基于地理信息技術(shù)的智慧校園管理系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

朱海穎 高江濤

(中國民航大學(xué)信息網(wǎng)絡(luò)中心 天津 300300)

為實(shí)現(xiàn)新時(shí)期我國教育信息化轉(zhuǎn)型升級，2018年國家教育部出臺(tái)了《教育信息化2.0 行動(dòng)計(jì)劃》（教技〔2018〕6 號），正式提出我國教育信息化邁入“2.0 時(shí)代”。同年，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布《智慧校園總體框架》（GB/T 36342-2018）明確了智慧校園的定義。各高校深入探討并實(shí)施教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃，大力推進(jìn)智慧校園建設(shè)[1-4]。智慧校園以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以各種應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)為載體，聯(lián)合先進(jìn)教育理念，構(gòu)建集教學(xué)、科研、管理和生活為一體的智能化和智慧化校園環(huán)境。智慧校園管理系統(tǒng)的建設(shè)有助于開展校園管理活動(dòng)，為高校現(xiàn)代化管理探尋新的發(fā)展思路。

現(xiàn)行的智慧校園技術(shù)以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)為核心，面向師生提供了如教學(xué)、管理、后勤、安防等多方面的互動(dòng)，但是，現(xiàn)行的技術(shù)主要將校園空間形態(tài)和使用情況進(jìn)行數(shù)字化顯示，局限于二維空間和靜態(tài)層面。校園是由學(xué)習(xí)空間、工作空間、生活空間、運(yùn)動(dòng)空間等若干空間環(huán)境組成，是一個(gè)不斷發(fā)展變化，具有動(dòng)態(tài)三維屬性的整體。

因此，基于地理信息技術(shù)，以3D建模為基礎(chǔ)，構(gòu)建智慧校園管理系統(tǒng)，利用WebGIS、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)手段，輔助校園管理者對校園安全、地下管線資源、房屋、資產(chǎn)設(shè)備等進(jìn)行運(yùn)行管理，使校園各類應(yīng)用系統(tǒng)高度整合，利用大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對校園整體運(yùn)行態(tài)勢的全面掌握，以各類圖表形式將校園整體運(yùn)行情況進(jìn)行全面呈現(xiàn)，從而提升各類信息的獲取速度，并能夠及時(shí)、靈活、準(zhǔn)確地進(jìn)行相關(guān)的管理，實(shí)現(xiàn)智慧化校園管理新模式。本文基于地理信息的思想、技術(shù)，融合企業(yè)服務(wù)總線架構(gòu)，提出構(gòu)建了智慧校園管理系統(tǒng)。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、網(wǎng)絡(luò)三維建模等技術(shù)手段，組建動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)體，實(shí)現(xiàn)校園管理從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、從二維平面到三維空間、從粗略把控到精細(xì)化掌握，以中國民航大學(xué)為例，驗(yàn)證了平臺(tái)的具體使用效果。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文智慧校園管理系統(tǒng)采用層次化體系結(jié)構(gòu)，在沿用行業(yè)傳統(tǒng)的三層架構(gòu)模型基礎(chǔ)上，引進(jìn)ESB 技術(shù)框架，兼容原有信息系統(tǒng)與數(shù)據(jù)，消除應(yīng)用系統(tǒng)間的技術(shù)差異、實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換；支持不同類型數(shù)據(jù)的采集、整合、分析、展示，實(shí)現(xiàn)不同維度數(shù)據(jù)的聚合與關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)不同算法的預(yù)測與挖掘。系統(tǒng)由基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、業(yè)務(wù)支撐層、智慧應(yīng)用層組成，各層在不影響系統(tǒng)工作的前提下獨(dú)立進(jìn)行擴(kuò)展升級。總體架構(gòu)如圖1所示。

（1）基礎(chǔ)設(shè)施層是智慧校園建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施保障，包括設(shè)備層和網(wǎng)絡(luò)層。設(shè)備層能夠集成多類設(shè)備，包含安全管理相關(guān)設(shè)備，如攝像機(jī)、出入口道閘、門禁等；資源管理相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，如水電表、燈控等。網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)、校園網(wǎng)、專用網(wǎng)等的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)校園人與人、物與物、人與物之間的全面互聯(lián)、互通，增強(qiáng)信息獲取和實(shí)時(shí)服務(wù)的能力。

（2）數(shù)據(jù)資源層是智慧校園建設(shè)的主要數(shù)據(jù)來源，是該系統(tǒng)的主要層，包括地圖數(shù)據(jù)層和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)層。地圖數(shù)據(jù)層中校園地圖數(shù)據(jù)主要來源于無人機(jī)和手持式掃描儀等儀器進(jìn)行的遙感數(shù)據(jù)采集與校園建筑物CAD 圖紙。利用地理信息技術(shù)，構(gòu)建全面廣闊的GIS地理信息系統(tǒng)與詳細(xì)可靠的建筑物三維精細(xì)化模型，能夠真實(shí)還原建筑物原有風(fēng)貌。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)層對接各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)，能夠?qū)訌S家設(shè)備管理系統(tǒng)，如攝像監(jiān)控設(shè)備系統(tǒng)、門禁設(shè)備系統(tǒng)、燈控系統(tǒng)等，同時(shí)能夠?qū)咏y(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)等，能夠?qū)崿F(xiàn)對校園已建系統(tǒng)的全面對接整合，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化管理，為數(shù)據(jù)資源共享互聯(lián)提供技術(shù)支持[5]。

