智慧校園基礎(chǔ)平臺(tái)構(gòu)建及輕量化研究

【摘 要】分析智慧校園平臺(tái)構(gòu)建要素，通過問卷調(diào)研進(jìn)行功能需求分析。確定了智慧圖書館、智慧食堂、智慧教務(wù)的功能。通過BIM模型與無人機(jī)傾斜攝影得到的現(xiàn)狀地形模型完成智慧校園基礎(chǔ)平臺(tái)搭建，并對(duì)比4種將模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D的方案，為下一步具體功能的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】智慧校園；" 建筑信息模型；" 地理信息系統(tǒng)；" Unity3D

【中圖分類號(hào)】TU393.09【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2022-11-25

［基金項(xiàng)目］西南石油大學(xué)開放性實(shí)驗(yàn)基金（項(xiàng)目編號(hào)：2021KSZ08011）

［作者簡(jiǎn)介］丹巴（2000—），男，在讀本科，研究方向?yàn)橥聊竟こ蹋粨碇遥?001—），男，在讀本科，研究方向?yàn)橥聊竟こ蹋怀桃葸h(yuǎn)（2001—），男，在讀本科，研究方向?yàn)楣こ坦芾怼?/p>

［通信作者］湯文凱（1997—），男，碩士，研究方向?yàn)榻ㄖ畔⒒IM技術(shù)應(yīng)用等。

0 引言

自從“智慧校園”的理念被提出以來，國(guó)內(nèi)外大批學(xué)校開始了智慧校園的建設(shè)［1-2］。智慧校園的建設(shè)離不開校園各功能系統(tǒng)的信息化建設(shè)，隨著校園信息化程度要求日益提高，智慧校園數(shù)據(jù)庫信息存儲(chǔ)能力與表現(xiàn)能力面臨巨大挑戰(zhàn)［3］。基于三維模型的智慧校園，不僅能夠存儲(chǔ)大量的信息，融合更多的校園信息化系統(tǒng)，而且能夠更加真實(shí)的還原校園建筑物與地形地貌［4］。但是由于三維模型的體量龐大，導(dǎo)致平臺(tái)加載速度慢，運(yùn)行不流暢等客觀原因［5］，使得基于三維模型的智慧校園難以推行。

1 智慧校園平臺(tái)構(gòu)建

目前大多數(shù)高校的均有自己的數(shù)字校園，但其功能主要集中在校內(nèi)導(dǎo)航、校園三維展示方面，并沒有集成校內(nèi)各數(shù)字管理功能。依托于數(shù)字孿生概念，智慧校園應(yīng)當(dāng)作為實(shí)際校園數(shù)字化鏡像，通過物聯(lián)設(shè)施及其他監(jiān)測(cè)設(shè)備，將不易監(jiān)測(cè)但需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)集成到智慧平臺(tái)中，使智慧校園平臺(tái)在為師生提供方便的同時(shí)，為管理決策提供相應(yīng)的支撐。

1.1 智慧校園平臺(tái)結(jié)構(gòu)

對(duì)智慧校園平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)模塊主要包含四個(gè)方面，分別是智慧校園教學(xué)系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、業(yè)務(wù)功能及信息安全。針對(duì)智慧校園教學(xué)系統(tǒng)，相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中有著明確的規(guī)定，并對(duì)教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了基礎(chǔ)型、拓展型和高級(jí)型的劃分，目前國(guó)內(nèi)各高校都在積極推進(jìn)智慧教學(xué)系統(tǒng)，改善教學(xué)環(huán)境，豐富教學(xué)手段。智慧校園管理平臺(tái)核心是通過現(xiàn)代信息技術(shù)，解決校園日常管理過程中的日常辦公，資源、財(cái)產(chǎn)管理等，針對(duì)人群一般為高校在校老師及其他與學(xué)校日常運(yùn)行事務(wù)相關(guān)的人員。包含協(xié)同辦公、人力資源、教學(xué)管理、科研管理、資產(chǎn)管理、財(cái)務(wù)管理六大板塊，每個(gè)板塊的具體需求如表1所示。

智慧校園功能系統(tǒng)更多是針對(duì)在校學(xué)生［6］，以信息手段方便學(xué)生日常生活、學(xué)習(xí)、科研提供便利，包括生活服務(wù)、安全服務(wù)、數(shù)字圖書館、虛擬校園、運(yùn)維服務(wù)等功能。最后一個(gè)部分為信息安全系統(tǒng)，智慧校園平臺(tái)建立并投入使用后，每天會(huì)有大量的信息傳輸，信息安全的保障體系［7-9］，是整個(gè)建筑行業(yè)信息化的一大難題，也是智慧校園、智慧城市乃至整個(gè)數(shù)字孿生需要解決的重要問題。

