体架构模型从上到下依次分为感知层、网络层、数据层、应用层和服务层。结合前述的智慧校园各项功能，建立如图1所示的总体架构。其中物理感知层、网络层与数据层共同搭建基础架构，实现数据收集传输与处理分析、数据库管理等基本功能，通过与应用层及服务层紧密连接，对得到的实时数据进行分析。应用层通过开发针对不同场景的功能区，满足智慧校园的各类实际需求，实现完善的智能服务体系。服务层基于网络层与数据层的支持，主动为用户提供智能化消息推送，为用户提供智慧校园服务。具体如下：（1）网络层。应用5G移动通信技术架构，基于5G+AI、5G+VR、5G+MEC的全面部署，形成人与物、物与物以及设备与资源互联共通的全场景模式，是各智能服务应用互动的关键。（2）数据层。依托信息化技术的支持，以及网络层的保障，针对平台各系统模块进行数据存储、挖掘与分析，并及时反馈所需信息。包括管理数据库、教育教学数据库、科研数据库以及应用功能层各模块所需的数据库。（3）应用层。包括各类管理系统的应用，通过数据挖掘技术，采集并整合用户信息行为，基于智能化的决策，提供个性化的服务；对教务信息系统、智慧学习空间系统、图书借还管理系统、综合平台系统等进行高度整合，构建智慧化的校园环境。（4）信息服务层。该层涵盖数据分析及处理传送，进行内容分发并向用户提供及时的消息推送，使用户体验到便捷的智慧校园服务。同时有数据仓库进行信息储备，通过将所需的推送信息存储在专用数据库中以备用户的随时查询，提高用户使用效率。

4结束语

5G技术加速了信息融合与传播的层级，融合VR、MEC、AI等新兴技术应用，可实现实景体验、低延迟处理、虚拟人工辅助等智慧化服务功能，构建完善的智能服务新平台，推动个性化服务的升级，能够极大的方便师生，满足生活和教学的信息化要求。通过5G及MEC全覆盖部署的校园将实现更高速、更安全的校园通信系统，并提供更优质资源的平台，以此实现教学教研、管理服务等高度数字化、智能化。本文简述了当前以5G为代表的新兴信息技术，构建了智慧校园三大应用场景，并提出总体架构解决方案，能够帮助学习教学与管理服务实现数字化、智能化，全面提升学校的信息化水平，为最终建立满足师生需求的信息化智慧校园提供参考。

作者：王瑶 邓迪凡 杨凤 吴仟龙