基于信息化的教学管理指挥中心建设研究

马双成

(武警学院 训练部，河北 廊坊　065000)



基于信息化的教学管理指挥中心建设研究

马双成

(武警学院 训练部，河北 廊坊065000)

信息化建设与应用在院校教学管理与服务保障工作中发挥着重要作用。以武警学院教学管理指挥中心为研究对象，从技术和应用角度对网络拓扑结构和教学视频监控、课程录制存储、教学区域广播、教学信息发布、教学设备管理等五个主要功能模块进行探讨。

教学管理；课程录制；点播；广播

随着国内高等院校的迅速发展，其相关资源越来越丰富，大量信息需要存储、查询和利用。计算机技术的发展和网络的普及，为高等院校利用信息化技术进行教育教学相关信息管理提供了便利。其在大量节省人力物力的同时，提高了信息利用速度和准确率，提升了教育教学管理效率，有效促进教育教学活动开展。

近年来，武警学院陆续建成教育教学信息系统、综合实战应用系统、教学管理指挥中心、网上教学系统等教学训练和管理信息系统，实现了课堂教学与网络教学的互补、教学管理与教学保障的协同、教学工作与科研工作的配合、教育教学资源的高效共享。教学管理指挥中心于2005年9月投入使用，设备使用频繁、老化严重，存在着以下诸多问题：监控摄像机经常发生故障，造成画面出现卡屏、马赛克等问题；监控系统采用MPEG2视频编码方式，如提高图像清晰度需占用很大的网络带宽资源以及存储资源；系统管理平台基于C/S架构，不支持跨网段的访问和管理；教学管理不能与排课系统有机结合；多媒体教室数量增加后，不能实现全覆盖等。其已经不能满足教学训练需求，亟待更新。

一、系统建设目标及原则

为有效解决原教学管理指挥中心存在的问题，武警学院于2015年9月完成了教学管理指挥中心的建设和更新。此次系统建设的目标主要有：一是对已有多媒体教室环境进行升级扩容，包括综合教学楼、1号教学楼、2号教学楼共计147间教室；二是实现与教育教学等信息系统的综合集成；三是建设实训场所教学指挥监控系统，融合教学指挥中心一期建设成果。其最终目标是实现理论课教学场所和实训教学场所全部纳入教学管理指挥中心管理，建成一套无缝接入教育教学信息系统，以教学视频监控和课程录制存储为核心功能，对课堂教学进行实时管理与教学评估，为各类考试提供技术和信息支持，方便快捷生成、使用丰富的课程资源，支持跨网段、跨路由、单点登录的可视化网络综合信息管理系统，成为武警学院教学管理和教学保障的辅助、支撑和应用平台。

教学管理指挥中心的建设，遵循了以下建设原则：一是先进性原则。以软件采集为核心将监控与云录播合并广泛应用，以先进、成熟的视频技术进行合理搭配，支持数据、语音、视频等多媒体应用。二是实用性原则。采用H.264视频编码等国际标准和技术规范，设计简洁、操作方便，利用宽带网络技术，支持高质量、远距离的视音频传输。三是稳定性原则。所选用产品和技术经过广泛检验，充分考虑系统在程序运行时的承载能力和容错能力，达到高度可靠。四是兼容性原则，整个后台核心基于Microsoft平台技术，整个系统与Windows操作系统无缝连接，支持PC终端、Andriod移动设备。五是扩充性原则。采用开放式的结构，具有强大的扩展能力，着眼于近期目标和长期目标，充分考虑发展的需要，选用合适的设备，进行合理的性能组合，构建适合当前需求，支持功能扩展、升级扩容的系统。

二、系统结构设计

教学管理指挥中心基于B/S架构设计[1]。该系统与教育教学信息系统等业务系统统一认证、统一管理、统一数据。系统用户统一登录，按照权限分级划分为四种角色：首长、参谋、教师、学生，对应各级权限，实现平台管理、摄像机控制、浏览器远程控制。首长权限为系统功能的所有操作、云台全控制、管理所有课程。参谋权限为系统功能授权操作、控制云台、管理观看所有课程，禁止改动课程信息。教师权限为管理自己的录制课程、审查录制的课程、决定是否进行推荐，禁止控制云台。学生权限为点播已经公开发布的课程和自己学习的课程，禁止控制云台。

网络基础设施是传输监控系统数据的基本平台。从物理结构分析，网络采用星型结构，各个监控区域通过单模光纤与综合教学楼教学管理指挥中心机房相连，其中接入点数量较多的区域均采用多模光纤聚合链路结构，扩大连接带宽，提高数据传输安全性。从层级结构分析，网络属于二层网络结构，接入交换机均为二层设备，所有接入设备的网关在核心交换机上统一设置，存储单元直接与核心交换机相连。从系统的兼容性分析，整个系统绝大多数采用统一厂商设备，使网络传输效率得到可靠保障，与原有系统的对接采用端口强制办法，省去协商过程，发挥原有网络最高能效。

