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教室设备!西安交通大学:智能实时管理教室资源

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走遍校园未必能找到空教室自习,手工预订教室的方式也并不高效,如何解决?

通过智能实时的教室资源管理平台,用户可以利用有线或无线网络查询自习教室或课程安排,还可以动态查询自习教室或为统计到课率提供参考,提供网上预订教室、虚拟定位设备报修、失物招领等多项功能,提高教室资源的利用率与使用便捷度.

文/刘宏磊 李一鸣

目前,国家高等教育不断发展,招生规模急剧扩大,给整合利用硬件资源带来严峻挑战.与此同时,互联网技术已深入日常工作生活,快捷的网上办公体现信息时代的基本诉求.高校的一项重要资源——教室,既承担课程表安排的教学任务,又不定期负责一些短期临时活动.因此,无论教学管理者,还是教学参与者都期望通过网络实现方便的管理与使用,最大化地利用有限资源,完成更多教学任务.

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本文设计了一套智能实时的教室资源管理平台.通过此平台,学生可以随时查询没有课程的空教室用以自习,而无需到教室查看纸质课表,尤其是人员密度智能实时计算功能还可以帮助学生选择人员较少的教室或从一定程度反应到课率;师生都可以实名预订教室,通过审核制度批复,成功与否立即在平台中更新;在平台中,可以简明报修教室的设备,若设备数目过多则在虚拟设备布局图中快速定位;平台还提供失物招领、评价论坛、热门教室等功能.

当然,排课对于教室利用率影响非常大,但是各校有不同校情,排课系统涉及教室类型、教师时间、教室容量、合班安排、校区等方面,一般由教务部门组织进行,而且对于排课的算法研究也有很多.因此本平台以固定课程已经排好为前提,主要负责教室资源的临时使用.

平台数据来源

高校业务复杂繁多,不同部门分管不同数据,教室资源管理平台需多方数据支持,具体如下:

1.教室基本数据:包括校区、教学楼、用途、容量、类型、维护员、是否有饮用水、空调暖气信息等.用途指该教室是否为专用,能否用作学生自习.类型包括:多媒体教室、语音室、实验室、电脑室、普通教室等.饮用水与空调暖气设备可以提高教室舒适度,供学生参考.

2.教室设备布局图:每间教室都有多项设备,有些设备可能只有一件,如计算机、投影仪;有些设备就有多件,如桌、椅、电灯、窗户等.多件设备应有布局图,方便报修处理的快速定位.布局图最好通过Flash等形式形象地表现,方便用户点选,方便平台识别.

3.排课课表数据:包括课程名、开课院系、学期、时间、地点、上课人数、起始周次、终止周次、教师名、教学班等.课表是用以查询教室使用情况的根本,也是平台运行的根本.

4.考试安排数据:包括周次、星期、时间、时长、课程、教学班等.考场也占用教室资源,所以需要在系统中体现.

5.教室监视器监视数据.通过监视数据,结合下文介绍的人员密度算法估算教室中人员密度,为学生是否选择该教室提供参考,还可以从一定程度反应到课率.自习室的人员密度影响学习效率,有些学生期望快速找到人少的教室,此时监视器数据就十分必要.并不是所有教室备有监视器,因此该数据只针对有条件的教室.

这些数据需要及时在平台中同步更新,保证平台的正确性与时效性.教室与课表数据可以在更新后同步;监视器数据要实时同步,根据服务质量要求设定同步周期为1s或10m不等.如果某些数据没有来源,如设备布局图,就需要平台独立维护.

按用户类别设计功能

为方便使用,教室资源管理平台采用B/S模式,总体架构如图1.服务器运行平台的应用服务主体部分,数据库服务器与应用服务器是否部署在一台机器上根据其安全、性能等要求决定.客户端支持的设备包括:普通PC、固定的终端机、笔记本电脑、平板电脑、手机,如图1的左部从上至下所示,它们通过有线或无线网络访问服务器.固定的终端机是放在教学楼的平台终端,为没有无线设备的用户提供即时使用方便,用户不必走遍校园寻找合适的教室,只要在终端机上操作即可.

平台用例图如图2,用户包括学生、教师、管理员三类,可进行登录、查自习教室与人员密度、课程、热门教室、预订教室、报修、失物招领、论坛等操作.“登录”为实名制操作,如果学校没有统一身份认证,那么平台还要维护用户信息,学生数据从教务部门同步,教师信息从人事部门同步,以保证平台用户的合法身份.管理员根据业务的不同可分为教室预订审核员、报修处理员、用户管理员等.

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查询自习教室及人员密度

用户通过查询条件查找空闲且可以自习的教室.查询条件包括:周次、星期、时间范围、教学楼、教室类型、是否有饮用水、空调暖气等,结果返回满足条件的空闲自习教室.固定终端机的教学楼默认为其所在楼,当然也能修改.此功能也可以用作教室预订的前期查询,尤其是查询条件还包括“人员密度递增”,默认按教室实时人数递增排列,供用户选择.

