北斗卫星通信在水利行业中的应用(DOC)（合集5篇）

第一篇：北斗卫星通信在水利行业中的应用(DOC)

北斗卫星通信在水利行业中的应用

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目录

1.北斗卫星系统简介........................................................3 2.水利行业应用需求........................................................4

2.1.水利工程测量.......................................................4 2.2.水情监测...........................................................5 2.3.水利设备监控.......................................................6 3.短报文通信在水情监测数据传输中的应用....................................6

3.1.短报文通信介绍.....................................................7 3.1.1.3.1.2.3.1.3.通信方式.......................................................7 通信优点.......................................................8 通信缺点.......................................................8

3.2.应用方案...........................................................9 3.2.1.3.2.2.3.2.3.3.2.4.硬件配置.......................................................9 服务提供.......................................................9 通信保障.......................................................9 系统整体结构..................................................10

3.3.实际应用项目介绍..................................................10

第 2 页/共 11 页 1.北斗卫星系统简介

北斗卫星是一个提供全中国范围内的卫星定位系统。它是中国自主开发的用于地面定位的卫星系统，现在已发展成为可供民用定位和数据通信的系统。系统包括“北斗一代”和“北斗二代”，北斗一代空间部分由两颗静止轨道卫星和一颗备份星组成；北斗二代空间部分由5 颗静止轨道卫星、27 颗中地球轨道卫星和3 颗倾斜同步轨道卫星组成。

北斗卫星系统由三个主要部分组成：空间卫星，地面站(LES)及分理平台（河南北斗卫星导航平台）和用户终端。

图1 北斗卫星系统结构

（1）空间卫星：空间卫星部分由2～3颗地球同步卫星组成，负责执行地面中心站与用户终端之间的双向无线电信号中继任务。每颗卫星的主要载荷是变频转发器，以及覆盖定位通信区域点的全球波束或区域波束天线。每颗卫星都有2个波束，定位在太平洋、印度洋二个区域。两颗工作卫星的波束分别为1、2、3、4。一颗备用星的波束为5、6。两颗卫星都可以覆盖中国全境。覆盖范围：北纬5～55度，东经70～145度。系统组成如图1所示。

（2）地面站：终端与终端之间相互通信的中转站。其功能是完成与卫星之间上、下行数据的处理；对各类用户发送的业务请求进行响应处理，完成全部用户定位数据的处理工

第 3 页/共 11 页 作和通信数据的交换工作，并把计算所得到的用户位置和经过交换的通信内容，分别送给有关用户；同时可对发送方用户进行通信回执确认。

（3）用户终端：卫星终端分为普通型和指挥型终端两种。民用终端由北斗卫星收发主机、北斗卫星全向收发天线、用户操作控制单元、民用通信协议等软硬件组成，能够完成用户终端与空间卫星之间上、下行数据的处理；发送用户业务请求，接收用户数据；具有通用的RS232C数据接口。

北斗卫星系统可以全天候时提供卫星导航信息，标志着我国成为继美国全球卫星定位系统(GPS)和前苏联的全球导航卫星系统(GLONASS)后，在世界上第三个建立了完善的卫星导航系统的国家，该系统的建立对我国国民国防和经济建设将起到积极作用。2.水利行业应用需求 2.1.水利工程测量

在水利工程勘测和设计中，经常会遇到山岭、江河、峡谷等自然环境的阻隔，传统测量仪器很难找到合适的测量点，工作量也比较大，影响测量的精确度和工程进度。

北斗是完全由我国自行研制的定位系统，目前已经广泛运用到各项我国基础工程各项测量和定位中，基于北斗定位的RTK（实时动态差分）测量相比较传统观的水利工程测量而言，具有适用性强、操作简易、测量精度高等优点。在实际的运用上具有非常高的普及和推广价值。

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图2 北斗定位RTK测量图示

2.2.水情监测

根据我国中小河流域山洪地质灾害防治项目的需要建设了很多水文自动测报系统，采用现代数字化科技手段实现对中小河流域、湖泊、水库等自然江河湖泊和水利工程的水文信息进行实时采集、传输、处理和水情预报等工作。

自动水文观测站选址一般为偏远山区，常规通信（包括：移动通信、电信和卫星通信）难以实现信号全覆盖，通信专线的建设又存在成本高、维护费用贵等缺点。

自动水文站数据传输系统一般由一个水文监控中心和若干个野外无人值守观测站组成，数据传输方向为多个观测站的气象数据向一个监控中心传输的“多点对一点”的通信模式，其传输方式有主动自报式和交互查询式。主动自报式是指观测站按照一定的协议机制主动将采集到的气象数据上报至监控中心，而交互查询式则是以监控中心为主动方，观测站解析监控中心的指令，并做出响应。主动上报式应用的场合要求一次通信成功率高，而交互查询式则要求系统的通信资源相当丰富，并且通信费用低廉。

根据水文监测对象的特点，正点上报、10分钟雨量加报、水位加报等测报数据随着观测站的数量的增长和天气情况的变化，成不规则增长方式，1分钟内可能会上报几百条数据。对接收端的数据处理能力和通信链路有很高的要求。

目前，通信成功率和通信费用是水文测报数据传输面临的两个主要问题。北斗卫星能够解决这两个问题。

北斗卫星通信信号覆盖范围广、可靠性高。水文测站终端是在其后端设备的控制指令下发送数据报告的，它在收到后端设备的发送数据报告指令后，直接向卫星发送信息，其信道编码与调制方式为码分多址即CDMA方式，利用冗余编码方法使得入站数量达到200站/每秒，按照水利水文信息传输整点报的需求，以10分钟收集全部站点数据计算此类用户理论上可容纳12万测站用户，所以其信道容量极大，可以不考虑信道拥挤问题。

目前支持北斗卫星通信的水文遥测设备RTU体积小功耗低、设备维护简单和易于组网布设站点，硬件费用比较低。

河南北斗卫星分理服务平台提供民用北斗卫星通信服务，用户只需要注册通信卡号，支付服务年费等方式实现卫星通信，服务费用较低。

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图3 北斗卫星水情监测

2.3.水利设备监控

水利行业的发展越来越多的利用到信息技术，信息化设备投入日益增多。从雨量计到全要素气象仪，到自动水文观测站等等。由于水利工程自身的特点，这些信息化设备一般都安装在野外，分布范围广，无人值守。人工巡检工作量大、耗时，甚至有些地方很危险。

水利设备监控需要一种远程自动化的方式，不受地形、通信限制，可实时操作。北斗卫星的“多点对一点”方式可以满足这种需求。3.北斗卫星通信在水情监测数据传输中的应用

从2002年起，我国就已经开始进行利用北斗卫星传输水情信息的试验研究，并陆续建设了多个北斗卫星水文遥测系统，2006年已有800多个水文测站使用北斗卫星系统。经过十多年的发展，北斗卫星短报文通信可以大规模的应用于水文测报数据传输中。

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图4 基于北斗卫星短报文通信的水文测报数据传输

3.1.短报文通信介绍

北斗卫星导航是我国自主研发的卫星导航系统，是利用地球同步卫星为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星定位系统。系统的主要功能是：

（1）定位，快速确定用户所在地的地理位置，向用户及主管部门提供导航信息（2）通讯，用户与用户、用户与中心控制系统间均可实现双向简短数字报文通信（3）授时，中心控制系统定时播发授时信息，为定时用户提供时延修正值 水情监测数据传输主要是运用了北斗卫星系统的短报文通信功能，北斗一代卫星以及北斗二代卫星中的静止轨道卫星均提供通信服务。3.1.1.通信方式

（1）点对点双向通信

北斗卫星系统具有点对点双向数据传输方式。它是以数据包的形式传输，一次发送共有210个字节，一般用户一次最多可发送110bytes信息。测站终端发送采用码分多址直接扩频序列调制，扩频伪码采用周期伪随机序列，发送频率为L波段，通过卫星转换为C波

第 7 页/共 11 页 段由地面站接收。测站型终端和指挥型终端的最大区别在于前者只能锁定在一个波束上，而后者可以同时锁定所有波束，发送信息时也是如此，前者每次只能在单波束上发送，后者则可以同时在所有波束上发送。

在北斗卫星通信点对点方式中，还有一种通播的方式。即在一个用户群（用户系统）中，将一个作为主站（中心站）的终端设备号码写入本群中其它测站的终端设备的映像地址中，当此中心站作通播方式发送时，则群中的所有使用同一波束的测站都能同时收到此信息。此功能可以用作系统的广播回执，即在系统的一次定时报后一定时间内，将收到系统中的测站和未收到的测站的信息广播出去，未收到自报信息的测站则再次发送信息，从而提高了系统的畅通率，同时也减少了系统中心站的发送次数。如果用户系统的主站采用指挥型终端则回执可一次在全部波束上发送，用户系统的所有测站可以同时收到主站的回执。

（2）多点对一点通信

与上面的通播方式有些类似，该通信方式主要采用了指挥机的通信特点。在指挥机上面安装指挥卡，每个指挥卡一般可以管辖200张子卡；其他终端上安装子卡，并设定接收卡为指挥卡。这样，这些终端都可以向该指挥机发送短报文信息。实现多点对一点的通信。在水文遥测站数据上报中就采用这种方式。3.1.2.通信优点