整个网络划分为8个VLAN，综合教学楼A区、B区、C区、D区划分为4个VLAN，1号教学楼、2号教学楼和阶梯教学楼划分为3个VLAN，室外实训场所划分为1个VLAN。在RG5750核心交换机上启动三层交换功能，采用静态路由的方式与网络中心机房RG8600交换机通讯。网络中大部分区域采用全千兆互联设备，满足监控码流需求，其余部分区域采用千兆上联、百兆至终端的接入设备。核心交换机RG-S5750-24SFP/8GT为锐捷箱式交换机，背板带宽达256 G(包转发线速为155 Mbps)，完全满足监控终端设备同时访问存储服务器，进行数据交换的包转发量要求。接入交换机采用锐捷二层全千兆交换机，满足全端口同时工作的最大系统资源需求。课件点播和课件直播采用单播方式，提高网络利用效率。

整个网络集成172个信息采集点，主要传输信息为数字视频信号，数字图像传输数据将成为网络流量分析的主要内容。各监控模式下生成不同格式图像所需码流如表1所示。

表1　不同格式图像码流

系统数字图像生成格式为D1[2]，按照“图像格式比特率大小×摄像机的路数=网络带宽最低需求”计算相应链路的数据传输饱和状态。所需数据传输带宽为1 Mbps(视频格式的比特率)×48(48口网络交换机完全配满)=48 Mbps(上行带宽)，即各区域监控网络上行带宽至少为48 Mbps。按照校园网1 000人点播和1 000路的录像转存系统录制课程，按照每路视频1 Mbps流量计算总带宽为2 000 Mbps，两台服务器支持的点播带宽为4 000 Mbps。另外，监控系统核心交换机与网络中心的RG8600交换机以4路千兆链路聚合[3]的方式上联，上联带宽为4 000 Mbps，如系统按照总带宽60%正常运行可支持2 400 Mbps，完全能够满足教学点播和课程录制的带宽需求。

三、系统功能设计

教学管理指挥中心是一个综合资源管理平台，其主要包括教学视频监控、课程录播存储、教学区域广播、教学信息发布、教学设备管理等五个主要功能模块。

(一)教学视频监控

教学视频监控覆盖范围包括综合教学楼、1号教学楼、2号教学楼147间理论课教学场所和综合技能训练场、军体训练场、塑胶运动场等实训教学场所。每间多媒体教室设2个信息采集点，通过三分屏(教师场景、学生场景、课件)画面，实时监控课堂教学秩序，及时处理有关问题，支持多屏在线巡课，同时观摩多间教室，支持远程教学观摩，评估打分。

教育教学信息平台访问教学监控数据流工作机理是：校园网计算机向教育教学信息平台服务器发送认证请求，教育教学信息平台服务器收到请求通过认证后，发送通过权限访问的页面，校园网计算机通过权限访问页面选择所要查看的摄像机，摄像机将视频图像直接传送给校园网计算机。

(二)课程录制存储

通过与教育教学信息系统平台对接，统一身份认证，用户只需在统一身份认证系统中登录即可直接访问录播系统，无需重复登录，录播平台定期自动更新同步用户信息和同步课表信息。教师、学生、管理人员等用户可点播授权的课程资源，系统满足并发1 000点的课程资源点播服务。系统采用ETL的方式对接，在服务器上建立公用数据库，保存用户信息和课表信息，云录播子系统允许访问数据库。Media Server LMS提供开始/停止录制/直播的接口，通过文件上传接口文档，实现文件上传程序(Uploader)与云录播平台之间的数据交换。

课程点播系统数据流工作机理是：以单播的方式实现课程的访问和接收。校园网计算机向平台服务器发送认证请求，通过后，平台服务器会向发送请求计算机发送通过权限访问的页面，确定点播课程后，平台服务器会从磁盘阵列中把所点播课程发送给点播计算机。多媒体教学组播数据流工作机理是：教室端计算机向平台服务器发起组播接收信号请求，平台服务器向教室计算机发送组播列表，教室端计算机可从列表中选择所要接收的组播源。平台服务器中的组播功能模块会把课程以组播的方式发送给教室端计算机，通过投影系统展示给教师和学生。课程录像数据流工作机理是：每间教室端监控视频信号和计算机数据流经过录像服务器合成课程(单视频课程录制，不需要录像服务器进行课程合成)，通过平台服务器将课程录像(单路视频或计算机屏幕+监控视频)存入磁盘阵列。

