基于位置智能的可视化校园平台架构设计

熊运余，罗术铜

（1.四川大学 计算机学院，四川 成都 610042；

2.成都市灵奇空间软件有限公司，四川 成都610042）

一、引言

我国高校信息化建设开始于20世纪80年代，经历了计算机辅助教学、网络化校园、数字化校园、智慧校园四个阶段的发展。由最初的辅助教学到现在的智慧校园扩展到校园教学管理、服务、生活、宣传各个层面。在智慧校园建设期间，大部分学校都在建设云计算、物联网、移动互联、大数据以及GIS地图平台。通过GIS平台实现校园虚拟空间数据与各业务系统的融合。基于位置智能的可视化校园平台需适应数字校园过渡到智慧校园背景的需要，符合校园可视化发展进程，提供位置感知精准混合定位及情景服务。

1.数字校园过渡到智慧校园

高校经过多年数字化校园的建设，基本已经完成了各业务系统的数字化转变。建设完成了统一校园门户、统一身份认证和数据共享中心实现个各项数据的融合与统一。教育的信息化呼唤改革向智慧校园转变，将会让整个教育理念、教育方法、教育过程、教育应用实现较大改变，促进智慧校园的建设。

2.校园可视化发展历程

近年来，各个学校都建设了各自的校园地图，大多学校的校园地图还是采用普通的地图图片，发布到网络，供师生及大众使用，仅有宣传和展示功能。随着学校业务系统发展需要，学校开始把静态的地图图片应用到了部分业务系统中，但是各个地图图片相对独立无法重复有效利用，仅能在单个系统单一场景下使用。随着技术突飞猛进的发展和智慧校园建设的需要，各学校都在规划自己的校园GIS（地理信息系统），做到物理空间信息与虚拟校园环境的一一对应互联，作为基础平台，提升到学校基础平台建设范畴，为学校各业务系统的地理信息接入提供标准和基础数据。

3.智慧校园位置感知发展

随着传感器技术、计算机技术和通信技术的发展以及智能终端和应用的普及。位置智能感知的需求在不断的增长，被广泛的应用于多个领域。目前应用最为广泛的定位系统是全球定位系统（GPS），主要用于室外定位的需要；室内定位为更加精细化的定位服务，需要结合GPS、AP热点、Bluetooth标签及NB-IoT等融合的混合定位技术，提供室内精细定位服务，满足室内定位的需要并结合室内GIS系统，提供位置感知服务。

4.可视化校园平台建设的必要性

可视化校园平台是基于校园GIS平台与位置感知技术相结合的校园基础平台，可为校园应用系统提供基础的空间数据信息和位置感知数据结合与校园空间信息的结合，形成全方位立体的可视化感知环境，为智慧校园建设提供基础保障。

现有数据共享平台的缺陷，呈现不直观、基于位置智能的展示不充分。可视化平台建设是：物联网整合的需求、混合定位集成的需要、数据融合的需要、可视化个性门户的需要。可视化平台是智慧校园的基础性平台之一。

二、设计思想

可视化校园平台依托校园GIS系统，实现物理校园环境与虚拟校园之间的联结，提供人人互联、物物互联、空间互联的情景感知环境。做到与周边环境的随时随地感知呈现，提供以人为本的可视化服务，让感知信息可视化直观呈现。

1.空间信息互联

利用感知设备传感器和网络通信技术，提供基于空间位置的信息的记录。通过收集记录的空间位置信息和设备状态及属性信息，实现业务数据与空间数据的有效融合。如：通过基于位置的签到能实现签到信息与位置信息绑定，并基于位置进行用户签到范围限制，做到精准的签到；通过位置的消息动态的发布，可以把信息直观与发起单位或用户进行关联，精准定位需求单位。

2.可视化智慧型服务、科研、管理

使用定位感知设备获取科研、管理设备的位置及使用状态，对设备的管理可以做到精准的掌握。更加有效的监管设备，充分的利用有限的设备资源，更好的发挥设备的价值。通过可视化智慧管理技术，服务于科研管理，合理优化配置资源。

3.泛在化、可感知智能环境

通过提供基于位置服务建设，实现泛在化智能环境服务；依托感知设备通信技术实现可感知的智能环境。泛在化的网络与空间位置的结合，通过构建可感知的智能环境，实现物理环境的数据情境化呈现。