北斗卫星通信系统覆盖范围广、没有通信盲区、信息加密传输安全。用户终端机分为指挥型用户机和通信型用户机，指挥型用户机可以监收其所有下属用户机的通信数据，并可以向其任一下属用户机发送命令或与其进行数据通信。3.1.3.通信缺点

北斗卫星短报文通信也有其局限的地方：

（1）单次通信容量有限，民用通信容量仅有100 字节左右（2）通信频度受控，民用通信频度在1min 左右（3）没有通信回执，可靠通信需要采取相关辅助措施

第 8 页/共 11 页 3.2.应用方案

结合北斗卫星通信的特点，水文测报数据传输采用短报文主动上报的方式，即“多点对一点”，各个水文测报站向统一的接收终端发送报文。北斗卫星分理服务平台接收到报文后再转发到用户指定的存储位置，用户通过监控软件，查询显示报文的接收、解析情况。3.2.1.硬件配置

各个水文观测站均配备一台北斗通信型用户机和一台编码器，由各观测站的风光互补供电系统供电。

工作时，设置为主动自报模式，前端编码器负责将观测站定时采集到的数字水情数据进行编码和加密，并转换为北斗协议格式的通信申请信号，再传至北斗通信型用户机，通过北斗卫星系统发送到北斗分理服务平台的指挥机。再由指挥机解密后转发到用户指定的数据库或其他存储设备中。

（1）北斗通信型用户机（2）编码器

（3）应用/数据库服务器等 3.2.2.服务提供

根据国家北斗卫星导航服务规定，河南北斗卫星分理服务平台可以提供民用卫星导航服务。协助用户注册北斗通信卡号，提供指挥机接收/转发通信，按照用户需求定制开发一些北斗通信相关软件（通信数据入库软件、监控软件）。

（1）用户注册（2）通信转发（3）软件定制 3.2.3.通信保障

北斗卫星短报文通信有优点也有缺点。实际应用过程中，需要增加通信保障，确保水文测报数据传输正常。

（1）报文协议

水情数据上报过程中，按照约定的报文协议，使用ASCII码格式输出，减少字节数及乱码情况。

（2）通信频率

第 9 页/共 11 页 使用指挥型用户机，1分钟内，1张指挥卡可以接收200个终端的报文上报。（3）监控日志

开发报文接收日志、报文解析日志、软件运行过程的文件日志，通过监控平台及后台日志，能够看到整个通信过程的运行情况。另外，提供观测站设备运行情况监控，能够远程查看到设备的正常、异常情况。3.2.4.系统整体结构

北斗卫星水文观测站水文观测设备编码器北斗用户机河南北斗分理服务平台用户设备注册北斗指挥机用户监控软件入库软件水文数据库应用/数据库服务器图5 北斗卫星水文测报数据传输系统

3.3.实际应用项目介绍

2015年10月，在河南省水利厅北斗卫星数据传输系统中，通过水文遥测终端和北斗指挥机，采用短报文通信方式，实现1台指挥机接收转发100多个遥测终端的水文测报数据传输功能。

在河南北斗卫星分理服务平台中，遥测设备卡号与北斗指挥机卡号绑定，通过北斗卫星，实现遥测设备向北斗指挥机发送雨水情报文。北斗指挥机接收到所辖的遥测设备发送的报文后，通过水利厅IP+端口公网传输方式，将接收到的原始报文推送到水利厅北斗卫星数据库中。

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北斗卫星遥测终端发送报文北斗分理平台接收报文北斗分理平台遥测终端指挥机程序将报文推送到北斗卫星库IP+端口通信水利厅卫星数据监控平台水利水文数据库水利工作站

本系统主要由五部分构成：  遥测终端RTU报文发送软件  北斗卫星报文接收/转发软件  北斗分理平台报文接收/转发软件  数据入库软件  数据监控软件

该系统解决了目前水利厅水文测报数据传输中的两个主要问题：

 数据丢失，很多水文测站都在山区等偏远地方，通信条件差，数据发送过程中容易丢失。使用北斗卫星短报文通信，不受地形等通信限制。

 数据并发，水文测报数据上报中有集中并发特点，如早8:00平安报，通常是100多个终端同时发送上报，要求接收端能够处理存储。使用北斗指挥机，一张指挥卡1分钟内可以同时接收200个终端的报文发送。

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第二篇：北斗在农机精准作业中的应用及思考

北斗在农机精准作业中的应用及思考 引言

全球导航卫星系统（GNSS）作为空间信息基础设施，是精准农业的重要技术支撑，是发展现代农业和实现农业可持续发展的关键技术。GNSS在农机作业监管、农机精准操控和农场精细管理等方面，有着重要和广泛的应用。通过透视发达国家和中国精准农业的发展历程，也可以看出GNSS对于精准农业发展所起到的关键性和基础性作用。作为我国自主知识产权的北斗卫星导航系统（BeiDou），其在精准农业领域的应用，不仅可以提高GNSS的可用性和精度，还可以极大提高中国农业生产的安全。

本文在分析GNSS在??际精准农业领域应用现状的基础上，重点介绍北斗在中国精准农业领域的应用概况，总结中国对北斗精准农业应用的支持措施，并针对北斗在精准农业中应用存在的问题，提出若干发展建议，供同行业者参考。GNSS农业应用

2.1 国际应用

纵观国际GNSS的应用发展，无不把精准农业列为创新应用和规模应用的重要领域。近年欧洲卫星导航局（GSA）连续发布的《GNSS市场报告》指出，农业在行业应用中名列前茅，其比重已高于测绘和航空应用。2017年CropLife杂志与普渡大学所做的精准农业经销商调查表明，GPS自动驾驶导航和GPS驱动喷洒应用分别达到78%和73%，GPS土壤取样和GPS农田测绘也分别达到78%和75%。由此可见GPS的重要性、普遍性和对于美国精准农业的支撑作用。

GPS公开服务信号精度约5 m，不能满足精准农业高精度应用需求。据普渡大学统计，针对分米级应用，近70%的美国农户在使用广域增强系统（WAAS）。针对厘米级应用，主要有3种方式，即单站RTK、网络RTK和星基差分增强。单站RTK通过电台或移动通信链路向拖拉机播发RTK差分信号。多基准站网络（CORS）通过移动通信链路提供网络RTK差分服务。星基增强系统（SBAS）则通过卫星通信链路提供服务，例如约翰迪尔StarFire和天宝OmniStar。这3种方式各有优缺点，单站精度高，一次性投资，但受传播距离和地形的影响；网络差分精度高、覆盖面较大，但需缴纳通信费和使用费，依赖于移动通信网络；星基增强精度略低，初次定位速度慢，收费较高，但链路的可靠性高，覆盖面积大。2017年8月，作者在亚利桑那森丹斯农场考察，观测到其4台拖拉机均通过电台连接至7.8英里外的约翰迪尔基准站。在实际使用中，由于自动驾驶对定位精度和可靠性要求均极高，企业往往为农场提供2种以上的差分增强服务，互为备份，可实现快速切换。例如，当单站RTK或网络RTK信号失锁时，Trimble xFill断点续测技术可以在20 min内维持RTK固定解。xFill将单基准站或CORS作为主差分信号源，将星基信号作为副差分信号源。主副差分信号瞬时切换，没有延时。

2.2 国内应用

当前，北斗卫星导航系统正从第二代向第三代发展，在区域系统的基础上建设全球系统，同时保留有中国特色的短报文功能。北斗全球系统建成后，将可以更好地服务于“一带一路”国家发展战略，更有利于我国实施农业走出去的发展部署。北斗系统与精准农业的关系，可以概括为相互需要和相互促进。通过应用北斗导航技术，不仅可以提高农业机械的自动化与精确化作业水平，提升农业行业的整体生产效率，还可以有效保障我国粮食生产的安全。例如，以自动驾驶导航为代表的农机精准操控技术，将不可避免地、迅速地替代大量具备较高作业技能的农机手。显然，依赖于国外GNSS系统将在我国现代农业发展中埋下巨大的隐患，一旦国外导航系统信号出现异常，将造成时效性和连贯性极强的大规模农机作业陷入混乱甚至瘫痪。

当前，北斗在中国精准农业中的规模化应用，主要体现在三个方面。一是农机自动驾驶导航系统应用。中国从全部进口国外产品到自主研发产品，大约用了5年的时间，到目前国产产品已占据主导地位。在东北（主要指黑龙江）、西北（主要指新疆）和华北等地，农机自动驾驶导航系统已深入人心，其推广应用非常迅速。二是农机作业监管应用。针对农机深松作业和秸秆还田作业补贴监管，各省市农机主管部门纷纷安装GNSS监测终端和传感器，部署管理服务平台，用于作业质量监督和作业面积统计。当前全国每年约2亿亩农田开展深松作业，对于深松机具及GNSS深松监测系统的应用需求异常巨大。三是农机管理服务应用。例如，通过在采棉机上安装GNSS监测终端，可以实现作业计划、进度统计、保养记录、管理调度等功能，可以显著提高农机服务组织的管理效率。北斗农业应用支持

