三維數(shù)字化校園構(gòu)建設(shè)計(jì)與實(shí)踐

周雙+匡芳君

摘要：在大數(shù)據(jù)時(shí)代，三維數(shù)字化校園建設(shè)已成為高校信息化建設(shè)重要組成部分。該文結(jié)合院校教育信息化建設(shè)實(shí)際情況，給出了構(gòu)建數(shù)字化校園的具體實(shí)施方案。首先構(gòu)建數(shù)字化校園體系結(jié)構(gòu)，將三維數(shù)字化校園建設(shè)主要分為核心框架和支撐保障兩大部分。并對(duì)數(shù)字化校園的硬件基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)交換平臺(tái)、業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)和公共服務(wù)體系四個(gè)主體功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)分析與描述。對(duì)數(shù)字化校園的構(gòu)建與實(shí)踐給出了可行的方法手段。

關(guān)鍵詞：三維數(shù)字化校園；體系結(jié)構(gòu)；支援系統(tǒng)；云計(jì)算；物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）26-0191-03

1 概述

數(shù)字化校園工程以信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、信息處理和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，對(duì)學(xué)校的教學(xué)科研、思想政治教育、管理保障、安防等工作進(jìn)行全面數(shù)字化，是校園信息化建設(shè)的高級(jí)階段，是學(xué)校信息化建設(shè)發(fā)展的基礎(chǔ)工程和亮點(diǎn)工程。通過(guò)三維數(shù)字化校園建設(shè)工程，對(duì)各類(lèi)信息資源整合和集成，構(gòu)建統(tǒng)一的用戶管理、統(tǒng)一的資源管理和統(tǒng)一的權(quán)限控制，使各類(lèi)信息系統(tǒng)和資源更好地服務(wù)于教學(xué)科研、行政管理，實(shí)現(xiàn)教育信息化、決策科學(xué)化和管理規(guī)范化，提升學(xué)校辦學(xué)競(jìng)爭(zhēng)力。

2 三維數(shù)字化校園建設(shè)體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外高校開(kāi)展數(shù)字化校園建設(shè)的寶貴經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合院校教育信息化建設(shè)實(shí)際情況，確定院校三維數(shù)字化校園建設(shè)的體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中，基礎(chǔ)層包括網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)幕A(chǔ)設(shè)施、域名服務(wù)、目錄服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)安全等網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)服務(wù)；數(shù)據(jù)層提供集中統(tǒng)一的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；接口層提供各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換和共享、應(yīng)用間的互相訪問(wèn)、統(tǒng)一的信息發(fā)布和用戶訪問(wèn)接口；應(yīng)用層主要包含教育訓(xùn)練等五大類(lèi)應(yīng)用系統(tǒng)；門(mén)戶主要作為校內(nèi)人員訪問(wèn)校內(nèi)信息和應(yīng)用系統(tǒng)的集中入口。

3 三維數(shù)字化校園建設(shè)實(shí)踐

三維數(shù)字化校園建設(shè)主要分為核心框架和支撐保障兩大部分。其中核心框架部分是三維數(shù)字化校園建設(shè)的重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化校園的主體功能，主要包括硬件基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)交換平臺(tái)、業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)和公共服務(wù)體系四個(gè)部分；支撐保障部分為數(shù)字化校園核心框架建設(shè)提供規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和安全保障，主要包括標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、安全防護(hù)和運(yùn)維管理體系。根據(jù)學(xué)校的軟硬件實(shí)際情況，在充分運(yùn)用三維仿真、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的基礎(chǔ)上，可分步驟分階段組織實(shí)施。因此，本建設(shè)是先進(jìn)行“三維校園教學(xué)資源信息支援系統(tǒng)”建設(shè)，確保對(duì)外招生宣傳和對(duì)內(nèi)信息支持；再進(jìn)行“校園風(fēng)險(xiǎn)視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)”，降低校園公共安全風(fēng)險(xiǎn)；最后視情況進(jìn)行“三維數(shù)字化校園核心框架和支撐保障”內(nèi)容的建設(shè)。

