中国科技大学某校区智慧校园数字可视化平台

2022-01-05 13:47:34 作者：来源：

　　第十五届中国智慧城市大会

　　2021年智慧城市先锋榜优秀应用案例三等奖

　　初始科技(苏州)有限公司

　　中奖项目名称：

　　智慧校园数字可视化平台

　　今日针对“智慧校园数字可视化平台”项目，打开智能校园的大门!(修奇、常策策、路广西)

　　01 项目背景

　　2010年，在信息化“十二五”规划中，浙江大学提出建设一个“令人激动”的“智慧校园”。这幅蓝图描绘的是：无处不在的网络学习、融合创新的网络科研、透明高效的校务治理、丰富多彩的校园文化、方便周到的校园生活。简而言之，“要做一个安全、稳定、环保、节能的校园”。2018年6月7日，国家标准《智慧校园总体框架》(Smart campus overall framework)发布，该框架从智慧校园总体系统架构、智慧教学环境与资源、智慧校园管理与服务和总体的信息安全体系等多个角度全方面的指导了智慧校园的建设。2018年12月，西安市教育局发布了中小学智慧校园建设标准，在全市启动中小学智慧校园创建工作。

　　近年来随着数字化技术的不断提升，精细化模型与智能系统的融合度不断提高，智慧校园的建设也迎来了新局面。2021年3月13日《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》的第五篇专栏9数字化应用场景中提出了智慧教育。

　　其中“聚焦教育、医疗、养老、抚幼、就业、文体、助残等重点领域，推动数字化服务普惠应用，持续提升群众获得感。推进学校、医院、养老院等公共服务机构资源数字化，加大开放共享和应用力度。推进线上线下公共服务共同发展、深度融合，积极发展在线课堂、互联网医院、智慧图书馆等，支持高水平公共服务机构对接基层、边远和欠发达地区，扩大优质公共服务资源辐射覆盖范围。加强智慧法院建设。鼓励社会力量参与‘互联网+公共服务’，创新提供服务模式和产品。”明确了数字化智慧教育的重要性。

　　研发背景：

　　2019年4月12日安徽省人民政府办公厅印发了关于《安徽省智慧学校建设总体规划(2018—2022年)》的通知，2020年6月份安徽省教育厅又下发了关于进一步做好智慧学校常态化应用工作的通知。明确要求“深入贯彻实施《安徽省智慧学校建设总体规划(2018—2022年)》，聚焦办好公平而有质量的教育，推动教育组织形式和管理模式变革创新，以教育信息化带动教育现代化。优先推进贫困地区特别是大别山等革命老区、农村地区、偏远山区建设，优先推进小规模学校(教学点)和乡村中小学建设，优先推进课堂教学应用，提高教育教学质量和效率，促进教育优质均衡发展。为进一步发挥智慧学校建设效益，促进优质教育资源共享”。

　　中国科技大学作为坐落于安徽省省会合肥的双一流著名科研型大学，对于智慧校园的实践和探索是急迫且必要的。本着十四五在“重点领域开展试点示范”的指导精神，做精做好智慧校园，为未来推广提供示范性引导作用。初始科技与中科大相关研究方向的教授的一起，运用最新的可视化场景搭建技术，融合大数据平台，以中科大某校区作为试点开发对象，成功完成了智慧校园的示范性探索。

　　02 应用内容

　　智慧校园平台将涉及校园管理的各方面功能都集合成为一个系统，以BIM、3Dmax、GIS等多类型模型作为数据和系统融合的底座。不同权限的管理人员可通过登录一个系统来查看不同子系统的数据，最高权限不受该限制，可通过该系统掌握校园内各方面综合情况。引入“元宇宙”概念，把现实场景尽量1：1仿真引入虚拟空间，让通常扁平化的各项系统结合成一个三维立体的集合体。智慧校园平台保留场景和数据模块对接持续开发的接口，为未来校园的精细化深度管控与平台线上教育、学籍管理等方向教学实用功能，将校园管控平台向师生共享的数字孪生化升级发展。

