5G+智慧校园分析报告.docx
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5G+智慧校园分析报告
2020年5G+智慧校园分析报告
1概述
1.1智慧校园建设背景
依据教育部关于发布《中小学数字校园建设规范（试行）的通知》：
为深入贯彻落实党的十九大精神，积极推进“互联网+”行动，《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020）》把教育信息化建设列为重要内容，并列为
“教育信息化建设”亟待实施的十大工程之一。
教育部印发的《教育信息化十年发展规划（2011－2020年）》也明确提出要运用云计算、顶层设计等先进技术和理念进行智慧校园的建设，依托云计算、云操作系统、云存储、虚拟化、云服务、物联网等先进技术的优势，结合教育智慧化、云服务化的实际，打造基于数字校园的智慧校园。
加强教育信息化、数字化建设，构建覆盖城乡各级各类学校的教育信息化体系，促进优质教育资源普及共享，推进信息技术与教育教学深度融合，实现教育思想、理念、方法和手段全方位创新，对于提高教育质量、促进教育公平、构建学习型社会和人力资源强国具有重大意义。
1.2智慧校园建设现状
随着我国教育改革的不断深化、教育领域信息化取得了长足的进步，学校都购买或研发了一些教育信息化应用系统。
但大多为“按需、逐个、独立”的建设，另外由于独立进行数字校园建设，导致学校间的资源无法进行共享，最终形成了以“数据孤岛”、“应用孤岛”、“硬件孤岛”、“资源孤岛”组成的“孤岛架构”：
（1）硬件资源（比如服务器，网络资源等）不能共享，当本身资源剩余的时候，无法分配给其他应用系统，而当本身资源不足时，也无法从其他服务器获取资源；
（2）每个系统都有独立的安全、管理标准，增加运维管理难度，造成管理混乱；
（3）各自有独立的数据库，数据无法共享与交换，无法形成有效的统计
报表；
（4）独立的展现层，信息分散，用户获取信息要在不同的系统间穿梭往返，“人找事”，增加了使用难度；
（5）地区内的优质资源无法共享，导致各校的教学水平落差越来越大。
上述特征的实现有赖于5G时代以人工智能、虚拟现实、物联网大数据
为代表的技术的成熟和应用，而5G网络环境为上述特征的实现带来最大的优势是可以最大程度上克服传统网络在实现上述技术创新过程中速度、延迟、传输容量等的限制，为教育领域的变革提供更强大的动力。
（1）通过信息技术构建智能环境促进教学的转型，使得教学从知识的传递转向学习者的认知建构。
（2）利用5G通信技术和数据分析技术打通课内外的数据壁垒，促进线上线下课程的无缝融合。
（3）通过沉浸式环境的营造使学习者的学习从被动的接受转向主动参与。
（4）利用5G的边缘计算技术实现教育管理中的特定需求和业务的智能管控。
（5）促进教育的决策由经验导向转向数据驱动。
（6）利用5G和智能技术从根本上进行重新设计的学校，使得未来的学校形态由统一走向个性化和自组织。
（7）利用5G和物联网、传感技术可用极低的时延收集运动场景下大量异构数据，保证训练效果数据支持及分析，促使精准体育教学。
25G+智慧校园解决方案整体设计
2.15G开启智慧校园新纪元
2.1.1.第五代移动通信网络（5G）应用场景
ITU-R（国际电信联盟无线电通信局）确定未来的5G具有以下三大主要的应用场景：
（1）增强型移动宽带；
（2）超高可靠与低延迟的通信；（3）大规
模机器类通信。
这些5G应用场景包括诸如高清晰度移动视频等的增强型移动宽带应用（即可运行于体育场馆等用户高度密集分布的区域，还可以进行泛在的覆盖）。
而其余类型的5G应用场景则包括面向垂直行业/交通自动化的超高可靠通信、各类低延迟敏感型通信应用、面向大规模MTC（MachineType
Communication，机器类通信。
比如高清视频、虚拟现实、增强现实、虚拟现实教育等较高速/高速数据数据服务。