1.2 智慧校園平臺(tái)功能需求分析

針對(duì)智慧校園功能集成問題，制作功能需求問卷，并進(jìn)行發(fā)放。共發(fā)放調(diào)查問卷20份，回收問卷20份，均為有效問卷。其中研究生12份，大一本科生1份，大二本科生3份，大三本科生5份，教職工1份。

（1）針對(duì)智慧校園平臺(tái)使用渠道問題，大多數(shù)受調(diào)查人員更加傾向于將智慧校園平臺(tái)作為手機(jī)APP或者微信小程序，對(duì)移動(dòng)端需求較大（圖1）。

（2）針對(duì)平臺(tái)功能的調(diào)研中，學(xué)生希望能夠?qū)⒛壳皩W(xué)校已經(jīng)在使用的教務(wù)系統(tǒng)、后勤系統(tǒng)等進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)通。新增智慧食堂、智慧圖書館、智慧充電等功能（圖2）。

（3）針對(duì)平臺(tái)使用，學(xué)生最主要反應(yīng)問題集中在學(xué)校各系統(tǒng)之間相互孤立，切換操作繁瑣，信息更新不及時(shí)等（圖3）。

1.3 智慧校園平臺(tái)建設(shè)重心

網(wǎng)絡(luò)是師生獲取信息的渠道，現(xiàn)階段的高校校園都在多個(gè)方面采取了信息化管理，尤其是在教務(wù)系統(tǒng)、后勤系統(tǒng)、招生就業(yè)系統(tǒng)等，大多數(shù)高校已經(jīng)處于多個(gè)信息化管理系統(tǒng)完成并使用階段，而且信息化管理的趨勢(shì)還在逐漸上升，但是各個(gè)管理系統(tǒng)不管是入口還是賬戶還相對(duì)零散，還缺乏一個(gè)一體化的平臺(tái)將整合，如調(diào)查結(jié)果所示，大多數(shù)人都贊成將各個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)一體化，并且調(diào)查對(duì)象大都希望能加入三維模型作為智慧校園的載體，但是首先要解決的是三維模型以及多個(gè)信息化系統(tǒng)的集成造成的使平臺(tái)臃腫的問題。

在智慧校園使用渠道方面，隨著手機(jī)的不斷發(fā)展，手機(jī)的處理性能越來越強(qiáng)，也越來越智能化，相較于電腦來說，便攜性會(huì)更強(qiáng)，所以大多數(shù)人都認(rèn)為智慧校園主要的使用渠道應(yīng)該是手機(jī)APP或者微信、支付寶小程序等移動(dòng)終端上。所以，綜上所述，用戶需要一個(gè)使用流暢、信息更新及時(shí)、能集成多個(gè)校園信息化系統(tǒng)的以三維模型為基礎(chǔ)的智慧校園APP，基于“BIM+GIS”的智慧校園即可以滿足以上條件。

2 智慧校園平臺(tái)建設(shè)

對(duì)于智慧校園中虛擬校園服務(wù)的三維模型，選擇采用“BIM+GIS”即“單體建筑模型+校園現(xiàn)狀地形模型”的組合對(duì)校園進(jìn)行一個(gè)虛擬的三維還原，校園的現(xiàn)狀地形模型一方面可以極大程度還原校園的整個(gè)樣貌，道路、建筑以及各類綠化景觀能得到較為真實(shí)的還原，另一方面傾斜攝影所生成的地形坐標(biāo)可以用于定位、導(dǎo)航等功能，有利于智慧校園平臺(tái)中對(duì)校園整體功能的把控。

而單體建筑模型是更精細(xì)化的校園模型，采用單體式的建筑信息模型，將其整合在校園現(xiàn)狀地形模型上，用于更加精細(xì)的信息化管理。在需要使用到該建筑相關(guān)功能時(shí)，即可單獨(dú)調(diào)用該建筑的模型，這樣可以大大減小平臺(tái)顯示的模型數(shù)量，也使平臺(tái)的運(yùn)行速度得到了充分的保證。

