基于智慧云桌面系统的人工智...实验室共享云平台的建设研究_盛洁.pdf

dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术124|基于智慧云桌面系统的人工智能 实验室共享云平台的建设研究盛洁，吴澄苏州大学轨道交通学院，江苏苏州215011摘要：本文旨在深入调研高校人工智能实验室的建设和发展情况，立足于轨道交通信号与控制专业人工智能技术的培养需求，提出基于智慧云桌面系统的人工智能实验室共享云平台设计规划和实施方案。通过探索融合课堂教学、专业实践及创新创业指导为一体的信息化智能化教育新模式，推动人工智能技术和轨道交通信号与控制专业本科生教育紧密结合，为师生提供广阔的教学科研平台和友好的创新创业平台实验室，培养轨道交通领域具备人工智能技术的复合型专业人才，有效提升人才培养质量，推进信息化教学改革进程。关键词：人工智能；云桌面系统；云平台；实验室建设中图分类号:TP18 文献标志码:A DOI:10.19772/ki.2096-4455.2022.11.028 0引言目前，受限于高校人工智能实验室建设成本和技术的桎梏，轨道交通信号与控制专业培养的学生由于缺乏人工智能技术相关课程的实践经验，已难以满足“智能”时代背景下轨道交通行业人才供给需求。“人工智能+专业”的复合型人才培养模式对轨道交通信号与控制专业培养方案的重构提出了新要求；同时，传统高校实验室存在着计算机软硬件管理维护难度大、资源严重浪费、共享率低和数据存储安全性低等问题。因此，打造基于云计算平台技术的人工智能实验室，开发轨道交通信号与控制专业人工智能实践项目并开展相关教学实践工作成为高校信息化教学改革进程中亟待解决的问题。本文详细分析了轨道交通领域中人工智能专业人才的培养现状、高等院校人工智能实验室建设发展现状以及智能云平台的研究和应用现状，充分利用研究团队智慧云桌面系统的现有成果和产品，提出了轨道交通信号与控制人工智能实验室共享云平台的建设方案，为轨道交通相关专业同学提供有针对性的人工智能课程实验环境，以及开展科学研究和创新创业项目研发的实验平台。不仅有利于培养轨道交通领域具备人工智能技术的复合型专业人才质量，也将助力推动教育教学信息化、数字化、智能化转型进程，实现智能信息化技术赋能教育教学变革，以及运用信息技术创新教育应用场景的目标。1轨道交通领域人工智能专业人才培养现状随着我国人工智能（Artificial Intelligence，AI）技术的快速发展以及相关商业应用的快速推广，社会对AI人才的需求越来越大。据工信部估算，每年AI人才缺口达100万人，近几年AI人才缺口已累计超过500万人，部分AI职位供求比甚至高达1:10。2017年7月，国务院发布了新一代人工智能规划，把高端人才队伍建设作为人工智能发展的重中之重。2018年4月，教育部印发了高等学校人工智能创新行动计划，要求加快构建高校新一代人工智能领域人才培养体系和科技创新体系，全面提升高校人工智能领域人才培养、科学研究、社会服务、文化传承创作者简介：盛洁，女，江苏扬州，博士，讲师，研究方向：人工智能、信号与控制。电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|125人工智能与智能制造新、国际交流合作的能力，推动人工智能学科建设、人才培养、理论创新、技术突破和应用示范全方位发展，为我国构筑人工智能发展先发优势和建设教育于国家的政策导向，高校培养人工智能人才的热情不断高涨。当前，在轨道交通行业中人工智能技术已经得到了深度的渗透和应用。例如，在智能车载设备和列车智能运行维护系统中大数据技术已被广泛应用，在城市轨道交通场景中大数据和云计算技术为系统智能运维和调度提供了技术支撑，而在智能列车运行与控制系统中人工智能技术的应用一直走在行业的前列。在大数据、云计算等先进的人工智能技术的促进下，轨道交通领域的发展发生了质的变化，随之而来的便是对相关专业的人才需求。目前我国的轨道交通产业极度缺乏具有人工智能技术的专业性复合人才1-2。