基于位置智能的可視化校園平臺架構設計

熊運余，羅術銅

（1.四川大學 計算機學院，四川 成都 610042；

2.成都市靈奇空間軟件有限公司，四川 成都610042）

一、引言

我國高校信息化建設開始于20世紀80年代，經歷了計算機輔助教學、網(wǎng)絡化校園、數(shù)字化校園、智慧校園四個階段的發(fā)展。由最初的輔助教學到現(xiàn)在的智慧校園擴展到校園教學管理、服務、生活、宣傳各個層面。在智慧校園建設期間，大部分學校都在建設云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、大數(shù)據(jù)以及GIS地圖平臺。通過GIS平臺實現(xiàn)校園虛擬空間數(shù)據(jù)與各業(yè)務系統(tǒng)的融合。基于位置智能的可視化校園平臺需適應數(shù)字校園過渡到智慧校園背景的需要，符合校園可視化發(fā)展進程，提供位置感知精準混合定位及情景服務。

1.數(shù)字校園過渡到智慧校園

高校經過多年數(shù)字化校園的建設，基本已經完成了各業(yè)務系統(tǒng)的數(shù)字化轉變。建設完成了統(tǒng)一校園門戶、統(tǒng)一身份認證和數(shù)據(jù)共享中心實現(xiàn)個各項數(shù)據(jù)的融合與統(tǒng)一。教育的信息化呼喚改革向智慧校園轉變，將會讓整個教育理念、教育方法、教育過程、教育應用實現(xiàn)較大改變，促進智慧校園的建設。

2.校園可視化發(fā)展歷程

近年來，各個學校都建設了各自的校園地圖，大多學校的校園地圖還是采用普通的地圖圖片，發(fā)布到網(wǎng)絡，供師生及大眾使用，僅有宣傳和展示功能。隨著學校業(yè)務系統(tǒng)發(fā)展需要，學校開始把靜態(tài)的地圖圖片應用到了部分業(yè)務系統(tǒng)中，但是各個地圖圖片相對獨立無法重復有效利用，僅能在單個系統(tǒng)單一場景下使用。隨著技術突飛猛進的發(fā)展和智慧校園建設的需要，各學校都在規(guī)劃自己的校園GIS（地理信息系統(tǒng)），做到物理空間信息與虛擬校園環(huán)境的一一對應互聯(lián)，作為基礎平臺，提升到學校基礎平臺建設范疇，為學校各業(yè)務系統(tǒng)的地理信息接入提供標準和基礎數(shù)據(jù)。

3.智慧校園位置感知發(fā)展

隨著傳感器技術、計算機技術和通信技術的發(fā)展以及智能終端和應用的普及。位置智能感知的需求在不斷的增長，被廣泛的應用于多個領域。目前應用最為廣泛的定位系統(tǒng)是全球定位系統(tǒng)（GPS），主要用于室外定位的需要；室內定位為更加精細化的定位服務，需要結合GPS、AP熱點、Bluetooth標簽及NB-IoT等融合的混合定位技術，提供室內精細定位服務，滿足室內定位的需要并結合室內GIS系統(tǒng)，提供位置感知服務。

4.可視化校園平臺建設的必要性

可視化校園平臺是基于校園GIS平臺與位置感知技術相結合的校園基礎平臺，可為校園應用系統(tǒng)提供基礎的空間數(shù)據(jù)信息和位置感知數(shù)據(jù)結合與校園空間信息的結合，形成全方位立體的可視化感知環(huán)境，為智慧校園建設提供基礎保障。

現(xiàn)有數(shù)據(jù)共享平臺的缺陷，呈現(xiàn)不直觀、基于位置智能的展示不充分?？梢暬脚_建設是：物聯(lián)網(wǎng)整合的需求、混合定位集成的需要、數(shù)據(jù)融合的需要、可視化個性門戶的需要。可視化平臺是智慧校園的基礎性平臺之一。