3.1 财政补贴

自2013年起，财政部、农业部在国家农机购置补贴目录中，增加精准农业设备小类，对农业用北斗终端（含渔船用）进行财政补贴。该政策的实施，带动了国家有关部委和地方政府的投资，促进了一批北斗导航企业自主研制农机自动驾驶导航系统、着力培育精准农业技术，形成了良好的技术和市场竞争格局，为我国精准农业技术和现代农业的发展奠定了良好基础。

在此基础上，农业部鼓励各地以新产品的形式，对北斗预装进行试点补贴，以加快先进适用技术的快速推广应用。2017年，湖北省首次将农用北斗终端纳入了购机补贴范围。补贴标准按照导航精度、是否带自动驾驶系统等配置，分为四档：第一档，带自动驾驶系统，导航精度±2.5 cm，补贴额30000元；第二档，带自动驾驶系统，导航精度±10 cm，补贴额20000元；第三档，不带自动驾驶系统，带深松作业或秸秆粉碎还田监测装置，补贴额640元；第四档，不带自动驾驶系统，也不带深松作业或秸秆粉碎还田监测装置，但是带有北斗定位、图像采集和显示设备，补贴额400元。

十二五和十三五期间，农业部连续发布了《全国农机深松整地作业实施规划（2011-2015）》、《全国农机深松整地作业实施规划（2016-2020年）》，我国适宜地区的7亿亩耕地将全部进行深松整地作业，并进入“同一地块三年深松一次”的作业周期。深松作业补贴极大地促进了北斗/GNSS终端及质量监测传感器的应用推广。

2017年9月，农业部对政协十二届全国委员会第五次会议提出的关于加大对农业机械补贴力度的提案进行答复时表示，农业部将研究开展补贴机具分类分档优化工作，重点选取大型、多功能、复式作业、具有绿色生态特征和结构型式变化的机具，以省为单位进一步细化分档，提升补贴档次的精准性，提高资金使用效益。该措施有望进一步促进以北斗为核心支撑的智能农机具的研发和应用推广。

3.2 项目资助

发改委、农业部等国家部委及北斗专项，也通过示范项目的方式，支持北斗系统在精准农业中的应用。例如，2014年国家发改委支持新疆兵团第八师开展区域精准农业示范，该示范项目为首批800台套的北斗农机自动驾驶导航系统，提供1万元的项目补贴，极大地促进了自动驾驶导航系统的规模化应用。到目前，第八师已安装自动驾驶导航系统约1600台套。由于自动驾驶导航系统提高了作业效率和作业质量，使得未安装该系统的农机户，难以获得作业订单，部分农机户甚至面临被淘汰的风险。

农业部自2017年起开始实施“数字农业建设试点项目”，在大田种植方向，提出“建设北斗精准时空服务基础设施”，实现农业机械高精度自动作业、精准导航与实时信息采集。在十三五期间，农业部将持续支持适宜地区开展数字农业建设试点，并给予每个试点项目不超过2000万的国家项目资金支持。

中国卫星导航系统管理办公室通过北京市北斗卫星导航应用示范、江苏省北斗综合应用示范、湖北省北斗卫星导航应用示范等项目，也支持了北斗精准农业应用，有力地促进了北斗系统在中国精准农业领域的应用推广。北斗农业规模化应用思考

北斗在中国精准农业领域的应用方兴未艾，在取得可喜成绩的同时，也应该看到在发展的过程中暴露出的诸多问题。例如，在财政补贴方面，各省市推进力度不一?樱?未能实现对北斗农机自动驾驶导航系统进行敞开补贴。在项目资助方面，各部门自行其是，缺乏协调和统筹，重复投资普遍，重点方向不突出。在差分增强基础设施建设方面，固定式和移动式单基准站广泛使用，因缺失技术和管理协调，使得基准站无效冗余严重、同近频干扰现象普遍。此外，北斗预装和后装标准的缺失，也使得市场销售的产品良莠不齐，损害了购机户的利益，同时也导致各地难以对这类新产品进行检测和鉴定，影响了地方农机部门对北斗应用的积极性。鉴于此，作者提出以下发展建议。

（1）梳理中国精准农业技术、装备和服务体系。部农机化司已委托中国农业大学，根据中国农业发展的具体国情，借鉴发达国家的发展经验，梳理有中国特色的精准农业技术、装备和服务体系，以有效指导中国精准农业体系的研究和建设。各部门在开展北斗农业应用支持时，宜经充分协调沟通，形成合力，避免重复投资，共同推动中国精准农业的发展。

（2）统筹建设精准农业需要的北斗差分增强基础设施。面向精准农业应用，需要综合考虑北斗差分增强服务的精度、可靠性、广度和成本。通过合理布局，分层次地建设分米级和厘米级农用北斗差分增强基础设施。特别是针对无线电频段应用，建议国家农机主管部门与国家无线电管理局开展协调，规划农业用无线电频段。

（3）统筹制定北斗精准农业应用标准体系。目前，中国农业机械工业协会、中国农业机械化协会、中国农业机械学会均在组织研制北斗精准农业应用相关的团体标准和国家标准，缺乏必要的统筹和协作，不利于行业发展和满足应用急需。北斗精准农业应用标准体系的统筹研究势在必行。

（4）发展精准农业技术装备检验检测服务机构。为落实国务院“放管服”改革精神要求，适应行政事业性收费改革新形势，部农机化司于2017年推进了农机试验鉴定工作改革，对《农业机械试验鉴定办法》（农业部令2015年第2号）进行了修订，形成了《农业机械鉴定办法（征求意见稿）》，并将于2018年1月1日正式施行。此次修订的一个重要内容是“明确第三方机构通过相应能力认定可承担鉴定的检验检测业务”。因此，具有一定技术基础和检验检测资质的机构，均应响应市场需求，拓展精准农业技术装备相关的检验检测业务。

第三篇：生物技术在制药行业中的应用

生物技术在制药行业中的应用

摘 要：改革开放以来，随着人们生活水平的不断提高，人们对药物的疗效及质量和安全问题也越发的重视，而很多传统的药物，在长期被人们使用的前提下，已经逐渐变得不能满足现在人们的体质以及在生病后的疗效，在这期间生物技术（biotechnology）的问世，有针对性的解决了相关的问题；大量的生物技术应用于药品的生产上，开发新的药品，以及对传统药物进行改良，生物技术在制药行业的作用也越发明显。也使得人们在生病后，能得到有效的药物治疗。

关键词：生物技术；制药行业；应用 生物技术（biotechnology）（生物工程）的理念

生物技术（biotechnology），也被人们称作为生物工程，以现代生命科学为核心基础，结合其他类别的基础科学，并采用极为先进的科学技术手段，根据计划，对生物体进行改造或者是加工生物原料，进而生产人们所需要的产品。

生物技术（biotechnology），利用动植物体以及微生物对物质原料进行加工，并生产处相关产品，为社会服务。其主要分成现代生物技术以及发酵技术两大类别。

生物技术可以说是，现代生物学的发展以及和相关科学融合的产物，以DNA重组技术为根本，并包括了细胞工程、生化工程以及微生物工程和生物制品等。生物技术在制药中的应用

2.1 细胞工程制药

就目前我国的生物技术（biotechnology）来讲，有关于细胞工程还没有一个统一的定义以及范围，通常认为，细胞工程就是根据分子生物学和细胞生物学的原理，并采用细胞的培养技术，对细胞进行水平的遗传操作。细胞工程大致上可以分为细胞质工程以及染色体工程和细胞融合工程这三种。而归根结底，细胞工程就是利用动物以及植物的细胞培养进而生产药物的技术。例如，利用动物细胞培养可身缠人类生理活性因子以及疫苗和单克隆抗体等产品；再如利用植物细胞培养可以大量的生产经济价值极高的植物有效成分，提取药材精华，也可以生产人类活性因子以及疫苗等重新组合DNA产品。

值得注意的是植物细胞培养并不会受到客观的地理以及环境的影响，次级代谢的产物在产量上比较高。例如，人身皂苷在该组织培养中含量占干重的27%，而全株只有可怜的1.5%。现在不少药用植物，如三七和人参等的培养已经有了系统化的研究，并且充分优化了培养条件。值得庆贺的是人参细胞培养物的化学成分以及药理活性，相比于种植人参并没有明显的差异。

关于细胞工程制药技术，在国外一些相关的细胞工程制药已经达到了商业化的生产水平，例如美国的Phyto公司的紫杉醇的生产商已经达到了75000L的生产规模，而日本植物细胞培养反应器的规模达到了4000L～20000L的惊人地步。

除却大规模的细胞培养技术，不定根组织与毛状根的培养也特别成功。例如培养的黄芪毛状根的药效与药用黄芪不分上下，而在丹参毛状根的培养上，其含有的丹参碱，能在分泌中得到培养。例如，希腊毛地黄细胞，在褐藻酸盐的固定化培养中，可以将其中有毒物质的毛地黄苷转化成为地高辛，在利用紫草细胞培养技术生产出紫草宁等。而根据野生新疆雪莲的辐射以及抗炎等作用，贾景明等相关技术人员进行了天然新疆雪莲镇痛以及抗炎和抗辐射与细胞培养的药理实验，而实验表明，新疆雪莲细胞的培养物完全可以称为野生新疆雪莲的替代品，其药效与野生新疆雪莲几乎相同，而该实验也取得了深入开发应用的极高价值。而细胞培养技术甚至可以进行如犀角等极为昂贵的药用动物器官的培养，在解决资源的短缺同时，有效的保护了稀有动物的生存。

