朱海颖 高江涛

(中国民航大学信息网络中心 天津 300300)

为实现新时期我国教育信息化转型升级，2018年国家教育部出台了《教育信息化2.0 行动计划》（教技〔2018〕6 号），正式提出我国教育信息化迈入“2.0 时代”。同年，国家标准化管理委员会发布《智慧校园总体框架》（GB/T 36342-2018）明确了智慧校园的定义。各高校深入探讨并实施教育信息化2.0行动计划，大力推进智慧校园建设[1-4]。智慧校园以大数据、云计算、物联网等先进信息技术为基础，以各种应用服务系统为载体，联合先进教育理念，构建集教学、科研、管理和生活为一体的智能化和智慧化校园环境。智慧校园管理系统的建设有助于开展校园管理活动，为高校现代化管理探寻新的发展思路。

现行的智慧校园技术以物联网、大数据、云计算技术为核心，面向师生提供了如教学、管理、后勤、安防等多方面的互动，但是，现行的技术主要将校园空间形态和使用情况进行数字化显示，局限于二维空间和静态层面。校园是由学习空间、工作空间、生活空间、运动空间等若干空间环境组成，是一个不断发展变化，具有动态三维属性的整体。

因此，基于地理信息技术，以3D建模为基础，构建智慧校园管理系统，利用WebGIS、大数据、物联网等前沿技术手段，辅助校园管理者对校园安全、地下管线资源、房屋、资产设备等进行运行管理，使校园各类应用系统高度整合，利用大数据分析，实现以统一的数据标准对校园整体运行态势的全面掌握，以各类图表形式将校园整体运行情况进行全面呈现，从而提升各类信息的获取速度，并能够及时、灵活、准确地进行相关的管理，实现智慧化校园管理新模式。本文基于地理信息的思想、技术，融合企业服务总线架构，提出构建了智慧校园管理系统。结合物联网、大数据、虚拟现实、网络三维建模等技术手段，组建动态设计实体，实现校园管理从静态到动态、从二维平面到三维空间、从粗略把控到精细化掌握，以中国民航大学为例，验证了平台的具体使用效果。

1 系统总体架构设计

本文智慧校园管理系统采用层次化体系结构，在沿用行业传统的三层架构模型基础上，引进ESB 技术框架，兼容原有信息系统与数据，消除应用系统间的技术差异、实现不同系统间数据交换；支持不同类型数据的采集、整合、分析、展示，实现不同维度数据的聚合与关联，实现不同算法的预测与挖掘。系统由基础设施层、数据资源层、业务支撑层、智慧应用层组成，各层在不影响系统工作的前提下独立进行扩展升级。总体架构如图1所示。

（1）基础设施层是智慧校园建设的基础设施保障，包括设备层和网络层。设备层能够集成多类设备，包含安全管理相关设备，如摄像机、出入口道闸、门禁等；资源管理相关的物联网设备，如水电表、灯控等。网络层实现物联网、校园网、专用网等的互联互通，实现校园人与人、物与物、人与物之间的全面互联、互通，增强信息获取和实时服务的能力。

（2）数据资源层是智慧校园建设的主要数据来源，是该系统的主要层，包括地图数据层和业务数据层。地图数据层中校园地图数据主要来源于无人机和手持式扫描仪等仪器进行的遥感数据采集与校园建筑物CAD 图纸。利用地理信息技术，构建全面广阔的GIS地理信息系统与详细可靠的建筑物三维精细化模型，能够真实还原建筑物原有风貌。业务数据层对接各类业务系统，能够对接厂家设备管理系统，如摄像监控设备系统、门禁设备系统、灯控系统等，同时能够对接统一身份认证系统等，能够实现对校园已建系统的全面对接整合，实现业务数据的标准化管理，为数据资源共享互联提供技术支持[5]。

（3）业务支撑层融合企业服务总线技术，为智慧校园建设集成异构平台应用系统和数据库，提供数据传输、协议相互转化、资源路由管理等，实现以用户为中心的服务模式，为智慧校园的智慧应用提供坚实的业务运行基础。同时，还具备对数据的有效管理能力，为各类智慧应用提供数据基础，对智慧校园建设进行大数据分析。

（4）智慧应用层实现智慧校园与校园用户的交流，包括系统层和应用层。系统层包含校园对外门户应用系统、校园安全综合管理系统、校园弱电管线应用系统、校园楼内管线管理系统、智慧校园大数据分析系统等。应用层能够在校园地图中显示设备位置、获取设备信息、获取报警信息、实现校园室内外导航、管线信息查询、设备间管理、自动放缆、连通分析、停水分析等。

2 系统关键技术实现

2.1 瓦片化地图发布技术

网络地理信息系统（WebGIS）是Web 技术与GIS技术结合的产物，其主要以基于HTTP、XML、GML 的B/S 结构的瘦客户端和Ajax 的RIA 技术模式为主要实现方式。传统的WebGIS 系统是客户端发送一次地图浏览请求，服务器根据请求实时生成一张图片，时间长、效率低、出图慢。而利用瓦片化地图发布技术[6]在服务器端预先生成不同级别的瓦片地图，能大大提高地图的生成、发布、显示和浏览速度效率，极大地改进客户端和服务器端的交互效率，减轻服务器负载和网络传输负担。

