智慧校園基礎平臺構建及輕量化研究

【摘 要】分析智慧校園平臺構建要素，通過問卷調研進行功能需求分析。確定了智慧圖書館、智慧食堂、智慧教務的功能。通過BIM模型與無人機傾斜攝影得到的現狀地形模型完成智慧校園基礎平臺搭建，并對比4種將模型導入Unity3D的方案，為下一步具體功能的實現提供了基礎。

【關鍵詞】智慧校園；" 建筑信息模型；" 地理信息系統；" Unity3D

【中圖分類號】TU393.09【文獻標志碼】A

［定稿日期］2022-11-25

［基金項目］西南石油大學開放性實驗基金（項目編號：2021KSZ08011）

［作者簡介］丹巴（2000—），男，在讀本科，研究方向為土木工程；擁忠（2001—），男，在讀本科，研究方向為土木工程；程逸遠（2001—），男，在讀本科，研究方向為工程管理。

［通信作者］湯文凱（1997—），男，碩士，研究方向為建筑信息化、BIM技術應用等。

0 引言

自從“智慧校園”的理念被提出以來，國內外大批學校開始了智慧校園的建設［1-2］。智慧校園的建設離不開校園各功能系統的信息化建設，隨著校園信息化程度要求日益提高，智慧校園數據庫信息存儲能力與表現能力面臨巨大挑戰［3］。基于三維模型的智慧校園，不僅能夠存儲大量的信息，融合更多的校園信息化系統，而且能夠更加真實的還原校園建筑物與地形地貌［4］。但是由于三維模型的體量龐大，導致平臺加載速度慢，運行不流暢等客觀原因［5］，使得基于三維模型的智慧校園難以推行。

1 智慧校園平臺構建

目前大多數高校的均有自己的數字校園，但其功能主要集中在校內導航、校園三維展示方面，并沒有集成校內各數字管理功能。依托于數字孿生概念，智慧校園應當作為實際校園數字化鏡像，通過物聯設施及其他監測設備，將不易監測但需要實時監測的數據集成到智慧平臺中，使智慧校園平臺在為師生提供方便的同時，為管理決策提供相應的支撐。

1.1 智慧校園平臺結構

對智慧校園平臺，其結構模塊主要包含四個方面，分別是智慧校園教學系統、管理系統、業務功能及信息安全。針對智慧校園教學系統，相關國家標準中有著明確的規定，并對教學系統進行了基礎型、拓展型和高級型的劃分，目前國內各高校都在積極推進智慧教學系統，改善教學環境，豐富教學手段。智慧校園管理平臺核心是通過現代信息技術，解決校園日常管理過程中的日常辦公，資源、財產管理等，針對人群一般為高校在校老師及其他與學校日常運行事務相關的人員。包含協同辦公、人力資源、教學管理、科研管理、資產管理、財務管理六大板塊，每個板塊的具體需求如表1所示。

智慧校園功能系統更多是針對在校學生［6］，以信息手段方便學生日常生活、學習、科研提供便利，包括生活服務、安全服務、數字圖書館、虛擬校園、運維服務等功能。最后一個部分為信息安全系統，智慧校園平臺建立并投入使用后，每天會有大量的信息傳輸，信息安全的保障體系［7-9］，是整個建筑行業信息化的一大難題，也是智慧校園、智慧城市乃至整個數字孿生需要解決的重要問題。

1.2 智慧校園平臺功能需求分析

針對智慧校園功能集成問題，制作功能需求問卷，并進行發放。共發放調查問卷20份，回收問卷20份，均為有效問卷。其中研究生12份，大一本科生1份，大二本科生3份，大三本科生5份，教職工1份。

