高校智慧后勤建设与应用

张 军，刘亚茹

（河南水利与环境职业学院，河南 郑州 450008）

0 引言

近年来,高校信息化建设由互联网逐渐过渡到物联网全新阶段,智慧后勤建设作为物联网建设的重要部分,成为高校信息化建设的重点领域。 自2015 年至今,作为信息化建设不可缺少的一环,高校智慧后勤建设依然处于初级阶段。 目前,高校智慧后勤建设主要偏重于基础设施层面和技术层面［1］。 2019 年《绿色校园评价标准》和2021 年《高等学校数字校园建设规范(试行)》等文件提出将“资源节约型、优质服务型”作为智慧化后勤未来建设目标和数字校园建设的重要组成部分。

1 研究意义

目前,高校智慧后勤建设主要偏重于基础设施层面和技术层面的建设。 当前智慧后勤建设的新热点是将5G 信息与高校后勤管理信息化系统有效结合,提升高校内部管控和安全管理,实现“管理育人、服务育人、环境育人”的宗旨［2］。 智慧后勤综合管理平台通过运用物联网、5G 通信等技术,融合软硬件、IT 信息系统等方法,打通后勤各系统之间的信息孤岛,实现信息资源共享及优化配置［3］。 智慧后勤综合管理平台通过集成学习数据算法、空间地理信息等技术获取基础数据,借助具有动态识别的智慧后勤管控预测模型实现数据分析。 根据数据分析结果将智慧后勤综合管理平台应用到提升学校的风险识别、预测、处置等信息化治理能力等场景中,实现高校后勤管理环闭信息链,更好地服务于高校发展和改革,推动高校后勤的单一智能化场景向全方位的智慧化转变［4-5］。 本次研究对破解后勤管理工作中的没有风险预测、后勤工作数据不直观等难题,提高高校管理效率,具有重大意义。

国内对于智慧后勤研究仍处于相对较少的阶段。目前,智慧后勤研究遵循“以人为本、重在服务”的目标。 基于物联网等技术的智能化后勤建设改变原有数据采集应用的方式,服务设计思维从解决单个问题上升到对整个智能化后勤进行全面统筹规划［6］。 国外对于智慧后勤的研究和应用已覆盖教育领域各个方面,例如美国宾夕法尼亚大学已经推出新型Penny Card,此卡基于物联网与无线射频技术设计,拥有银行卡功能和SIM 卡功能,可以利用手机实现小额支付功能,几乎涵盖了校园的所有业务［7］。 北卡罗来纳州立大学通过建设云计算平台,为校内提供资源整合与管理服务等［8］。

2 研究内容

2.1 开发智慧后勤综合管理平台

2.1.1 顶层设计

课题研究融合智慧管理、智慧服务、大数据分析、5G 通信等技术,构建集智能化感知、智能化控制、智能化互动反馈、智能化数据分析、智能化视窗于一体的智慧后勤管理系统平台,实现后勤信息化服务。 通过对基础数据的分析,完成风险识别、处置风险的任务。 平台构建基于大数据分析的决策支持系统,为学校内涵发展和质量提升提供信息化的支撑,提高学校的信息化治理水平。

2.1.2 基础设计

智慧后勤综合管理平台以地理信息技术(GIS)为基础,以三维可视化场景为基础,以5G 通信技术为保障,借助“物联网+大数据+人工智能”的模式实现数据采集、分析和决策建议等功能服务,帮助高校合理配置资源。 基础架构自底向上分为设备层、网络层和应用层。

(1)设备层。 设备层采用多种物联网设备,运用无线传感、射频识别等各种感知技术采集水电能耗的使用状态数据、设施设备的运行状态等数据。 检测数据包括水压力、流量、水质(矿物质含量、含氧量、水质硬度等)、阀门开闭状态、用电负荷、线缆温度等。

(2)网络层。 运用5G 技术,网络层将采集到的数据通过MQTT 传输协议由物联网模块发送至后台服务器。 网络层通过MQTT 传输协议将设备运行状态数据采集至服务端,并将数据以Web 页面的方式呈现出来。

(3)应用层。 在智慧后勤综合管理平台上运用云计算、集成学习数据算法、空间地理信息技术等新一代信息技术,对基础数据进行分析处理后,通过移动端、PC 端、运营端等各种信息化的便捷手段,给校领导、师生、教职工、运行维护人员等提供服务。

2.1.3 架构设计

(1)一体化。 平台通过云技术构建信息共享的基础平台,把各应用系统嵌入云平台。 平台使用CAS 技术(中央认证服务),实现用户信息、设备信息、使用信息、操作界面信息的共享,统一操作界面、统一数据访问、统一身份认证、统一资源调用,为实现大数据分析及个性化使用提供基础。

(2)智能化。 平台通过物联网技术把所有设备物联起来,实现一个平台对所有设备的集中管控。 所有设备可以根据学校需要实现自动化、场景化运行,同时亦可以通过智能语音技术、人机交互方式将从传统的鼠标键盘操作演化到自然的语音命令控制交互,真正实现设备管理的智能化。

(3)数据化。 平台通过数据化分析各类平台、设备、资源的利用率,能够准确地帮助后勤管理进行决策,帮助人员对设备进行有效管理,对某一设施进行针对性关注,加强薄弱环节完善。

(4)可视化。 平台借助拼接屏直观地展示全校设施设备建设及使用情况,包括:设备投放及使用情况、故障发生与维护情况及全校实时实况,有利于分享建设成果、突显建设成绩。