图1ITU定义的三大应用场景
图21ITU定义的5G空口指标
第五代移动通信网络是否能很好地支撑各类应用场景，取决于从低频（频点在500MHz左右）到高频（频点高于60GHz）的各个物理工作频段的物理特性（无线射频传播特性）：
低频段具有优秀的无线传播特性、网络覆盖广，既
可支撑宏蜂窝建设，也可支撑小基站部署；高频段的无线传播特性相对低频段较差，但是有较多可用的且连续的无线频谱资源（尤其是在毫米波频段），可支持提供更宽的物理信道。
2.1.25G+智慧校园技术分析
中国联通5G+智慧校园产品充分考虑了5G三大应用场景eMBB（大带宽）、URLLC（低时延高可靠）和mMTC（大连接）传输能力和5G智慧校园应用的有机结合。
1）5G大带宽能力匹配：
如果同时开启4K高清视频直播业务的话，下行带宽需求为150Mbps，上行需求带宽为300Mbps。
5G网络可以实现单用户峰值速率2Gbps，5G网络有能力满足5G业务的下行150Mbps速率需求，在未来随着网络能力的不断提升有潜力满足上行300Mbps的多路视频传输需求。
2）5G低时延能力匹配：
基于AR/VR的远程无线操控实验类教学要求网络侧时延小于20ms。
5G相比4G的空口时延有大幅度提升，其中空口用户面时延由10ms降低至4ms（eMBB）甚至更低到1ms（uRLLC）。
5G的核心网时延大约为10ms～20ms，未来如果进一步考虑5G的边缘计算技术，核心网的时延可以进一步降低。
通过以上分析，5G的空口和核心网总时延有潜力满足智慧校园远程操控教学类业务的20ms时延需求。
3）5G大连接能力匹配：
校园园区内有大量水表、电表、高清监控摄像头、贵重实验仪器设备等需要具备无线通信能力，实现对园区安全与物资管理的24小时的监控。
因此，5G网络的百万/平方公里级连接数密度能力可以有效满足海量智能校园设备的网联通信能力。
图325G技术体现度
2.25G+智慧校园内涵
智慧校园是指以促进信息技术与教育教学深度有效融合、提高学与教的效果为目的，以第五代通信网络技术、物联网、云计算、大数据分析等新技术为核心技术，提供一种环境全面感知、智慧型、数据化、网络化、协作型一体化的教学、科研、管理和生活服务，并能对教育教学、教育管理进行洞察和预测的智慧学习环境。
图435G+智慧校园内涵
35G+智慧校园典型应用场景
3.1智慧学习
3.1.1增强现实（AR）教学
（1）场景说明
AR技术在教育中不断的探索着新的维度，通过改变传统教学基础上扩展创新的、先进的学习方法。
增强现实教学软件是以计算机技术、多媒体技术和AI人工智能技术依托的一款新型教学软件。
可以在虚拟环境中生动形象地进行，交互式的操作，学生可以反复进行练习，把每一个知识点都彻底消化吸收，学习效果倍增。
（2）解决的问题
辅助老师的课堂教学：
利用技术可以将真实生活中无法感受到的场景模拟出来。
比如：
海洋世界中的各种生物在海洋里遨游。
这种方式可以让学生有更加深刻的体验，丰富了教学手段，增进了师生之间的自然互动。
提高学生学习兴趣：
学生沉浸到虚拟世界中，暂时“告别”了枯燥的课堂，这种新技术必定会调动学生学习的积极性，从而提高学生的学习兴趣。
让枯燥的教育生动有趣：
通过软硬件一体化的产品，让原本呆板的教学内容变得形象生动，在互动中学习，告别死记硬背。
（3）方案价值
将增强现实（AR）技术应用于教育教学设计中，能在有效提高教学质量的基础上，结合教学特性开展相应的教学活动，从而建构更加高效的课堂体系，有效地提升了课堂的效率与质量，有趣的同时更加有料。
AR识别卡、AR图书等等，通过多样的形式创新课堂内容、丰富课堂教学形式，为教育教学带来了便利。
（4）方案架构
它通过电脑技术，将虚拟的信息应用到真实世界，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。
增强现实提供了在一般情况下，不同于人类可以感知的信息。