　　前文提到，真实且方便的可交互模型场景是智慧校园以及未来“校园元宇宙”的扎实基础，因此根据不同的开发需要，在模型融合与开发上打下了坚实的基础。目前针对园区内部的公共建筑实行了精细化的BIM翻模，比如图书馆、教学楼、行政楼、研发中心等。

　　图4至图6截选了校区内可聚焦到建筑内部每一层的交互效果，通过上帝视角，不仅校园内环境与建筑外观可实时漫游，每栋建筑内部情况也一目了然。楼层选择条拖拽和单击相应楼层都可方便的进行查看操作。根据需要，甚至可聚焦到每个房间的内部。在实际测试中，以设备监管中的紧急情况报警为例，宿舍楼内部智能插座传感器发送报警信息。如图7所示，平台系统迅速展现警报标志，并列出报警内容。点击相应红色叹号标志即可聚焦至问题发生处，再次点击即可进入房间。

　　图8为点击进入相关房间之后，查看仿真房间内部的即时情况。系统后台将传感器故障情况通过平台发布给相关工作人员进行及时处理。

　　为校园安全的方方面面保驾护航。同时为了适当保护学生隐私，宿舍内部传感器安装门类有限，目前只试装了用电感应、烟感火灾报警等安全保障性设备。在公共重点安全监控区域，可通过IoT设备全方位掌握该房间情况。

　　除了设备监管大项内的工单报警功能，其他子系统及功能还包括校园内综合态势汇总展示、校区空间建筑功能与内部结构指引、园区内安防监控等安全保障系统、校园内重点资产监管、各楼体的能耗监测以及节能预测、人员及车辆通行管理、重点设备运转管控、校园内环境污染监测等。

　　如图9所示，在综合态势里展现了校区各个建筑功能及相应位置，综合展示了在校人员、安防告警、资产分类统计、能耗总览、工单处理情况、室内环境监测滚动式展示、教室占用率、安防情况等校园内重点信息情报。通过数据的实时可视化，可方便的管控校园情况，实时监测，并结合校区各功能区块完成大数据的关联分析。做到校区综合态势一个平台全掌握。

　　对于建筑物内部重点设备的运行状态和位置可通过如图10所示的水晶透视效果来重点展示，图示的黄色方块为图书教育中心学生通行电梯的实时位置示意，黄色为正常运营状态，若出现状况将会变为红色，并在平台系统进行报警。

　　通行管理功能中做到了人车进出校区的实时管控，包括外来人员的身份登记，利用系统的路径规划功能(图11)对校区中人员、车辆流动进行科学赋能，提高通行率，保障校区通行科学高效，使管理者从整体上了解校区的通行状态。

　　校园内的摄像头录像都可接入平台，如图12选定摄像头位置之后即可查看实时监控视频或回溯历史状况(为保障校园隐私，展示界面视频为管理室前台桌面监控)。摄像头接入人工智能分析系统，对院内预设报警情况进行实时监控，提升了管理精确度、并降低了管控的人员投入成本。能够对校区内部进行不间断巡查，以监控代替人工的方式完成园区安保巡逻，可对异常情况准确定位，并快速报警，拟定好计划后，解除相应问题。

　　综合能效功能板块对接现有各教学楼电表数据，对实时用电量和平均用电量做出统计，对公共设备、冷冻站、用户设备、照明插座等关键能耗分类进行统计，对月度节能情况进行总结，对节能降耗提供指导性预测，针对校园进行能效监控与管理，实时显示能源消耗健康度，及提供能耗异常报警。对校园实现合理使用能源、合理调管，助力国家“双减”目标。