(5)特色设计。 智慧后勤综合管理平台的特色突出表现物联融合系统化、能源管控专业化、服务管理规范化和决策分析智能化4 个方面。

①物联融合系统化:通过物联网设备,在线实时监测,将设备、事务、流程信息都转化为数据,各个物联网设备之间互联互通,通过事先设定的规则引擎,实现资源利用率和生产水平的提高。

②能源管控专业化:专业化的能源管控,保障了计划用能的准确实施,精准定位耗能漏洞,提供专业的节能运行建议,延长能源设备的使用寿命,降低能源运行成本。

③服务管理规范化:消除信息孤岛、数据孤岛,让信息实时共享,各级人员及时了解、掌控、分析工作事项的进度、状态、问题等；自动化、流程化的管理方式,让事找人,使业务流程规范化、流转过程自动化,进而提高工作效率。

④决策分析智能化:对历史数据进行消化、分析,智能推送分析结果,让决策更加具有针对性、有效性,让决策更加贴近实际,增加决策的创新能力。

2.2 创新水、电、气、暖等领域节能管控算法

平台层是智慧后勤的核心,提供数据管理、挖掘、分析的支撑,包括对结构化与非结构化数据的治理。结构化数据主要来源于后勤业务数据,非结构化数据主要来源于智能感知数据,数据层兼顾各种结构数据的整合和管理。 本课题在已有平台基础上,融入一种水、电领域节能管控优化算法模型。

2.2.1 数据预处理

在智慧后勤综合管理平台基础之上,本研究通过对校园水、电、气、暖等能源在使用过程中产生的数据进行搜集,对搜集到的数据进行预处理。 预处理数据主要分为两步,即为数据的随机排序和数据分类。 在已采集好的数据中,存在由于网络问题、异常处理不及时等原因而造成的缺损值、重复值、离群值等数据问题,会对算法模型的构建成功与否造成影响。 由于采集到的数据指标类型不一样,有图像数据、连续性数据、数值型数据等,因此要对搜集的原始数据进行数据清洗,包括去重、填补缺失值、删除离群值等相关预处理工作。 为了满足算法模型对数据输入的要求和达到提升预测效果的目的,本次研究采用热卡填充法解决数据缺失问题。 为了过滤掉异常值计划采用经典的正态分布假设,本研究对清洗后的数据进行数据转换和Z标准化。

2.2.2 数据模型选取

基于本次课题研究目的选择机器学习中集成学习模型,在Spark 平台运用长短期记忆网络模型和集成学习模型分别对实际的采集后勤数据进行预测。 在集成学习模型中,计划改进传统Stacking 框架忽略特征重要度的缺点,同时挖掘一些时间维度特征和后勤设备的信息特征,以完善该集成学习模型。

2.2.3 模型训练

针对集成学习模型,结合常用的梯度学习算法,本课题使用BPTT 算法进行模型训练,找出符合监测后勤设备的稳定模型,降低预测误差率。 本课题将两种模型混合,通过分配不同的权值,来减少单一模型可能带来的泛化性能不佳或陷入区域最小值等问题。 本课题结合气候变化等因素,实现能源指标的合理度评价。气温的变化会导致供水管网压力变化而带来的供水管网破裂,影响供水管网运行安全；不同用电区域的电能负荷变化会带来的三相不平衡用电,影响供电电网运行安全的能耗走势的科学预测。

2.2.4 风险预测

在智慧后勤综合管理平台中,本课题将报修事项、维修事项、效率管理等进行了综合,打通现有的报修管理系统、资产管理系统、采购管理系统等信息孤岛,激活各个系统的信息数据,提高数据活性,增强后勤的智慧管理能力。 通过人员报修数据或系统自主发现已出现的故障数据,综合需维修设备的运行数据(如投运年限、设计寿命等),基于本课题研究的智能算法,预测其他同类设备是否存在故障风险或故障风险概率,并依据现有经验数据自动输出相应的处置管理办法。 平台能够精准地统计出水、电、气、暖等分类能耗和综合能耗,系统以曲线图形展现各类能耗的消耗趋势,便于管理方实时掌控能源消耗情况。 同时,平台还可以展示逐时、逐日、逐月、逐年的能耗数据报表,分类能耗数据,展示分项数据逐时统计,并与往年同期用能记录情况进行对比,掌握用能趋势。 通过进一步的数据分析,定位高耗能点问题所在,帮助学校做好高耗能、高排放、高污染项目的改造工作,使高校在对设备改造与新建的过程中,进一步节约能源,节约成本。 帮助校园建筑及设备设施等实现绿色运行管理,总体达到资源节约型、环境友好型、管理智慧型绿色学校的标准。

3 实现后勤智慧化管理

面对信息化日益增强的形式,后勤工作的数据越来越多样化、多元化、多途径,给后勤工作带来了极大的困扰。 建设智慧后勤综合管理平台的首要目标就是解决在当今信息爆炸的时代后勤的运行管理工作的效率问题。 通过智慧后勤综合管理平台,利用物联网、大数据、人工智能等新兴技术将资源进行有效整合,实现减员增效。

4 结语

高校后勤管理系统不仅仅为教师和学生服务,同时也承担着管理学校教学育人的重任。 在这个信息化的时代背景下,在后勤管理各环节中使用以计算机技术为基础的各种先进技术,能够促使管理模块合理化、管理方法科学化、管理过程规范化、管理质量标准化。高校后勤管理系统能为高校教育的管理服务实现整体化创造条件,提高人、财、物的利用效率,为高校各项事业的可持续发展做出贡献。