智慧教育雲平臺包括了音視頻控制子系統、音視頻處理子系統、雲直播子系統、網管子系統、軟件系統，基於純IP網絡通信和互聯互通。
1 行業背景及需求分析
1.1 行業背景
當前雲計算、大數據、物聯網、移動計算等新技術逐步廣泛應用，經濟社會各行業信息化步伐不斷加快，社會整體信息化程度不斷加深，信息技術對教育的革命性影響日趨明顯。“十三五”期間，全面提升教育質量、在更高層次上促進教育公平、加快推進教育現代化進程等重要任務對教育信息化提出了更高要求，也為教育信息化提供了更為廣闊的發展空間。
高校普教在網絡基礎設施、信息系統建設方面都有了大的發展。學校良好的網絡環境使得校園網絡應用系統和用戶都達到了相當的規模，信息化教學的應用不斷拓展和深入，教育管理信息化初見成效。
網絡遠程教育穩步發展，為構建終身學習體系發揮了重要作用。教育信息化對於促進教育公平、提高教育質量、創新教育模式的支撐和帶動作用初步顯現。
但是須清醒地認識到，硬件環境建設好後，發現沒有軟件的支持硬件環境很難發揮作用，然後才開始著手軟件的建設。而軟件的建設與應用是需要時間的，等應用起來後，發現硬件環境又落伍了。
非協調的發展制約了高校信息化的水平，並且帶來了很大的浪費。信息缺乏有效共享，在高校信息化建設的過程中，由於缺乏全局統一的系統規劃，應用系統建設容易各自為政，信息難以交換，形成信息孤島，更難以在更高的層次上進行信息的處理，如信息挖掘、決策支持等。
信息缺乏有效的共享，對整個學校應用系統的效率和準確性都產生了重大的影響；同時應用系統之間可能採用不同軟件平臺開發，並缺乏統一規劃下的應用訪問接口，各應用系統間也缺乏集成。
同一個用戶，進入校園網的不同應用系統，可能需要不同的密碼，甚至是需要不同的身份標識。各應用系統之間無法直接訪問相互間的數據和功能，經常需要人為的處理，如數據交換。
另外，隨著校園網上應用和資源越來越多，又暴露出應用缺乏有效的組織和管理的弊端。用戶缺乏統一的界面：對於不同的應用系統，用戶需要在不同位置的逐個進入訪問，缺乏統一的訪問資源和應用的接口。面對繁多的應用系統，用戶難以尋覓所需，人性化程度低。因此加快推進教育信息化還面臨諸多的困難和挑戰。總結經驗和教訓，我們提出了智慧教育信息化建設解決方案。
1.2 系統建設依據
1、國家標準：
GB/T 15839-1995《64~1920kbit/s會議電視系統進網技術要求》
GB/T 28181-2016《公共安全視頻監控聯網系統信息傳輸、交換、控制技術要求》
2、系統框架協議：
ITU-T H.264：關於高壓縮比通信的視頻編解碼
IETFSIP：IP網絡上進行多媒體通信的應用層控制協議
3、網絡傳輸協議
TCP/IP：傳輸控制協議/網間協議
FTP：用於在網絡上進行文件傳輸的一套標準協議
4、音視頻系統技術標準
GYJ25-86《中華人民共和國廣播電影電視部廳堂擴聲系統特性指標》
GB/T15381-94《會議系統電及音頻性能要求》
GBJ42-81《中國工業企業通信設計規範》
1.3 系統設計原則
先進性原則
系統必須嚴格遵循國際標準、國家標準和國內通信行業的規範要求；
符合視頻技術以及通信行業的發展趨勢，並確保採用當前成熟的產品技術；
開放性原則
完全符合SIP、ONVIF和公安部GB/T28181標準框架協議；必須採用業界標準的視音頻編解碼協議；
採用開放式標準設計，兼容標準的視訊和監控系統設備，確保可與主流廠家標準的產品互通；
