基于諾蘭階段模型的智慧校園數(shù)據(jù)中心平臺研究與設(shè)計

陳升暉 戚睿

（海南職業(yè)技術(shù)學(xué)院資源信息中心 海南省海口市 570216）

智慧化校園起源于數(shù)字化校園的概念。國外數(shù)字化校園建設(shè)起源于1990年美國克萊蒙特大學(xué)教授凱尼斯·格林(Kenneth Green)發(fā)起并主持的一項名為“信息化校園計劃”的大型科研項目。我國的數(shù)字化校園向智慧化校園過渡的理論依據(jù)為《智慧校園總體框架》、《教育信息化2.0行動計劃》、《中國教育現(xiàn)代化2035》、《加快推進教育現(xiàn)代化實施方案（2018-2022年）》等文件。

數(shù)字化校園、智慧化校園的建設(shè)促進了校園信息化的發(fā)展。當(dāng)前很多高校能夠?qū)崿F(xiàn)“大數(shù)據(jù)”展示；有的學(xué)校建設(shè)了“智慧教室”，實現(xiàn)了對教學(xué)設(shè)備的管理和監(jiān)控；有的學(xué)校進行“大教務(wù)”、“大學(xué)工”等集成性系統(tǒng)建設(shè)，在一定程度上解決了數(shù)據(jù)孤島、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)一致的問題；有的學(xué)校實現(xiàn)了教學(xué)資源網(wǎng)上平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)上教學(xué)授課和教學(xué)資源共享。但是，智慧化校園建設(shè)依然存在諸多問題，數(shù)據(jù)共享依然不徹底，新的數(shù)據(jù)孤島不斷產(chǎn)生，經(jīng)過多次系統(tǒng)整合后似乎數(shù)據(jù)不一致現(xiàn)象依然存在，平臺間的數(shù)據(jù)似乎總還要依托電子表格導(dǎo)入、導(dǎo)出，電子表格還要反復(fù)填寫……可見，當(dāng)前高校的信息化建設(shè)水平距智慧校園目標(biāo)還有較大差距。

智慧校園的建設(shè)總體目標(biāo)是否需要分解，如何分解，智慧校園應(yīng)該通過幾個階段實現(xiàn)，不同階段的衡量標(biāo)準(zhǔn)和階段性建設(shè)目標(biāo)是什么；以及處在在線聯(lián)機OLTP（On-Line Transaction Processing System）系統(tǒng)階段的高校如何實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，從而實現(xiàn)智慧化所需的數(shù)字基礎(chǔ)，是本文研究的主要問題。

1 高校信息化建設(shè)階段模型

關(guān)于信息化發(fā)展進程，美國哈佛大學(xué)教授查理·諾蘭（Richard L Nolan）提出了經(jīng)典諾蘭階段模型（如圖1所示），該模型認(rèn)為，信息化發(fā)展必須經(jīng)過初始、推廣、控制、集成、數(shù)據(jù)管理和成熟6個階段，各個階段之間互相聯(lián)系，以實際應(yīng)用需求和技術(shù)發(fā)展逐步推動信息化不斷向更高階段深入，階段之間不能隔斷或超越。

圖1：諾蘭階段模型圖

信息系統(tǒng)的發(fā)展基本遵守了諾蘭六階段模型的發(fā)展，特別是該模型敏銳的指出了“數(shù)據(jù)”的重要性，非常前瞻性的將數(shù)據(jù)管理作為高級信息系統(tǒng)的第一步。這也與當(dāng)前各行各業(yè)進行的數(shù)字化轉(zhuǎn)型大潮相吻合，“成熟階段”更是與國標(biāo)“智慧校園”的總體建設(shè)目標(biāo)吻合。但是由于時代限制，諾蘭階段模型并沒有預(yù)測到互聯(lián)網(wǎng)對信息系統(tǒng)的影響，以及數(shù)據(jù)大爆炸后的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、AI技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的技術(shù)變革。