（3）業(yè)務(wù)支撐層融合企業(yè)服務(wù)總線技術(shù)，為智慧校園建設(shè)集成異構(gòu)平臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫，提供數(shù)據(jù)傳輸、協(xié)議相互轉(zhuǎn)化、資源路由管理等，實(shí)現(xiàn)以用戶為中心的服務(wù)模式，為智慧校園的智慧應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的業(yè)務(wù)運(yùn)行基礎(chǔ)。同時(shí)，還具備對數(shù)據(jù)的有效管理能力，為各類智慧應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對智慧校園建設(shè)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析。

（4）智慧應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)智慧校園與校園用戶的交流，包括系統(tǒng)層和應(yīng)用層。系統(tǒng)層包含校園對外門戶應(yīng)用系統(tǒng)、校園安全綜合管理系統(tǒng)、校園弱電管線應(yīng)用系統(tǒng)、校園樓內(nèi)管線管理系統(tǒng)、智慧校園大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等。應(yīng)用層能夠在校園地圖中顯示設(shè)備位置、獲取設(shè)備信息、獲取報(bào)警信息、實(shí)現(xiàn)校園室內(nèi)外導(dǎo)航、管線信息查詢、設(shè)備間管理、自動(dòng)放纜、連通分析、停水分析等。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 瓦片化地圖發(fā)布技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)（WebGIS）是Web 技術(shù)與GIS技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，其主要以基于HTTP、XML、GML 的B/S 結(jié)構(gòu)的瘦客戶端和Ajax 的RIA 技術(shù)模式為主要實(shí)現(xiàn)方式。傳統(tǒng)的WebGIS 系統(tǒng)是客戶端發(fā)送一次地圖瀏覽請求，服務(wù)器根據(jù)請求實(shí)時(shí)生成一張圖片，時(shí)間長、效率低、出圖慢。而利用瓦片化地圖發(fā)布技術(shù)[6]在服務(wù)器端預(yù)先生成不同級別的瓦片地圖，能大大提高地圖的生成、發(fā)布、顯示和瀏覽速度效率，極大地改進(jìn)客戶端和服務(wù)器端的交互效率，減輕服務(wù)器負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)擔(dān)。

瓦片化地圖發(fā)布技術(shù)主要由客戶端的Ajax 技術(shù)和服務(wù)器端的金字塔瓦片地圖庫構(gòu)建組成。在服務(wù)器端對地圖進(jìn)行預(yù)先切割，生成不同層次的電子地圖瓦片，建立金字塔結(jié)構(gòu)的地圖瓦片模型，采用數(shù)據(jù)庫或文件目錄的方式對瓦片地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫或存儲(chǔ)管理，并對金字塔瓦片建立線性樹瓦片索引。客戶端利用Ajax 技術(shù)編寫各類豐富的客戶端操作，訪問某一范圍地圖時(shí)，當(dāng)金字塔內(nèi)包含請求圖像時(shí)，返回請求圖像，若不包含該圖像緩存，則重新生成緩存并返回。由于這種預(yù)先處理WebGIS服務(wù)器解析生成地圖的過程，服務(wù)器端地圖圖片無須實(shí)時(shí)生成，使用戶訪問資源文件效率很高，平臺(tái)使用流暢，可以實(shí)現(xiàn)對各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。

2.2 WebGL技術(shù)

WebGL（Web Graphics Library）是一種3D 繪圖標(biāo)準(zhǔn)，直接以O(shè)pen GL 接口實(shí)現(xiàn)HTML5 的canvas 標(biāo)簽調(diào)用，以統(tǒng)一的Open GL標(biāo)準(zhǔn)，從Web腳本生成利用硬件加速功能的Web 交互式三維的圖形渲染，借助系統(tǒng)顯卡使3D場景、模型在瀏覽器里更流暢地展示。智慧校園管理系統(tǒng)利用WebGL技術(shù)，能夠通過瀏覽器網(wǎng)頁對校園建筑物室內(nèi)外進(jìn)行三維立體呈現(xiàn)效果，并且實(shí)現(xiàn)校園導(dǎo)航等豐富應(yīng)用功能，借助WebGL 繪圖協(xié)議，能夠更好地呈現(xiàn)各類建筑物分布的室內(nèi)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)通過位置獲取各類設(shè)備位置與相關(guān)信息。基于WebGL 實(shí)現(xiàn)的某建筑內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)三維場景如圖2所示。

圖2 基于WebGL實(shí)現(xiàn)某建筑內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)三維場景

