基于智慧城市的多学科融合教学实验平台研究与建设

穆帅 戴忠 段桂华

摘    要：文章从提高高校学生综合素质和创新能力的角度出发，以智慧城市概念和物联网技术为核心，研究了一个基于智慧城市的多学科融合教学实验平台，详细阐述了该平台的建设目标、数据流、功能模块结构和关键技术。该教学实验平台将多种实际应用场景集成于一体，可支持多个学科的交叉融合实验，能满足不同级别的教学实验要求。它通过在中南大学的分步建设和实际应用，对教学实验工作有积极的促进作用。

关键词：智慧城市;物联网;多学科融合;教学实验平台

中图分类号：G642.3          文獻标识码：A          文章编号：1002-4107（2019）07-0065-02

在高等教育改革进程中，实践教育成为提高高等教育质量的突破口，是培养创新型人才、提高教育教学水平的重要环节[1]。科技创新能力是国家竞争力的核心，而科技创新的大敌是习惯性思维。多学科融合能促使学生突破旧的思维方式的束缚，形成创新性思维。中南大学把基于智慧城市的多学科融合应用于教学实验平台，研究构建实景实验教学系统，是实验室建设的一种有益尝试。

一、高校教学实验平台的现状

实践教学的目标，是加强学生对理论知识的理解和掌握，提高发现问题、解决问题的能力，培养团队合作精神和创新意识[2]。实践教学必须通过相关的教学实验平台来实现。但是，目前国内大多数高等院校的教学实验平台，功能比较单一，综合程度不高，缺乏和实际应用场景的联系。这种教学实验平台束缚了学生的自主性和创造性，容易导致学生对实验缺乏兴趣，不利于学生综合素质和创新能力的培养，最终必将制约高等院校人才培养的质量。

2013年中南大学校长张尧学院士在访谈中指出，“实验室建设要有哲学思想”，“要研究怎么样引导学生去多动手，或怎么样让学生动手的激情发挥出来”[3]。为充分调动学生在教学实验中动手的积极性、主动性和创造灵感，本文对基于智慧城市的多学科融合教学实验平台进行了研究，并介绍了中南大学对该教学实验平台的建设情况。

二、基于智慧城市的多学科融合教学实验平台

（一）建设目标

“基于智慧城市的多学科融合教学实验平台”以智慧城市概念和物联网技术为核心，集电商服务、智能制造、智能仓储物流、智慧交通、智能家居概念、安防工程、图形图像处理、计算机视觉、移动通信、大数据、云平台和透明计算等应用于一体，可支持物联网、传感器、计算机网络、移动通信、图形图像处理、计算机视觉、大数据、云平台和透明计算等多学科融合的教学实验，能满足沙盘演示、验证性实验、综合设计性实验、课程（毕业）设计和大学生创新实验等要求。

（二）数据流分析

根据“基于智慧城市的多学科融合教学实验平台”的建设目标，确定以“客户订购→工厂生产→物流运输 →商品仓储→商品递送”为主线，将多学科融合和多应用集成，形成一个能够完整演示智慧城市概念和物联网应用的综合性系统。其过程描述如下：（1）客户通过电商平台下单。（2）订单通过网络传送到智慧工厂，智慧工厂根据客户订单进行3D打印制造。在智慧工厂中，应用智能家居的概念进行环境控制和照明控制。（3）制造完成的商品，由机器人捡取后，装载到智能车辆上。（4）智能车辆装载着商品，穿过沙盘中的智慧交通系统。智慧交通系统具有交通灯控制、视频监控和交通违章管理等功能，还可以根据路况进行路径规划。（5）商品被运送到智能仓储系统后，由仓储管理系统自动分配库区，把商品卸载到相应的货架上。在智能仓储系统中，利用门禁控制来管理进出车辆;利用安防工程实时监测安全状况，发现险情及时报警;利用停车场管理自动为车辆分配车位。（6）智能仓储系统根据出货单，对货架上的商品进行图形图像处理和计算机视觉识别，由机器人抓取相应的商品。（7）商品交给ROS自动寻迹机器人，递送给指定的客户。（8）客户采用安卓手机客户端进行签收。签字的笔迹信息通过WIFI或移动通信网络传送到服务器上，标识订单已完成，可以在网络商店订单查询中查看。（9）客户端的实验团队可以通过透明计算，获得综合平台提供的信息（如交通监控视频、智能车辆位置和车辆违章记录等），还可以在终端完成计算（如路径规划和计算机视觉识别等），用计算结果指导和操纵综合平台相应环节的运行。（10）上述环节产生的相关数据，提交给云平台存储管理。（11）对云平台存储的数据进行大数据处理，提取挖掘出有价值的信息。