根據(jù)高校信息化建設(shè)進程，結(jié)合諾蘭六階段模型思想，借鑒電商行業(yè)實踐，本文提出高校信息化階段模型，如圖2所示。

圖2：智慧化校園階段模型圖

硬件階段：上世紀(jì) 80年代中后期，美國計算機開始進入中國，對高校而言，費用是制約信息化進程的關(guān)鍵因素。

應(yīng)用普及階段：90年代高校觀念開始轉(zhuǎn)變，除了大量購買計算機硬件，還注重軟件應(yīng)用和教學(xué)，這一階段軟硬件應(yīng)用及教學(xué)同時爆發(fā)。這一時期代表性建設(shè)成果是，計算機機房建設(shè)，和各種開發(fā)語言和應(yīng)用軟件教學(xué)。

管理信息系統(tǒng) MIS（Management Information System）建設(shè)階段：上世紀(jì)末本世紀(jì)初，數(shù)據(jù)庫技術(shù)、軟件開發(fā)、軟件工程技術(shù)不斷完善，高校開始引入各種信息管理系統(tǒng)，高校MIS時代開始了。這個階段代表性成果是各管理信息系統(tǒng)建設(shè)如：教務(wù)系統(tǒng)、學(xué)工系統(tǒng)、高校行政辦公系統(tǒng)、后勤管理系統(tǒng)等等。該階段信息系統(tǒng)的建設(shè)通常需要由業(yè)務(wù)部門提出需求，由軟件廠家根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗、開發(fā)經(jīng)驗將各種規(guī)則與信息系統(tǒng)建設(shè)相結(jié)合，完成特定的功能。MIS能夠提供大量信息甚至報告，但其目標(biāo)是實現(xiàn)某一領(lǐng)域的管理，因為這些信息通常并非決策所需，MIS的主要作用還是使各項工作管理工作的規(guī)范化流程化。

OLTP應(yīng)用階段：隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和發(fā)展，MIS系統(tǒng)間需要各種協(xié)同和數(shù)據(jù)交換。聯(lián)機事務(wù)處理系統(tǒng)將各個系統(tǒng)鏈接在一起實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。這一階段的典型應(yīng)用為各種集成系統(tǒng)如“大學(xué)工”、“大后勤”以及脫胎于企業(yè)資源計劃管理系統(tǒng)的“校園資源計劃管理系統(tǒng)”CRM （Campus Resource Planning）；依附于MIS系統(tǒng)群的數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)“數(shù)據(jù)交換中心”、“一站式服務(wù)平臺”、“統(tǒng)一身份管理”等系統(tǒng)，這一階段的主要是特點是實現(xiàn)了局部數(shù)據(jù)集成和數(shù)據(jù)交換，解決的主要問題是信息的跨域、跨系統(tǒng)流動。OLTP階段,消除了部分“信息孤島”，但大部分信息還是散亂在各系統(tǒng)中，不能根據(jù)決策需要，快速的組織數(shù)據(jù)、呈現(xiàn)靈活的信息報表呈現(xiàn)。

數(shù)據(jù)治理DG（Data Governance）階段：該階段是高校實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)型的重要階段也是智慧校園的畢竟之路，在各高校信息化建設(shè)過程中，還處在探索階段，本階段的建設(shè)目標(biāo)是實現(xiàn)校園內(nèi)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的集中統(tǒng)一管理，具體包括：主數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)操作管理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)管理、數(shù)據(jù)質(zhì)量管理、元數(shù)據(jù)管理、文檔和內(nèi)容管理、數(shù)據(jù)安全管理、以及數(shù)據(jù)開發(fā)10個專題。通過該階段的建設(shè)能夠高效把信息需求，轉(zhuǎn)化為數(shù)字需求，并能快速反饋數(shù)據(jù)資源是否能夠滿足信息需求，對已有數(shù)據(jù)能夠快速住址和展現(xiàn)、反饋出缺失數(shù)據(jù)，能偶將數(shù)據(jù)作為資產(chǎn)有效管理。

數(shù)據(jù)發(fā)掘與分析階段：在數(shù)據(jù)實現(xiàn)有效管理的前提下，借助不斷發(fā)展的人工智能、高性能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)、能夠高效的、不斷為校園師生提供各種便捷服務(wù)，不斷促進校園“智慧化”。