2.3 企業(yè)級服務(wù)總線

企業(yè)級服務(wù)總線（Enterprise Service Bus, ESB）[7]是一種面向服務(wù)的設(shè)計(jì)方案，是目前數(shù)據(jù)集成采用的主流技術(shù),它簡化業(yè)務(wù)單元的集成，在異構(gòu)平臺(tái)和環(huán)境之間建立聯(lián)系。ESB系統(tǒng)的消息轉(zhuǎn)換和消息路由功能為數(shù)據(jù)異構(gòu)型問題提供了解決方案。利用ESB可以有效地實(shí)現(xiàn)松耦合、動(dòng)態(tài)地集成校園信息系統(tǒng)。

ESB基于應(yīng)用邏輯將系統(tǒng)應(yīng)用分解和封裝為服務(wù)單元，遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范開發(fā)服務(wù)，通過服務(wù)總線，重新定義業(yè)務(wù)邏輯和業(yè)務(wù)流程，自動(dòng)復(fù)用，通過冗余服務(wù)保證可靠性。按照數(shù)據(jù)流傳輸方向，分為數(shù)據(jù)提供方與數(shù)據(jù)接收方。數(shù)據(jù)提供方在數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)調(diào)用ESB 接口傳入Jason 文件，并發(fā)起流程；ESB 調(diào)用數(shù)據(jù)接收接口，以單條同步的方式進(jìn)行狀態(tài)同步；ESB通過日志回傳接口向數(shù)據(jù)提供方反饋數(shù)據(jù)接收方的狀態(tài)同步結(jié)果。當(dāng)以后新上線系統(tǒng)需要通過ESB與數(shù)據(jù)中心集成時(shí)，統(tǒng)一拓展Rest 服務(wù)接口，使用標(biāo)準(zhǔn)Web Service 協(xié)議實(shí)現(xiàn)消息通信、服務(wù)檢測等。企業(yè)級服務(wù)總線包含數(shù)據(jù)交互、服務(wù)管理、業(yè)務(wù)流程管理3個(gè)部分核心功能，能夠滿足于智慧校園管理系統(tǒng)相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)集成與交互等相關(guān)問題提供解決方案。ESB總體框架如圖3所示。

圖3 ESB總體框架

3 系統(tǒng)應(yīng)用

該智慧校園管理系統(tǒng)已在中國民航大學(xué)試運(yùn)行，目前基于地理信息技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了學(xué)校兩個(gè)校區(qū)的校園門戶信息管理系統(tǒng)、校園地下資源管理系統(tǒng)、校園三維管網(wǎng)管理系統(tǒng)三大功能模塊，具體如圖4所示。

圖4 智慧管理系統(tǒng)

校園門戶信息管理系統(tǒng)包含門戶信息、通用基礎(chǔ)信息和基礎(chǔ)空間信息，能更好地展示校園風(fēng)采、特色，提升學(xué)校知名度，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了信息的集中和互動(dòng)，利用地理信息技術(shù)，將校園建筑物、各類生活設(shè)施資源的分布位置進(jìn)行可視化的瀏覽、查詢、定位、分析、導(dǎo)航。

校園地下資源管理系統(tǒng)和校園三維管網(wǎng)管理系統(tǒng)，利用地理信息技術(shù)，根據(jù)校園室內(nèi)外地圖，實(shí)現(xiàn)在多維空間對各類弱電管線資源的位置、屬性、連通關(guān)系、路由走向、地下埋深等信息，以及樓外接入樓內(nèi)管線的分布情況與接入設(shè)備情況進(jìn)行可視化管理，輔助校園日常管線與樓宇的日常管理、維護(hù)、查詢使用等工作，進(jìn)一步降低管理難度，提高管理效率。該系統(tǒng)集成多類業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的全面集成與交互，并利用大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)對校園整體運(yùn)行情況的全面分析，洞悉校園運(yùn)行規(guī)律變化，為校園日常運(yùn)營管理提供全面的數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)語

鑒于目前的校園管理技術(shù)局限于二維空間和靜態(tài)層面，忽視了其本身所具有的三維動(dòng)態(tài)屬性，本文提出了基于地理信息技術(shù)的智慧校園管理系統(tǒng)架構(gòu)，研究了瓦片化地圖發(fā)布技術(shù)、WebGL 技術(shù)、企業(yè)服務(wù)總線等關(guān)鍵技術(shù)。應(yīng)用結(jié)果表明：通過對校園真實(shí)地物的數(shù)字化管理，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)字孿生，提供基于校園室外空間位置為基礎(chǔ)，承載各類業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)外、地上地下設(shè)備、資源的查詢、定位、管理等；同時(shí)實(shí)現(xiàn)各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)的全面集成，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)互聯(lián)共享，實(shí)現(xiàn)對校園整體運(yùn)營態(tài)勢的全面掌握，節(jié)約管理成本，真正實(shí)現(xiàn)校園智慧化管理的管理目標(biāo)。針對智慧校園管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，結(jié)合高校真實(shí)需要的業(yè)務(wù)場景與先進(jìn)的技術(shù)手段，進(jìn)一步提升校園智慧化管理的能力，全面實(shí)現(xiàn)校園業(yè)務(wù)系統(tǒng)的集中化、統(tǒng)一化的管理，實(shí)現(xiàn)位置與信息的全面結(jié)合。未來筆者將繼續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)功能、集成更多業(yè)務(wù)系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)全面的系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)打通。