三、平台架构设计

基于位置智能的可视化校园平台，依托GIS平台进行基础数据的归集，通过数据服务层对收集的数据整理融合，为校园微服务提供基础可视化平台，并实现数据的可视化呈现和数据分析。依托不同的使用场景和用户类型提供可视化展现与服务应用的整合，并为不同的用户角色提供跨平台的应用呈现。（平台架构如图1所示）

图1 平台架构设计

用户层：平台的使用对象，根据不同的使用对象所处的不同角色展现不同的可视化功能应用，做到用户权限职责的分配，按需按权查看。

使用层：对平台按照学校不同的安全需要，设置校内、校外应用，校内应用功能只能在校内使用。通过与其他传统业务系统的整合，丰富可视化应用，方便各方用户的使用。

服务层：可视化校园平台是一个服务平台，整合并提供各类校园微服务、实现数据的可视化及对可视化数据进行可视化分析。校园微服务提供基于位置的可视化应用服务功能，如：校园微地图、可视化迎新、课程定位签到等微服务应用。数据可视化为把传统业务系统中的业务数据以可视化地图形式进行呈现，如：可视化公房、可视化校庆。可视化数据分析通过输入的业务数据和可视化数据实现应用功能的深度智能化分析，并以可视化形式展现提供。

支撑层：保障服务层应用按照可视化方式进行展现和管理。GIS是平台可视化的核心支撑，是链接虚拟校园与物理校园环境的纽带。数据交换服务实现对平台采集和融合到的数据的整合接入和输出，为服务层各类服务应用提供支撑。

数据层：为服务层和支撑层提供数据存储服务。

感知层：通过各类物联网感知设备，把物理空间环境信息数字化，依托定位、图像传感器进行教学活动、服务的动态管理和维护。

四、关键技术介绍

可视化校园平台，以WebGIS（Web Geographic Information System）平台为基础，实现覆盖全校的多维度、精细化室内外地图，并结合GPS+WiFi+Bluetooth的精细化室内外混合定位，基于此两项核心技术打造了基于位置智能（Location Intelligence）的可视化应用平台，实现了教学管理和学校工作的可视化与移动化。通过可视化数据交换是业务数据与空间数据有效的融合标准化，提供给微服务平台实现微应用的建设和可视化数据展示与分析。

1.立体可视化

采用自主独立的新一代GIS系统，提供一个用于在网络中发布GIS数据和服务的分层框架结构，允许建立可伸缩的GIS或LBS应用。系统最独特的优点在于矢量数据、属性数据、影像数据高度集成和分布式管理。可以基于GIS系统构建相关的行业应用。

2.5D三维虚拟仿真地图基于GIS系统，实现区域范围内的三维虚拟呈现。用户无需安装任何插件，打开浏览器就能访问三维地图，通过JSP+HTML+CSS技术实现多浏览器兼容。

精细化微地图应用基于GIS地图的精细化微地图应用平台，实现WEBGIS地理信息的存储、访问，并提供GIS图层划分、在线查看图元、各种地图操作、数据格式处理。平台遵循开放原则，确保后续外延应用能够接入。微地图主要功能：2D/3D地图显示、自由缩放、任意拖动、地图标签标注、路径规划、地图测距、测面、综合查询搜索。微地图基于国际通用WGS-84坐标制作，能够与其他地图和系统无缝对接；实现矢量3D微地图、无极缩放体验；采用基于A*的路径算法和混合定位算法；支持提供精细化户内地图，查看户内地图信息。

地图平台全面支持跨平台使用，包括：PC WEB端平台、移动平台及Html5，其中移动平台包含Android和IOS。

图2 校园精细化微地图

2.混合定位技术

微地图移动定位系统基于WebGIS地理信息系统，采用GPS+蓝牙（Bluetooth）+WiFi热点综合定位方案，从而实现快速精准的位置定位服务。

混合定位 （Hybrid positioning）是使用蓝牙定位、WiFi定位和GPS定位相结合的定位技术，结合几种定位技术保障了定位的精度和稳定。混合定位技术采用标签定位法、三角定位法及指纹定位法三种方法混合运算采取最优结果输出，确定混合定位结果。基于移动端的室内定位通过位置匹配校对，达到室内定位目的。