它不仅展现了真实世界的信息,而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。
其网络结构图如下：
虚拟事物和真实环境的结合，让真实世界和虚拟物体共存。
目前AR有三种主要的成像系统：
Monitor-based系统、Videosee-through系统、Opticalsee-through系统。
其中，Monitor-based系统在基于计算机显示器的AR实现方案中，摄像机摄取的真实世界图像输入到计算机中，与计算机图形系统产生的虚拟景象合成，并输出到屏幕显示器，用户从屏幕上看到最终的增强场景图片。
它虽然不能带给用户多少沉浸感，但却是一套最简单使用的AR实现方案。
由于这套方案的硬件要求很低，因此被实验室中的AR系统研究者们大量采用。
Videosee-through系统头盔式显示器（Head-mounteddisplays-HMD）被广泛应用于虚拟现实系统中，用以增强用户的视觉沉浸感。
增强现实技术的研究者们也采用了类似的显示技术，这就是在AR中广泛应用的穿透式HMD。
根据具体实现原理又划分为两大类，分别是基于视频合成技术的穿透式HMD（videosee-
throughHMD）和基于光学原理的穿透式HMD（opticalsee-throughHMD）。
在上述的两套系统实现方案中，输入计算机中的有两个通道的信息，一个是计算机产生的虚拟信息通道，一个是来自于摄像机的真实场景通道。
而在opticalsee-throughHMD实现方案中去处了后者，真实场景的图像经过一定的减光处理后，直接进入人眼，虚拟通道的信息经投影反射后再进入人眼，两者以光学的方法进行合成。
三种AR显示技术实现策略在性能上各有利弊。
在基于monitor-based和videosee-through显示技术的AR实现中，都通过摄像机来获取真实场景的图像，在计算机中完成虚实图像的结合并输出。
整个过程不可避免的存在一定的系统延迟，这是动态AR应用中虚实注册错误的一个主要产生原因。
但这时由于用户的视觉完全在计算机的控制之下，这种系统延迟可以通过计算机内部虚实两个通道的协调配合来进行补偿。
而基于opticalsee-through显示技术的AR实现中，真实场景的视频图像传送是实时的，不受计算机控制，因此不可能用控制视频显示速率的办法来补偿系统延迟。
另外，在基于monitor-based和videoSee-through显示技术的AR实现中，可以利用计算机分析输入的视频图像，从真实场景的图像信息中抽取跟踪信息
（基准点或图像特征），从而辅助动态AR中虚实景象的注册过程。
而基于opticalsee-through显示技术的AR实现中，可以用来辅助虚实注册的信息只有头盔上
位置传感器。
（5）关键技术点识别与跟踪技术
在实现增强现实的过程中，需要对真实的场景和信息进行分析，生成虚拟事物信息。
这两步看似简单，其实在实际进行过程中，需要将摄像机获得的真实场景的视频流，转化成数字图像，然后通过图像处理技术，辨识出预先设置的标志物。
识别出标志物之后，一标志物作为参考，结合定位技术，由增强现实程序确定需要添加的三维虚拟物体在增强现实环境中的位置和方向，并确定数字模板的方向。
将标志物中的标识符号与预先设定的数字模板镜像匹配，确定需要添加的三维虚拟物体的基本信息。
生成虚拟物体，并用程序根据标识物体位置，将虚拟物体放置在正确的位置上。
这其中涉及到的识别跟踪和定位问题，是增强现实的最大的难题之一。
要实现虚拟和现实事物的完美结合，必须确定虚拟物体在现实环境中准确的位置，准确的方向，否则增强现实的效果就会大打折扣。
而在现实环境中，由于现实环境的不完美性，或者称为复杂性，增强现实系统在这种环境下的效果远不如在实验室的理想环境中。
由于现实环境中的遮挡，未聚焦，光照不均匀，物体运动速度过快等问题，对增强现实的跟踪定位系统提出了挑战。
图像检测法：