2 OLTP階段的數(shù)據(jù)中心平臺設(shè)計

高校信息化發(fā)展整體上與其他行業(yè)同步，但是相比先進制造、大型電商平臺相比還是相對落后。目前高校信息化程度主要集在前文所述的“聯(lián)機事務(wù)處理系統(tǒng)”階段，該階段的主要目標(biāo)是實現(xiàn)智慧校園所需的數(shù)據(jù)支撐，需要解決4方面問題：

（1）數(shù)據(jù)規(guī)則及管理問題。主要包括數(shù)據(jù)的定義，數(shù)據(jù)操作規(guī)則，數(shù)據(jù)的表示形式、親緣關(guān)系問題。

（2）數(shù)據(jù)組織及呈現(xiàn)問題?？焖俚膶⒕唧w數(shù)據(jù)根據(jù)相關(guān)規(guī)則、途徑組織快速、高效、結(jié)構(gòu)化的方式組織并呈現(xiàn)出來。

（3）計算擴展問題。預(yù)留數(shù)據(jù)接口，為專用或通用的數(shù)據(jù)計算模塊對接，為計算組件或模塊提供有組織的數(shù)據(jù)。

（4）數(shù)據(jù)二次存儲問題。對非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化存儲，對已有的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行定義重構(gòu)重新組合。

以上4個方面問題通過數(shù)據(jù)中心平臺的數(shù)據(jù)治理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、主題數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)服務(wù)引擎接口等4個模塊分別實現(xiàn)：

數(shù)據(jù)治理模塊：該模塊解決數(shù)據(jù)規(guī)則及管理，包括數(shù)據(jù)的定義、數(shù)據(jù)操作規(guī)則、數(shù)據(jù)親緣關(guān)系。本模塊將數(shù)據(jù)作為專門資產(chǎn)應(yīng)用信息系統(tǒng)技術(shù)進行管理，用信息技術(shù)處理信息問題。通過該模塊建立全局?jǐn)?shù)據(jù)字典建立增、刪、改、查的規(guī)則，建立全局?jǐn)?shù)據(jù)字典的改動一致性規(guī)則，并能遇見更改后可能出現(xiàn)的程序故障范圍。用戶能夠?qū)?shù)據(jù)臺賬的管理實現(xiàn)自動或半自動的數(shù)據(jù)維護及優(yōu)化。通過該系統(tǒng)對規(guī)范接入校園的新系統(tǒng)新設(shè)備的新數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。保證新系統(tǒng)、新設(shè)備接入校園所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)有序增長、數(shù)據(jù)規(guī)范并持續(xù)可用。

數(shù)據(jù)處理模塊：解決數(shù)據(jù)組織和再現(xiàn)問題，接受數(shù)據(jù)需求，該模塊對需求進行數(shù)據(jù)分解并進行重新組織、加工再現(xiàn)。

主題數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫：處理解決數(shù)據(jù)二次存儲問題。為了提高數(shù)據(jù)檢索效率對于非實時數(shù)據(jù)，對于常用的非實時性數(shù)據(jù)可經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后存入響應(yīng)的主題數(shù)據(jù)庫備查。對于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)可以先經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后存入結(jié)構(gòu)化主題庫或數(shù)據(jù)倉庫中。

數(shù)據(jù)服務(wù)引擎接口：處理系統(tǒng)算力擴展問題，為數(shù)據(jù)服務(wù)引擎提供標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，可調(diào)用數(shù)據(jù)處理模塊。由數(shù)據(jù)需求驅(qū)動，數(shù)據(jù)需求經(jīng)過全局?jǐn)?shù)據(jù)系統(tǒng)標(biāo)定、優(yōu)化數(shù)據(jù)目標(biāo)，并將處理結(jié)果傳遞給數(shù)據(jù)調(diào)度系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)據(jù)目標(biāo)生成查詢計劃，獲得數(shù)據(jù)結(jié)果，生成相應(yīng)的報表形成相應(yīng)的知識。全局?jǐn)?shù)據(jù)臺賬、全局?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)度可通過Spark、Hadoop開源工具實現(xiàn)，達到自建低成本的目標(biāo)。也可通過其他數(shù)據(jù)處理引擎來實現(xiàn)，如阿里巴巴的數(shù)據(jù)中臺、數(shù)據(jù)湖泊概念下的系列工具等等，數(shù)據(jù)中心平臺及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整體模型如圖3所示。