安卓混合定位：采用蓝牙，WiFi，GPS定位并行定位，取最优结果的方式输出。默然优先级：蓝牙＞WiFi＞GPS。苹果混合定位：由于苹果不允许使用第三方定位。所有采用蓝牙，系统GPS并行定位，取最右结果的方式输出。默认优先级：蓝牙＞GPS。

3.可视化数据交换

（1）数据采集

数据库对接：直接通过业务系统提供的开放数据库或中间库系统实现原始数据的对接采集获取，再通过对数据的治理后输出。

标准接口对接：通过传统业务应用提供的标准数据接口实现基础数据的采集。并提供空间数据的标准化接口，对外实现位置智能数据的输出。

数据文件导入：在无业务系统或业务系统无法提供数据库系统或数据接口，通过数据文件导入的方式实现数据的采集获取，如：txt、excel、xml等数据格式文件的导入。

数据填报：在数据信息无法通过以上方式快速获取的情况下，可以通过开放专门的数据填报采集系统，通过对任务分解和一定周期的数据填报采集，实现数据的信息的采集。

（2）数据输出

平台通过对采集到的数据与感知数据进行治理融合，形成有规范的可视化数据，并通过标准的数据接口向使用单位或用户提供。可视化数据储存技术包括：

超融合虚拟化储存技术：为了降低空闲的和浪费的存储空间，采用存储虚拟化技术，实现系统自动精简配置和存储资源池共享。

数据压缩技术：采用大数据无损压缩技术，实现对超大数据的“瘦身”，增强数据储存的可扩展性，并且解压后的数据与原数据保持100%的一致。

分布式内存缓存技术：采用分布式数据内存缓存技术，减小数据库层承受的读写压力，实现大量的业务请求时，避免数据“雪崩”等严重的故障。

4.微服务平台

微服务是指开发一个单个小型的但有业务功能的服务，每个服务都有自己的处理和轻量通讯机制，可以部署在单个或多个服务器上。微服务也指一种松耦合的、有一定的有界上下文的面向服务架构。也就是说，如果每个服务都要同时修改，那么它们就不是微服务，因为它们紧耦合在一起；如果你需要掌握一个服务太多的上下文场景使用条件，那么它就是一个有上、下文边界的服务，这个定义来自DDD领域驱动设计。

图3 微服务架构

相对于单体架构和SOA，它的主要特点是组件化、松耦合、自治、去中心化，体现在以下几个方面：

·一组小的服务

服务粒度要小，而每个服务是针对一个单一职责的业务能力的封装，专注做好一件事情。

·独立部署、运行和扩展

每个服务能够独立被部署并运行在一个进程内。这种运行和部署方式能够赋予系统灵活的代码组织方式和发布节奏，使得快速交付和应对变化成为可能。

·独立开发和演化

技术选型灵活，不受遗留系统技术约束。合适的业务问题选择合适的技术可以独立演化。服务与服务之间采取与语言无关的API进行集成。相对单体架构，微服务架构是更面向业务创新的一种架构模式。

·独立服务和自治

微服务应用对服务的整个生命周期负责，工作在独立的上下文中，自己决策自己治理，而不需要统一的指挥中心。应用和应用之间通过松散的社区部落进行衔接。

五、主要功能设计

可视化智慧校园，依托GIS平台，进行全方位立体可视化基础平台的打造，提供的校园GIS及精细定位导航、可视化数据交换、可视化微服务、可视化展现等各类可视化智能应用的建设，并结合校内资源、管理、环境、服务。

1.可视化位置智能基础平台

（1）应用支撑

·GIS平台

采用自主研发的GIS（Geographic Information System，地理信息系统）平台作为可视化平台底层支撑，满足校园三维虚拟仿真地图、二维精细化微地图的呈现，并紧抓移动互联网浪潮，实现平台的跨技术平台载体覆盖（WEB网站、移动平台、微信、手持设备等）。