二、設計思想

可視化校園平臺依托校園GIS系統(tǒng)，實現(xiàn)物理校園環(huán)境與虛擬校園之間的聯(lián)結，提供人人互聯(lián)、物物互聯(lián)、空間互聯(lián)的情景感知環(huán)境。做到與周邊環(huán)境的隨時隨地感知呈現(xiàn)，提供以人為本的可視化服務，讓感知信息可視化直觀呈現(xiàn)。

1.空間信息互聯(lián)

利用感知設備傳感器和網(wǎng)絡通信技術，提供基于空間位置的信息的記錄。通過收集記錄的空間位置信息和設備狀態(tài)及屬性信息，實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)的有效融合。如：通過基于位置的簽到能實現(xiàn)簽到信息與位置信息綁定，并基于位置進行用戶簽到范圍限制，做到精準的簽到；通過位置的消息動態(tài)的發(fā)布，可以把信息直觀與發(fā)起單位或用戶進行關聯(lián)，精準定位需求單位。

2.可視化智慧型服務、科研、管理

使用定位感知設備獲取科研、管理設備的位置及使用狀態(tài)，對設備的管理可以做到精準的掌握。更加有效的監(jiān)管設備，充分的利用有限的設備資源，更好的發(fā)揮設備的價值。通過可視化智慧管理技術，服務于科研管理，合理優(yōu)化配置資源。

3.泛在化、可感知智能環(huán)境

通過提供基于位置服務建設，實現(xiàn)泛在化智能環(huán)境服務；依托感知設備通信技術實現(xiàn)可感知的智能環(huán)境。泛在化的網(wǎng)絡與空間位置的結合，通過構建可感知的智能環(huán)境，實現(xiàn)物理環(huán)境的數(shù)據(jù)情境化呈現(xiàn)。

三、平臺架構設計

基于位置智能的可視化校園平臺，依托GIS平臺進行基礎數(shù)據(jù)的歸集，通過數(shù)據(jù)服務層對收集的數(shù)據(jù)整理融合，為校園微服務提供基礎可視化平臺，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)和數(shù)據(jù)分析。依托不同的使用場景和用戶類型提供可視化展現(xiàn)與服務應用的整合，并為不同的用戶角色提供跨平臺的應用呈現(xiàn)。（平臺架構如圖1所示）

圖1 平臺架構設計

用戶層：平臺的使用對象，根據(jù)不同的使用對象所處的不同角色展現(xiàn)不同的可視化功能應用，做到用戶權限職責的分配，按需按權查看。

使用層：對平臺按照學校不同的安全需要，設置校內、校外應用，校內應用功能只能在校內使用。通過與其他傳統(tǒng)業(yè)務系統(tǒng)的整合，豐富可視化應用，方便各方用戶的使用。

服務層：可視化校園平臺是一個服務平臺，整合并提供各類校園微服務、實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化及對可視化數(shù)據(jù)進行可視化分析。校園微服務提供基于位置的可視化應用服務功能，如：校園微地圖、可視化迎新、課程定位簽到等微服務應用。數(shù)據(jù)可視化為把傳統(tǒng)業(yè)務系統(tǒng)中的業(yè)務數(shù)據(jù)以可視化地圖形式進行呈現(xiàn)，如：可視化公房、可視化校慶。可視化數(shù)據(jù)分析通過輸入的業(yè)務數(shù)據(jù)和可視化數(shù)據(jù)實現(xiàn)應用功能的深度智能化分析，并以可視化形式展現(xiàn)提供。

支撐層：保障服務層應用按照可視化方式進行展現(xiàn)和管理。GIS是平臺可視化的核心支撐，是鏈接虛擬校園與物理校園環(huán)境的紐帶。數(shù)據(jù)交換服務實現(xiàn)對平臺采集和融合到的數(shù)據(jù)的整合接入和輸出，為服務層各類服務應用提供支撐。