圖3：數(shù)據(jù)中心平臺及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整體模型圖

圖3中另外2層為數(shù)據(jù)中心平臺的數(shù)據(jù)支撐，詳細(xì)說明如下：

第一層主要是數(shù)據(jù)來源層，有非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)如關(guān)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集的信息、各種電子文檔的采集的信息需要首先將信息的價值密度進行提純，然后存儲到數(shù)據(jù)主題庫中，數(shù)據(jù)主題庫的信息定期存入數(shù)據(jù)倉庫；也有結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的采集，如教務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、學(xué)工系統(tǒng)數(shù)據(jù)、收費系統(tǒng)數(shù)據(jù)、人事系統(tǒng)數(shù)據(jù)、后勤等系統(tǒng)數(shù)據(jù)，分別存入主題數(shù)據(jù)庫，并定時存入數(shù)據(jù)倉庫。

第二層主要是數(shù)據(jù)交換的各種技術(shù)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和接口的集成，作用是使異構(gòu)數(shù)據(jù)能夠在數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)中流動。地數(shù)據(jù)密度價值的文檔信息、物聯(lián)網(wǎng)等信息一般到主題庫是單向的。業(yè)務(wù)系統(tǒng)間為了完成跨操作，往往需要數(shù)據(jù)穿透，系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換通常是雙向的。業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的表和數(shù)據(jù)可分為CREATER(數(shù)據(jù)的來源)和USER（數(shù)據(jù)引用）兩種類別，不能確定來源關(guān)系的一律視為CREATER。ETL技術(shù)（萃取傳輸裝載技術(shù)Extract-Transform-Load）從非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)源、異構(gòu)數(shù)據(jù)源抽取有價值、有需要的數(shù)據(jù)并向目的數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫進行存儲的過程，ETL策略就是該過程運行的策略，要想實現(xiàn)這一過程通常還需要第三方工具。

3 OLTP階段的數(shù)據(jù)中心平臺實施路徑

數(shù)據(jù)中心平臺整體框架的各部分建設(shè)應(yīng)有序、穩(wěn)步推進。數(shù)據(jù)的分類、清洗，數(shù)據(jù)詞典的確定，主題數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫的建立，是托管數(shù)據(jù)展現(xiàn)和應(yīng)用的基礎(chǔ)。

（1）數(shù)據(jù)倉庫建設(shè) 為了實現(xiàn)對數(shù)據(jù)資產(chǎn)的有效管理，首先要將數(shù)據(jù)生成數(shù)據(jù)庫存，本文參照維度建模為理論基礎(chǔ)，進行數(shù)據(jù)倉庫設(shè)計。第一步，生成業(yè)務(wù)板塊，考慮到OLTP系統(tǒng)處理業(yè)務(wù)的專用性，首先以現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)生成業(yè)務(wù)板塊。第二步，對業(yè)務(wù)板塊的中的業(yè)務(wù)過程整合成若干數(shù)據(jù)域、原子指標(biāo)、派生指標(biāo)和抽象維度指標(biāo)體系的設(shè)立。第三步，確定分析指標(biāo)；第四步，根據(jù)分析指標(biāo)，為數(shù)據(jù)倉庫設(shè)計維度表、明細(xì)事實表和匯總事實表，形成統(tǒng)一規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)體系。第五步，根據(jù)業(yè)務(wù)特點，以相應(yīng)的周期定時生成相關(guān)業(yè)務(wù)表，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)倉庫。