使用模式识别技术（包括模板匹配，边缘检测等方法），识别获得的数字图像中预先设置的标志物，或是基准点，轮廓，然后根据其偏移距离和偏转角度计算转化矩阵确定虚拟物体的位置和方向。
这种方法进行跟踪定位不需要其他的设备，而且精确度较高，因此是增强现实技术中最常见的定位方法。
在模板匹配时，系统会预先存储好多种模板，来和图像中检测到的标志物匹配来计算定位。
简单的模板匹配可以提高图像检测的效率，因也为增强现实的实时性提供了保障。
通过计算图像中标志物的偏移和偏转，也能够做到三维虚拟物体的全方位观察。
模板匹配一般用于对应特定图片三维成像，设备通过扫描特定的图片，将这些图片中的特殊标志位与预先存储的模板匹
配，即可呈现三维虚拟模型。
比如汽车店的车模卡片，玩具公司的人物卡片，都可以用模板匹配来进行增强现实。
边缘检测可以检测出人体的一些部位，同时也可以跟踪这些部位的运动，将其与虚拟物体物体无缝融合。
比如，真实的手提起虚拟的物体，摄像机可以通过跟踪用户手的轮廓，运动方式来调整虚拟物体的方位。
因此，许多商场的虚拟商品实用，多会使用边缘检测。
虽然图形检测法简单高效，但也有其不足的地方。
图像检测发多用于相对理想的环境以及近距离的环境，这样获得的视频流和图像信息会清晰，易于进行定位计算。
而如果在室外环境中，光线的明暗，物体的遮挡，以及聚焦问题，使得增强现实系统不能很好的识别出图像中的标志物，或是出现和标志物相似的图像，这样都会影响增强现实的效果。
而此时，就需要其他跟踪定位方法的辅助。
现实技术
当前的增强现实主要有如下三种显示技术：
1、移动手持显示。
2、视频空间显示和空间增强显示。
3、可穿戴式显示。
智能手机通过相应的软件实时取景并显示叠加的数字图像，这就是移动手持式显示器的一般工作情况。
同时现在平板电脑不断增加功能以及比智能手机更大的屏幕，也是的其日益流行。
手持增强现实标志物，通过网络摄像机在食品窗口或是显示器上显示虚拟叠加的图像，就是视频空间显示方式。
带有增强现实功能的贺卡，既是用这种方式显示的。
用户在收到贺卡后，登录相应的网站系统，用网络摄像机对准贺卡，用户即可从显示屏上得到贺卡内所存储的信息形成的虚拟物体和视频。
而空间增强显示技术，则是利用把包括全息投影在内的视频投影技术，直接将虚拟数字信息显示在真实的环境之中。
这种技术的系统不同于一般的增强现实系统，只适合于个人使用，而是能想增强现实与周围环境相结合，不仅仅限于单个用户。
这种技术适用于大学或者图书馆，可以同时为一群人提供增强现实信息。
也可以将控制组件投影到相应的实体模型上，方便工程师的交互操作。
可穿戴式显示器是一种可以戴在用户头上的类似眼镜的头盔显示器。
我们熟知且期待的googleglass正式这一类型的。
可穿戴式显示器一般有一道两个内
嵌镜头和半透明镜的小型显示器，在飞行仿真，工程设计以及教育训练等多个领域都有广泛的运用。
头戴式设备可以让用户更加自然地体验增强现实，并且能够为用户提供更大的视场，给予用户更强，更真实的“身在该处”的感觉。
交互技术
最基础的增强现实人机交互就是用户查看虚拟数据。
除此之外，还有一下一些交互技术。
触觉接口交互：
通过数字信息提供身体触感来进一步实现虚实结合。
比如，可触碰的虚拟光球，可以在虚拟的碗上绘画的幻影笔。
协作式接口交互：
使用多个显示器来支持远程共享与交互或是同地协作活动。
这种交互能够与多种应用软件集成，可用于医学领域的执行诊断和外科手术，或是设备维修等。
混合接口交互：
组合多种不同但是功能互补的接口，使得用户能够通过多种方式的增强现实的内容进行交互。
这种交互使得增强现实的交互更加灵活，可以用于数字模型的测试。
多模态接口交互：
通过语言和行为的自然存在的形式与真实物体进行交互，比如，说话，触碰，自然手势，凝视等。
多模态交互能让用户灵活的组合多种模态，更方便用户与增强现实系统的交互。
3.1.2基于脑机接口的学习专注力提升
（1）场景说明