（1）針對智慧校園平臺使用渠道問題，大多數受調查人員更加傾向于將智慧校園平臺作為手機APP或者微信小程序，對移動端需求較大（圖1）。

（2）針對平臺功能的調研中，學生希望能夠將目前學校已經在使用的教務系統、后勤系統等進行整合，實現數據聯通。新增智慧食堂、智慧圖書館、智慧充電等功能（圖2）。

（3）針對平臺使用，學生最主要反應問題集中在學校各系統之間相互孤立，切換操作繁瑣，信息更新不及時等（圖3）。

1.3 智慧校園平臺建設重心

網絡是師生獲取信息的渠道，現階段的高校校園都在多個方面采取了信息化管理，尤其是在教務系統、后勤系統、招生就業系統等，大多數高校已經處于多個信息化管理系統完成并使用階段，而且信息化管理的趨勢還在逐漸上升，但是各個管理系統不管是入口還是賬戶還相對零散，還缺乏一個一體化的平臺將整合，如調查結果所示，大多數人都贊成將各個系統平臺一體化，并且調查對象大都希望能加入三維模型作為智慧校園的載體，但是首先要解決的是三維模型以及多個信息化系統的集成造成的使平臺臃腫的問題。

在智慧校園使用渠道方面，隨著手機的不斷發展，手機的處理性能越來越強，也越來越智能化，相較于電腦來說，便攜性會更強，所以大多數人都認為智慧校園主要的使用渠道應該是手機APP或者微信、支付寶小程序等移動終端上。所以，綜上所述，用戶需要一個使用流暢、信息更新及時、能集成多個校園信息化系統的以三維模型為基礎的智慧校園APP，基于“BIM+GIS”的智慧校園即可以滿足以上條件。

2 智慧校園平臺建設

對于智慧校園中虛擬校園服務的三維模型，選擇采用“BIM+GIS”即“單體建筑模型+校園現狀地形模型”的組合對校園進行一個虛擬的三維還原，校園的現狀地形模型一方面可以極大程度還原校園的整個樣貌，道路、建筑以及各類綠化景觀能得到較為真實的還原，另一方面傾斜攝影所生成的地形坐標可以用于定位、導航等功能，有利于智慧校園平臺中對校園整體功能的把控。

而單體建筑模型是更精細化的校園模型，采用單體式的建筑信息模型，將其整合在校園現狀地形模型上，用于更加精細的信息化管理。在需要使用到該建筑相關功能時，即可單獨調用該建筑的模型，這樣可以大大減小平臺顯示的模型數量，也使平臺的運行速度得到了充分的保證。

2.1 三維虛擬校園地形還原

在GIS的應用方面，選用大疆的精靈無人機，結合DJI GS地面站飛行控制軟件進行校園地形影像與地形坐標數據的采集，將采集的影像導入Context Capture Center進行三維重建。

進行地形的三維重建后的地形模型實際效果可能不是特別好，例如在高層建筑的三維重建中，往往會出現比較大的畸變，這是由于這些高層建筑擁有相對的高度，使得無人機拍攝過程中，由于拍攝的角度較大使地形圖像拉扯變形導致的。所以，在這樣的情況下，就需要利用其他的一些逆向工程軟件對模型進行一個修飾。

通過Geomagic的自動網格分析和修復功能以及自動曲面化功能等，對現狀三維模型進行修復，然后重新導入Context Capture Center中，并重新輸出一個新的現狀三維地形模型，這樣輸出的現狀三維地形模型在精度上以及編輯程度上會有一個比較高的提升，如圖4所示，最后將修復過的模型作為智慧校園平臺場地基礎，具體流程如圖5所示

2.2 虛擬校園建筑還原

對于智慧校園數字平臺需要更深入應用的單體建筑，可以采取Revit建模的形式，以嵌入校園現狀三維地形模型中，進行更深層次的應用。運用Revit建模軟件，根據需求，對建筑、結構、機電安裝設備等各專業進行建模，并賦予其真實的材質與觀感，以保證對校園建筑的最大還原，如圖6所示。

3 智慧校園平臺輕量化處理

3.1 智慧校園引擎選擇

通過問卷調查可以得知，更多的師生傾向將智慧校園平臺集成為手機APP或者微信小程序。因此，圖像引擎選擇需要契合手機端的需求。Unity3D作為實時3D互動內容創作和運營平臺，在汽車、運輸、制造領域（ATM），建筑、工程、施工領域（AEC），游戲領域及影視動畫領域都有廣泛的應用［10］。其對項目資源兼容率高、模型效果好、模型輕量化程度高、上手容易操作簡單、跨平臺發布、學習成本低的特點契合智慧校園平臺的實現，因此選擇Unity3D作為引擎［11］。