而设有轨道交通专业的高校所面临的一个亟需解决的难题便是如何应对行业发展对轨道交通人才所提出的新需求，重新设计和调整人才培养方案，通过科学和高效的人才培养模式实现“人工智能+专业”在轨道交通相关专业的落地。具体来讲，轨道交通信号与控制专业的设置原本就融合了交通运输、电子信息、自动化与控制以及计算机等多个交叉学科的课程内容，这与人工智能技术的核心课程有一定的重合，非常有利于开展人工智能技术与轨道交通信号与控制专业的交叉融合，制定创新的人才培养模式3。该模式应着重培养学生的专业基础技能，通过设置多类型创新实践课程推进跨专业跨学科的技能培养，同时考虑将人工智能技术与轨道交通应用场景紧密结合开设一系列创新创业课外项目，鼓励学生拓展行业视野掌握前沿知识技能。在开展“人工智能+轨道交通信号与控制专业”学生创新培养工作的同时，专业教师的综合素质也将得到同步提升。此外，该培养模式还可以对交通运输类其他相关专业进行辐射，形成以点带面的态势，带动轨道交通学院的教学、科研和整体办学水平。2高校人工智能实验室建设现状人工智能实验室通过大数据技术和云计算架构，维护和更新庞大的数据资源、通信资源和计算资源，基于先进的智能算法合理调度和管理异构资源，形成开放共享的实验室平台，为教师和学生提供丰富的实验场景及案例数据，有利于完成人工智能相关教学任务和实践实验课程4。然而，目前受限于人工智能实验室的建设困境，大多数高校人工智能相关课程的开展依赖于软件仿真平台，无法获取应用场景的真实数据，仅就模拟数据开展验证性实验，规避了实际案例中可能出现的各类问题，难以达到理想的教学效果5。学生对数据及实验结果背后的理论理解不够透彻，应用场景中的工程问题难以全面认知，无法满足实际需求。此外，由于我国高校的人工智能教育起步较晚，专业建设仍然困难重重，目前大多数新成立的“人工智能+专业”培养模式在建设人工智能专业实验室方面缺少足够的积累和经验，普遍面临着实验室基础设施配置困难、无系统的实验项目、无合适的实验教材、无实训项目、专业师资紧缺等一系列问题。因此，合理、高效地建设人工智能实验教学和实训环境，并培养合适的师资力量就成为各高校大力推广教育教学信息化、数字化、智能化转型进程中急需解决的问题。事实上，大多数高校轨道交通信号与控制专业已有的教学及实验实践平台均为传统的计算机房，通过传统局域网形成有限的资源共享网络，开展教学实践课程。此类环境中的计算机软件和硬件设备也比较陈旧，无法满足轨道交通信号与控制专业人工智能相关实践课程对计算资源和网络资源的需求。因此，创建面向轨道交通信号与控制专业人工智能实验室迫在眉睫。根据苏州大学轨道交通信号与控制专业2020年本科生培养方案的所制定的内容，本专业本科生开设的相关课程有：人工智能、智慧城市中的人工智能及应用、程序设计及创新实践应用dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术126|（Python）等，较为全面地涵盖了人工智能相关的理论知识和应用实践课程。人工智能结合轨道交通行业应用的教学与科研融合了多个交叉学科的相关知识技能，应用领域包括机器视觉、大数据分析、生物特征识别、图像分割等。目前，本校相关课程实验也局限于机房教学，无法适应快速发展的人工智能技术及专业落地应用相关教学和实践工作的需求。3智能云平台及其在高校实验室建设中的发展现状先进的云计算技术及成熟的智能云平台系统为高校人工智能实验室的建设提供了有力的技术保障，并成为本科教育结构调整的重要抓手6。教育部先后出台了多项政策和相关文件推动人工智能技术的创新发展，并鼓励各所高校在高新技术指导下推进创新创业教学科研工作7。在此背景下，创建基于智慧云平台的人工智能实验室正是对相关政策和行业发展的有效响应。目前，人工智能云计算平台解决方案可以提供快速、稳定、弹性的GPU计算资源8-9。同时人工智能云计算平台还可以集成数据集管理、模型管理、训练等服务，支持Caffe/TensorFlow等多种深度学习框架，灵活的资源调度策略，使训练过程更加高效、弹性。