　　资产管理方面将校区内重点实验仪器与教学设备加装了定位传感器，并做了校园电子围栏，一旦校园重大资产未经系统申报脱离正常位置范围，平台将会报警。如图13所示，定期统计资产使用率、资产监控率、告警处理状态统计、资产标签安装率、沉睡资产统计、资产分类等资产相关信息，让管理者实时掌握校园内重大资产情况。

　　教学区与教室使用率、室内环境质量、教室实时课程占用情况等都在图14的绿色环境界面中展示出来，空气污染超标和其他紧急情况的报警也可以在空间中做到精确定位，方便相关人员去现场排查情况。基于校园的数字孪生可视化，对设备进行联防联动监控，快速定位设备的故障点，对工单、维修人员等业务单元联动实现可视、可管、可控，保障生产高效，运维科学。在后期开发中，平台不仅接入更多物联传感器数据，还可通过下行开发来远程操控校园内的各类设备。

　　03 应用效果

　　整套智慧校园系统在部署之后为整个中科大校区的运营管理提供了极大的系统性支持，例如图15展示的在校园出入口装备的通行管控子系统。在校人员通过智能人脸识别扫描设备的出入口时，闸机可自动放行，校外或未登入校内信息库的人在脸部识别后闸机不会放行，保安来确认情况的同时，设备会对该人员进行拍照并记录通行时间等信息。

　　监控摄像头的视频都通过云平台接入内部视频巡检分析服务器，对预设报警情况进行抓取和报警统计。通过AI实时监控系统可以通过机器视觉判定，自动监控校园内预设好的报警情况，便于管理部门对于校园的管理，及时发现校园存在的问题，比如烟火、门亭缺岗、卫生状况、人群聚集、消防通道违章停车等。AI实时监控系统还有自动预警与报警功能，识别到危险状况后会自动发出预警到校区的安保监控室，提醒安保人员关注。图16为视频巡检子系统的后台，近期内的报警信息都可实时调阅，保证校区安保处能够快速响应紧急事件的同时，还能够对校园内发生的一切进行回看，强化升级校园安防管理的同时大大节省了人力成本。

　　在设备监管中的问题聚焦上，不仅在大屏上有总的报警工单完成情况，针对每一个点都有实时的安全监控监督，连接小程序，可以做到实时管控。因此校园内传感器布控到的所有设备问题就得到了良好的管控，在未来大型校园的管理维护实践中具有很高的推广价值。除此之外系统的环境监测功能，实时展示重点教室和公共区域的内PM2.5、温度、湿度和空气污染情况。在夏季和冬季教室处于较封闭状态时，对室内空气质量做重点监控，尤其室二氧化碳含量会直接影响学生的听课效率。平台右上角与现实时间日期，以及室外温湿度、天气、风向、风力大小等实时同步。教室预约占用情况展示查看系统，可以查看教室使用状态，还展示了教室课程预约详情，详细展示了每个教室的课程信息，新生登陆该系统后，也可利用查找和自动寻路系统快速得知上课时间和最佳路线。

　　接入平台的校区智能设备的类型和状态，并可以根据不同设备类型进行统计，包括设备信息和告警信息，在所有设备中，告警设备会被置顶，方便管理人员对告警信息进行处理。还有能为校园创造实际效益的节能分析功能，接入的智能电表的数据，通过对不同位置耗电量大数据的分析，按照月度来做节能统计，并可根据历史的能耗数据，对未来的节能措施和节能指标作出预测性指导，在实际的使用过程中，通过非常时间段的耗电量统计与节能措施量化对比分析，已经节省出可观的能源费用。

　　除此之外的环境仿真系统，不仅可以做到早、中、傍晚、夜四个时间段的环境仿真、还有多云、晴天、下雨、下雪等天气仿真，还有春夏秋冬四季仿真。通过不同的组合全方位展现校区的风貌，为新生入学前熟悉校园环境，提供了极大的在线预览帮助。

