三维数字化校园构建设计与实践

周双+匡芳君

摘要：在大数据时代，三维数字化校园建设已成为高校信息化建设重要组成部分。该文结合院校教育信息化建设实际情况，给出了构建数字化校园的具体实施方案。首先构建数字化校园体系结构，将三维数字化校园建设主要分为核心框架和支撑保障两大部分。并对数字化校园的硬件基础设施、数据交换平台、业务支撑系统和公共服务体系四个主体功能的实现进行详细分析与描述。对数字化校园的构建与实践给出了可行的方法手段。

关键词：三维数字化校园；体系结构；支援系统；云计算；物联网平台

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）26-0191-03

1 概述

数字化校园工程以信息网络为基础，利用先进的计算机、信息处理和网络通信技术，对学校的教学科研、思想政治教育、管理保障、安防等工作进行全面数字化，是校园信息化建设的高级阶段，是学校信息化建设发展的基础工程和亮点工程。通过三维数字化校园建设工程，对各类信息资源整合和集成，构建统一的用户管理、统一的资源管理和统一的权限控制，使各类信息系统和资源更好地服务于教学科研、行政管理，实现教育信息化、决策科学化和管理规范化，提升学校办学竞争力。

2 三维数字化校园建设体系结构

根据国内外高校开展数字化校园建设的宝贵经验，结合院校教育信息化建设实际情况，确定院校三维数字化校园建设的体系结构，如图1所示。其中，基础层包括网络传输的基础设施、域名服务、目录服务、网络安全等网络基础服务；数据层提供集中统一的基础数据存储；接口层提供各系统间数据交换和共享、应用间的互相访问、统一的信息发布和用户访问接口；应用层主要包含教育训练等五大类应用系统；门户主要作为校内人员访问校内信息和应用系统的集中入口。

3 三维数字化校园建设实践

三维数字化校园建设主要分为核心框架和支撑保障两大部分。其中核心框架部分是三维数字化校园建设的重点，实现数字化校园的主体功能，主要包括硬件基础设施、数据交换平台、业务支撑系统和公共服务体系四个部分；支撑保障部分为数字化校园核心框架建设提供规范标准和安全保障，主要包括标准规范体系、安全防护和运维管理体系。根据学校的软硬件实际情况，在充分运用三维仿真、云计算、物联网等技术的基础上，可分步骤分阶段组织实施。因此，本建设是先进行“三维校园教学资源信息支援系统”建设，确保对外招生宣传和对内信息支持；再进行“校园风险视频智能监控系统”，降低校园公共安全风险；最后视情况进行“三维数字化校园核心框架和支撑保障”内容的建设。

3.1 三维校园教学资源信息支援系统

采用虚拟现实技术，建立校园建筑、实验场所、教学用房等地上地下、室内室外三维场景，准确在三维场景中定位各功能用房的分布、教学设施的布置，并挂接相关属性。为校园风险视频智能监控和数字化校园各业务支撑系统提供定位支持，为教学资源的信息获取、跨学科的教学设施联合调度、教学设施的利用情况进行信息支持。“三维校园教学资源信息支援系统”基本结构如图2所示。

三维数字校园在三维场景上实施，图3至图6为已建设完成的某校园内外局部场景示意图。

3.2 校园风险视频智能监控系统

视频监控作为城市校园安全的重要组成部分，以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于各种场合。近年来，随着现代科学技术的发展特别是网络带宽、计算机处理能力和存储容量的迅速提高以及各种实用视频信息处理技术的出现，视频监控技术也有长足的发展，视频监控进入了全数字化、网络化、智能化的时代，日益受到关注和重视。“校园风险智能视频监控系统”系统框架如图7所示。

校园风险智能视频监控系统主要实现以下功能：

（1） 校园重要公共场所外环境安全检测。校园重要公共场所环境复杂，存在光线、动态背景等各类不良因素的干扰，系统主要实现对外环境的检测与分析，如出现异常入侵目标则报警；

（2） 校園重要公共场所警卫安全检测。对警卫状态进行检测，如出现异常目标进入警卫安全警戒区，发出警报，预防发生袭击警卫的恶性事件，同时监督警卫执勤情况，防止警卫脱岗；

（3） 校园重要区域安全检测。对重要目标区域进行检测，如出现异常滞留、非法入侵、特定物品遗失、异常物品遗留等事件，则发出警报；

（4） 重要设备间检测。检测设备间运行状态，对重要设备出现被盗、移动等非正常事件进行报警。

3.3 三维数字化校园之业务支撑系统

业务支撑系统面向教学训练、科研学术、思想政治教育、行管后勤的需要，为网上教学、网上办公、网上管理和网上服务提供全面支持。涵盖各领域应用系统，是学校日常工作主要信息支撑平台，也是数字化校园发挥作用的主要载体。大体可分为教育训练子系统、科研学术子系统、政治工作子系统、行管后勤子系统、综合应用子系统五个子系统。下面以教育训练子系统为例说明，其他子系统限于篇幅略。