瓦片化地图发布技术主要由客户端的Ajax 技术和服务器端的金字塔瓦片地图库构建组成。在服务器端对地图进行预先切割，生成不同层次的电子地图瓦片，建立金字塔结构的地图瓦片模型，采用数据库或文件目录的方式对瓦片地图数据进行入库或存储管理，并对金字塔瓦片建立线性树瓦片索引。客户端利用Ajax 技术编写各类丰富的客户端操作，访问某一范围地图时，当金字塔内包含请求图像时，返回请求图像，若不包含该图像缓存，则重新生成缓存并返回。由于这种预先处理WebGIS服务器解析生成地图的过程，服务器端地图图片无须实时生成，使用户访问资源文件效率很高，平台使用流畅，可以实现对各类业务系统提供技术支撑。

2.2 WebGL技术

WebGL（Web Graphics Library）是一种3D 绘图标准，直接以Open GL 接口实现HTML5 的canvas 标签调用，以统一的Open GL标准，从Web脚本生成利用硬件加速功能的Web 交互式三维的图形渲染，借助系统显卡使3D场景、模型在浏览器里更流畅地展示。智慧校园管理系统利用WebGL技术，能够通过浏览器网页对校园建筑物室内外进行三维立体呈现效果，并且实现校园导航等丰富应用功能，借助WebGL 绘图协议，能够更好地呈现各类建筑物分布的室内结构，实现通过位置获取各类设备位置与相关信息。基于WebGL 实现的某建筑内部网络三维场景如图2所示。

图2 基于WebGL实现某建筑内部网络三维场景

2.3 企业级服务总线

企业级服务总线（Enterprise Service Bus, ESB）[7]是一种面向服务的设计方案，是目前数据集成采用的主流技术,它简化业务单元的集成，在异构平台和环境之间建立联系。ESB系统的消息转换和消息路由功能为数据异构型问题提供了解决方案。利用ESB可以有效地实现松耦合、动态地集成校园信息系统。

ESB基于应用逻辑将系统应用分解和封装为服务单元，遵循统一的标准和规范开发服务，通过服务总线，重新定义业务逻辑和业务流程，自动复用，通过冗余服务保证可靠性。按照数据流传输方向，分为数据提供方与数据接收方。数据提供方在数据发生变化时调用ESB 接口传入Jason 文件，并发起流程；ESB 调用数据接收接口，以单条同步的方式进行状态同步；ESB通过日志回传接口向数据提供方反馈数据接收方的状态同步结果。当以后新上线系统需要通过ESB与数据中心集成时，统一拓展Rest 服务接口，使用标准Web Service 协议实现消息通信、服务检测等。企业级服务总线包含数据交互、服务管理、业务流程管理3个部分核心功能，能够满足于智慧校园管理系统相关业务系统之间协议转换、数据集成与交互等相关问题提供解决方案。ESB总体框架如图3所示。

图3 ESB总体框架

3 系统应用

该智慧校园管理系统已在中国民航大学试运行，目前基于地理信息技术已实现了学校两个校区的校园门户信息管理系统、校园地下资源管理系统、校园三维管网管理系统三大功能模块，具体如图4所示。

图4 智慧管理系统

校园门户信息管理系统包含门户信息、通用基础信息和基础空间信息，能更好地展示校园风采、特色，提升学校知名度，系统实现了信息的集中和互动，利用地理信息技术，将校园建筑物、各类生活设施资源的分布位置进行可视化的浏览、查询、定位、分析、导航。

校园地下资源管理系统和校园三维管网管理系统，利用地理信息技术，根据校园室内外地图，实现在多维空间对各类弱电管线资源的位置、属性、连通关系、路由走向、地下埋深等信息，以及楼外接入楼内管线的分布情况与接入设备情况进行可视化管理，辅助校园日常管线与楼宇的日常管理、维护、查询使用等工作，进一步降低管理难度，提高管理效率。该系统集成多类业务系统，实现各类业务数据的全面集成与交互，并利用大数据分析，实现对校园整体运行情况的全面分析，洞悉校园运行规律变化，为校园日常运营管理提供全面的数据支持。

4 结语

鉴于目前的校园管理技术局限于二维空间和静态层面，忽视了其本身所具有的三维动态属性，本文提出了基于地理信息技术的智慧校园管理系统架构，研究了瓦片化地图发布技术、WebGL 技术、企业服务总线等关键技术。应用结果表明：通过对校园真实地物的数字化管理，实现对现实世界的数字孪生，提供基于校园室外空间位置为基础，承载各类业务应用系统，实现对室内外、地上地下设备、资源的查询、定位、管理等；同时实现各类业务系统的全面集成，实现业务数据互联共享，实现对校园整体运营态势的全面掌握，节约管理成本，真正实现校园智慧化管理的管理目标。针对智慧校园管理系统的设计研究，结合高校真实需要的业务场景与先进的技术手段，进一步提升校园智慧化管理的能力，全面实现校园业务系统的集中化、统一化的管理，实现位置与信息的全面结合。未来笔者将继续优化系统功能、集成更多业务系统，真正实现全面的系统集成和数据打通。