三维可视化与物联网技术在数字校园建设中的应用.doc

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三维可视化与物联网技术在数字校园建设中的应用

——以滨海新区三维可视化数字校园系统建设研究为例

天津市滨海新区塘沽教育中心马连成贺秀芳

摘要：

天津市滨海新区三维可视化数字校园信息管理系统的建设，首次将物联网、三维可视化技术在校园中进行集成应用，通过各类传感器的对接，实现了校园内资产与设备管理、多媒体教室和实验室使用监管、地下管网管理、安全监督管理、应急管理等系统的集成应用和联动管理，并借助三维场景和动态模型表现管理对象的空间位置、属性及其状态信息，为校园各部门管理人员提供可视化管理方式，极大的丰富了数字校园信息管理的内涵，提升了校园管理信息化水平，为校园全方位管理提供决策支撑。

关键字：

物联网三维可视化数字校园

三维可视化数字校园信息管理系统主要是通过物联网、数据通信与传感网络、三维可视化与虚拟仿真、智能分析与多维联动、三维GIS空间信息等最新技术的联合应用，依托于三维可视化综合管理平台，集成各种感知识别设备、现有业务系统和各类数据，完成了对校园校产、校园人员、设备与设施的属性和位置管理，实现了对以上对象的状态进行实时监测、数据分析和报警联动，最后通过三维可视化的方式对便于展示的部分进行位置、属性和状态的综合直观显示。

该系统集成校园现有固定资产、校园OA、校园教务管理系统等业务的接口，真正建立起包括校园环境及建筑监管、校园设备监管、校园运营管理、校园决策辅助等功能在内的全方位、网络化、可视化信息管理系统，最终实现校园管理信息系统的数据交互与共享，为数字校园安全、精细化管理、绿色校园建设提供重要的辅助支撑。

本系统建设完成后，还可以与教育局等主管部门进行基于GIS的教育布局分析系统进行对接，不断完善同空间位置相关联的各类管理信息的集成、联动与分析，并形成适合教育系统应用的多层次管理结构。

一、系统结构设计

网络资源管理系统

数据层

网络平台

应用层

建设设

设备

经济

经济

…

三维可视化综合信息管理数据库

数据管理

三维空间数据库

基于GIS的三维电子地图

…

校园资产与设施管理

教室与实验室使用监管

校园地下管网管理

校园安全监督管理

校园应急管理

二、系统功能模块设计

（一）基于GIS的三维电子地图

该模块是系统的主界面和主要显示部分，提供二三维集成的电子地图窗口，主要包括以下功能：

地图基本视窗操作、导航定位、三维显示、图层管理、数据处理。

1、地图基本视窗操作：

提供浏览图和鸟瞰图。

浏览图是用户操作的主窗口，包括地图放大、缩小、自由缩放、漫游、全幅显示、拖拽移动、点选和矩形区域选择、设计区域快速切换等；

2、导航定位：

按照图层分类标准将管理对象信息以树形目录方式进行说明，方便用户了解管理层次结构、快速进入所关注的管理对象信息列表。

定位功能支持用户将视窗直接切换到关注目标上；

3、三维显示：

可在二维和三维显示模式上进行切换，进入三维模式以后，可以进入校园建筑物内部，将管理对象精确到每个楼层、房间、设施、设备甚至传感器；

4、图层管理：

对空间数据、对象和模型进行分层管理；

5、数据处理：

包括地图编辑、数据导入导出、地图配准、三维模型加载等等。

（二）校园资产与设施管理

系统对资产从采购、入库、领用，建立卡片，处置、盘点和维修等阶段进行管理，分为需求申请管理，采购申请管理，入库管理，领用管理，卡片管理，变动管理，处置管理，维修管理等。

系统采用RFID技术对校园资产和设施进行在线式监管，对固定资产贴上电子标签，通过校园网络来进行识别、定位、跟踪和监控管理。

识别和定位可以通过手持设备在现场进行，当操作人员进入现场后，自动读取所有资产的电子标签，进行盘点处理，也可以选中某些资产进行处理，比如调拨，信息变更等。

设备的跟踪和监视需要通过校园网络来进行，在房间入口或楼道出口处安装射频阅读器和校园网络连接，可以监视设备的移动。

当设备移出时，射频系统自动接到资产设备的信息，可以通过网络通知管理人员，同时可以在资产管理系统中做相应的记录。

三维可视化管理平台是以面向对象技术为基础，因此能够实现与校园资产与设施管理信息系统的无缝集成，进而实现在三维地图中对所有有形资产和设施以对象的方式进行管理，具有可设的属性信息并与数据库实时对接。

（三）校园多媒体教室与实验室使用监管

系统采用RFID技术对多媒体教室、实验室进行实时状态管理，每个教室和实验室均安装联网型的RFID读卡器，教师通过RFID身份识别卡，经过与排课系统的接口，便可获得教室的使用权限。