2.1 三維虛擬校園地形還原

在GIS的應(yīng)用方面，選用大疆的精靈無人機(jī)，結(jié)合DJI GS地面站飛行控制軟件進(jìn)行校園地形影像與地形坐標(biāo)數(shù)據(jù)的采集，將采集的影像導(dǎo)入Context Capture Center進(jìn)行三維重建。

進(jìn)行地形的三維重建后的地形模型實(shí)際效果可能不是特別好，例如在高層建筑的三維重建中，往往會(huì)出現(xiàn)比較大的畸變，這是由于這些高層建筑擁有相對(duì)的高度，使得無人機(jī)拍攝過程中，由于拍攝的角度較大使地形圖像拉扯變形導(dǎo)致的。所以，在這樣的情況下，就需要利用其他的一些逆向工程軟件對(duì)模型進(jìn)行一個(gè)修飾。

通過Geomagic的自動(dòng)網(wǎng)格分析和修復(fù)功能以及自動(dòng)曲面化功能等，對(duì)現(xiàn)狀三維模型進(jìn)行修復(fù)，然后重新導(dǎo)入Context Capture Center中，并重新輸出一個(gè)新的現(xiàn)狀三維地形模型，這樣輸出的現(xiàn)狀三維地形模型在精度上以及編輯程度上會(huì)有一個(gè)比較高的提升，如圖4所示，最后將修復(fù)過的模型作為智慧校園平臺(tái)場(chǎng)地基礎(chǔ)，具體流程如圖5所示

2.2 虛擬校園建筑還原

對(duì)于智慧校園數(shù)字平臺(tái)需要更深入應(yīng)用的單體建筑，可以采取Revit建模的形式，以嵌入校園現(xiàn)狀三維地形模型中，進(jìn)行更深層次的應(yīng)用。運(yùn)用Revit建模軟件，根據(jù)需求，對(duì)建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電安裝設(shè)備等各專業(yè)進(jìn)行建模，并賦予其真實(shí)的材質(zhì)與觀感，以保證對(duì)校園建筑的最大還原，如圖6所示。

3 智慧校園平臺(tái)輕量化處理

3.1 智慧校園引擎選擇

通過問卷調(diào)查可以得知，更多的師生傾向?qū)⒅腔坌@平臺(tái)集成為手機(jī)APP或者微信小程序。因此，圖像引擎選擇需要契合手機(jī)端的需求。Unity3D作為實(shí)時(shí)3D互動(dòng)內(nèi)容創(chuàng)作和運(yùn)營(yíng)平臺(tái)，在汽車、運(yùn)輸、制造領(lǐng)域（ATM），建筑、工程、施工領(lǐng)域（AEC），游戲領(lǐng)域及影視動(dòng)畫領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用［10］。其對(duì)項(xiàng)目資源兼容率高、模型效果好、模型輕量化程度高、上手容易操作簡(jiǎn)單、跨平臺(tái)發(fā)布、學(xué)習(xí)成本低的特點(diǎn)契合智慧校園平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)，因此選擇Unity3D作為引擎［11］。

3.2 模型處理方式選擇

將Revit模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D有多種方式，每種方式對(duì)應(yīng)的速度、金額、模型精度也不相同，選取4種方法進(jìn)行測(cè)試，具體方案對(duì)比情況如表2所示。

4 智慧校園平臺(tái)設(shè)計(jì)

4.1 智慧生活功能設(shè)計(jì)

西南石油大學(xué)目前已有較為完善的校園信息系統(tǒng)，包括基于網(wǎng)頁端的教務(wù)管理系統(tǒng)、在線學(xué)習(xí)平臺(tái)、教室管理平臺(tái)、招生就業(yè)平臺(tái)、后勤平臺(tái)以及OA辦公平臺(tái)等，足以看出，西南石油大學(xué)信息化管理程度已較高，并且還在不斷地加強(qiáng)信息化建設(shè)，已經(jīng)具備建設(shè)智慧校園平臺(tái)并對(duì)這些信息系統(tǒng)進(jìn)行整合的條件，同時(shí)根據(jù)師生訴求進(jìn)行相應(yīng)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)。

4.2 智慧管理功能設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)智慧理，首先應(yīng)真正實(shí)現(xiàn)校園數(shù)字孿生，通過傳感器等檢測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)將校園各項(xiàng)參數(shù)，例如校園環(huán)境信息，校內(nèi)能耗情況等同步到虛擬校園中，通過深度學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺等多種現(xiàn)代信息技術(shù)讓平臺(tái)可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的智慧管理，例如當(dāng)檢測(cè)到教室中人數(shù)少或光線充足時(shí)，可以自動(dòng)關(guān)燈或調(diào)低亮度；在某個(gè)區(qū)域溫度、煙霧指標(biāo)超高時(shí)，執(zhí)行保護(hù)措施等。

