作品编号：C627（三等奖）
作品名称：智慧校园-大学校园生活与服务平台系统
作者单位：江西理工大学建筑与测绘工程学院
小组成员：罗健文，代德扬，王紫微，罗景渝
指导老师：李恒凯 温小军
1．需求分析
当前，在我国高等学校中，随着网络技术、信息化技术、通信技术的不断发展和进步，各种信息化应用在教学、科研、管理、后勤服务领域发挥着越来越大的作用，基本上解决了学校业务部门的管理工作，取得了令人瞩目的成果。然而，各地高校在信息化建设中取得巨大成功的同时，仍然存在一些普遍、共性的问题，其中最突出的有:网络基础设施的接入手段比较单一，安全保障体系不够完善，信息之间缺乏必要的关联，容易形成信息孤岛，数字资源建设投入较少，各信息系统缺乏统一的信息编码准，信息化安全及保障机制不够健全，尤其是不同部门之间缺乏信息的共享与交流，自动化程度相当低等诸多问题，这就迫切要求基于先进技术的智校园管理系统的出现，智慧校园管理系统是建设智慧校园的前提和保障条件。
智慧校园是指利用GIS、大数据、虚拟化和物联网等新技术将学校的教学，生活，管理与校园的资源和应用系统进行整合，以提高应用交互的明确性和灵活性，从而实现基于GIS的智慧化校园服务与管理势必是未来校园发展的方向。
图 智慧校园特点
2．总体设计
2.1 功能设计
2.1.1 三维校园应用模块
根据江西理工大学校园园区的实际情况，利用测量测绘器材对校内建筑物、道路、基础设施、绿化带、池塘、标志性建筑等进行实地量测，最后将量测点导入ArcGIS中进行分析处理，并将建筑物的属性信息导出，最终制作出江西理工大学校园矢量专题图。并通过CityEngine建模，将模型发布到ArcGIS门户，利用GIS技术将三维模型显示在地图上。
相比于传统的2.5维地图能更好的展示三维数据，在满足用户基本的查询与搜索的同时，强化了二三维的结合，和三维数据的实用性，制作三维的室内地图，使用户对建筑内部情况也能了如指掌。
图2. 1.1.1
图2. 1.1.2
2.1.2 个人轨迹大数据分析模块
个人轨迹数据是指学生在以校园为中心的日常活动中所产生的轨迹数据，它包含学生的 位置信息、时间信息等。本系统可以通过对学生的手机定位，实现学生实时位置的更新。并通过DBSCAN轨迹算法对学生的生活轨迹进行分析提取，方便教师对学生进行管理。
同时结合地理围栏技术分析出学生的时间分布，也可以对学生的异常轨迹进行分析，如在上课时间，则会对该时间段的轨迹点进行判断，确认学生是否按照要求准时前往上课。也方便了教师对学生的管理，在第一时间收到学生的异常路径提醒。及早的做出处理。
图2. 1.2.1
2.1.3 人群位置的宏观动态展示模块
本系统将学生的轨迹点都存放到了Oracle数据库，把数据转换成具有时空属性的数据，进行批量筛选分类，利用地理坐标匹配技术映射在地图上，进行分类符号化显示。
使用ArcGIS API for JS的时间轴控件，通过筛选，将同一时间段的所有轨迹点在地图上显示，并进行分类符号化显示。用户可以自行选择某一时间段的人群分布，或是自动播放人群的位置变化。直观的模拟出校园各个地方人数的变化趋势，查看校园的人群分布可以给学校管理者对上下课时段拥挤的路段实行交通管制和整个学校的人员调配是否合理提供参考依据。
图2.1.3.1
2.1.4 火灾分析模块
大学校园是人群聚集场所也是消防安全的重点单位，一旦发生火灾将危及到许多人的生命安全。校园火灾的分析预测就显得尤为重要。