3.1 三維校園教學(xué)資源信息支援系統(tǒng)

采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，建立校園建筑、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所、教學(xué)用房等地上地下、室內(nèi)室外三維場(chǎng)景，準(zhǔn)確在三維場(chǎng)景中定位各功能用房的分布、教學(xué)設(shè)施的布置，并掛接相關(guān)屬性。為校園風(fēng)險(xiǎn)視頻智能監(jiān)控和數(shù)字化校園各業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)提供定位支持，為教學(xué)資源的信息獲取、跨學(xué)科的教學(xué)設(shè)施聯(lián)合調(diào)度、教學(xué)設(shè)施的利用情況進(jìn)行信息支持。“三維校園教學(xué)資源信息支援系統(tǒng)”基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

三維數(shù)字校園在三維場(chǎng)景上實(shí)施，圖3至圖6為已建設(shè)完成的某校園內(nèi)外局部場(chǎng)景示意圖。

3.2 校園風(fēng)險(xiǎn)視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控作為城市校園安全的重要組成部分，以其直觀、方便、信息內(nèi)容豐富而廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合。近年來(lái)，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展特別是網(wǎng)絡(luò)帶寬、計(jì)算機(jī)處理能力和存儲(chǔ)容量的迅速提高以及各種實(shí)用視頻信息處理技術(shù)的出現(xiàn)，視頻監(jiān)控技術(shù)也有長(zhǎng)足的發(fā)展，視頻監(jiān)控進(jìn)入了全數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的時(shí)代，日益受到關(guān)注和重視?！靶@風(fēng)險(xiǎn)智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)”系統(tǒng)框架如圖7所示。

校園風(fēng)險(xiǎn)智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1） 校園重要公共場(chǎng)所外環(huán)境安全檢測(cè)。校園重要公共場(chǎng)所環(huán)境復(fù)雜，存在光線、動(dòng)態(tài)背景等各類(lèi)不良因素的干擾，系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)外環(huán)境的檢測(cè)與分析，如出現(xiàn)異常入侵目標(biāo)則報(bào)警；

（2） 校園重要公共場(chǎng)所警衛(wèi)安全檢測(cè)。對(duì)警衛(wèi)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，如出現(xiàn)異常目標(biāo)進(jìn)入警衛(wèi)安全警戒區(qū)，發(fā)出警報(bào)，預(yù)防發(fā)生襲擊警衛(wèi)的惡性事件，同時(shí)監(jiān)督警衛(wèi)執(zhí)勤情況，防止警衛(wèi)脫崗；

（3） 校園重要區(qū)域安全檢測(cè)。對(duì)重要目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，如出現(xiàn)異常滯留、非法入侵、特定物品遺失、異常物品遺留等事件，則發(fā)出警報(bào)；

（4） 重要設(shè)備間檢測(cè)。檢測(cè)設(shè)備間運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)重要設(shè)備出現(xiàn)被盜、移動(dòng)等非正常事件進(jìn)行報(bào)警。

3.3 三維數(shù)字化校園之業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)

業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)面向教學(xué)訓(xùn)練、科研學(xué)術(shù)、思想政治教育、行管后勤的需要，為網(wǎng)上教學(xué)、網(wǎng)上辦公、網(wǎng)上管理和網(wǎng)上服務(wù)提供全面支持。涵蓋各領(lǐng)域應(yīng)用系統(tǒng)，是學(xué)校日常工作主要信息支撐平臺(tái)，也是數(shù)字化校園發(fā)揮作用的主要載體。大體可分為教育訓(xùn)練子系統(tǒng)、科研學(xué)術(shù)子系統(tǒng)、政治工作子系統(tǒng)、行管后勤子系統(tǒng)、綜合應(yīng)用子系統(tǒng)五個(gè)子系統(tǒng)。下面以教育訓(xùn)練子系統(tǒng)為例說(shuō)明，其他子系統(tǒng)限于篇幅略。