虛擬環(huán)境是在建立精細(xì)三維模型的基礎(chǔ)上結(jié)合相應(yīng)的某些環(huán)境參數(shù)，如重力、光照、溫度、氣壓、風(fēng)力等，對(duì)現(xiàn)實(shí)的物理環(huán)境進(jìn)行模擬。是對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的深度應(yīng)用，通過溫度、濕度計(jì)及空氣檢測(cè)儀對(duì)校園溫度、天氣、空氣質(zhì)量等數(shù)據(jù)的采集，再通過網(wǎng)絡(luò)層的傳輸，即可將校園天氣、溫度情況顯示到事先開發(fā)好的平臺(tái)UI界面上，前期在平臺(tái)上對(duì)學(xué)校的溫度、天氣以及空氣質(zhì)量進(jìn)行一個(gè)實(shí)時(shí)的顯示，后續(xù)加入各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，使系統(tǒng)更加完善。

5 結(jié)束語

在智慧化、數(shù)字孿生飛速發(fā)展的今天，高校作為一個(gè)復(fù)雜的社會(huì)系統(tǒng)，其體量適中、信息化程度相對(duì)較高，適合作為智慧城市的先行試點(diǎn)，通過三維虛擬校園建立，整合各相關(guān)功能，將環(huán)境信息參數(shù)化，實(shí)現(xiàn)智慧校園平臺(tái)建立，對(duì)數(shù)字孿生有著重要意義，為智慧城市的推進(jìn)提供了依據(jù)。但由于技術(shù)原因，目前僅完成數(shù)字底板搭建，并未進(jìn)行具體功能開發(fā)，在后續(xù)的研究中會(huì)將各項(xiàng)整合到底板中，真正實(shí)現(xiàn)智慧校園平臺(tái)的搭建。

參考文獻(xiàn)

［1］ 許曄， 郭鐵成. IBM “智慧地球” 戰(zhàn)略的實(shí)施及對(duì)我國(guó)的影響［J］. 中國(guó)科技論壇， 2014， （3）： 148-153.

［2］ 魯芮. 教育信息化2.0背景下高校智慧校園平臺(tái)建設(shè)研究［J］. 無線互聯(lián)科技， 2020， 17（5）： 73-74.

［3］ 基于CIM平臺(tái)的地鐵智慧車站建設(shè)解決方案［J］. 交通與運(yùn)輸， 2019， 35（2）： 85.

［4］ Baoan Lia， Jianjun Yu， Resarch and Application on the Smart Home Based on Component Technologies and Internet of Thing［J］. Procedia Engineering， 2011（15）： 2087-2092

［5］ 高金霞. 大數(shù)據(jù)時(shí)代高校智慧校園服務(wù)平臺(tái)建設(shè)與研究［J］. 數(shù)字通信世界， 2018， 168（12）： 153.

［6］ Okeniyi J O， Atayero A A， Popoola S I， et al. Smart Campus： Data on Energy Generation Costs from Distributed Generation Systems of Electrical Energy in a Nigerian University［J］. Data in Brief， 2018， 17： 1082-1090.

［7］ Al-Shammari S ， Ko W ， Ammar E A A ， et al. Optimal Decision-Making in Photovoltaic System Selection in Saudi Arabia［J］. Energies， 2021， 14： 357-358.

［8］ Furlan， Rod. The future of augmented reality： Hololens - Microsoft's AR headset shines despite rough edges ［Resources Tools and Toys］［J］. IEEE Spectrum， 2016， 53（6）： 21-21.

［9］ Edirisinghe R，London K A，Kalutara Petal.Building information modelling for facility management;are we there yet？［J］. Engineering，Construction and Architechtural Management， 2017， 24（6）： 1119-1154.

［10］ 王路達(dá)， 燕方開， 張旭東. 基于BIM技術(shù)與unity3d技術(shù)的校園漫游社交平臺(tái)的研究［J］. 居舍， 2019（2）： 194-195.

［11］ 歐陽攀， 李強(qiáng)， 盧秀慧. 基于Unity3D的虛擬校園開發(fā)研究與實(shí)現(xiàn)［J］. 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2013，36（4）： 19-22+28.