教育训练子系统教学管理模块、网上教学模块、教学科研实践辅助三维模型素材库和其他功能模块等。教学管理包括教学秩序管理、老师业务管理、课程管理、老师学生评价管理、课表编排、自主选课、毕业审查、考试管理、教学资源管理、成绩管理与分析、在线教学评价、学科评估、在线考核等。网上教学采用同步和异步教学模式相结合的方法，建立数字化校园VOD视频点播系统，提供基于Web方式的点播式教学和基于视频会议系统的会话式教学。主要包括同步教学、异步教学、远程教育等。网上教学视频点播系统采用高性能模块化设计并融入了最新技术和设计思想，单台普通服务器可支持的并发用户达500人以上，通过服务器集群，自动平衡负载，可满足更大规模的直播需求，其网络结构如图8所示。

利用模块化理论及“三维设计”思想，建立基础课程如高等数学、大学物理等及专业课程如电气自动、建筑与艺术设计类等教学科研实践辅助三维模型素材库。借助数字校园基础平台，实现对教学训练及专业实践的虚拟指导功能，如图9所示，为教学与科研实践提供全新辅助平台。endprint

3.4 三维数字化校园之其他系统

三维数字化校园之其他系统主要包括数字化掌上校园子系统、数字化校园数字迎新子系统、数字化校园自主招生子系统、数字化校园校友服务子系统、数字化校园电子邮件子系统等。

4 三维数字化校园建设关键技术

4.1 三维校园生成技术

地理环境数字化技术：借助一定的硬件设备和仪器，通过野外采集、图上作业等技术手段，将城市地形、地貌、地物等信息进行数字化，并通过开发相应的软件系统，完成地理数据的采集、入库、处理、应用和分析一体化。该技术是建立三维模型的基础技术。

虚拟现实技术：虚拟现实技术是用计算机软硬件对某种事物或某项工作进行模拟，创造酷似客观环境又超越客观时空、能沉浸其中又能驾驭其上的和谐人机环境，即由三维数据信息所构成的可操控空间。

仿真环境制作技术：主要包括模型设计、场景构造、纹理设计制作等，它要求构造逼真的三维模型和制作逼真的纹理等；仿真驱动主要包括场景驱动、模型调动处理、分布交互、地形处理等，它要求高速逼真地再现仿真环境，实时响应交互操作。

4.2 云计算平台

利用云計算技术，建设数据交换和资源共享的“校园云”，将分散建设的若干信息系统中的资源进行整合，同时利用物联网技术建设校园物联网的硬件和软件服务平台，依据相应的数据规范，实现校园基础数据的集中管理，并为上层服务提供高效、统一的访问接口，实现不同数据库、应用系统、操作系统间的数据交换，有效消除数据冗余、异构和重用性差等问题，最大限度地提高信息资源的利用率。如校园中有某个科研项目开发团队，需要共同配合进行程序编制，可采用集中式存储、分用户同步编制的方法，程序员本机不保留原代码，将原代码集中存储在服务器上，做到异地同步更新。

4.3 物联网平台

基于高速校园网络环境，利用网络技术、传感技术和设备，建设先进的物联网平台，将校园物资物品与校园网连接，进行信息交换和通信，实现校园物品的智能化识别、定位、跟踪、监视、控制和管理，提高学校整体管理水平和效率，提高教学和训练质量。实现信息流、物流和资金流在校园网大平台系统的无缝运转，实现校园教学、训练、科研、思想及保障的智能化动态管理。如利用智能图书对现有图书进行智能化改造，为用户提供阅览室图书定位、自动借还书等智能服务；智能教学设备，对教学设备进行智能化改造，实现教学设备使用情况的自动记录和识别，改变传统教学设备独家使用的模式，真正做到通用教学设备全校共享；智能训练场，对训练过程、参训人员、训练强度等信息进行自动收集和处理，提高训练管理的精确化；智能车辆，实现车辆定位、路径管理、自动出入库等智能车辆管理功能；智能校园，实现用水、用电、用气的智能化管理的程度，提高节约意识。

5 结束语

随着计算机、信息处理和网络通信技术的快速发展，三维数字化校园建设在各大院校竞相开展。本文提出的三维数字化校园建设方案是将三维校园生成技术、云计算平台和物联网平台三个关键技术纳入三维数字化校园建设中，包括三维校园教学资源信息支援系统、校园风险视频智能监控系统、业务支撑系统等主要功能的设计与实现，使得该方案能够最大限度地提高信息资源的利用率，智能化程度更高。

参考文献：

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[2] 唐翠芳. 三维虚拟学习环境综述[J]. 中国电化教育，2015（9）：22-27.

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