教育訓(xùn)練子系統(tǒng)教學(xué)管理模塊、網(wǎng)上教學(xué)模塊、教學(xué)科研實(shí)踐輔助三維模型素材庫(kù)和其他功能模塊等。教學(xué)管理包括教學(xué)秩序管理、老師業(yè)務(wù)管理、課程管理、老師學(xué)生評(píng)價(jià)管理、課表編排、自主選課、畢業(yè)審查、考試管理、教學(xué)資源管理、成績(jī)管理與分析、在線教學(xué)評(píng)價(jià)、學(xué)科評(píng)估、在線考核等。網(wǎng)上教學(xué)采用同步和異步教學(xué)模式相結(jié)合的方法，建立數(shù)字化校園VOD視頻點(diǎn)播系統(tǒng)，提供基于Web方式的點(diǎn)播式教學(xué)和基于視頻會(huì)議系統(tǒng)的會(huì)話式教學(xué)。主要包括同步教學(xué)、異步教學(xué)、遠(yuǎn)程教育等。網(wǎng)上教學(xué)視頻點(diǎn)播系統(tǒng)采用高性能模塊化設(shè)計(jì)并融入了最新技術(shù)和設(shè)計(jì)思想，單臺(tái)普通服務(wù)器可支持的并發(fā)用戶達(dá)500人以上，通過(guò)服務(wù)器集群，自動(dòng)平衡負(fù)載，可滿足更大規(guī)模的直播需求，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

利用模塊化理論及“三維設(shè)計(jì)”思想，建立基礎(chǔ)課程如高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理等及專(zhuān)業(yè)課程如電氣自動(dòng)、建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)類(lèi)等教學(xué)科研實(shí)踐輔助三維模型素材庫(kù)。借助數(shù)字校園基礎(chǔ)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)訓(xùn)練及專(zhuān)業(yè)實(shí)踐的虛擬指導(dǎo)功能，如圖9所示，為教學(xué)與科研實(shí)踐提供全新輔助平臺(tái)。endprint

3.4 三維數(shù)字化校園之其他系統(tǒng)

三維數(shù)字化校園之其他系統(tǒng)主要包括數(shù)字化掌上校園子系統(tǒng)、數(shù)字化校園數(shù)字迎新子系統(tǒng)、數(shù)字化校園自主招生子系統(tǒng)、數(shù)字化校園校友服務(wù)子系統(tǒng)、數(shù)字化校園電子郵件子系統(tǒng)等。

4 三維數(shù)字化校園建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 三維校園生成技術(shù)

地理環(huán)境數(shù)字化技術(shù)：借助一定的硬件設(shè)備和儀器，通過(guò)野外采集、圖上作業(yè)等技術(shù)手段，將城市地形、地貌、地物等信息進(jìn)行數(shù)字化，并通過(guò)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，完成地理數(shù)據(jù)的采集、入庫(kù)、處理、應(yīng)用和分析一體化。該技術(shù)是建立三維模型的基礎(chǔ)技術(shù)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是用計(jì)算機(jī)軟硬件對(duì)某種事物或某項(xiàng)工作進(jìn)行模擬，創(chuàng)造酷似客觀環(huán)境又超越客觀時(shí)空、能沉浸其中又能駕馭其上的和諧人機(jī)環(huán)境，即由三維數(shù)據(jù)信息所構(gòu)成的可操控空間。

仿真環(huán)境制作技術(shù)：主要包括模型設(shè)計(jì)、場(chǎng)景構(gòu)造、紋理設(shè)計(jì)制作等，它要求構(gòu)造逼真的三維模型和制作逼真的紋理等；仿真驅(qū)動(dòng)主要包括場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)、模型調(diào)動(dòng)處理、分布交互、地形處理等，它要求高速逼真地再現(xiàn)仿真環(huán)境，實(shí)時(shí)響應(yīng)交互操作。

4.2 云計(jì)算平臺(tái)