數(shù)據(jù)層：為服務層和支撐層提供數(shù)據(jù)存儲服務。

感知層：通過各類物聯(lián)網(wǎng)感知設備，把物理空間環(huán)境信息數(shù)字化，依托定位、圖像傳感器進行教學活動、服務的動態(tài)管理和維護。

四、關鍵技術介紹

可視化校園平臺，以WebGIS（Web Geographic Information System）平臺為基礎，實現(xiàn)覆蓋全校的多維度、精細化室內外地圖，并結合GPS+WiFi+Bluetooth的精細化室內外混合定位，基于此兩項核心技術打造了基于位置智能（Location Intelligence）的可視化應用平臺，實現(xiàn)了教學管理和學校工作的可視化與移動化。通過可視化數(shù)據(jù)交換是業(yè)務數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)有效的融合標準化，提供給微服務平臺實現(xiàn)微應用的建設和可視化數(shù)據(jù)展示與分析。

1.立體可視化

采用自主獨立的新一代GIS系統(tǒng)，提供一個用于在網(wǎng)絡中發(fā)布GIS數(shù)據(jù)和服務的分層框架結構，允許建立可伸縮的GIS或LBS應用。系統(tǒng)最獨特的優(yōu)點在于矢量數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)高度集成和分布式管理。可以基于GIS系統(tǒng)構建相關的行業(yè)應用。

2.5D三維虛擬仿真地圖基于GIS系統(tǒng)，實現(xiàn)區(qū)域范圍內的三維虛擬呈現(xiàn)。用戶無需安裝任何插件，打開瀏覽器就能訪問三維地圖，通過JSP+HTML+CSS技術實現(xiàn)多瀏覽器兼容。

精細化微地圖應用基于GIS地圖的精細化微地圖應用平臺，實現(xiàn)WEBGIS地理信息的存儲、訪問，并提供GIS圖層劃分、在線查看圖元、各種地圖操作、數(shù)據(jù)格式處理。平臺遵循開放原則，確保后續(xù)外延應用能夠接入。微地圖主要功能：2D/3D地圖顯示、自由縮放、任意拖動、地圖標簽標注、路徑規(guī)劃、地圖測距、測面、綜合查詢搜索。微地圖基于國際通用WGS-84坐標制作，能夠與其他地圖和系統(tǒng)無縫對接；實現(xiàn)矢量3D微地圖、無極縮放體驗；采用基于A*的路徑算法和混合定位算法；支持提供精細化戶內地圖，查看戶內地圖信息。

地圖平臺全面支持跨平臺使用，包括：PC WEB端平臺、移動平臺及Html5，其中移動平臺包含Android和IOS。

圖2 校園精細化微地圖

2.混合定位技術

微地圖移動定位系統(tǒng)基于WebGIS地理信息系統(tǒng)，采用GPS+藍牙（Bluetooth）+WiFi熱點綜合定位方案，從而實現(xiàn)快速精準的位置定位服務。

混合定位 （Hybrid positioning）是使用藍牙定位、WiFi定位和GPS定位相結合的定位技術，結合幾種定位技術保障了定位的精度和穩(wěn)定?；旌隙ㄎ患夹g采用標簽定位法、三角定位法及指紋定位法三種方法混合運算采取最優(yōu)結果輸出，確定混合定位結果?；谝苿佣说氖覂榷ㄎ煌ㄟ^位置匹配校對，達到室內定位目的。

安卓混合定位：采用藍牙，WiFi，GPS定位并行定位，取最優(yōu)結果的方式輸出。默然優(yōu)先級：藍牙＞W(wǎng)iFi＞GPS。蘋果混合定位：由于蘋果不允許使用第三方定位。所有采用藍牙，系統(tǒng)GPS并行定位，取最右結果的方式輸出。默認優(yōu)先級：藍牙＞GPS。