可靠性原則
確保系統具有高度的安全性，不易感染軟件病毒；
對工作環境要求較低，環境適應能力要強；
系統設備安裝使用簡單，無需專業人員維護；
系統需要滿足7×24小時無人職守方式穩定的工作。
系統易用性
平臺部署簡單靈活，管理系統方面採用純軟件的方式，採用J2EE的架構，無論任何系統環境，均可部署實施，靈活易用。硬件方面，高度集成、智能化控制，一鍵開關所有設備，在一個終端上即能操作所有設備，最大程度實現操作的簡易化。
2 智慧教育設計方案
2.1 智慧教育雲平臺系統說明
方案說明：
1、 智慧教育雲平臺包括了音視頻控制子系統、音視頻處理子系統、雲直播子系統、網管子系統、軟件系統，基於純IP網絡通信和互聯互通；
其中音視頻控制子系統支持雙機熱備份倒換以確保系統可靠性；
音視頻雲處理子系統支持視頻監控、視頻會議、公共廣播、電子班牌等視音頻子系統的融合，支持動態增減模塊和自動負載均衡等特性；
雲直播子系統則實現大容量併發點播直播業務；
設備網管子系統基於IP內網進行全網硬件設備的統一遠程網管；
軟件集成子系統則實現現網軟件系統的統一登錄、統一界面操作集成，例如一卡通、考試管理等等子系統；
2、 智慧教育雲平臺中各子系統，配合智慧教室終端WE、視頻監控設備以及各種視音頻外設，可以實現基本的本地教學擴聲、遠程互動教學、多媒體智能控制、在線課堂、在線評課、遠程巡課、多媒體廣播等等基本業務；
3、 整體方案可選配置多媒體錄播設備、分佈式交互接口機（視頻/音頻/控制）、數字音頻處理設備，部署在會議室、報告廳等其他房間，實現全校視音頻業務統一融合和調度。
4、 上圖中白色部分為我們可提供部分部件和業務，灰色部分為現網設備或現網基礎設施；
5、 智慧教室終端WE，是一個多功能的、一體化的高集成度設備，支持1080P@60高清視頻和寬頻語音編解碼，部署在各個教室，內置音頻處理器、數字功放、視頻矩陣、視音頻編解碼器、中控主機、時序電源模塊，從而作為本地教學擴聲、教室設備智能控制、遠程互動教學、遠程教學研討、常態化錄播、多媒體廣播、考試聽力播放、遠程巡課、遠程巡考等業務的終端。
2.2 智慧教育雲平臺功能
2.2.1 分級分權管理
智慧教育的功能以組織結構為主線，劃分出不同的組織/層級結構（二級），每個組織結構內配置獨立的智慧教育系統，上級可以管理下級，下級無法管理上級，但是可以各級自行管理轄區內的全部設備。
系統支持多權限管理，可分多個級別，如管理員，操作員、服務人員等，不同權限的用戶可管理不同設備。
2.2.2 中心控制服務器熱備份
說明：
中心控制服務器支持主備倒換
虛擬IP實現倒換期間用戶無感知
2.2.3 媒體管理雲平臺
監控攝像機和監控平臺管理
視頻會議系統接入和管理
2.3 系統簡單易用
我們多年來專注於用戶使用習慣，吸取業界頂級UI設計公司的優秀設計理念，開發出全新定製界面平臺。通過根據項目實際需求定製開發，使得整個界面具有良好的指引性和易用性，界面圖標、文字索引易於理解，幫助用戶在第一時間作出最正確的操作，非常簡單易用。主要可以定製實現的功能：
1. 集中管理、分散控制功能：通過維護中心的主控平臺和各教室的WE設備聯網，實現對教室的集中控制管理。對視頻信號管理、顯示設備管理、音響系統管理、燈光/電源設備管理等系統的集中控制。
2. 在運維中心的多媒體交互管理界面，把音頻、視頻、系統監控和環境控制整合在同一個界面上，無需在現場就能管理及控制整個智能化系統
