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智能体质达标监测平台

项目背景:

包括身体素质在内的综合素质发展一直是国家非常重视的方面,新时期、新环境下,面对日趋激烈的国力竞争,世界各国普遍关注教育信息化在提高国民素质和增强国家创新能力方面的重要作用。《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》明确指出:“信息技术对教育发展具有革命性影响,必须予以高度重视”。

国民身体素质是国家的核心竞争力之一。而青少年的身体素质又是国民身体素质的基础和未来。目前学校体质健康教育手段较为缺乏,根本原因在于缺乏有效的数据量化能力,学校对学生的体质健康非常关注,但对于健康数据的获取和相关活动的组织仍然停留在人工层面,缺少现代化先进的技术手段和系统平台作为支撑。这方面的匮乏严重制约了学校对于学生体质健康教育水平的发展和提高。

学校拥有相当数量的体育锻炼器材和设施,对于全社会成员是一个非常重要的提高身体素质的基地。但中小学本身对于校园安全等又有相关要求,因此中小学的体育设施对全社会开放始终难以很好实现。因此,非常有必要引入信息技术手段,实现校外人员入校锻炼的实名化、可监测化,既解决了体育设施全民共享的问题,又可保障校园安全。

目前的学生身体素质测试,数据仍停留在纸介质。难以做到大数据的积累、分析、使用。因此在中小学引入可积累大量数据的体能达标监测平台,对于国家层面积累大量实用数据、为以后的决策做支持有着重要意义。

建设目标:

通过构建技术先进、扩展性强、安全可靠的信息应用系统,为中小学生身体素质教育提供先进数字化管理手段,提高管理效率;建立功能齐全的教学管理系统;实现数据资源共享,提高学生的身体素质,更好地为培养人才和服务社会搭建公共服务平台。

本次项目建设的信息应用系统覆盖身份识别、体育场馆进出、达标测试、健跑管理、体质监测及终端交互等相关业务。

所储存的学生身体素质数据可作为国民身体素质健康发展的重要依据,为中国中长期国民身体素质发展提供部分数据支撑。

硬件总体体系架构:

 

软件总体体系架构:

非功能性需求:

_系统整体预期负载设计

_系统主要用户为学校1500名学生及学校周边约1000名人员,注册用户数不小于30000人

_根据教学运周期和具体教学活动要求,最频繁时需要支持不小于 3000条/秒 的学生定位信息采集数据

_系统对外信息发布接口(包括数据接口及Web请求等)常规访问量 30次/秒,峰值访问量 150次/秒

_系统预计每年新增数据总量4T,主要包括手环位置探测数据、日志数据、业务生成数据等

_系统可靠性需求

_系统设计平均无故障运行周期不小于1个自然年

_系统设备单体质保时间不小于1年,平均无故障运行周期不小于3年

_系统设备损坏修复应为即时替换模式,外围设备平均替换施工时间不大于1个工作日

_永久性安装设备设计使用寿命不小于10年

_中央处理设备发生故障时,外围设备应能独立运作非集中管理相关功能

_中央服务系统及数据库系统需建立在具备备份及故障自动恢复功能的硬件体系之上

_对于系统内易损件及耗材应有足够常规备件及检查更换计划

_系统安全性需求

_各子系统及分布部署设备间如通过非独立网络传输数据,需要进行身份验证

_使用通用网络协议传输的数据,需要进行通用或自定义封包加密

_与其它系统共用数据库服务器及实例的,需要设置独立数据库访问身份和密码

_敏感数据,包括系统关键数据和带有个人身份特征的数据,回应请求前需要验证操作方身份

_系统管理人员有独立于普通用户的权限角色设定

_系统日志应完整记录用户操作及关键数据变动过程,并提供检索查询功能

_系统性能需求

本项目中,性能需求主要指作业响应时间方面的要求,作业响应时间指完成目标系统中的交互操作或批量处理所需的响应时间。

根据业务处理类型的不同,把作业划分为三类:交互类业务、查询类业务、在线分析类,分别给出响应时间要求的参考值,包括峰值响应时间、平均响应时间。

_交互类业务

交互类业务是指平时工作中在系统中进行的业务处理,如录入,修改或删除一条记录、发布一条信息等操作。

平均响应时间:0.5-1(秒)

峰值响应时间:1-5(秒)

_查询类业务

查询业务由于受到查询的复杂程度、查询的数据量大小等因素的影响,需要根据具体情况而定,在此给出一个参考范围。

简单查询平均响应时间:1-5(秒)

峰值相应时间:3-8(秒)

_在线分析类业务

在线分析类业务因需要调用多维数据集,性能受维度的多少影响较为明显,在次给出一个参考范围。

平均响应时间:3-10(秒)

峰值响应时间:5-15(秒)

 

系统:

基础系统是架构在通用支撑平台和应用平台之间底层业务和数据中转处理层,负责为用户可见的服务和管理功能提供基础数据支持,同时定义并实现设备组态管理和传感通信接口。

手环跟踪探测及数据服务:

硬件:

中央运行服务器:

负责承载系统位于中心机房的服务模块,由学校现有虚拟化资源池提供

软件:

手环跟踪数据多层存储框架:

为满足同时为学生和社区人员提供随时、连续、全面服务的需求,系统需要以较高速度采集手环探测信息,密集时可能达到每秒数千条的数据规模,且系统中包括几类传感器分布在不同实时性要求、不同层级的子系统中,因而需要一套快速、高效、健壮的手环跟踪数据存储框架提供支持。

鉴于不同级别数据对实时性、负载能力、持久化的不同需求以及系统可灵活配置的要求,框架采用多级、异构方式建设,包括分布式多层高性能缓存、持久化关系数据库以及休眠历史数据打包备份三个主要分级。

前端跨平台手环探测及数据处理服务:

根据系统功能设计,将会使用到几类不同设计目标前端蓝牙和RFID探测设备,出于系统灵活性、可维护性和数据标准统一化的考虑,有必要创建具备统一数据输出接口的数据采集和处理服务,用以适配上述各类前端蓝牙和RFID探测设备。

此服务具有可配置的探测逻辑以适应不同应用场景下的探测需求,并具备跨平台运行能力,以便于在各终端软硬件平台间迁移,需支持x86,arm等嵌入式或非嵌入式硬件系统及linux,windows,android等通用操作系统

手环跟踪数据实时注册和通知平台:

处理探测信息采集端与存储端之间通信的数据中转平台,包含一系列标准接口协议和每子系统特定的实现模块,负责完成数据的接收、汇总上报、数据源和需求端注册绑定以及已注册数据分发等工作。

采用可多层级联的实时消息链设计,运行时可实时增减节点,支持并行计算的数据处理体系结构,单个模块运行不依赖于特定的子系统外模块,具备极高的配置灵活性和健壮性。

手环定位监控后台服务:

接受请求监控特定手环的探测信息,按照要求逻辑通知发起请求的子系统。

基础跟踪数据查询报表集:

借助通用报表系统,提供系统相关的数据检索、汇总批量输入输出 功能,其中大部分以功能页面内建查询部件方式展现。

数据库服务:

用于满足系统所需的SQL数据存储需求

 

设备组态和地图管理服务:

由于系统包含有不同种类,数量较多的各种固定、非固定式设备,在实施和使用中又需要对设备进行维护或配置变更,同时设备之间也存在较为复杂的数据流关系,尤其是有一些功能还涉及到设备分布位置的选定和计算逻辑,因而需要一定的设备组态配置管理功能。根据系统设计规模和功能要求,建立设备组态和地图管理服务,以提供友好、统一、灵活易用的配置管理和信息调用接口。

 硬件:

中央运行服务器

负责承载系统位于中心机房的服务模块,由学校现有虚拟化资源池提供

软件:

设备和地图数据库

用于存储系统持久化数据的SQL数据库

设备组态配置管理

负责配置设备连接组织结构

校园地图标记点管理

负责配置校园地图和设备标记点并提供位置相关应用基础数据支撑

可嵌入地图查询机呈现接口

为外部系统提供可嵌入的地图查询显示接口,以基础HTTP协议提供标准图片数据,可以被任意架构应用直接使用。

设备和地图报表集

借助通用报表系统,提供系统相关的数据检索、汇总批量输入输出 功能,其中大部分以功能页面内建查询部件方式展现。

 

数据库服务:

用于满足系统所需的SQL数据存储需求

认证接入绑定及暂存服务

作为新建系统,为无缝接入现有校园信息系统,需要首先处理人员身份识别问题,具体到本系统,需要实现人员统一身份认证接入、人员信息同步获取和手环身份绑定三个主要功能。

硬件:

中央运行服务器

负责承载系统位于中心机房的服务模块,,由学校现有虚拟化资源池提供

软件:

用户绑定和身份数据库

用于存储系统持久化数据的SQL数据库

统一身份信息适配接口和自动更新服务

适配学校现有同一身份认证接口,提供统一的、多方式的用户身份验证能力,为提高系统响应效率,降低对外负载,将配备有身份认证信息缓存和自动更新功能。

信息管理服务

提供RESTful形式信息管理接口

身份及绑定信息查询报表集

借助通用报表系统,提供系统相关的数据检索、汇总批量输入输出 功能,其中大部分以功能页面内建查询部件方式展现。

 

数据库服务:

用于满足系统所需的SQL数据存储需求

用户和数据操作日志

硬件:

中央运行服务器

负责承载系统位于中心机房的服务模块

软件:

日志数据库

用于存储系统持久化数据的SQL数据库

日志服务器和数据查询操作接口

提供日志存储功能及可配置的日志存档压缩功能。

提供RESTful形式的日志推送和查询操作接口。

日志查询报表集

借助通用报表系统,提供系统相关的数据检索、汇总批量输入输出 功能,其中大部分以功能页面内建查询部件方式展现。

 

数据库服务:

用于满足系统所需的SQL数据存储需求

通用关系数据库报表平台:

系统中包含有大量的数据汇总、查询和分析功能,考虑到此类功能在实施和未来使用中可能会有较多调整,为保证系统的灵活性、可扩展性,同时降低系统建设综合成本,采用通用的基于关系数据库的报表平台作为基础数据分析和汇总呈现信息来源,系统中涉及的相关功能已内嵌调用方式与其配合使用。

因此类报表平台属于通用软件产品,本方案中不做过多描述,以下列出本系统中需要包含的几个功能模块。

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