3.可視化數(shù)據(jù)交換

（1）數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)庫對接：直接通過業(yè)務系統(tǒng)提供的開放數(shù)據(jù)庫或中間庫系統(tǒng)實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的對接采集獲取，再通過對數(shù)據(jù)的治理后輸出。

標準接口對接：通過傳統(tǒng)業(yè)務應用提供的標準數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)基礎數(shù)據(jù)的采集。并提供空間數(shù)據(jù)的標準化接口，對外實現(xiàn)位置智能數(shù)據(jù)的輸出。

數(shù)據(jù)文件導入：在無業(yè)務系統(tǒng)或業(yè)務系統(tǒng)無法提供數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或數(shù)據(jù)接口，通過數(shù)據(jù)文件導入的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集獲取，如：txt、excel、xml等數(shù)據(jù)格式文件的導入。

數(shù)據(jù)填報：在數(shù)據(jù)信息無法通過以上方式快速獲取的情況下，可以通過開放專門的數(shù)據(jù)填報采集系統(tǒng)，通過對任務分解和一定周期的數(shù)據(jù)填報采集，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的信息的采集。

（2）數(shù)據(jù)輸出

平臺通過對采集到的數(shù)據(jù)與感知數(shù)據(jù)進行治理融合，形成有規(guī)范的可視化數(shù)據(jù)，并通過標準的數(shù)據(jù)接口向使用單位或用戶提供?？梢暬瘮?shù)據(jù)儲存技術包括：

超融合虛擬化儲存技術：為了降低空閑的和浪費的存儲空間，采用存儲虛擬化技術，實現(xiàn)系統(tǒng)自動精簡配置和存儲資源池共享。

數(shù)據(jù)壓縮技術：采用大數(shù)據(jù)無損壓縮技術，實現(xiàn)對超大數(shù)據(jù)的“瘦身”，增強數(shù)據(jù)儲存的可擴展性，并且解壓后的數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)保持100%的一致。

分布式內存緩存技術：采用分布式數(shù)據(jù)內存緩存技術，減小數(shù)據(jù)庫層承受的讀寫壓力，實現(xiàn)大量的業(yè)務請求時，避免數(shù)據(jù)“雪崩”等嚴重的故障。

4.微服務平臺

微服務是指開發(fā)一個單個小型的但有業(yè)務功能的服務，每個服務都有自己的處理和輕量通訊機制，可以部署在單個或多個服務器上。微服務也指一種松耦合的、有一定的有界上下文的面向服務架構。也就是說，如果每個服務都要同時修改，那么它們就不是微服務，因為它們緊耦合在一起；如果你需要掌握一個服務太多的上下文場景使用條件，那么它就是一個有上、下文邊界的服務，這個定義來自DDD領域驅動設計。

圖3 微服務架構

相對于單體架構和SOA，它的主要特點是組件化、松耦合、自治、去中心化，體現(xiàn)在以下幾個方面：

·一組小的服務

服務粒度要小，而每個服務是針對一個單一職責的業(yè)務能力的封裝，專注做好一件事情。

·獨立部署、運行和擴展

每個服務能夠獨立被部署并運行在一個進程內。這種運行和部署方式能夠賦予系統(tǒng)靈活的代碼組織方式和發(fā)布節(jié)奏，使得快速交付和應對變化成為可能。

·獨立開發(fā)和演化

技術選型靈活，不受遺留系統(tǒng)技術約束。合適的業(yè)務問題選擇合適的技術可以獨立演化。服務與服務之間采取與語言無關的API進行集成。相對單體架構，微服務架構是更面向業(yè)務創(chuàng)新的一種架構模式。

·獨立服務和自治

微服務應用對服務的整個生命周期負責，工作在獨立的上下文中，自己決策自己治理，而不需要統(tǒng)一的指揮中心。應用和應用之間通過松散的社區(qū)部落進行銜接。