基于5G网络低延迟特性，通过大脑训练，能够有效提升学生专注力水平；通过建设专注力数据平台，实现授课全程的数据统计和监测功能，老师能够全方位分析学生课堂表现，家长能够了解学生在校状态，为教学研究及学生综合评价提供新的维度和参考。
（2）解决的问题
∙提升学生专注力水平，增强教学效果。
一个课堂离不开教师与学
生，要想学生专注力集中在课堂上，教师必须运用自己的感染力去影响学生，激发学生的积极情绪。
相比于教师从面部表情观察学生的专注力情况，本研究借助可穿戴设备来精准的检测学生实时专注力数值，以便教师及时调整教学方法和教学策略。
通过可穿戴设备的辅助，使得教师能更好地应用自己的感染力，使学生借助专注力集中程度较高时的情绪状态去提高学习效果，从而促使学生提高课堂专注力，进而提高学习质量。
∙促使学生更加了解自己在课堂上专注力分布情况，刺激学生进行探索学习。
教育体制的改革很大程度上要改变现有的教学方式，必须尽可能的激发学生的兴趣，使学生积极探索，运用赋思头环来对学生思想
上、行为上进行激发与鼓励，使学生更好地进行探索学习。
∙增强师生互动，便于为学生制定个性化的教学模式。
由于可穿戴设备具有便携性，使教师上课时不再像传统课堂一样拘泥于讲台，可以进行自由走动，与学生面对面沟通，学生的小组讨论也更为灵活。
学生在课堂上的专注力数值可以直接被设备获取，并传输到后台便于进行分析。
根据设备传输来的数据，对于注意力不集中的同学进行相应的训练，有利于教师更加了解学生，为学生制定合理的课堂计划。
∙通过先进技术手段量化学生专注力，更加直观。
以往的研究里，专注力的检测方法通常由各类心理评测量表组成，测试结果不一，统计过程比较复杂，基于脑电波的专注力力训练方法来读取专注力更加方便直观，数据真实可见，且能利用本系统进行脑电反馈训练。
综上所述，利用脑电波设备进行的专注力训练来增强学生专注力，从而辅助课堂教学具有很大的意义，将它与教育深度融合，必将能使教师的教学效率得到大大的提高，最大程度地促进教育改革。
（3）方案价值
脑科学作为生命科学的重要高地，从2006年开始就被列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要》。
近年来，脑科学研究更是被列为事关我国未来发展的重大科技项目之一，在“十三五”国家科技创新规划中，脑科学与类脑研究是体现
国家战略意图的重大科技项目。
自2018年以来，国家先后批准北京、上海等地成立国家级脑科学研究基地，社会越来越重视通过改善能力来提升学生学习水平的解决路径，但距离人民群众的实际需求仍然有较大差距。
针对提升效率的需求，教育部正着力推进以“减负”为主题的系列解决措施。
教育部联合牵头九部门印发了减负三十条，将学生“减负”作为教育部2019年着力推动的重要议题。
据调查报告显示，中国学生在校学习时间每天超过9小时，是日本、美国、芬兰等国家的2倍以上。
据《中国中小学生作业压力报告》显示，写作业时间仍为全球平均水平的3倍以上，有78%的家长需要每天陪同孩子写作业。
所以，通过科学合理的方式有效发现学生效率低下的实际原因，并开展较低成本的妥善干预是当前教育需要共同推进的重大联合议题。
针对以上需求，基于传统的标准课堂建设，能够实现常态化的认知能力测评以及训练引导，从而提升课堂教学效率，提高学生专注能力。
建立专注力数据平台，头环客户端通过5G网络与数据平台实现实时连接，实现专注力数据的分析和管理，解决了原有本地化部署的数据样本小，无法远程实时管理，解决了教师对数据的使用及分析问题。
同时，采用加密传输、权限分级等方式，提高数据安全性。
（4）方案架构
系统主要由脑电信号采集可穿戴式硬件、神经反馈训练系统、课堂管理系统、常态化授课系统、专注力分析系统等五个部分构成，其中训练系统、课堂管理系统、常态化授课系统基于学校本地化服务器进行部署，专注力分析系统部署在云端，通过云计算及大数据应用，对学生的专注力及学习行为进行分析。