2.2 发酵工程制药

生物技术中的发酵工程，又称为微生物工程，是指利用现代生物工程的技术，利用微生物的相关特定功能，生产出对人类有用的产品，或者直接把微生物应用于工业生产中。

发酵工程制药是利用微生物的代谢过程，所生产药物的生物技术。例如人们普遍认知的抗生素、氨基酸以及维生素等。而发酵工程的制药在研究也主要在微生物菌种的筛选和改良上，还有极为重要的产品后处理也就是分离纯化。

在现如今的社会中，DNA的重组技术在微生物菌种改良上起到了举足轻重的作用。在上世纪七十年代，细胞融合以及基因重组技术的飞速发展的情况下，发酵工程进入了现代化的发酵工程阶段。不仅仅是酒精类饮料以及醋酸和面包，并且猪脚生产了生长激素以及胰岛素等多种医疗保健药物。

周晓燕等相关研究人员用精良选育的猪芩PU-99菌做生产菌株，在1t灌中生产，菌丝体重达2.3%，含粗多糖31%；该实验充分的利用了发酵工程，并在当时得到了广大的认可。利用微生物成长代谢来炮制中药，比一般的物理或化学炮制手段更为优越，能较大幅度的改变中药的药性，并且提高疗效的同时，大大减轻毒副作用，使得中药活性成分结构提供了新的途径。

2.3 酶工程制药

酶工程是利用酶、细胞或者细胞器具有特殊催化功能，并使用生物反应相关装置以及通过一定的技术手段生产出的人类所需要的产品。这是一种酶学理论与化工技术两相结合而形成的新型技术，现如今依旧有数十个国家采用了固定化酶以及固定化细胞，进行药品的生产。

酶工程可以说是现代生物技术组成的重要部分，酶工程制药也是将酶用于药品生产的技术。固定化酶可以全程合成药物的分子，并且还能用于药物的转化。而我国就是充分的利用了微生物并使用两步转换法生产出了维生素C。

就我国的酶工程制药来讲，其主要研究方向在，各种酶（细胞）的固定化以及产药酶的来源和酶反应器还有相关的操作条件等。可以说酶工程应用具有极其广阔的发展前景，该技术将使得整个发酵工业和化学合成工业发生巨大的变革。

2.4 基因工程制药

基因工程是在基因的水平上，按照人类的需求，有针对性的涉及，并且按照设计的方案，生产出具有某种新的形状的生物产品，并且使得其可以稳定的遗传给后代。基因工程的设计与与工程设计有些类似，既显示出理学的特性，也具有工程学的特点。

工程制药也是通过将DNA重组技术应用到疾病的治疗中，例如蛋白质、酶以及肽类激素和其他药物的基因转移到宿主体内，使得细胞繁殖，最终获得相关的药物。如苯丙氨酸以及丝氨酸和次生代谢的产物所制成的抗生素，通常是一些人体内的活性因子，例如白细胞介素-2和胰岛素以及干扰素等。

而目前我国基因工程的研究方向，主要在基因的鉴定以及克隆和基因载体构建的产物的表达以及分离纯化等。人类掌握基因工程技术在时间上虽说不是很长，但已经获得了很多具有实际应用价值极高的成果，而基因工程为现代生物技术组成的重要部分，在未来相当长的一段时间里，都会在制药中发挥出极大的作用。结束语

生物技术在制药的应用中，其地位是无法替代的，并且其影响力也不断的扩大。而生物技术也将在中西药物的研制以及融合还有生产中的大部分环节得到广泛的应用；并且可以有效的保护相关的濒危灭绝的草药以及珍稀动物，在批量生产高品质的药材的同时，还能提高其活性成分。而有效的利用现代生物技术可以使得制药行业在药品的质量以及安全性上得到提高，最终使得制药行业得到更为广阔的发展。

参考文献

[1]张雅阁.高新技术在中药制药领域应用的分析和探讨[J].山东工业技术，2014（18）.[2]王兰，朱磊，徐刚领，等.单克隆抗体类生物治疗药物研究进展[J].中国药学，2014（23）.[3]王一岭.内蒙古自治区发酵制药类项目发展现状及污染防治问题探讨[J].内蒙古师范大学学报（自然科学汉文版），2014（3）.作者简介：张岩（1982，4-），女，山东，汉族，哈尔滨学院毕业，初级职称，研究方向：生物工程。

第四篇：GPS卫星通信系统在实际中的应用(杨波)

1． TD-SCDMA概述

TD-SCDMA——英文全称为Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，即时分的同步码分多址技术(也可简称TD，以后出现的TD除非特别说明，均表此意)，是中国电信行业百年来第一个完整的移动通信技术标准，是可替代UTRA－FDD的方案，得到了中国通信标准化协会（CWTS）及3GPP国际组织的全面支持，是ITU正式发布的第三代移动通信空间接口技术规范之一。

TD-SCDMA集码分多址（CDMA）、时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）等技术优势于一体，采用智能天线、联合检测、接力切换、同步CDMA、软件无线电、低码片速率、多时隙、可变扩频系统、自适应功率调整等技术，具有系统容量大、频谱利用率高、抗干扰能力强等优点的移动通信技术。

TD-SCDMA是我国具有自主知识产权的通信技术标准，与欧洲的WCDMA标准、美国的CDMA2000标准并称为3G时代主流的移动通信标准。

1.2． TD-SCDMA技术发展历程

2001年3月，3GPP正式接纳了中国提出的TD-SCDMA第三代移动通信标准全部技术方案，并包含在3GPP版本4（Release4）中。

2002年 大唐、普天、华为、中兴等成立TD产业联盟，信产部为TD分配155M频段；

2004年底，完成MTNET测试；

2006年，在信产部组织下在保定、青岛、厦门、北京、上海进行了3阶段的小规模试验网技术验证；

2007年，10省市大规模实验网建设开始（青岛，保定分别由网通、电信承建）。

信息产业部正式通过3G三大国标：WCMDA、CDMA2000、TD-SCDMA，标志着 TD-SCDMA作为我国第一个具有自主知识产权的通信行业标准已经成熟，能够指导企业进行研发制造生产。

1.3．TD-SCDMA移动通信技术的原理

1.3.1.TD-SCDMA移动通信技术的主要技术参数及标准

TD-SCDMA系统全面满足IMT-2000的基本要求。它采用不需配对频率的TDD双工模式，以及FDMA/TDMA/CDMA相结合的多址接入方式，同时使用1.28Mc/s的低码片率，扩频带宽为1.6MHz（表1）。

表1 TD-SCDMA主要参数 载波带宽 最小频谱 双工型式 多址方式 码块速率 调制

1.6MHz 1.6MHz TDD

TDMA，CDMA，FDMA 1.28Mc/s QPSK 8-PSK 40km

最大蜂窝范围 最大音频容量

EFR：55

(Erl.)数据流量 6Mb/s 理论最大数据率／

325kb/s/MHz/cell

用户

系统对称性

1:6-6:1

(DL:UP)

3G移动系统的主要挑战之一是既要控制诸如谈话和视频等对称线路交换业务，又要控制移动因特网接入的非对称分组交换业务。面对这一挑战，TD-SCDMA集成了两项先进技术：一种是先进的TDMA/TDD系统，另一种是自适应CDMA组成的对称模式的运作。

TD-SCDMA技术所基于的基本技术标准如下：

（1）TDD（时分双工），允许上行和下行在同一频段上，而不需要成对的频段。在TDD中，上行和下行在同一频率信道中的不同时间里传输。这可能改变双工交换点和从上行移动容量至下行，反之亦然，这样就优化了频谱的使用。它允许对称和非对称数据业务。

（2）TDMA（时分多址），是一种数字技术，它将每个频率信道分割为许多时隙，从而允许传输信道在同一时间由数个用户使用。

（3）CDMA（码分多址），在每个蜂窝区使多个用户同时接入同一无线信道成为可能，提高了通信息的密度。但每个用户会干扰其他人，从而导致多接入干扰（MAI）。

（4）联合检测（JD），允许接收机为所有信号同时估计无线信道和工作。通过单个通信流量的并行处理，JD消除了多接入干扰（MAI），降低了蜂窝区内干扰，因此提高了传输容量。

（5）动态信道分配（DCA），先进的TD-SCDMA空中接口充分利用了所有

可提供的多址技术，充分地使用了这些技术。TD-SCDMA依据干扰方案提供了无线资源的自适应分配，降低了蜂窝区之间的干扰。

（6）终端互同步，通过精确的对每个终端传输时隙的调谐，TD-SCDMA改善了手机的跟踪，降低了定位的计算时间，以及交付寻找的寻找时间。由于同步，TD-SCDMA不需要软交付，这样可更有利于蜂窝覆盖区降低蜂窝间的干扰，并降低设施和运行成本。

（7）智能天线，是在蜂窝区域通过蜂窝和分配功率跟踪移动用户的使用的波形控制天线。没有智能天线，功率将分配至所有的蜂窝区域内。智能天线降低了多用户干扰，通过降低蜂窝间的干扰而提高了系统容量，提高了接收的灵敏度，并在增加蜂窝范围的同时降低了传输功率。1.3.2.无线信道接入