利用云計(jì)算技術(shù)，建設(shè)數(shù)據(jù)交換和資源共享的“校園云”，將分散建設(shè)的若干信息系統(tǒng)中的資源進(jìn)行整合，同時(shí)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建設(shè)校園物聯(lián)網(wǎng)的硬件和軟件服務(wù)平臺(tái)，依據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)規(guī)范，實(shí)現(xiàn)校園基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的集中管理，并為上層服務(wù)提供高效、統(tǒng)一的訪問(wèn)接口，實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)庫(kù)、應(yīng)用系統(tǒng)、操作系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換，有效消除數(shù)據(jù)冗余、異構(gòu)和重用性差等問(wèn)題，最大限度地提高信息資源的利用率。如校園中有某個(gè)科研項(xiàng)目開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，需要共同配合進(jìn)行程序編制，可采用集中式存儲(chǔ)、分用戶同步編制的方法，程序員本機(jī)不保留原代碼，將原代碼集中存儲(chǔ)在服務(wù)器上，做到異地同步更新。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

基于高速校園網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)和設(shè)備，建設(shè)先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，將校園物資物品與校園網(wǎng)連接，進(jìn)行信息交換和通信，實(shí)現(xiàn)校園物品的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)視、控制和管理，提高學(xué)校整體管理水平和效率，提高教學(xué)和訓(xùn)練質(zhì)量。實(shí)現(xiàn)信息流、物流和資金流在校園網(wǎng)大平臺(tái)系統(tǒng)的無(wú)縫運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)校園教學(xué)、訓(xùn)練、科研、思想及保障的智能化動(dòng)態(tài)管理。如利用智能圖書(shū)對(duì)現(xiàn)有圖書(shū)進(jìn)行智能化改造，為用戶提供閱覽室圖書(shū)定位、自動(dòng)借還書(shū)等智能服務(wù)；智能教學(xué)設(shè)備，對(duì)教學(xué)設(shè)備進(jìn)行智能化改造，實(shí)現(xiàn)教學(xué)設(shè)備使用情況的自動(dòng)記錄和識(shí)別，改變傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)備獨(dú)家使用的模式，真正做到通用教學(xué)設(shè)備全校共享；智能訓(xùn)練場(chǎng)，對(duì)訓(xùn)練過(guò)程、參訓(xùn)人員、訓(xùn)練強(qiáng)度等信息進(jìn)行自動(dòng)收集和處理，提高訓(xùn)練管理的精確化；智能車(chē)輛，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛定位、路徑管理、自動(dòng)出入庫(kù)等智能車(chē)輛管理功能；智能校園，實(shí)現(xiàn)用水、用電、用氣的智能化管理的程度，提高節(jié)約意識(shí)。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)、信息處理和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，三維數(shù)字化校園建設(shè)在各大院校競(jìng)相開(kāi)展。本文提出的三維數(shù)字化校園建設(shè)方案是將三維校園生成技術(shù)、云計(jì)算平臺(tái)和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)納入三維數(shù)字化校園建設(shè)中，包括三維校園教學(xué)資源信息支援系統(tǒng)、校園風(fēng)險(xiǎn)視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)、業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)等主要功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，使得該方案能夠最大限度地提高信息資源的利用率，智能化程度更高。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張勝春，林鵬，宿娜. 大數(shù)據(jù)背景下高校智慧校園建設(shè)探索[J].中國(guó)成人教育，2017（4）：71-74.

[2] 唐翠芳. 三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境綜述[J]. 中國(guó)電化教育，2015（9）：22-27.

[3] 沈正波. 基于云端的三維數(shù)字校園的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 重慶交通大學(xué)，2016.

[4] 趙廣元. 一種基于統(tǒng)一理念的整體數(shù)字校園構(gòu)建方案[J]. 西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，3（11）：13-14.

[5] 夏志鵬，劉革平. 三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中操作指導(dǎo)型虛擬教師設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)電化教育，2016（5）：98-103.endprint