本系统依据火势蔓延模型，结合了可燃物影响因子，火势传播通率等拟真参数。预测火灾的蔓延速度。通过arcmap创建网络数据集，并制作GP模型后发布到arcgis server。用户输入火灾时长，通过调取发布的GP服务，返回三个面，红色为燃烧区，绿色为即将燃烧区和蓝色为危险区，实现火灾过火区域预测分析，尽早的对危险区域内的人员进行紧急撤离。
图2.2.2.4.1
而火灾逃生模拟是结合Unity3D发布WebGL，通过编写脚本，控制人物在平地，楼梯，拥挤程度等不同情况下的逃生速度，并每间隔一段时间分析每个楼层人数，楼梯口人数，火灾阻塞区域等因素，对建筑内人员重新规划疏散线路，充分利用每个通道，避免出现拥挤，达到最快疏散火灾建筑内的人员。
学校老师可以参考模拟数据制定出最佳的人员疏散方案。
图2.2.2.4.2
2.1.5移动端模块
伴随着智能手机的普及，现在已经是移动网络盛行的时代。我们身处在移动互联网时代，通过移动端App可以更好地利用它来为校园提供服务。通过移动端进行定位打卡，设备保修，失物招领等功能，与WEB端相辅相成，相互补充，满足了用户在不同平台上使用系统的需求。
图2.1.5.1
2.2 数据库设计
2.2.1 空间数据库设计
空间数据库主要包括两大部分：一个是学生轨迹点信息，另一个是建筑的具体信息。空间数据源主要利用手机端或学校硬件将学生的时空属性数据进行收集处理，保存在Oracle数据库中。建筑数据主要利用ArcMap加载转换好的时空属性信息进行数字化获得的矢量地图，保存在Geodatabase地理数据库上并在AcrGIS Server 服务器上发布。
图2.2.1.1
图2.2.1.2
2.2.2 属性数据设计
属性数据主要是由学生信息、班级信息、教师信息、建筑信息、轨迹点、活动管理、生活动态、图书馆位置、失物招领、设备报修这10个表组成。
图2.2.2
2.3关键技术
系统采用Web和移动端相结合的方式，web端主要用ArcGIS Service进行属性数据库的访问，利用ArcGIS API for JS编程接口通过REST接口访问ArcGIS Server发布的地图服务、几何服务、地理处理服务、要素服务、网络服务等地理服务，采用ArcGIS Online作为背景地图。移动端是基于手机APP二次开发。其中有以下几点关键技术：
- 关键技术一：室内外一体化建模
根据江西理工大学校园园区的实际情况，利用测量测绘器材对校内建筑物、道路、基础设施、绿化带、池塘、标志性建筑等进行实地量测，最后将量测点导入ArcGIS中结合建模区域的遥感影像、高程数据进行分析处理，绘制矢量数据、编辑属性信息并导出，最终制作出江西理工大学校园矢量专题图。
实地采集建筑物表面的纹理贴图，使用CityEngine对校园内比较规则的建筑进行CGA规则建模，同时对于不规则的建筑使用3Ds Max进行精细建模。最后将建立的模型加载到同一场景中，最大限度还原学校面貌。
- 关键技术二：数据采集及数据真实性
系统的空间信息数据大部分由移动端(手机)收集，位置信息由手机定位获取并上传到主机数据库中。活动信息，失物招领等信息与主机数据库连接，实时上传并更新，保证数据的时效性。
在数据真实性方面，移动端采用了人脸识别技术，在使用移动端打卡签到功能的时候，通过人脸识别技术使用前置摄像头进行拍摄对比学生入学照片，通过识别验证方可签到，确保是账号本人签到。
- 关键技术三： 学生轨迹与地理围栏分析模型
访问数据库获取移动端收集到学生的生活轨迹点,并通过DBSCAN轨迹算法对学生的生活轨迹进行分析提取，设置轨迹点之间的最大距离和前后轨迹点之间的时间。遍历一天中所有的轨迹点，并进行前后点之间的比较，获得学生的生活轨迹，得出停留点、停留时间和过路点。