（2）數(shù)據(jù)治理系統(tǒng)建設(shè) 數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理系統(tǒng)，把數(shù)據(jù)作為資產(chǎn)獨立管理，建立和管理“數(shù)據(jù)”臺賬的，研究數(shù)據(jù)庫元數(shù)據(jù)采集引擎，通過用戶定義數(shù)據(jù)來源配置、權(quán)限配置、定時獲取數(shù)據(jù)庫的元數(shù)據(jù)和日志，實現(xiàn)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)字典的采集，采集內(nèi)容應(yīng)包括數(shù)據(jù)字段、字段注釋、表視圖、存儲過程等信息，采集信息形數(shù)據(jù)臺賬基礎(chǔ)。采集完成數(shù)據(jù)后建立數(shù)據(jù)清洗規(guī)則，對于臟數(shù)據(jù)要能夠自動處理，不能處理的給予提示，可人工批量處理。

（3）數(shù)據(jù)處理模塊建設(shè) 數(shù)據(jù)處理模塊建設(shè)先建設(shè)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)處理部分，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)在完成數(shù)據(jù)清晰和格式化后可調(diào)用結(jié)構(gòu)化處理模塊。

4 數(shù)據(jù)中心平臺應(yīng)用效果

在數(shù)據(jù)中心平臺建成后，對全校的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行了配置，獲得了元數(shù)據(jù)管理權(quán)限，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)跨系統(tǒng)提取。目前數(shù)據(jù)中心平臺共接入全校教務(wù)、OA辦公管理系統(tǒng)、財務(wù)收費、等21個主要系統(tǒng)，完成了教師域、學(xué)生域、課程域的主題庫建設(shè)，跨系統(tǒng)可有效管理1243個數(shù)據(jù)字段，如圖4所示。

圖4：數(shù)據(jù)中心平臺關(guān)鍵字段統(tǒng)計圖

數(shù)據(jù)中心平臺建成后，對跨平臺數(shù)據(jù)檢索效果較好，效率較高。以查詢學(xué)生欠費請款為例，在數(shù)據(jù)中心平臺建成前查詢學(xué)生欠費明細(xì)，需要查詢財務(wù)系統(tǒng)學(xué)費實收費用（以財務(wù)系統(tǒng)專業(yè)名區(qū)分），查詢教務(wù)系統(tǒng)應(yīng)收費用（以教務(wù)系統(tǒng)的專業(yè)名區(qū)分），需查詢后勤住宿費用。財務(wù)系統(tǒng)按年匯總變更數(shù)據(jù)。學(xué)生調(diào)整專業(yè)、或者教務(wù)處更改專業(yè)名稱，都會造成財務(wù)欠費表賬目不平。建立數(shù)據(jù)主題庫后，根據(jù)同一學(xué)生ID可以在相應(yīng)主題庫追蹤到專業(yè)調(diào)整、寢室調(diào)整、教材變更情況，每月可生成較為準(zhǔn)確的報表。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5：業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)論

本文通過對諾蘭模型的改造，對智慧校園目標(biāo)進行了分解。明確了數(shù)據(jù)、以及有效的數(shù)據(jù)管理是實現(xiàn)智慧校園的關(guān)鍵，明確了當(dāng)前主要目標(biāo)需要通過數(shù)據(jù)中心平臺完成對數(shù)據(jù)的有效管理。經(jīng)過實際數(shù)據(jù)的檢驗和測試，數(shù)據(jù)中心平臺有效實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的跨平臺查詢，數(shù)據(jù)中心平臺也實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的有效管理，極大提高了跨庫查詢的效率和準(zhǔn)確度。但數(shù)據(jù)中心平臺對非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)萃取、數(shù)據(jù)清洗能力還較差，非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)后的質(zhì)量也需要進一步提升，針對上述問題，立足于學(xué)校中長期學(xué)科和專業(yè)發(fā)展，進行全校業(yè)務(wù)全生命周期和跨部門協(xié)同管理的規(guī)劃設(shè)計，加強對數(shù)據(jù)治理、大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用場景、數(shù)據(jù)服務(wù)接口方面的研究，不斷促進校園智慧化建設(shè)水平提升。