五、主要功能設計

可視化智慧校園，依托GIS平臺，進行全方位立體可視化基礎平臺的打造，提供的校園GIS及精細定位導航、可視化數(shù)據(jù)交換、可視化微服務、可視化展現(xiàn)等各類可視化智能應用的建設，并結合校內資源、管理、環(huán)境、服務。

1.可視化位置智能基礎平臺

（1）應用支撐

·GIS平臺

采用自主研發(fā)的GIS（Geographic Information System，地理信息系統(tǒng)）平臺作為可視化平臺底層支撐，滿足校園三維虛擬仿真地圖、二維精細化微地圖的呈現(xiàn)，并緊抓移動互聯(lián)網(wǎng)浪潮，實現(xiàn)平臺的跨技術平臺載體覆蓋（WEB網(wǎng)站、移動平臺、微信、手持設備等）。

（2）應用載體

·三維虛擬仿真校園

建設三維虛擬仿真校園，根據(jù)校園的實際風貌，實現(xiàn)精細化模型的繪制呈現(xiàn)，并可基于三維仿真校園地圖實現(xiàn)樓宇、道路、公共設施的搜索、點擊查看，且支持基于三維地圖的路徑導航，為校外人員、校園新生提供一個具有仿真科技感的校園風貌、歷史、位置的電子導覽助手。

·二維精細化微地圖

校園二維精細化微地圖的打造，區(qū)別與傳統(tǒng)的二維平面地圖（類似百度、高德），將地圖的呈現(xiàn)程度，深入到建筑樓層內部，可精細化的呈現(xiàn)每個房間，甚至每個課桌、床位，作為一種更加直觀精準的地圖載體，為校內的信息化數(shù)據(jù)、業(yè)務系統(tǒng)，提供一個更加精細化的空間信息呈現(xiàn)手段，大大提高校園管理、服務的智慧化水平。

（3）位置智能支撐

·混合定位服務

通過校園GIS平臺精細化戶內外微地圖，與室內精細混合定位技術結合，支持跨樓層的精細定位及導航服務。精細定位服務可以實現(xiàn)對資產設備的精細化定位管理，對安保人員實時位置提供精細化監(jiān)控，保證資產和人員的安全。精細定位可以為簽到提供基于位置的精細化定位簽到，并結合定位簽到實現(xiàn)教育資源的充分利用。

2.可視化數(shù)據(jù)交換

可視化數(shù)據(jù)交換通過各類數(shù)據(jù)源的接入，實現(xiàn)可視化數(shù)據(jù)的交換、校驗、治理、推送等功能服務。提供數(shù)據(jù)交換接口，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口協(xié)議（HTTPS），多種類型的數(shù)據(jù)交換建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結構體（數(shù)據(jù)版本、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)屬性），提供被調用和主動推送的接口調用方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，交換數(shù)據(jù)加入“握手機制”，確保數(shù)據(jù)成功交換。

數(shù)據(jù)效驗功能為保證交換的數(shù)據(jù)不存在缺失或異常，提供效驗機制和處理功能，每條數(shù)據(jù)的報文中增加數(shù)據(jù)驗證信息，在效驗環(huán)節(jié)有限進行報文解析并執(zhí)行數(shù)據(jù)比配，從而保證數(shù)據(jù)交換后得到的結果是準確的。

數(shù)據(jù)推送提供對效驗完的可視化位置數(shù)據(jù)定時或及時推送到預定的系統(tǒng)。

3.可視化微服務

可視化微服務是基于校園GIS平臺，通過與校園各類服務應用結合，通過標準的數(shù)據(jù)接入規(guī)范，實現(xiàn)微應用服務的可視化。平臺全面支持各類應用接入服務于校園宣傳、服務、教學和管理各個方面。