3. 在運維中心的系統操作管理界面上，能夠實時的觀察到所有正在播放的視頻源，如攝像頭、和電腦PC信號等，在平板上拖拽視頻窗口即可實現預覽視頻源和信號的任意切換，能夠清楚的看到目前視頻源的內容，更好的管理系統。
2.4 系統可靠性設計
2.4.1 產品成熟
智慧教育雲平臺採用電信級產品設計原理，經過了眾多用戶的使用和實際檢驗，產品已經非常成熟和可靠。
2.4.2 系統架構穩定
智慧教育雲平臺核心硬件MCU平臺，為一體化硬件結構，採用的是嵌入式操作系統，基本不受黑客和病毒的侵擾，系統可以保證高效穩定工作。MCU的MTBF高達10萬小時，對工作條件和工作環境要求較低，具有電信級穩定性，支持7*24小時不間斷運行。
系統達到白金級效率，支持熱插拔冗餘電源和存儲設備，並自帶容錯風扇。架構可靠而且靈活
內部為基於IP網絡的分佈式交互架構，信令與媒體流分離；任意節點故障，不影響整個系統；節點與應用，可以隨時增減；
2.4.3 控制服務器熱備份
智慧教育的中心控制平臺，由2臺中心控制服務器MCU組成，該套可系統採用成熟的主備倒換技術，當主用服務器出現故障時，實現秒級業務倒換到備用服務器，因為信令與媒體流分離，因此全網終端側根本不會感覺到切換過程。這樣大大提高了整個系統穩定性，特別適合對穩定性要求比較高的應用。雲平臺實現智能負載均衡以及實時備份。
智慧教育媒體雲平臺，由多個媒體服務器MCU設備組成資源池，任何一個MCU出現故障後，均能夠按照事先制定好的備份策略去選擇最合適的MCU設備進行備份，實現音視頻媒體的自動備份。
整個過程無需最終用戶干預，短時間內自動恢復；另外，管理員用戶調度音視頻業務時不感知具體哪個媒體服務器MCU，系統自動計算負荷情況、智能分配媒體端口資源；即整個系統達到PAAS層級的雲計算技術效果，管理員和用戶只關心應用程序和數據，無需關心底層操作系統和數據庫實現，採用M-Designer編程，即可針對用戶快速定製智慧教育控制檯應用。
智慧教室終端WE基於嵌入式操作系統開發，採用電信級ATCA架構保證穩定性和可擴展性，支持熱插拔，選用工業級高速連接器實現內部通信，採用8層PCB電路板工藝以減少信號干擾、內部一體化單板無飛線的高可靠性設計，確保了超強的穩定性，支持7*24小時不間斷工作。
3 系統主要功能
3.1 智慧教育應用
3.1.1 本地教學擴聲
智慧教室部署WE、吊頂MIC（教學區）和擴聲音箱，可選無線MIC（聽課區），實現本地的教學擴聲，確保教室內前排和後排的學生都能清晰聽到老師的講課聲音。
WE內置3路3.81mm鳳凰端子輸入，兼容平衡式話筒輸入或者線路輸入，其中支持對平衡是話筒幻象供電，滿足教室的2路指向性麥克風採集教師的聲音，同時支持外接無線麥克風採集學生的現場問答聲音。內置2路3.5mm接口輸入，1路接入固定的教學PC或者互動白板立體聲輸入，同時支持1路講桌的多媒體插座立體聲輸入，方便靈活可外接臨時播放設備，例如：筆記本電腦、DVD、手機等等。
內置2路150W@8歐姆的數字功放，可直接輸出到教室擴聲音箱。內置2路3.81mm鳳凰端子輸出，可選外接擴展的數字功放、音頻處理器、外置錄音機或者錄像機等等設備。
內置每通道的信號發生器（產生舒適噪聲）、自動增益控制（AGC）、音頻壓縮器、均衡器等等，能夠對前述每路輸入進行單獨智能處理，在輸入側把聲音信號預處理，為後續保持音質打下基礎。內置自動噪聲消除（ANC）、自動反饋消除（AFC），同時配合自動混音矩陣(AM)，支持任意路輸入聲音部分或者全部混合處理後，根據設置的處理策略輸出到任意路聲音輸出，從而同時實現滿足本地多媒體教學擴聲的應用場景。