查询课程

查询课程功能方便用户旁听课程.查询条件包括:授课教师、地点、周次、星期、时间、上课班级等,返回课程详情以及教室容量,教室内实时学生密度,为用户判断是否去旁听或统计到课率提供参考.

教室预订与审核

用户查找到空闲教室后通过实名制预订教室,详细描述申请用途、申请时间、设备要求、联系方式等.管理员审核批准或拒绝,适当记录备注.一旦教室预订成功,此教室在预订时间段呈占用状态,教室维护员根据要求准备投影仪、扩音器等设备.

预订教室后,用户可以自主取消预订,释放占用资源.

教室设备报修与处理

用户发现教室设备有损坏,在平台中立即实名报修.首先选定教室,再选定设备,存在多件的设备在设备布局图中快速定位,然后描述损坏详情.管理员发现报修后,即可通知维护人员前去维修.

失物招领

将失物简单分类,如:校园卡、银行卡、身份证、钱包、书籍、手机、电子词典、其他等几大类.用户在不同类目下实名制发布拾获信息、认领方式或丢失信息、联系方式.其他功能

平台除了实现主要业务功能,还包括一些辅助功能,如评价论坛,用户在此对教室的舒适度、使用方案,对平台本身提出意见和建议.集众人力量,优化教室资源使用.

用户还可对教室打分,评比热门教室.打分项目分为照明、温度、设备、卫生等多方面.这些分数高低形成热门教室序列,为其他人的选择提供更多参考.

平台运行机制

通知管理员与审核制度

平台中需要管理员审核处理的业务主要有两类教室预订和设备报修.如果用户提出请求后,再等待管理员进入平台查看有无待办事项,就会丧失时效性.因此,平台采用主动方式推动管理员处理请求,根据具体情况部署短信服务器、邮件服务器或通过站内信方式提醒管理员有新申请,要求其尽快处理,并将通知手段、通知时间、管理员处理时间、处理效果记入日志或数据库,作为统计或评价之用.

教室预订是一项严谨的业务,既然全校师生都可以预订,那么教室管理员的任务就非常繁重,很难一一判定申请原因的合理性.因此,采用“二级审核”制度,第一级管理员为院系级,主要审核使用人、用途的合理性;第二级管理员为校级,对通过一级审核的申请,从学校角度审核使用时间、设备等合理性.

数据库设计

根据现有数据与功能要求,设计最基本的数据库ER图(如图3所示).除了用户信息数据,此图明确描述平台的主要数据表及字段,详细内容有待平台开发时根据实际情况细化.

人员密度算法

为教室准备一张无人时的平面图(最好从监视器角度拍摄)称为原图,灰度化处理后存储在数据库中.从监视器中定时获得实时照片,称为新图.通过对比新图相对于原图的混乱度估算人员密度.

灰度化公式如下:

I等于 0.229R+ 0.587G+ 0.114B (1)

R、G、B分别表示彩色像素的红、绿、蓝分量值,I为灰度值.

预先设定比较单位,如教室座位部分面积为m2,将其划分成网格,假定分成100个网格,比较单位面积为m2/100;再定义差异阈值.定时取到新图,进行如下处理:

1..灰度化处理,令初始混乱度f等于0.

2..将新图与原图的每—个网格进行差异比较;当差值大于阈值,记混乱度f等于f+1.

3..新图对比完得出总体混乱度F 等于f/网格总数.

4..将总体混乱度记为实时密度,在教室基本信息表中更新.

这个算法简单易行,可以满足估算人员密度需求,获取新图的时间间隔可设为10m,范围是教室开放时间,既满足要求又节约计算资源.

将图片灰度化处理是为了忽略颜色、光照带来的误差,如果需要更高的精度,可以将图片再进行二值化,将256灰度级的图片生成只有两个灰度级(0和1)的二值化图像,采用阈值分割,关注像素取1,其他像素取0.

在图像对比方面可以借助成熟的研究,例如通过基于欧氏距离的模式识别方法计算差异,必要时辅助机器学习方法提高准确度.

手机客户端

考虑到手机的流量与网速限制,最好专门为手机用户设计简单的Web网页,去掉大量图片、动画等耗资源元素.例如,查询教室时,直接返回符合条件的“TOP10”教室,暂不显示详细信息.

智能实时教室资源管理平台解决了在教室资源有限的情况下,学生需要到处找自习教室的问题,而且可以快捷地通过网络查询人较少的教室;还解决手工预订教室,审核耗时的问题;同时支持多种客户端;快捷实现课程查询、虚拟定位设备报修、失物招领、评价论坛、热门教室等功能.但是,平台还要在界面显示方面提升用户体验度,通过动画、虚拟现实等技术明晰、形象地显示教室等资源.在人员密度估算方面提高计算精确度,为到课率统计提供更有力的依据.

(作者单位为西安交通大学网络中心)

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