（三）功能模块结构

根据数据流分析，可以把“基于智慧城市的多学科融合教学实验平台”分为智能管理控制集成平台、电商平台、智慧工厂、智慧交通、智能仓储物流、云平台、透明计算和大数据等八大功能模块。（1）智能管理控制集成平台：整个综合平台的“大脑”，通过有线和无线网络传输命令，综合管理、控制所有的子系统运行。通过服务调度策略，能够为多台客户端提供切换控制，支持团队实验。（2）电商平台：模拟现实电商的网络下单和签单功能。（3）智慧工厂：负责订单商品的生产，采用代表未来生产趋势的3D打印方式实现。期间，融合智能家居概念中的环境控制和照明控制，辅助生产过程。（4）智慧交通：采用智能车辆为商品运输的载体，模拟智慧交通中的指示灯控制、视频监控和违章处理等功能，可以根据路况进行路径规划和导航。（5）智能仓储物流：入库时自动为商品运载车辆指定仓储区域，盘点时通过RFID和阅读器自动盘点，出库时根据出货单智能识别和抓取所需商品，通过ROS寻迹机器人自动递送。其中，融合智能家居概念中的门禁控制，以管理进出车辆;融合安防工程，以监测安全状况;利用停车场管理，自动为车辆分配车位，模拟ETC收费功能。（6）透明计算：客户端的实验团队可通过透明计算，获取信息，完成计算、指导和操作教学实验平台的运转。（7）云平台：存储上述环节所产生的相关数据。（8）大数据处理：对云平台存储的数据进行综合处理，提取挖掘有价值的信息。

（四）关键技术

1.智能网关。智能网关是“基于智慧城市的多学科融合教学实验平台”的重要部分，它既是连接前端各类型节点和用户通信的纽带，又担负着不同设备通信协议的转换任务，还需要将协议转换后的数据快速有效地发送到公共网络。“基于智慧城市的多学科融合教学实验平台”通过智能网关，实现系统信息的采集、信息输入、信息输出、集中控制、遠程控制、联动控制等功能。

2.图像识别技术。图像识别技术是人工智能的一个重要领域，它是指对图像进行对象识别，以识别各种不同模式的目标和对象的技术。图像识别技术的基本过程包括信息的获取、图像预处理、特征抽取及选择、分类器设计和分类决策等。“基于智慧城市的多学科融合教学实验平台”通过图像识别技术，实现对商品的智能识别、抓取、交通信息的监控、违章车辆的判别等功能。

3.云计算平台。云计算是一种能够通过网络随时随地以便利的、按需付费的方式获取计算资源（包括网络、服务器、存储、应用和服务等）并提高其可用性的模式。“基于智慧城市的多学科融合教学实验平台”通过云服务，把实验数据存储到实验室的云计算平台上。

4.大数据处理。大数据具有大量、高速、多样、低价值密度和真实性等特点，大数据处理技术包括大规模并行处理数据库、数据挖掘、分布式文件系统、分布式数据库、云计算平台、互联网和可扩展的存储系统。“基于智慧城市的多学科融合教学实验平台”可以调用大数据服务器的相关服务，对存储在云计算平台上的实验数据进行分析挖掘。

5.透明计算。透明计算是在2004年由张尧学院士提出的，其核心是将数据存储、计算与管理相分离，并确立了跨终端、跨平台的“双跨”原则和“按需服务”的理念。在“基于智慧城市的多学科融合教学实验平台”中，透明客户端可以通过透明服务器获取信息、完成计算或操作实验平台。

三、平台建设和展望

“基于智慧城市的多学科融合教学实验平台”在中南大学已获批准并开始建设，综合考虑学校下拨的资金、模块开发的难易程度、专业实验的需求和实验场地的安排，分期、分批、逐步建设和完善该教学实验平台。目前，已建成的云计算实验平台、大数据实验平台和智慧交通实验平台，在教学实验过程中发挥了积极的作用。

当“基于智慧城市的多学科融合教学实验平台”建成之后，能够为学生提供更优质的教育教学资源，可支持信息类及相关专业的多学科融合性实验，使学生对智慧城市概念和物联网技术应用有更直观深刻的认识，使学生能够更深入地理解和掌握物联网技术、传感器技术、计算机网络理论与技术、数据分析与信息处理技术、图形图像处理技术、计算机视觉、大数据、云平台和透明计算等知识，促进提高学生学以致用的能力、工程实践的能力、科学研究的能力和应用创新的能力。同时，也能够为教师的教学科研提供必要的支持和帮助。

参考文献：

[1]余建星，赵伟，李辉，等.深化实践教学改革形成实践育人氛围[J].中国高等教育，2012，（Z2）.

[2]黄晓玫，李鸿飞，黄涛.强化培养学生实践能力和创新 能力的探索与实践[J].实验技术与管理，2014，（2）.

[3]夏有为.实验室建设要有哲学思想——访中南大学校长张尧学院士[J].实验室研究与探索，2013，（12）.

收稿日期：2018-12-17

作者简介：穆帅（1975—），男，河北辛集人，中南大学信息科学与工程学院讲师，主要从事物联网应用、信号检测及处理研究。

基金项目：湖南省普通高等学校教学改革研究项目“‘双创背景下信息安全专业课程开放式教学模式及方法研究”（2017jy40）;中南大学实验室建设与管理研究项目“基于智慧城市的多学科融合教学实验平台研究”（160260009）;中南大学教学改革研究项目“基于应用场景的多学科融合实验教学模式研究”（160010025）