3.2 模型處理方式選擇

將Revit模型導入Unity3D有多種方式，每種方式對應的速度、金額、模型精度也不相同，選取4種方法進行測試，具體方案對比情況如表2所示。

4 智慧校園平臺設計

4.1 智慧生活功能設計

西南石油大學目前已有較為完善的校園信息系統，包括基于網頁端的教務管理系統、在線學習平臺、教室管理平臺、招生就業平臺、后勤平臺以及OA辦公平臺等，足以看出，西南石油大學信息化管理程度已較高，并且還在不斷地加強信息化建設，已經具備建設智慧校園平臺并對這些信息系統進行整合的條件，同時根據師生訴求進行相應系統功能設計。

4.2 智慧管理功能設計

實現智慧理，首先應真正實現校園數字孿生，通過傳感器等檢測設備實時將校園各項參數，例如校園環境信息，校內能耗情況等同步到虛擬校園中，通過深度學習、計算機視覺等多種現代信息技術讓平臺可以進行簡單的智慧管理，例如當檢測到教室中人數少或光線充足時，可以自動關燈或調低亮度；在某個區域溫度、煙霧指標超高時，執行保護措施等。

虛擬環境是在建立精細三維模型的基礎上結合相應的某些環境參數，如重力、光照、溫度、氣壓、風力等，對現實的物理環境進行模擬。是對物聯網的深度應用，通過溫度、濕度計及空氣檢測儀對校園溫度、天氣、空氣質量等數據的采集，再通過網絡層的傳輸，即可將校園天氣、溫度情況顯示到事先開發好的平臺UI界面上，前期在平臺上對學校的溫度、天氣以及空氣質量進行一個實時的顯示，后續加入各項監測指標，使系統更加完善。

5 結束語

在智慧化、數字孿生飛速發展的今天，高校作為一個復雜的社會系統，其體量適中、信息化程度相對較高，適合作為智慧城市的先行試點，通過三維虛擬校園建立，整合各相關功能，將環境信息參數化，實現智慧校園平臺建立，對數字孿生有著重要意義，為智慧城市的推進提供了依據。但由于技術原因，目前僅完成數字底板搭建，并未進行具體功能開發，在后續的研究中會將各項整合到底板中，真正實現智慧校園平臺的搭建。

參考文獻

［1］ 許曄， 郭鐵成. IBM “智慧地球” 戰略的實施及對我國的影響［J］. 中國科技論壇， 2014， （3）： 148-153.

［2］ 魯芮. 教育信息化2.0背景下高校智慧校園平臺建設研究［J］. 無線互聯科技， 2020， 17（5）： 73-74.

［3］ 基于CIM平臺的地鐵智慧車站建設解決方案［J］. 交通與運輸， 2019， 35（2）： 85.

［4］ Baoan Lia， Jianjun Yu， Resarch and Application on the Smart Home Based on Component Technologies and Internet of Thing［J］. Procedia Engineering， 2011（15）： 2087-2092

［5］ 高金霞. 大數據時代高校智慧校園服務平臺建設與研究［J］. 數字通信世界， 2018， 168（12）： 153.

［6］ Okeniyi J O， Atayero A A， Popoola S I， et al. Smart Campus： Data on Energy Generation Costs from Distributed Generation Systems of Electrical Energy in a Nigerian University［J］. Data in Brief， 2018， 17： 1082-1090.

［7］ Al-Shammari S ， Ko W ， Ammar E A A ， et al. Optimal Decision-Making in Photovoltaic System Selection in Saudi Arabia［J］. Energies， 2021， 14： 357-358.

［8］ Furlan， Rod. The future of augmented reality： Hololens - Microsoft's AR headset shines despite rough edges ［Resources Tools and Toys］［J］. IEEE Spectrum， 2016， 53（6）： 21-21.

［9］ Edirisinghe R，London K A，Kalutara Petal.Building information modelling for facility management;are we there yet？［J］. Engineering，Construction and Architechtural Management， 2017， 24（6）： 1119-1154.

［10］ 王路達， 燕方開， 張旭東. 基于BIM技術與unity3d技術的校園漫游社交平臺的研究［J］. 居舍， 2019（2）： 194-195.

［11］ 歐陽攀， 李強， 盧秀慧. 基于Unity3D的虛擬校園開發研究與實現［J］. 現代電子技術， 2013，36（4）： 19-22+28.