极大地简化了实验室环境构建深度学习平台的难度，提高资源使用率，降低了投入成本，使得教师和学生更加专注于深度学习实现机理，并将其应用于学习推理、视频图像分析等场景。近年来，基于虚拟化技术而诞生的智慧云桌面系统在众多互联网企业得到了大力地推广使用。该系统将原本在传统PC本地运行存储的桌面、应用和数据全部迁移至数据中心统一承载管理，数据中心部署桌面共享云服务器，通过超融合技术将服务器的GPU、内存、存储资源根据不同用户的需求虚拟成一个个桌面虚拟机，通过在云平台上部署智能云桌面系统，允许客户通过智慧云终端设备访问系统资源。该模式下，数据统一在云服务器平台存储，可实现较高的数据安全；桌面统一运行在后端，可通过统一界面维护，提高管理维护效率；并且，只要网络可达，终端用户可以随时随地用各种设备登录云桌面进行资源访问，实现云平台的共享。这种智慧云桌面系统通过云-管-端-控系统化的可靠性设计，既可以全方位保障信息安全，提供从终端到平台的可靠性保障；还可以敏捷高效地进行系统部署，在系统部署过程中采用软硬件一体化调优，运维简化高效，为IT运维管理带来成本与效率的平衡；此外，智慧云桌面系统还可以针对不同应用场景进行场景优化和高性能桌面优化，最佳匹配用户个性化需求，提供卓越的用户体验。智慧云桌面系统搭载云平台可以获得更为灵活、高效、低成本的系统部署与维护，非常适合应用在人工智能实验室解决方案中。结合实际情况来看，苏州大学轨道交通学院智慧交通与认知计算实验室目前承担了苏州市轨道交通关键技术重点实验室和苏州市轨道交通视频大数据云平台的实际运营工作。其中，苏州市轨道交通关键技术重点实验室成立至今已有12年，它紧密结合国家轨道交通的长远发展与现实需求，围绕轨道交通运输组织、运行控制、安全保障、信息传输等领域开展具有创新性的应用基础理论和基础性工作研究，致力于依托人工智能技术、认知通信技术和智慧交通先进技术，开展轨道交通领域机器视觉与认知计算等关键技术研究。苏州市轨道交通视频大数据云平台成立至今已有5年，轨道交通类的视频数据总量已达到100T、数据稳定传输速率30MB/s的规模并支持多路并发访问，同时云平台为使用者建立了数据索引功能，极大地降低了使用者查找时间，并为全国的轨道交通领域的研究者们提供了相关的实验数据素材。云平台通过大数据技术实现图像、图片等非结构化数据的有效处理，积极探索潜在的轨道交通行业内的大数据价值，提供了充分坚实而稳定的轨道交通数据存储管 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|127人工智能与智能制造理功能与保障机制。依托上述苏州市轨道交通关键技术重点实验和大数据云平台，同时引入智慧云桌面系统，可以更加高效地推动建设轨道交通信号与控制专业人工智能实验室共享云平台。4基于智慧云桌面系统的共享云平台建设方案4.1智慧云桌面终端系统的开发苏州大学轨道交通学院智慧交通与认知计算实验室设计研发的智慧云桌面系统Cloud-Box系列边缘智能终端产品，实现了会话桌面池，支持Windows全系列操作系统和多种类型主机，可建立集群包含虚拟机、物理服务器、PC主机和云主机，支持高可靠性和安全性双因素认证。该终端的功能组件经多家检测机构、各类标准检测，达到外观、防尘、电磁兼容、抗干扰、抗冲击能力等方面行业标准，在技术壁垒上进行了多项专利认证。通过进一步开发带有GPU功能的智慧云桌面终端设备，将实现云桌面系统资源和云服务器资源的协同共享，系统架构如图1所示。4.2轨道交通信号与控制专业人工智能实验室共享云平台的建设高校环境中的云计算平台可以考虑三种基本的服务模型：公有云、私有云和混合云。本建设方案提出搭建两套实验教学资源云环境，一套是私有云，用于保证轨道交通信号与控制人工智能实验室内部教学和科研，外网无法访问。另一套是公有云，用于对外开放共享，校外授权人员和校内人员随时可以通过该环境进行轨道交通信号与控制人工智能课程实验教学资源的访问，公有云同时又可以作为内部实验室教学资源的备用环境，确保实验教学环境的较高资源