1.TDMA/TDD

结合了TDD（时分双工）的TDMA（时分多址）极大地改善了网络的性能，在上行和下行方向，依据网络资源处理网络通信流量。TDMA使用了5ms的帧分成7个时隙，能够灵活地安排几个或一个要求多个时隙的用户。TDD允许流量上行的规格（从手机到基站），并使用同一帧的时隙下行（从基站到手机）。

对使用持续音频电话和视频电话（多媒体应用）的对称业务来说，双向传输的数量是相同的，上行或下行的时隙被平等地分开。对于使用因特网访问（下载）的非对称业务来说，从基站到终端的传输数据容量高。相对于上行，下行使用了更多的时隙（见图1）。

图1 TDMA/TDD 2.不成对频段与成对频段

在单一不成对的频段里数据加载的自适应上行／下行对称性的这一能力，优化了空中接口的容量，因此能更有效地使用频谱。相反，FDD（频分双工）方案——使用于传统的CDMA3G标准，使用一对频段分别上行或下行。作为对称加载，部分频谱被占用但没用于数据传输，这些闲置的资源也不能为其他业务使用，导致了频谱的非有效利用。未来的移动应用将要求所提供频谱的有效利用，以及具有控制极端非对称数据流量的能力。TD-SCDMA十分适合这些要求，被视为3G业务理想技术（见图2）

图2 不成对频段与成对频段

3.集成TDMA/TDD和CDMA的操作

除了TDMA/TDD规格，TD-SCDMA使用CDMA（码分多址）来进一步增加无线界面的容量。根据CDMA，用户的信息码通过由CDMA的扩展码产生的随机码（来自芯片）来增加用户数据的方式铺在更宽广的带宽上。在每个时隙中，可传输最高达16个数字的CDMA码（CDMA的最大加载代理）。使用1.28Mc/s的芯片率，允许1.6MHz的带宽。根据其操作许可证，网络运营商配置多TD-SCDMA1.6MHz的载波带宽。每个无线电资源设备因此被特殊的时隙和特殊载波频率上的特别码所确认。为了达到高符码率，TDMA/TDD支持变量扩展代理和多码连接（见图3）。

图3 集成TDMA/TDD和CDMA的操作

1.3.3.联合检测

1.CDMA发射的问题和限制

移动无线电传播受多反射、衍射和信号能量衰减的影响，起因包括诸如楼房、山等普通障碍物，以及终端的移动性。其结果被称为多径传播，产生两种不同的衰落：慢衰落和快衰落。快衰落发生在不同延迟路径几乎在同一瞬间到达的时候，甚至接收机移动了短距离，也会发生信号的终止。慢衰落主要产生于渐变过程，信号能量通过明确的可识别时间瞬间到达接收机。

此外，这些信号的衰减相对于每一种移动通信都很普遍。CDMA传输因其“自干扰”特性而受限。每个CDMA信号与所有其他信号在相同无线载波上是超载的，而且接收的（宽带）信号可能比热噪音要低（图4a）。相关的接收器（匹配的过滤相关器）用来去扩展和接收原始用户的信号。理想的相关检测，将依靠扩展代理（相关增益）从干扰增殖中提高请求用户信号。不同码的正交性将保证请求信号的正确检测。

2.多接入干扰

CDMA系统的实际接收的扩展码并不是完全地正交，相关的处理不能如此有效。结果，多接入干扰（MCI）就在接收机里产生了：请求信号没有有效地从干 5

扰用户中区分出来。不容易从MAI里显现出来的受检测信号相对于噪声来说要低（图4b）。多接入干扰使每个无线载波的通信流量受限。

图4 联合检测

3.联合检测设备

一个有效的消除MAI的方法是在匹配过滤相关器的后面使用联合检测设备，这是一个扩展所有CDMA信号为并行的经过优化的多用户检测接收机。TD-SCDMA技术允许联合检测接收设备补充在基站和手机里。每个时隙里的特殊训练序列允许接收机评估无线信道的参数。使用特殊的算法，DSP将所有CDMA码扩展成并行，并去除由内在CDMA码造成的干扰（MAI），从而为CDMA码准备了一条清晰的信号（图4c）。1.3.4.智能天线

使用全向天线，发射无线功率分发至整个蜂窝区。结果，使用相同的射频载波，蜂窝间的交扰产生于所有临近蜂窝区。为了进一步改善系统抗干扰的突发性，TD-SCDMA基站装备了智能天线，该天线利用了波束赋形概念。另外，智能天线通过特殊的终端直接发射和接收信号，改善了基站接收机方向增益的灵敏性，增加了终端的接收功率，并降低了蜂窝区间和内部间的干扰。TD-SCDMA配置的智能天线技术不是传统的差异波交换天线，而是更先进的波束赋形（以及波束控制）双向自适应天线阵列。基站和手机间的各自的方向性由一个可编程的相关电子调相和调幅的8天线元件同中心阵列获得。终端跟踪由每秒200次的间隔5ms的测量到达的快角度所完成（见图5），并可低成本地提供基于位置的业务。

图5 智能天线

1.3.5.动态信道分配

首先了解一下什么是信道？信道就是你打电话时占用的通信链路（线路）资源，如同你开车在马路上行驶时，你所使用的车道、交通标志、红绿灯信号等，这些资源对于你行车是必不可少的；在TD-SCDMA通信时，信道使用频率、时隙（时间）、码字等表征所使用的无线资源。

动态信道分配，就是根据用户的需要进行实时动态的资源（频率、时隙、码字等）分配。

蜂窝间界面的进一步优化由动态信道分配（DCA）获得。先进的TD-SCDMA无线界面充分利用了所有可提供多址技术的优势：TDMA（时分多址）、FDMA（频分多址）、CDMA（码分多址）和SDMA（空分多址）。充分地最佳使用了这些技术，TD-SCDMA依据界面方案提供了理想的和适应性的无线资源分配，使蜂窝间干扰最小化。

使用DCA的三种不同方式

（1）时间域DCA（TDMA操作），通信量动态地分配至最小干扰的时隙里。

（2）频率域DCA（FDMA操作），通信量动态地分配至最小干扰的无线载波（在5MHz频段上可提供3个1.6MHz载波）。

（3）空间域CDA（SDMA操作）：自适应智能天线选择最合适的方向以单一用户方式来解除这种组合。

（4）编码域CDA（CDMA操作）：通信量随机地分配至最少干扰的编码（见图6）

图6 动态信道分配

动态信道分配的优点：

1、频带利用率高

2、无需网络规划中的信道预规划

3、可以自动适应网络中负载和干扰的变化等。

动态信道分配（DCA）根据调节速率分为：慢速DCA和快速DCA。

慢速DCA将无线信道分配至小区范围，而快速DCA将信道分至业务。RNC负责小区可用资源的管理，并将其动态分配给用户。RNC分配资源的方式取决于系

统负荷、业务QoS要求等参数。目前DCA最多的是基于干扰测量的算法，这种算法将根据用户移动终端反馈的干扰实时测量结果分配信道。

1.3.6 终端同步

像所有的TDMA系统（GSM包括在内）一样，TD-SCDMA需要手机和基站之间的精确同步。这一同步因用户的移动性而更加复杂，这是因为他们相对基站的距离在变化，他们的信号的传播时间也在不断变化。预先置于手机里的精确的计时在传输中消除了上述变化的时间延迟。为了补充这些延时，避免邻近时隙的干扰，手机预先在接收和发射间设有时间补偿，这样使得到达帧可在基站同步（见图7）。

图7 终端同步

信号到达基站的这一精确同步的效果，使多用户的联合检测得到了极大的改善。同步配置提供了优于异步的许多优点。首先，终端的可跟踪性得到改善，定位时间的计算明显地降低了。此外，在同步系统中，手机在不能自动接收或发射时，能够进行相邻基站无线链接质量的性能测量。这样就降低了交付寻找的寻找时间，并在邻近时间里产生极大的改善。正因为同步，TD-SCDMA不需依靠软交付在蜂窝边缘来改善覆盖和降低干扰。2.TD-SCDMA在3G建设中的重要应用

在2008中国国际信息通信展览会上，中国移动的展台主打TD-SCDMA新一代3G技术，其中的应用和服务已经开始提供，现场的展示也吸引了大批的行业人士和消费者。

一，手机视频通话

手机视频通话功能是TD-SCDMA的基本功能，是集图像、影音于一体的多媒体应用业务，只要在TD-SCDMA信号覆盖的范围内，手机支持就可以实现。二，HSDPA高速上网