3.1.2 遠程互動教學
每個智慧教室部署WE和音頻視頻外設，最大支持1臺接入4個互動或聽課教室，實現本地講課教室老師的講課視音頻，遠端的互動教室和聽課教室均可以聽到，而且支持講課教室與互動教室之間的實時視音頻交流。
WE支持IETF SIP呼叫協議，支持BFCP支持雙流協議，最大支持視音頻呼叫帶寬高達8Mbps，足以最大承載2路1080P@60高清晰圖像（人像和課件）以及雙聲道的內容，從而達到極致的遠程實時互動教學體驗；內置自動回聲消除（AEC）、自動噪聲消除（ANC）、自動增益控制(AGC)，從而同時實現滿足本地多媒體教學和遠程互動教學模式的聲音場景。
對於已有遠程互動教學設備的場景，可選配NEREUS系列音頻處理器，在無需全盤推倒重新建設的情況下，彌補教室中的擴聲效果差、抗回聲/噪聲效果差的缺陷。
3.1.3 多媒體智能控制
智慧教室內的WE主機，兼容各種視頻格式輸入到XGA/SXGA/720p/1080p視頻格式輸出之間任意轉換功能，通過控制界面可以任意切換，確保主流的格式輸入均能夠輸出到主流品牌的顯示器、投影設備等等顯示設備上。內置2路3G-SDI（可選）、2路DVI-I輸入和1路HDMI輸入接口，分別接攝像機、教學PC、實物投影，也可選接互動白板、筆記本電腦等設備輸入；內置1路HDMI、1路DVI-I、1路VGA輸出接口，支持固定輸出講桌顯示器、投影機，還可選輸出到遠程教學回顯屏幕或者錄像機。
另外，WE主機支持被智慧教育平臺遠程控制，支持無操作自動待機、刷卡聯動開機、按配置定時開關機、遠程定時控制開關機等等各種功能，滿足不同客戶針對不同教室的不同情況，自行選擇合適的節能環保策略，大大地降低智慧教室設備的功耗，同時延長教室設備的壽命。WE主機內置聯動投影機和PC軟關機策略，配合內置的時序電源，下課關機時，最大限度地保護投影機燈泡、PC磁盤數據，真正做到多媒體教室的智能化。
3.1.4 在線課堂
WE主機作為每個智慧教室（講課教室）的編碼設備，通過RTSP協議把教師特寫、學生特寫、課件視頻，實時上傳到雲直播平臺，由此平臺實現常態化錄播，進行本校園網內的直播分發。
通過雲直播平臺，最大可以同時對16個教室進行常態化錄製和直播，而且可以選擇不同的清晰度，從而針對不同的網絡帶寬和併發路數進行優化，確保儘量達到顯示最好的在線課堂效果。
對於不建設常態化錄播業務，只在特定教室建設本地錄播的場景，可在指定教室選配置WE-MR系列錄播一體機，實現重要的課程進行單獨的錄像。
3.1.5 在線評課
通過聽評課平臺WE-EPC，可以實現對所有的在線課程，進行點評和打標籤，便於學校對於各個老師的教學能力進行集體評價。
3.1.6 遠程巡課
教室中部署WE主機，接入智慧教育雲平臺，從而校領導可以在辦公室PC客戶端、運維展示中心等進行遠程巡課，而不必親自到指定教室裡面進行巡課。另外校領導也可以在辦公室通過PC web界面，以教學直播方式進行遠程巡課。
3.1.7 遠程巡考
教室中部署WE主機，與教室內的監控攝像機，一同接入智慧教育雲平臺，從而校領導可以在辦公室PC客戶端、運維中心大屏等地方，進行遠程巡考，而不必親自到指定教室裡面進行巡考，同時充分利用了考場攝像機和多媒體教學的攝像機。
3.1.8 多媒體廣播