　　04 创新点

　　本项目周边GIS地形均使用ArcGis/Map、CE、CityEngine等软件组合自研方法与方案自动生成，可自动获取周边地形与建筑简模，为城市大规模建模提供了创新性技术支持。同时完美将3DMax、Revit等三维建筑模型融入地形最后集合到UE引擎里集中开发。校区及周边地形在虚拟世界迅速生成，开发方便快捷。同时利用引擎平台的代码开源，进行二次编程开发实现各种功能的接入。配合美术的光照与材质渲染、校区整体模型与环境仿真还原度高。根据通常的需求来重新设计科技感UI，系统界面效果好。

　　本校区平台的系统架构实现了物联网设备、数据库、多个UE4程序之间互相通讯，最终通过webrtc与stun实现浏览器端的访问。自研信令服务器技术架构优势：1、支持负载扩展，可通过团队自身研发的并发系统，实现添加服务器达到支持多人访问的效果;2、数据与ue场景快速通讯，通过团队自身研发的supapi可实现数据驱动场景，场景与业务数据互动;3、业务数据与场景分离，可快速接入原有的业务数据;4、通过配置文件即可快速发布上线可视化应用。

　　可视化系统架构后端采用springboot+mybatis框架，前端采用vue框架和element组件库。采用kafka消息队列和websocket协议进行数据通信，数据统一采用了Json标准数据格式。

　　UE4通过像素流技术实现轻量化的展示方式。在UE引擎中渲染需要展示的3D模型，并通过websocket推送的数据到UE4服务器，在UE中做处理并展示。UE4使用H.264视频压缩对每个渲染帧的最终结果进行编码，将这些视频帧随游戏音频一同打包到媒体流送中，并将该流送发送到WebRTC代理服务器。WebRTC代理服务器负责将像素流生成的媒体流送通过直接点对点连接中继至一个或多个连线的浏览器。信令和Web服务器负责交涉浏览器和WebRTC代理服务器之间的连接，将播放媒体流送的HTML和JavaScript环境提供给浏览器。

　　这个过程中用户也可以反向把自己的数据(比如鼠标键盘操作、网页上的按钮等)传给UE4服务器并影响服务器的逻辑决策，达到双向通讯的过程。

　　05 社会价值

　　中国科技大学某校区的智慧校园数字可视化平台是智慧校园技术发展的一个重大创新性尝试，结合了目前为止该校区一系列智能化软硬件改造升级成果。当然目前只结合了一部分功能，整个平台从模型到子程序还在不断的开发和优化，初始科技也会继续和中科大的师生一起共同探究智慧校园平台的实用价值，探索数字孪生校园的终极形态，为科研管理提供扎实的专业性技术支持。目前该系统在展示汇报与实际实用方面已经得到了学校和教育系统领导的肯定和支持。在十四五全面数字化升级倡导之下，智慧校园不仅作为智慧园区，同样也是智慧城市的重要组成部分。做精做细校园管理也是近年来教育部领导对每个学校的基本要求，如何把这一要求落到实处，技术升级是最为可靠的选项之一。一个系统统观全局，不仅是优化了校园管理服务模式，提升了学校管理服务水平。通过该平台，更能不断发挥数字化智能化的真正作用和价值，为教育系统带来更多效益。

　　平台预留开发端口，也是为了和所有在校师生一起探索智慧校园的更多功能，在校使用者是最了解智慧校园平台该往何处发展的，通过不断的交流与各专业共同开发其子系统。未来该平台将于线上教育、学籍管理、选课报备、社团服务等多个平台打通数据链接屏障，做好融合互通，争取师生在数字孪生智慧校园的“元宇宙”中能自如便利的使用各种实用的功能，得到更多有价值的信息。未来以该智慧校园平台为推广样例，可以点到面，根据不同校园的需求增减功能，最终将区域范围内的相关学校都统一到一起，真正做到了教育系统上的“智慧城市”，也可为以后城市级、甚至于国家级真正的全方位智慧城市，提供模型底座和大数据支撑。

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