HSDPA技术实现了提高TD-SCDMA网络高速下行数据传输的可能，现在主要有384Kb/s以及2.8Mb/s的模块可供选择。三，手机电视

手机流媒体是利用TD-SCDMA网络数据服务，直接通过手机观看电视节目。通过手机电视，可以欣赏20路电视节目，还有视频点播的节目。四，移动视频会议

利用TD-SCDMA网络，可以提供8个人同时视频会议，用户可以根据网速选择仅语音加入会议或视频加入会议。五，多媒体彩铃

当您的朋友拨打您的TD手机时，不仅可以听到音乐，还可以看到个性的动画。现场移动的展示人员就演示了以《北京欢迎你》作为彩铃的应用效果。六，POC手机对讲

类似于对讲机的即按即说模式，在一个群组内可以实现一呼百应，最多可以支持80台手机，非常适合调度组织工作。这种服务需要群组内的每个手机都开通，按月收费。

七，大容量SIM卡

新一代SIM最大可达4GB，可以存储MP3、大容量电话本、移动游戏等等，我们还可以通过读卡器把SIM卡中的内容在电脑上读取出来。八，VOD视屏点播

通过TD-SCDMA网络，HSDPA高速下载，我们可以实现VOD视频点播，现场的环境中其2.8Mb/s的模块实现了每秒400Kb/s左右的速度，这取决于一个环境内应用这种网络用户量。

3.TD-SCDMA移动通信技术的发展趋势

TD-SCDMA系统作为由我国提出的第三代国际移动通信标准已经在我国得到大范围的应用。智能天线作为TD-SCDMA系统的一大特点，不但保证了系统的正常工作，而且也提升了整个系统的性能。智能天线的波束形成技术不是很新的技术，波束形成技术在雷达和声纳系统中已经有很多年的应用。由于TD-SCDMA的特性，使得TD基站的辐射要低于普通移动通信系统，其辐射的电磁辐射流通密度，更远低于国家电磁辐射限制值，完全符合环保标准，“绿色环保”当然也成为TD的一个主打词

目前，TD-SCDMA室外基站普遍采用了智能天线技术，其天线尺寸要比之前普通的2G天线大两倍左右。根据调查，由于智能天线尺寸的增大使得公众易形成新的辐射担忧，TD基站天线的面子问题也是困扰基站建设的问题之一。问题的出现必然带来新的解决方案，相关基站天线厂家在基站天线在小型化和美化方面做了大量的工作，取得了一些进展。在刚刚闭幕的北京通信展上，TD基站天线在小型化和美观化方面已经取得很大进展，可以预计，TD小型化基站天线和美观化天线将在未来的网络建设中起到越来越重要的作用。

参考文献

1、《移动通信技术》

丁雄

电子工业出版社

2、《现代通信技术》

李颖

人民邮电出版社

3、通信世网 www.xiexiebang.com、《TD-SCDMA第三代移动通信系统》

李世鹤

人民邮电出版社

5、《TD-SCDMA移动通信系统工程与应用-TD-SCDMA技术丛书》

杨丰瑞民邮电出版社

人

致谢

在即将毕业之际，我想借此机会对关心和支持我的所有人表示支持和感谢！感谢老师和同学在生活中还是在学习中给予我极大的帮助，使我能够树立正确的世界观、人生关、价值观。

大学在校期间总体来说也就两年的时间，但就是在这短短的两年时间里锻炼了我的独立性格，也学到了以前从未接触的知识和经验，使我能够在以后的生活中少走弯路。所以，我要感谢所有的任课老师，是你们的教育和培养，才使我学有所获。

大学生活给我的感觉可以说是多姿多彩的，能够参加很多业余活动，也丰富了我们的业余生活，还能够展示我们的才华，在此，我要感谢学院领导和老师对我们细致的关怀。

还有我要向在我论文倾注了大量心血和提供了许多帮助的各位老师、同学表示深深的敬意和谢意。我的指导老师袁野老师在我完成论文的过程中倾注了悉心的指导和大力支持，在此表示深深地感谢！

第五篇：大数据在教育行业中的应用

1.大数据在实验室管理方面的应用

海量数据已经使我们进入了大数据时代，数据信息的来源、传播速度和传播数量正在影响、改变着人们的思维方式和生活、工作习惯。近年来，基于“大数据”的实验室管理系统的开发以及互联网的实验室管理技术正在兴起。但真正被业内人士承认的教育领域的大数据应用却为数不多，其中被公认的当数东华大学的智能实验室项目。

2009年，东华大学教务处处长吴良提出实验室智能化管理的思路，并将材料学院作为试点单位。实验室智能化管理即用物联网的方式把实验室里所有的仪器设备都管理起来。实验室智能管理过程中记录了学生在实验室内所有的活动情况，包含学生进入实验室的情况，使用的仪器设备情况，使用仪器设备时长等，以及所有仪器的电流、电压都可以监控。如今，东华大学所有学院的实验室都纳入了智能实验室的管理。东华大学通过实验室智能管理系统进行各个方面的数据采集，并对数据进行深度挖掘，形成了各种各样的图表。从图表中可以看出哪些实验室申请的设备根本不必购买，哪些实验室不再需要拨钱。实验室的使用率和第二年的经费完全挂钩，最后实现教育经费使用的集约高效；也可以结合大数据的分析和模拟，建立新型的实验教学课程。

另外，华东大学智能实验室利用云平台（东华云）通过服务器虚拟化和实验教学资源管理系统进行管理，简化了管理流程, 节约了管理成本, 提高了服务器资源申请的灵活性，实现了实验资源管理的信息化和透明化。目前，东华大学智能实验室还实现了24小时开放无人管理、跨学院使用等人工无法实现的管理，数据显示，智能实验室的管理对学生学习自主性的提高有显著影响，学生在实验室的时间甚至超过了在教室的时间。

2.大数据在校园网用户行为分析方面的应用

经过多年的积累，人类的数据量、数据处理技术和能力都得到了质的飞跃，大数据时代给人类社会带来了诸多具有革命性的变化，而校园网的出现则是传统“言传身教”教育的一次革命。中职学生思想尚不成熟，自律力和识别能力不强，对于开放式的网络有些迷茫。校园网学生用户行为分析的研究是通过对校园网络的测量和分析，挖掘和发现网络中呈现出来的各种行为规律，同时识别一些异常网络行为，最后将用户行为分析展示。这样以便学校采取对应的策略及措施引导中职学生健康上网，从而使校园网真正成为学生获取知识的平台，提高学生的整体综合素质。

广东省电子职业技术学校罗萍设计了一个基于大数据的校园网学生用户行为分析系统，该系统从网站浏览信息、网站发帖留言、搜索关键词、网络购物等四个维度来描述基于校园网的学生用户行为。通过对网络内容的分析，可以进一步细化到学生用户在网络中具体网络行为、发表的言论和帖子、对网络资源的兴趣偏好是什么等等，从而有效掌握学生的上网行为动态。

随着计算机技术的迅速发展，大数据时代的网络行为已经成为当前学生校园生活中的一项重要活动内容，正在悄然的改变着学生的学习和生活。因此，深入研究学生网络行为，理性分析学生网络行为特点，动机和需求，以及如何引导学生合理运用网络资源，树立健康的上网理念，构建有益的校园网络环境，已经成为目前学校研究的重要课题。

3.数据挖掘在学习分析及干预中的应用

教育领域已经开发和应用了多款学习分析系统，主要集中在绩效评估、学习过程预测与学习活动干预三个方面。

绩效评估: 如美国 Northern Arizona University 研发的 GPS(Grade Performance Status)系统，可实现全校在校大学生的课堂学习绩效评估。该系统能为教师提供最新的学生出勤情况、学生的反馈意见，为学生提供教师的最新评价以及重大事项的提醒。

学习过程预测: 如澳大利亚 University of Wol-longong 研发的 Snapp(Social Networks Adapting Ped-agogical Practice)系统。该系统可以记载和分析在线学习者的网络活动情况(如学生在线时间、浏览论坛次数、聊天内容等)，使教师能深入了解学习者的行为模式，进而调整教学方式，最大化地为学习者提供适应的教学指导。

学习活动干预: 可分为人工干预和自动干预，现在主要集中在人工干预上，借助绩效评估工具和学习活动预测工具，由教师完成学习干预。自动干预是未来学习分析技术发展的方向，大数据将为这一目标的实现提供强大动力。

在教育管理改革方面，学习分析能为高职院校教育管理系统的方方面面提供指导教学管理活动的相关数据。依靠这些数据，高职院校管理部门可以有针对性地完善不足之处，修订教育管理方案，优化教学资源配置，并最终评估修订方案及资源配置情况。

在教学改革方面，学习分析技术能真正意义上营造信息化的教学环境，保证教师提供的学习服务契合学习者个性化学习、协作学习的需要。传统教学模式中，教师无法保证所提供的学习资源能真正满足学生的学习需求，无法适时调整和分配资源，无法提供个性化地学业指导，无法及时了解学习过程中出现的障碍与疑惑。这些问题都限制了高职院校教育改革的深度，而学习分析技术恰恰可以弥补这些缺陷。通过应用学习分析的相关工具和大数据技术，教师可以及时获取学生的学习行为数据，从而支持一种既能体现教师主导作用，又能兼顾学生主体地位的新型教学方式，以最大化地激发学生的潜能，为新世纪培养创新性人才。

在学习方式改革方面，学习分析技术的作用在于: 自动识别学习情境，能够从大量纷杂的数据中自动分析出学习者的特征信息，根据其需要推送适应的目标资源，并提供学习建议以协助学习者修订自己的学习任务；学习者可以实时调整自己的学习计划，预约辅导以解答学习疑惑；在特定情况下，还可以通过锁定学习者所在地理区域、学习特点等因素划分学习小组，以满足个别学习者的协作学习需求。此外，学习分析能为在校学生提供个性化的学习指导建议，以帮助学生规划在校学习路径，明确其学业成就的期望。

