基于位置智能的可視化校園平臺架構設計

熊運余 羅術銅

摘 要：本文提出基于空間位置智能信息構建一體化智慧校園信息服務平臺，基于精細化戶內定位與可視化地圖，實現個性化、情景式、所見所得的高校信息服務，文章從設計思想、系統(tǒng)架構、關鍵技術、功能設計等方面詳盡闡述了可視化校園平臺的建設思路與建設內容，對高校推廣建設可視化校園平臺具有一定的參考意義。

關鍵詞：可視化校園平臺；可視化數據交換；混合定位；位置智能；微服務

中圖分類號：TP311.52 文獻標志碼：B 文章編號：1673-8454（2018）05-0092-05

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、網絡化校園、數字化校園、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、物聯網、移動互聯、大數據以及GIS地圖平臺。通過GIS平臺實現校園虛擬空間數據與各業(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.數字校園過渡到智慧校園

高校經過多年數字化校園的建設，基本已經完成了各業(yè)務系統(tǒng)的數字化轉變。建設完成了統(tǒng)一校園門戶、統(tǒng)一身份認證和數據共享中心實現個各項數據的融合與統(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，作為基礎平臺，提升到學?；A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據。

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)提供基礎的空間數據信息和位置感知數據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。

現有數據共享平臺的缺陷，呈現不直觀、基于位置智能的展示不充分?？梢暬脚_建設是：物聯網整合的需求、混合定位集成的需要、數據融合的需要、可視化個性門戶的需要?？梢暬脚_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)，實現物理校園環(huán)境與虛擬校園之間的聯結，提供人人互聯、物物互聯、空間互聯的情景感知環(huán)境。做到與周邊環(huán)境的隨時隨地感知呈現，提供以人為本的可視化服務，讓感知信息可視化直觀呈現。

1.空間信息互聯

利用感知設備傳感器和網絡通信技術，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，實現業(yè)務數據與空間數據的有效融合。如：通過基于位置的簽到能實現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，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，實現泛在化智能環(huán)境服務；依托感知設備通信技術實現可感知的智能環(huán)境。泛在化的網絡與空間位置的結合，通過構建可感知的智能環(huán)境，實現物理環(huán)境的數據情境化呈現。

三、平臺架構設計

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

用戶層：平臺的使用對象，根據不同的使用對象所處的不同角色展現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、實現數據的可視化及對可視化數據進行可視化分析。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。數據可視化為把傳統(tǒng)業(yè)務系統(tǒng)中的業(yè)務數據以可視化地圖形式進行呈現，如：可視化公房、可視化校慶?？梢暬瘮祿治鐾ㄟ^輸入的業(yè)務數據和可視化數據實現應用功能的深度智能化分析，并以可視化形式展現提供。

支撐層：保障服務層應用按照可視化方式進行展現和管理。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。數據交換服務實現對平臺采集和融合到的數據的整合接入和輸出，為服務層各類服務應用提供支撐。

數據層：為服務層和支撐層提供數據存儲服務。

感知層：通過各類物聯網感知設備，把物理空間環(huán)境信息數字化，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，實現了教學管理和學校工作的可視化與移動化。通過可視化數據交換是業(yè)務數據與空間數據有效的融合標準化，提供給微服務平臺實現微應用的建設和可視化數據展示與分析。

1.立體可視化

采用自主獨立的新一代GIS系統(tǒng)，提供一個用于在網絡中發(fā)布GIS數據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)點在于矢量數據、屬性數據、影像數據高度集成和分布式管理?？梢曰贕IS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)，實現區(qū)域范圍內的三維虛擬呈現。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、數據格式處理。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。

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>WiFi>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.可視化數據交換

（1）數據采集

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

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

數據文件導入：在無業(yè)務系統(tǒng)或業(yè)務系統(tǒng)無法提供數據庫系統(tǒng)或數據接口，通過數據文件導入的方式實現數據的采集獲取，如：txt、excel、xml等數據格式文件的導入。

數據填報：在數據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據填報采集系統(tǒng)，通過對任務分解和一定周期的數據填報采集，實現數據的信息的采集。

（2）數據輸出

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

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，實現系統(tǒng)自動精簡配置和存儲資源池共享。

數據壓縮技術：采用大數據無損壓縮技術，實現對超大數據的“瘦身”，增強數據儲存的可擴展性，并且解壓后的數據與原數據保持100%的一致。

分布式內存緩存技術：采用分布式數據內存緩存技術，減小數據庫層承受的讀寫壓力，實現大量的業(yè)務請求時，避免數據“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。

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，體現在以下幾個方面：

？誗一組小的服務

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。

？誗獨立部署、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。

？誗獨立開發(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。

？誗獨立服務和自治

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、可視化數據交換、可視化微服務、可視化展現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

？誗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，并緊抓移動互聯網浪潮，實現平臺的跨技術平臺載體覆蓋（WEB網站、移動平臺、微信、手持設備等）。

（2）應用載體

？誗三維虛擬仿真校園

建設三維虛擬仿真校園，根據校園的實際風貌，實現精細化模型的繪制呈現，并可基于三維仿真校園地圖實現樓宇、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。

？誗二維精細化微地圖

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），將地圖的呈現程度，深入到建筑樓層內部，可精細化的呈現每個房間，甚至每個課桌、床位，作為一種更加直觀精準的地圖載體，為校內的信息化數據、業(yè)務系統(tǒng)，提供一個更加精細化的空間信息呈現手段，大大提高校園管理、服務的智慧化水平。

（3）位置智能支撐

？誗混合定位服務

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教育資源的充分利用。

2.可視化數據交換

可視化數據交換通過各類數據源的接入，實現可視化數據的交換、校驗、治理、推送等功能服務。提供數據交換接口，采用統(tǒng)一的數據接口協議（HTTPS），多種類型的數據交換建立統(tǒng)一的數據結構體（數據版本、數據類型、數據屬性），提供被調用和主動推送的接口調用方式，實現數據的交換，交換數據加入“握手機制”，確保數據成功交換。

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

數據推送提供對效驗完的可視化位置數據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，通過標準的數據接入規(guī)范，實現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，首先實現可視化課表，所有的上課位置都可以與教室位置關聯，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.可視化數據展現

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

六、結束語

本文作者根據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?？梢暬腔坌@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。可視化平臺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。

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（編輯：王曉明）