（1）服務于宣傳?？梢暬@宣傳微服務采用校園2.5D三維虛擬仿真地圖、精細化戶外內微地圖及VR全景展示共同構成立體可視化宣傳校園風貌環(huán)境。

（2）服務于服務?？梢暬挛⒎张c學校的宿舍分配管理系統(tǒng)系統(tǒng)可以為學生提供基于校園戶內外精細化微地圖的宿舍床位申請，提前了解床位的分布情況及周邊布局朝向，給予學生自主選擇的權限，提升學生入住的滿意度。

（3）服務于教學。課程定位簽到微服務通過與排課系統(tǒng)對接，首先實現(xiàn)可視化課表，所有的上課位置都可以與教室位置關聯(lián)，并提供精細化位置導航；其次可以提供空閑教室基于校園地圖的可視化查看，直觀的進行空閑教室的查找。

（4）服務于管理。可視化設備巡檢巡查通過與消防安防管理平臺對接，實現(xiàn)基于校園微地圖的智能定位巡更、巡查巡檢，并依托可視化地圖提供消防聯(lián)動報警和監(jiān)控可視化調閱，所視即可看。

通過對校園各類微服務的建設滿足各類應用對位置智能服務的需要。

4.可視化數(shù)據(jù)展現(xiàn)

可視化數(shù)據(jù)展現(xiàn)基于校園GIS平臺，提供的精細化微地圖和三維虛擬仿真地圖實現(xiàn)業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可視化展現(xiàn)。可視化資產數(shù)據(jù)展現(xiàn)提供校園資產基于建筑的資產統(tǒng)計查看；可視化公房數(shù)據(jù)展現(xiàn)實現(xiàn)精細房間的管理，通過地圖點擊房間完成公房的維護和管理；通過校園專題圖數(shù)據(jù)展現(xiàn)提供各類專題數(shù)據(jù)的專題呈現(xiàn)和管理（如：消防設施、消防設備、安防監(jiān)控、網(wǎng)絡設備、名木古樹等）。

六、結束語

本文作者根據(jù)多年的高校信息化實踐和對教育信息化的研究，提出了可視化校園平臺的設計思路、體系結構和關鍵技術，試圖為高校可視化智慧校園建設描述出一個較為清晰的發(fā)展方向與實施線路。

本文可視化智慧校園解決方案，實現(xiàn)可視化、隨時隨地、無所不在的情景智能校園信息服務，在可視化迎新、課堂互動、安防巡查等可視化服務中頗具成效，已服務中國石油大學（北京）、四川大學、電子科技大學、四川師范大學、河南財經大學等近20家知名高校?？梢暬脚_涉及智慧校園方面很多，通過與各類校園平臺或系統(tǒng)融合，將發(fā)揮更強的優(yōu)勢。

參考文獻：

[1]蔣東興,付小龍,袁芳,等.大數(shù)據(jù)背景下的高校智慧校園建設探討[J].華東師范大學學報(自然科學版),2015 (s1):119-125.

[2]王麗.基于Untiy3D的三維虛擬校園漫游仿真系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].中國教育信息化,2016(9):60-63.

[3]歐陽榮彬,王倩宜,龍新征.基于微服務的數(shù)據(jù)服務框架設計[J].華中科技大學學報(自然科學版),2016,44 (s1):126-130.

[4]潘新祥.高校信息化發(fā)展之路——數(shù)據(jù)為王服務至上[J].中國教育信息化,2016(13):74-76.

[5]趙安新.高校數(shù)據(jù)融合路徑及其治理框架的探討[J].中國教育信息化,2016(23):75-77.

[6]劉邦奇.從數(shù)字校園到智慧校園我國推進校園——信息化發(fā)展的現(xiàn)狀、策略及趨勢[J].教育信息技術,2016 (11):34-37.

[7]陳大軍.從數(shù)字校園到智慧校園的轉型發(fā)展研究[J].中國管理信息化,2016,19(22):201-202.

[8]陳偉,范宇辰,李廣宏.高校數(shù)據(jù)共享交換平臺的應用與展望[J].中國教育信息化,2016(19):48-52.