4.大数据在课程建设方面的应用

大数据时代学习者在数字化学习过程中留下很多数字碎片，通过分析这些数字碎片，我们将会发现学习者的各种学习行为模式。梁文鑫指出：大数据对课堂教学带来的主要影响是使教师从依赖以往的教学经验教学转向依赖海量数据教学分析进行教学，使学习者对自我发展的认识从依赖教师有限理性判断转向对个体学习过程的数据分析，从而使传统的集体教育转向对学习者的个性化教育。

目前流行的大规模在线开放课程（Massive Open Online Course，MOOCs）教育，MOOCs 教育被寄予厚望的主要原因是学习分析技术和大数据对它的支持，有了学习分析和大数据技术，优质的教学、课程资源和服务等通过数据真实客观的被呈现出来。比如：对每一门课程资源和支持服务系统的建设和维护都建立在学习者使用过程的数据分析基础上，从而使提供的课程内容更符合学习者的需求、教学指导更具有针对性，进而提高了学习者的学习积极性，促进了学习成功的实现。学习者在 MOOCs平台上学习时，教师和程序可以通过大数据对学习者的学习行为进行理性干预，比如：通过预测认知模型为学习者自动提供适合的学习内容和学习活动方案，通过作业情况、留言板以及讨论区的问题讨论情况可以发现存在学习困难的学习者，以确保可以及时对其学习进行有效干预等。

大数据的应用可以实现大规模在线教育的同时可兼顾学习者的个人需求，大数据对海量数据的高速实时处理技术可以为在线教育平台实时洞察学习者的变化、把握学习者的需求、提高学习效果提供支持，还可以对学习过程中产生的不相关信息进行深度分析，以预测和把握学习者的需求变化。

5.大数据在助学贷款方面的应用

国家助学贷款始于2000年，此后,全国各地普通高等院校陆续开办国家助学贷款业务。但由于政策设计的缺陷、学生个人的诚信缺失、银行的积极性等多方面的问题,贷款业务开展出现较大差异东部好于西部,南部优于北部,部属院校高于地方院校。年国家修正贷款政策,加大贷款工作力度和政策扶持力度,国家助学贷款工作才得以继续进行。但国家对家庭经济困难学生没有给出界定,更缺乏界定标准,因此各高校在确定助学贷款资助对象时,只能依靠学生个人陈述、老师自己的判断、同学之间的投票等方法对困难学生加以界定,以致帮困助学工作困难越来越多。同时,由于信息沟通缺乏有效的渠道,管理缺少统一的工作平台,很大程度制约了贷款工作的开展,影响了学校、银行工作的积极性。缺少信息的沟通,造成信息的不对称,也影响了工作的开展,出现管理的滞后。

2005年，郑爱华作为课题负责人,组织完成校内课题“济南大学帮困助学问题及对策研究”,主持申报了山东省科学技术发展计划软科学科学项目“山东省国家助学贷款中的问题成因及对策研究”,同年获得立项,项目编号：B2005016。

助学贷款决策支持系统是济南大学研究的山东省省级课题“山东省国家助学贷款中的问题成因及对策研究”的子课题之一。目的在于通过该系统,建立家庭经济困难状况指标评价体系,包括评价指标的设立、指标分值的量化、最后计算机进行决策计算,输出决策支持的结果,帮助学校确定贷款资助对象,建立贷款信息数据仓库，并将贷款信息通过计算机进行处理,实现快捷、方便、及时、准确的数据动态管理,克服银行、学校、学生、主管部门之间的信息不对称问题，实现科学决策、信息化管理的目标，有利于山东省助学贷款工作的健康发展,有利于减轻学校贷款工作的管理难度,降低贷款成本,为帮困助学工作开辟有效的途径。

河北省教育厅学贷中心河北省学生贷款管理中心于2007年开始实施助学贷款信息化建设,将先进的计算机技术应用到国家助学贷款管理工作中,建立“河北省国家助学贷款管理信息系统”,使学生对国家助学贷款的申请、学校对助学贷款的管理、银行对学生申请的审批以及其间的各种信息的交互等都实现网络化。6.基于大数据证据的教育教学决策

在美国，教育大数据为美国政府、教育管理部门、学校与教师做出合理的教育教学决策提供了可靠的证据。整体上，美国建立了严格的教育问责制度，包括利用州教育问责系统(State Accountability Systems)对各州教育发展情况进行全方位评价，借助于学区级评价系统(District-level Evaluation Systems)评价各学区、各学校的整体教育质量，并要求学校与学区要对后进生进行基于数据的支持性学习干预(Data-driven Interventions)。美国联邦政府以及各州政府基于对教育大数据的分析结果评价各州或州内学区的教育进展水平，并以此作为教育投入的依据以及教育政策制定的根据。

美国学校一般利用基于大数据的教育评价支持本校在规划学校整体发展、优化学生管理、制定教学质量改进计划等方面的教育教学决策。据统计，97%的美国中小学利用来自整个年级或整个学校的教育大数据确定学校需要提升的关键领域；分析学生的个体数据以便于分班或安排相关学习支持服务，包括了解哪些学生需要特殊支持或更多支持。47%的美国中小学通过专门的评价人员分析不同教师讲授同一教学内容或同一教师以不同教学策略讲授同一教学内容时产生的数据，评价教师的教学质量并提出教学方式变革计划。而83%的学校在利用教育大数据尤其是本校产生的大数据了解本校教师教学发展的现状与需求，并据此决策如何支持本校教师的教学发展。

学校教师可以利用教育大数据改进与优化自己的教学决策。整体上，教师可以利用大数据分析需要在何种时机对哪些学生以何种方式安排何种教学内容。教师利用本班学生产生的大数据，或同时借助与外部大数据的对比分析，可以深度评价本班学生的学习表现与学习效果，可以有效分析学生的学习偏好与个性化需求，分析学生群体的学习需求，同时也可以利用数据分析哪些学生更适合在一起进行小组学习，分析怎样分组才更合理。对于那些有学习困难的学生，通过对大数据的利用，可以分析出学生在什么环节、什么类型内容学习方面存在问题，分析哪些因素可能在影响学生的学习，这样便于给出适当的学习支持与干预。

那么，大数据从何而来？美国在教育评价的实施过程中主要依托覆盖全美的立体化教育数据网络，同时注重数据质量保障，有效地解决了教育评价“大数据从何而来”的问题。

国家级、州级(State-level)、学区级(District-level)以及校级(School-level)在内的各级各类教育数据系统(Educational Data System)均服务于教育问责体系。这些数据系统之间相互关联，数据互通，形成立体化数据网络，为美国教育评价用大数据的获取提供了基本的依托。

在国家层面，美国有由教育部与各州教育管理部门及一些企业协同创建与发展的教育数据机构EDFacts，建设了“教育数据快线(ED Data Express)”，还有美国国家教育统计中心(National Center for Education Statistics)，主要任务在于与教育部内部各机构、各州教育管理部门、各地教育机构合作提供可靠的、全国范围内的中小学生学习绩效与成果数据，分析各州报告的教育数据以整合成为联邦政府的教育数据与事实报告，为国家层面的教育规划、政策制定以及教育项目管理提供了有力的数据支持。

2005年，美国教育部启动了“州级纵向数据系统项目(The Statewide Longitudinal Data Systems(SLDS)Program)”，旨在帮助全美各州“设计、开发与利用州级纵向数据系统以便有效地、准确地管理、分析、分类处理与利用每一位学生的数据”，至今全美有47个州至少获得过一次本项目资助。

州级与学区级数据系统主要为区域性教育评价提供数据支撑，其中主要包括本州/学区学生的成长数据，教育工作人员在工作方面的安排与准备等相关数据，以及其它关于学与教条件的关键数据，比如教师人数、学生入学率、学生与学生家长及学校教职员工对于学校氛围、条件等方面的评价数据等，认为这些数据直接反映学校与学区在让学生做好毕业准备方面取得的进展情况。各州的教育数据系统基本都具有测量学生的成长(Student Growth Measures)、提供高中学习反馈报告(High School Feedback Reports)、实施学业预警(Warning Systems)的功能。学校常常利用四种类型数据系统来收集、整合教学过程数据或评价数据：一是在校学生的实时信息系统(Student Information System)，其中包括学生出勤率、人口学特征、考试成绩、选课日程等数据；二是数据软件坊(Data Warehouses)，其中保存了学校当前或历史上的学生、教职员工、财政方面的信息；三是教学或课程管理系统(Instructional or Curriculum Management Systems)，支持学校教师接入教学设计工具、课程计划模板、交流与协作工具，支持教师创建基准性评价；四是评价系统(Assessment Systems)支持快速地组织与分析基准性评价数据。7.大数据在招生方面的应用

数据挖掘是一项新兴的技术，是商业智能的重要组成部分。近年来，随着高校数据收集量的不断增加以及教育决策对量化分析结果的愈加依赖，数据挖掘在美国高校管理中的应用呈显著上升趋势。许多研究表明这项技术能帮助大学管理人员更好地分析数据，从而获取潜藏的、有用的信息和知识，最终提高决策效率。