随着光纤SAN[4]存储技术的成熟，使得集群共享后端海量存储的方案成为可能。该方案克服了原有的传输速率低下、数据传输误码率高、无法实现数据大集中的DAS直连存储方式缺点，课程录制存储采取SAN(存储局域网)架构。磁盘阵列可以增加冗余控制器和冗余电源，以保障系统的安全性。存储数据备份可以考虑增加磁带机，以实现整个系统数据的灾难恢复。

存储系统平台使用7台HP DL380G8服务器，每台服务器做RAID5，以保证系统运行的稳定性。其中，5台作为录像存储服务器，2台作为平台及点播服务器，以双通道全光纤方式(8GHBA)与磁盘阵列建立高速链接。为保障录像服务器的安全性，每台服务器配置2块SCSI硬盘并做RAID1，1台HP P2000 G3 MSA采用SAN的存储结构方式连接服务器。通过系统存储空间数据分析，磁盘存储阵列共配置54块2 TB硬盘，容量总计108 TB。整个系统有172路视频信号，每路视频按照D1格式录制，每个教室课程录像每天10小时，每个学期录制时间总长约90天，需要存储空间约为67 TB。剩余存储空间约为总容量1/3，用于做RAID或扩容存储。另外，学院原有3台HP服务器提供存储服务，做完RAID后剩余8 TB存储空间，用于考试期间录像视频存储。

(三)教学区域广播

教学区域广播涵盖传统广播系统功能，包括日常广播、背景音乐、定时打铃、英语听力考试和电台节目转播等。多套节目同时在设定的分区播放，分区内的每个终端接收相应播放内容。编制每天各时段节目播放计划后，可实现定时播放。

系统基于IP网络，遵循TCP/IP协议[5]，采用IP广播(IP广播终端+音箱)方式，利用以太网接口连接数字广播终端。广播时原有多媒体音箱开启，IP广播终端的音频输出给功率放大器，通过多媒体音箱播出而不经过计算机。功放电源可通过转换器控制供电，根据语音信号的有无，自动切换外接功放的电源，避免功放24小时持续工作，广播完毕自动断电(供断电时转换控制器会判断教室是否在使用功放，以免影响多媒体教学的正常进行)。训练场地广播系统设置40只60 W室外防水音柱。IP广播终端、4口交换机、转换器的供电需要24小时常供电，供电与监控系统编码器共用220 V交流电。

(四)教学信息发布

管理端硬件(服务器)集成在机房平台服务器，管理端软件集成于综合管理平台，具备节目制作、发布、审核管理、终端监控及维护、播放日程管理、系统权限设置等功能。播放终端硬件(显示屏)架设在终端点位，在综合教学楼、1号教学楼共有16个信息发布终端，由分体机信息发布终端(工控机)和50吋液晶电视组成。信息发布终端通过教室网络(连接中控和IP终端接入的4口交换机)连入校园网，供电方式与IP广播系统相同，通过一根VGA电缆将信号推送至50吋液晶电视。

(五)教学设备管理

教学设备管理使用HC多媒体管理平台，对中控、电脑、投影机等教学设备状态实时刷新、控制管理，实时对投影灯泡用时查询，实现教室端计算机远程监看、控制，支持教室端和管理平台双向对讲，支持4、9、16多画面数字电视墙的刷新和显示。多媒体设备管理平台兼容控制艾威康网络中控等多种不同控制协议的网络中央控制器，开放协议控制与翰博尔录播系统平台进行无缝对接，支持多校区集中控制管理。

四、结束语

基于信息化的教学管理指挥中心建设与应用，是现代教育领域的重点研究内容之一，对于教学活动的有效管理起着不可替代的作用。该教学管理指挥中心系统依托学院校园网平台，与互联网、公安网物理隔离，采用成熟的网络、云计算处理和信息管理技术，具有可靠的安全性能，是集多媒体教学、课程录制、课堂直播、课程资源、教学监管和教学评估于一体的教育教学应用系统。该系统能够对课堂教学进行有效的系统化、信息化管理，便于师生开展教学，对于提升武警学院教学系统运行管理的工作质量和服务保障水平发挥了强有力的支撑和推动作用。为进一步提高教学场所管理的信息化应用水平，应在现有系统平台基础上，升级改造为高清系统，逐步将其他教学场所都纳入到教学管理指挥中心进行管理，努力做到教学场所信息化管理无死角。

[1] 邱虹坤，等.基于B/S在线考试系统开发[J].沈阳航空工业学院学报，2006(5).

[2] 孙卫东.图像处理技术手册[M].北京：科学出版社，2007.

[3] 田增国.组网技术与网络管理[M].北京：清华大学出版社，2009.

[4] 舒继武.存储区域网络精华[M].北京：电子工业出版社，2014.

[5] 任泰明.TCP·IP协议与网络编程[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.

(责任编辑刘彦超)

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

马双成(1976—)，男，河北霸州人，高级工程师。

G473

A

1008-2077(2016)07-0067-04