（2）应用载体

·三维虚拟仿真校园

建设三维虚拟仿真校园，根据校园的实际风貌，实现精细化模型的绘制呈现，并可基于三维仿真校园地图实现楼宇、道路、公共设施的搜索、点击查看，且支持基于三维地图的路径导航，为校外人员、校园新生提供一个具有仿真科技感的校园风貌、历史、位置的电子导览助手。

·二维精细化微地图

校园二维精细化微地图的打造，区别与传统的二维平面地图（类似百度、高德），将地图的呈现程度，深入到建筑楼层内部，可精细化的呈现每个房间，甚至每个课桌、床位，作为一种更加直观精准的地图载体，为校内的信息化数据、业务系统，提供一个更加精细化的空间信息呈现手段，大大提高校园管理、服务的智慧化水平。

（3）位置智能支撑

·混合定位服务

通过校园GIS平台精细化户内外微地图，与室内精细混合定位技术结合，支持跨楼层的精细定位及导航服务。精细定位服务可以实现对资产设备的精细化定位管理，对安保人员实时位置提供精细化监控，保证资产和人员的安全。精细定位可以为签到提供基于位置的精细化定位签到，并结合定位签到实现教育资源的充分利用。

2.可视化数据交换

可视化数据交换通过各类数据源的接入，实现可视化数据的交换、校验、治理、推送等功能服务。提供数据交换接口，采用统一的数据接口协议（HTTPS），多种类型的数据交换建立统一的数据结构体（数据版本、数据类型、数据属性），提供被调用和主动推送的接口调用方式，实现数据的交换，交换数据加入“握手机制”，确保数据成功交换。

数据效验功能为保证交换的数据不存在缺失或异常，提供效验机制和处理功能，每条数据的报文中增加数据验证信息，在效验环节有限进行报文解析并执行数据比配，从而保证数据交换后得到的结果是准确的。

数据推送提供对效验完的可视化位置数据定时或及时推送到预定的系统。

3.可视化微服务

可视化微服务是基于校园GIS平台，通过与校园各类服务应用结合，通过标准的数据接入规范，实现微应用服务的可视化。平台全面支持各类应用接入服务于校园宣传、服务、教学和管理各个方面。

（1）服务于宣传。可视化校园宣传微服务采用校园2.5D三维虚拟仿真地图、精细化户外内微地图及VR全景展示共同构成立体可视化宣传校园风貌环境。

（2）服务于服务。可视化迎新微服务与学校的宿舍分配管理系统系统可以为学生提供基于校园户内外精细化微地图的宿舍床位申请，提前了解床位的分布情况及周边布局朝向，给予学生自主选择的权限，提升学生入住的满意度。

（3）服务于教学。课程定位签到微服务通过与排课系统对接，首先实现可视化课表，所有的上课位置都可以与教室位置关联，并提供精细化位置导航；其次可以提供空闲教室基于校园地图的可视化查看，直观的进行空闲教室的查找。

（4）服务于管理。可视化设备巡检巡查通过与消防安防管理平台对接，实现基于校园微地图的智能定位巡更、巡查巡检，并依托可视化地图提供消防联动报警和监控可视化调阅，所视即可看。

通过对校园各类微服务的建设满足各类应用对位置智能服务的需要。

4.可视化数据展现

可视化数据展现基于校园GIS平台，提供的精细化微地图和三维虚拟仿真地图实现业务系统数据的可视化展现。可视化资产数据展现提供校园资产基于建筑的资产统计查看；可视化公房数据展现实现精细房间的管理，通过地图点击房间完成公房的维护和管理；通过校园专题图数据展现提供各类专题数据的专题呈现和管理（如：消防设施、消防设备、安防监控、网络设备、名木古树等）。

六、结束语

本文作者根据多年的高校信息化实践和对教育信息化的研究，提出了可视化校园平台的设计思路、体系结构和关键技术，试图为高校可视化智慧校园建设描述出一个较为清晰的发展方向与实施线路。

本文可视化智慧校园解决方案，实现可视化、随时随地、无所不在的情景智能校园信息服务，在可视化迎新、课堂互动、安防巡查等可视化服务中颇具成效，已服务中国石油大学（北京）、四川大学、电子科技大学、四川师范大学、河南财经大学等近20家知名高校。可视化平台涉及智慧校园方面很多，通过与各类校园平台或系统融合，将发挥更强的优势。

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