课前，教师根据教学需要为学生安排课前冥想和神经反馈训练，帮助大脑热身，提升学习
效率；课中，可以实时看到佩戴头环的同学的注意力水平，全班平均专注力水平，学生专注力热区，智能筛选专注力不够集中的同学进行提醒；课后，通过收集到的学生注意力水平生成为两多角度可视化报告供学生复盘表现，供老师反思授课，记录学生成长过程并评估学生学能。
（5）关键技术点
1、脑机接口技术实现了专注力0-100的规范化显示
该技术在保证采集数据准确度达到医疗级95%的基础上，极大减轻了超过99%的重量，将传统的庞大医疗设备缩小至一台总重不足90g的便携化可穿戴设备中。
该智能算法可在10秒内完成佩戴用户的脑电极值区间检测，并将所有用户的取值专注力都统一到0-100的区间进行规范量化显示，从而能够确保设备可为不同脑电活动的用户提供统一的标准测评。
2、基于脑科学的神经网络AI学习算法
针对反映人脑常态专注力的α、β、θ三种状态脑电波动情况，在作业、阅读、写作、听讲等16种场景模型中，对超过2万人次开展了信息采集分析，运用全新的神经网络算法，数据判断达到了医疗级别95%的精度。
3、规模化同步分析
实现了智能组网设置，支持55-60台设备同步接入的规模。
系统可实时采集全班不超过60名学生的脑反馈信号，并将相关信息提供分组显示模型，可帮助老师根据学生特点进行定向的采样分析，从而有针对的帮助学生提高专注力水平。
4、共享模式设计提高设备利用率
系统中内置的多账号管理模式，可支持录入不超过200个教师账号，10000个学生账号信息。
这样，一个学校购买一套设备，即可全校共用。
各学生信息提前录入系统，即可获得保证设备采集信息与学生本人状态信息一一对应。
5、内置神经反馈模块为学生提供专注力训练辅助工具
系统内置有丰富的神经反馈训练模块，包括情绪减压和集中性训练等内容，可充分利用课前5分钟，迅速引导学生进入学习状态，并通过神经反馈的固化训练，帮助学生逐步形成对专注状态的神经认知，从而在软硬件的交互中，逐步提高并固化专注能力。
3.2智慧教学
3.2.1全息远程互动教学
（1）场景说明
中国联通全息远程互动教学产品是中国联通5G创新中心与合作伙伴在行业探索的基础上，联合打磨的一款适应市场需求的新型产品，充分利用5G网络高带宽、低时延的优势，并结合联通云网一体的优势。
可面向教室教学、公开课、慕课、发布会等多个教学场景，让多媒体教学从二维平面变成三维立体交互，并能构建一个虚拟的、境界逼真的教学环境。
全息投影在教育教学上的应用，开创了“虚拟教学”的崭新领域，它是教育高科技的展示和体现，也是教育手段现代化、信息化的标志之一。
（2）解决的问题
※解决部分多媒体技术在感官上的不适感
部分多媒体投影技术对人体感官上均会造成相应的不适感，如电视屏幕容易导致用眼疲劳，VR头盔除了用眼疲劳外还会导致眩晕，这些方式均不利于长时间的观看。
全息投影技术有着其它投影技术不能比拟的优势，即可以让大家直接通过肉眼来观看虚拟事物，投影出来的画面非常清晰生动立体，从而不会造成感官上的不适。
（3）方案价值
※推动教育教学资源均衡发展
当前我国传统教育模式存在教育资源分布失衡和缺少优质教育资源等问题。
全息投影通过5G网络的传输，集终端、应用系统、平台、内容于一体，可以使优质的教学资源远距离传输到网络可达的任何地方，打造异地双师互动教学模式，推进网络条件下的精准扶智，以名师名校网络课堂等方式，开展联校网教、数字学校建设与应用，实现“互联网+”条件下的公平而有质量的教育，促进教育优质均衡发展。
※推动5G技术在教育领域的应用
和以往的移动通信系统不同，5G不仅仅是解决网络问题，更重要的是针对行业的具体问题做集成网络、平台、业务、终端为一体的综合解决方案和服务。
而真正有价值的服务源自真实的业务需求。
全息投影技术由于其数据量大，同时要求流畅无卡顿投影和实时的互动，对于传输网络
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