教室中部署WE主機，與教室內的投影機、互動白板、觸摸一體機等顯示設備相連，可以把辦公室內校領導的視音頻，遠程傳輸到各個教室內播放，實現遠程宣講、遠程家長會等等業務，而不必全部學生或者家長冒著日曬雨淋在廣場或者擠滿在大會堂內進行宣講。
3.1.9 標準化考場
教室中部署WE主機，可以遠程按照分區或者指定教室，進行音頻廣播，實現標準化考場的聽力考試業務，免除與公共廣播系統、標準化考試系統重複建設音箱和功放，節約方案成本。
甚至可以對接公廣系統，把公廣系統的上下課鈴聲、眼保健操等廣播業務進行統一播放。
3.1.10 遠程互動教研
WE也可以部署在學校會議室、教研室，充當小型視頻會議設備，實現遠程教學和視頻業務，同時支持本地遠程會議兩用，無需搭建兩套平臺進行融合，減少維護工作量，提高投資回報比。
3.1.11 校園安防
校園內部署整套智慧教育雲平臺，可以融合安防監控的視頻，可以實時調度主流廠家的監控平臺或者攝像機的圖像，實現監控視頻上大屏，並可實現跨平臺、跨校區安防情況抽查，提高安防系統使用效率，提高校園安防水平。
3.2 智慧教育智能管控
3.2.1 統一網管
智慧教育系統支持實現全網統一網管功能，如下圖：智慧教室終端WE、媒體服務器（支持監控、錄播、視頻會議等等媒體接入）、Founder編碼接口機、Founder解碼接口機、CC系列控制接口機、音頻處理器、錄播一體機等等
3.2.2 設備智能控制
智慧教育系統支持通過下發配置，控制教室WE實現定時開關機，例如上午8點統一自動開機、下午17：00統一自動關機；
WE支持配置長時間無操作自動待機（例如20分鐘）、一卡通刷卡聯動開機（需要定製對接一卡通系統）.
3.2.3 可視化調度視音頻
智慧教育系統支持可視化調度，通過觸摸平板、PC等設備進行拖拽式操作，實現全校視音頻上大屏、校領導在辦公室巡查等等業務。
3.2.4 遠程監測視音頻效果
在智慧教室內部署獨立的視頻和音頻採集設備，用於運維中心或者信息化老師辦公室，遠程觀察顯示設備視頻效果（亮度、顏色、干擾等等）與音頻擴聲效果（是否失真、是否出聲音等等），支持在通過WE一鍵對講的情況下，根據遠程觀察的效果，信息化支持人員進行遠程調節、報修，甚至可以實現提前遠程巡查教室設備效果。
4 其他系統對接
4.1 支持與視頻會議系統對接
1. 在標準SIP組網下，WE產品互通兼容性能力表現與 Cisco、Polycom、Lifesize、Avaya等主流廠商實現高清音視頻、雙流互通，主流型號可以全面進行對接；
2. 在H.264HP編解碼方面，產品能夠和業界主流廠商，如寶利通，實現H.264HP編碼的視頻互通，亦可和主流廠商（寶利通/思科）實現高清雙流（BFCP）；
3. 智慧教育平臺可選視頻會議接入服務器License，實現對主流視頻會議廠家抓包解碼互通。
4.2 支持與視頻監控系統對接
智慧教育可選配置監控融合服務器License，通過下列協議與主流監控平臺（例如:海康、大華等）：使用GB/T28181協議、ONVIF協議；
4.3 支持與公共廣播系統、考試管理系統對接
智慧教育解決方案，基於API對接公共廣播系統、考試管理系統，定位於提供教室多媒體、公共廣播、標準化考場聽力的“語音三網融合”，實現全校廣播、分區廣播或者點對點推送語音業務，實現一套擴聲系統完成前述三套子系統的業務。
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