加州大学9所分校在校长办公室的统一协调下通过“综合评审”的原则招收本科生。“综合评审”包括两个步骤：第一步是对申请学生的合格性通过多种方法进行确定；第二步是对合格学生的所有背景、特征及技能进行综合评定，并以此为标准做出录取决定。加州大学虽然保证录取所有合格的学生，但由于有的分校或专业竞争激烈，例如伯克利分校、工程专业等，因此不能保证完全按学生的报考志愿录取。在这种情况下，所有合格、但未被报考分校录取的学生，将被推荐到两所加州大学制定的分校，以确保尽可能录取每位合格的学生。另一方面，这两所分校也通过 录取这些“落榜”的学生来增加其入学人数。由于加州大学的录取审核工作是由各分校负责进行，招生的最后决定到四月初才能见分晓。这时许多学生可能同时接到其他大学的录取通知，并需要在短期内选择自己要上的大学。因此，从吸引合格学生入学的角度来说，这时再向学生推荐这两所大学为时已晚。为了提前做好这一工作，校长办公室招办在一月份申请截止日期之后就对申请学生的录取情况进行预测，并将这些合格但极有可能被拒的学生名单提供给这两所分校，供他们提前向学生宣传学校的情况，鼓励学生来这两所学校就读。校长办公室用来完成这项预测分析研究的工具就是SAS Enterprise Miner数据挖掘技术。

通过这项数据挖掘技术，加州大学可以更有效的招收合格的学生。8.大数据在学习成果评估方面的应用

随着大学教学模式由传统的“行为主义”方式向“构建主义”教学过渡，如何更有效地对学生成绩进行评估也成为广大教师和评估工作人员面临的挑战之 一。除了利用传统的考试方法对学生所学知识进行考核外，越来越多的授课教师侧重对学生的学习行为进行评价，譬如合作意识、创新精神、实践能力，等等。这些评价结果更有利于帮助学生提高学习效率，特别是应用知识的能力。但靠传统的评价方法很难有效地完成类似的评估工作，或者说评估结果的可靠性难以得到保证。近几年来，许多学者尝试利用数据挖掘技术提高评估效度。

哈佛大学的研究人员娇蒂·克拉克（Jody Clark）和克里斯·戴迪（Chris Dede）在这方面的尝试非常值得借鉴和参考。他们通过复杂的教育媒体收集丰富的与学生学习行为有关的数据，然后利用数据挖掘技术对其进行分析和研究。

评估结果的价值体现在：1）完成对学生的形成性评估，为教师及时提供信息反馈；2）完成对学生的总结性评估，以真实的实践表现为基础了解学生最终掌握知识的情况；3）根据学生的个性特征，深层了解学生的学习行为以及学习成效；4）合理评判学生合作学习和解决问题的能力；5）通过对学生的学习行为规律和学习成效之间的“路径”关系进行“挖掘”，洞察学生的学习动态。

9.衢州市柯城区依托大数据为学生“私人定制”成绩单

近年来，随着大数据成为互联网信息技术行业的流行词汇，教育逐渐被认为是大数据可以大有作为的一个重要应用领域，有人大胆地预测大数据将给教育带来革命性的变化。大数据技术允许中小学和大学分析从学生的学习行为、考试分数到职业规划等所有重要的信息。衢州市柯城区以大数据为依托，为学生“私人订制”成绩单。

2015年开始，衢州市柯城区启动教学质量诊断系统项目，采用CC教学测评系统对每个学生进行数据分析，为学生出具“学业诊断分析报告单”。“学业诊断分析报告单”基于对学生一个学期以来成绩的大数据分析，通过“单科成绩对比图”、知识点掌握情况分析表、知识点的个人掌握率和班级平均做对比表，将学生考试各科目考察的每一个知识点的掌握程度作出相应的分析，从数据中分析学生对知识点的掌握程度，对个人能力如识记能力、运用能力做出综合评价，为学生的学业作出一份细致全面的“体检诊断报告”。“学业诊断分析报告单”为学生提供了知识、能力掌握上的优势和不足信息，学生可通过分析原因，提高学习的针对性和有效性，减少重复的试题训练，进而有效减轻学习负担。教师可通过分析了解学生在知识、能力掌握方面存在的优势和缺陷信息，实施补教性教学，从而提高教学质量，促进学校教学、学生学习方式的改革和发展。10.大数据在学生扶贫方面的应用案列

西安交通大学学生处立足大学生资助工作实际，按照教育部“教育扶贫，十三五期间实现‘精准资助’”的要求，结合陕西省教育厅关于教育精准扶贫的工作思路，扎实开展了一系列“绿色通道”迎新工作：利用大数据完成学生贫困程度的精准识别，通过实地家访将绿色通道延伸到新生家中，开展“知心工程”让资助教育沁入学生心中，建立七位一体的资助系统让学生没有任何后顾之忧。西安交通大学提供给每个贫困生的，不仅是金钱的资助，更是被尊重及自信积极的人生态度。

资助大数据实现精确认定。在新生来校报到之前，通过“西安交通大学家庭经济困难学生综合认定系统”挖掘学生家庭经济困难指数，认定家庭经济困难学生情况，并以此为依据，主动引导特困新生在家中即可通过网上申请“绿色通道”并顺利入学，消除特困生家庭的后顾之忧，在此基础上与各书院共同主动开展有针对性的帮扶工作。

资助全覆盖实现精准帮扶。学校为每一位通过“绿色通道”入学的学生发放全套床上用品“爱心大礼包”，体现学校的关爱。新生入学后学校将陆续通过“奖、助、贷、补、勤、免、偿”七位一体的资助体系给予学生持续资助，确保每一位学生不会因为经济困难而影响学业。学工系统还通过“知心工程”工作体系，全面跟踪家庭经济困难学生情况，建立建全贫困生信息库。今年学校还将特别为建档立卡户新生每人发放一学期的生活费。11.希维塔斯学习”（Civitas Learning）利用大数据帮助学生提高成绩

在教育特别是在学校教育中，数据成为教学改进最为显著的指标。通常，这些数据主要是指考试成绩。当然，也可以包括入学率、出勤率、辍学率、升学率等。对于具体的课堂教学来说，数据应该是能说明教学效果的，比如学生识字的准确率、作业的正确率、多方面发展的表现率——积极参与课堂科学的举手次数，回答问题的次数、时长与正确率，师生互动的频率与时长。进一步具体来说，例如每个学生回答一个问题所用的时间是多长，不同学生在同一问题上所用时长的区别有多大，整体回答的正确率是多少，这些具体的数据经过专门的收集、分类、整理、统计、分析就成为大数据。

现在，大数据分析已经被应用到美国的公共教育中，成为教学改革的重要力量。为了顺应并推动这一趋势，美国联邦政府教育部2012年参与了一项耗资2亿美元的公共教育中的大数据计划。这一计划旨在通过运用大数据分析来改善教育。联邦教育部从财政预算中支出2500万美元，用于理解学生在个性化层面是怎样学习的。其中，“希维塔斯学习”建立了高等教育领域最大的跨学校数据库。

“希维塔斯学习”是一家专门聚焦于运用预测性分析、机器学习从而提高学生成绩的年轻公司。Civitas Learning提供了一套应用程序，学生和老师可以在其中规划自己的课程和安排。“希维塔斯学习”各种基于云的智能手机第三方应用程序（APP）都是用户友好型的，能够根据高校的需要个性化。这意味着高校能聚焦于各自不同的对象，相互不同地用这家公司的分析工具开展大数据工作。

该公司在高等教育领域建立起最大的跨校学习数据库。通过这些海量数据，能够看到学生的分数、出勤率、辍学率和保留率的主要趋势。通过使用100多万名学生的相关记录和700万个课程记录，这家公司的软件能够让用户探测性地知道导致辍学和学习成绩表现不良的警告性信号。此外，还允许用户发现那些导致无谓消耗的特定课程，并且看出哪些资源和干预是最成功的。

12.电子科大利用大数据寻找校园中最孤独的人

从硅谷到成都，大数据，这个新鲜的话题正在全球同步热传。一场关乎每个人生活、工作和思维的大变革正在悄然发生，大数据时代迎面袭来。

到底什么是大数据？大数据”是“数据化”趋势下的必然产物。数据化的核心理念是：一切都被记录，一切都被数字化。电子科大的周涛解释到，“大数据要求数据能充分发挥其外部性并通过与某些相关数据交叉融合产生远大于简单加和的巨大价值。”比如，国家电网智能电表的数据可以用于估计房屋空置率，淘宝销售数据可以用来判断经济走势，移动通讯基站定位数据可以用于优化城市交通设计，微博上的关注关系和内容信息可以利用于购物推荐和广告推送„„

他们做过一个有意义的课题——寻找校园中最孤独的人。他们从3万名在校生中，采集到了2亿多条行为数据，数据来自学生选课记录、进出图书馆、寝室，以及食堂用餐、超市购物等数据。通过对不同的校园一卡通“一前一后刷卡”的记录进行分析，可以发现一个学生在学校有多少亲密朋友，比如恋人、闺蜜。

最后，通过这个课题找到了800多个校园中最孤独的人，他们平均在校两年半时间，一个知心朋友都没有。这些人中的17%可能产生心理疾病，剩下的则可能用意志力暂时战胜了症状，但需要学校和家长重点予以关爱。