结合地理围栏技术，人工设置地理围栏，如教学楼区域，宿舍楼区域，图书馆区域等，将轨迹中的停留点与地理围栏对比，统计出学生一天的生活时间分配。并将地理围栏与时间属性结合，自动检测学生轨迹是否正常，如上课时间是否在教学楼，晚上是否在宿舍楼等。
- 关键技术四： 火灾区域分析
本系统采用了火势蔓延模型，即半经验模型。该模型涵盖了火焰反应强度，可燃物影响因子，火势传播通率等拟真参数，从而计算出火势的传播速度。在ArcMap中绘制校园的火灾传递路线，为每段火灾传递路线评估可燃物影响参数，火势传播通率等拟真参数。将火灾传递路线制作成网络数据集，并制作GP模型对火灾蔓延区域进行分析预测，通过输入火灾时间，计算火灾影响区域。
- 关键技术五：火灾逃生模拟
使用CityEngine对建筑进行图书馆室内外建模。导入Unity3D中，对人物进行建模，编写脚本控制人物在平地和楼梯的速度，以及在出现拥挤情况下的整体减速。使用Unity3D的碰撞检测，将每层楼，每个楼梯口，每个交叉口停留的人数进行实时监测，如果停留人数太多，导致人员堆积，则马上更改后面马上要进入该拥堵点的人员的逃生路线，避免拥堵点拥堵加剧。通过分析，对火灾建筑内的全体人员进行分流，充分利用建筑内的通道，在最短时间内将人员撤离出火灾建筑。
3．作品亮点
“智慧校园”是一款基于GIS技术思想、结合互联网+理念，依托互联网信息技术传播的高效性和移动端的便携性，具备时空信息浏览分析功能的数字化信息管理系统，便于快捷高效地帮助有关部门管理学校各方面事宜，同时，方便校园师生日常生活。
- 亮点一：室内外一体化建模方法
根据江西理工大学校园园区的实际情况，利用测量测绘器材对校内建筑物、道路、基础设施、绿化带、池塘、标志性建筑等进行实地量测。使用CityEngine和3DMAX三维建模软件，将三维建模技术与校园地形、室内环境相结合，得到虚拟仿真的校园三维模型，方便学生查看与搜索建筑相关信息。同时制作室内地图，如图书馆的室内地图，学生可以查看每层楼每个房间的具体信息，尤其是自习室空闲位置的查询与预约，让学生可以更加合理的安排学习时间。
- 亮点二：个人轨迹大数据分析
利用移动设备的便携性，获取大量真实有效的学生数据，将学生的轨迹数据上传到Oracle数据库中，并通过DBSCAN轨迹算法，对轨迹点数据进行轨迹聚类分析模拟，得到学生每天的轨迹线。结合地理围栏技术，对学生轨迹中的停留点进行位置判断，及早发现学生的异常轨迹，并通知教师，方便了教师对学生的管理。
- 亮点三：火灾区域分析
对校园突发状况进行分析模拟，采用火势蔓延模型，结合火焰反应强度，可燃物影响因子，火势传播通率等拟真参数，计算出火势的传播速度，建立火灾分析GP模型对火灾蔓延区域进行分析预测，通过输入火灾时间，计算火灾影响区域。最后将火灾的燃烧区域和危险区域显示在地图上，为管理者提供参考。
- 亮点四：突发情况的三维动画模拟
将火灾与三维模型结合，使用Unity3D制作建筑火灾模拟，并编写脚本，通过查找资料设置人物在不同情况下的速度，如下楼梯和平地奔跑的速度。以及出现人员拥挤时的整体减速。使用Unity3D的碰撞检测，将每层楼，每个楼梯口，每个交叉口停留的人数进行实时监测，如果停留人数太多，导致人员堆积，则马上更改后面马上要进入该拥堵点的人员的逃生路线，避免拥堵点拥堵加剧，通过合理的分流，将建筑内的人员在最短时间内离开火灾建筑。学校老师可以参考模拟数据制定出最佳的人员疏散方案。
- 亮点五：WEB端与移动端结合，智能一体化
利用移动设备的便携性，将移动设备作为数据源的采集器，不但可以收集学生的定位信息同时添加了打卡签到，校园内活动管理，设备报修，个人时间分配等功能，便于师生日常生活。