通过网络可以查询任何一个教室和实验室的课程和教师安排。

1、教室实验室使用控制：

任课教师在教室控制台读卡器前刷卡，经身份信息和教务排课数据识别，自动打开控制台的电控锁完成多媒体教学设备的启动；

2、系统接口：

系统具有教务排课数据和教师信息两个系统的接口，获取课表信息和教师身份信息；

3、集中授权：

系统按照每学期的排课数据通过网络集中对教室端读卡器授权，教室端IC卡读卡器能存放一学期的排课数据和刷卡记录，教室端进行本地身份认证；

4、权限信息更新：

当排课数据或权限信息发生变化时，系统即时对系统数据库进行数据的更新管理，同时对相应教室端读卡器的数据自动刷新；

5、教室使用报表：

教务部门随时可以查询教室使用情况（如正常、迟到、未用、应急调课处理）。

可以生成教室使用报表。

（四）校园地下管网管理

系统能够基于主界面对地下管网的图形数据和属性数据进行统一管理，为用户提供模型管理、数据管理、信息查询、数据更新、结果输出、统计、分析和三维显示等功能。

1、管网三维模型管理：

每个模型都有唯一标识符，用户可以对模型进行控制，如改变管网走向、增加删除管网结点或设备，管段三维模型库维护（增、删、改、查）、设备三维模型库维护；

2、管网基础数据管理：

对单个管段、设备的各类属性数据进行维护和管理；

3、三维管网查询与显示：

当鼠标指到某根管道上时，在屏幕范围内应突出显示，有管道配件的，如闸、表等也在鼠标移动到其上时，突出显示。

能够实现目标管道独立查看。

建筑内管网能够分层独立查看。

各不同类型的管线应以不同颜色区分。

网距地面距离和建筑距离作为参数的一部分予以显示，所有参数可以具有显示和隐藏的切换。

允许不同类型的综合管网具有不同的属性结构；

4、管网分析：

可进行横断面分析、施工图分析、连通性分析、停水范围分析、爆管分析等多种分析。

（五）校园安全监督管理

系统通过各种现场总线和以太网与安全防范系统、消防系统对接后，在主界面上集中浏览查看校园安全防范及消防设备的属性和实时状态，包括视频监控、门禁、周界报警、消防报警主机、消防传感器、阀门、风机等。

系统包括了设备管理、设备状态显示、立体场景监控、消防业务管理、报警管理等功能模块。

1、设备管理：

对安全防范和消防设备的属性、空间位置进行管理；

2、设备状态显示：

通过采集接口，显示设备的实时状态，如门禁的开启、消防传感器和安防探测器的状态（正常、报警、故障）、水阀的开闭……；

3、立体场景监控：

对校园区域的视频和三维场景信息进行处理、整合，而直观、立体地再现监控场景的智能系统。

系统将多路安全防范同时显示在一个三维立体场景中，扩展监管人员的视野，更好、更充分地利用已有的视频信息；

4、消防业务信息管理：

管理消防日常巡查数据、批件、图纸、表格、报告、照片、录像等；

5、报警管理：

接到报警后，立即弹出报警区域的三维仿真模型地图，同时该区域的所有报警相关信息并在地图上突出显示，如视频监控画面、报警探测器的位置和状态。

（六）校园应急管理

应急管理包括应急值守、应急指挥、预案管理、资源管理、预测预警、应急演练等功能，可实现对灾情的预警、监测、预防、减缓、处理等工作以及对伤亡人员的抢救、防疫和安置等。

1、应急值守：

实现应急事件接报和事件应急处理。

各类事件由值守人员录入并依据流程进入响应和处理阶段；

2、应急指挥：

实现校园突发事件处置与指挥，包括危险发生时的人员疏散、应急力量调度等；

3、预案管理：

实现对幼、小、中学应急预案的数字化管理，包括预案的增、删、改、查，以及预案的语义浏览和推理；

4、应急资源管理：

包括应急力量管理、救援设备管理、医疗急救或医务室管理。

实现对人力资源的基础信息维护，工作组织结构的维护，后备力量管理，设备分类管理、设备监控、设备维护保养等；

4、预警预测：

包括学校内外危险源的监控、校内安全监控、学生舆情监控、突发事件征兆研判；

6、应急演练：

通过网络模拟自主学习与校方集体组织两种方式结合，实现对突发事件的应急演练。

三、三维可视化综合管理平台

三维可视化综合管理平台借鉴并融合了GIS和CAD两种系统，创新性地采用了独特的数据结构和表达方式，突破了传统三维仿真技术在三维分析、信息查询以及属性管理方面的欠缺，同时借鉴了二维地理信息系统在数据结构、数据存储与管理、空间分析与查询等方面的成熟功能。

三维可视化管理平台在三维模型的基础上增加了三维对象的数据管理，能实现对各种对象的非几何属性的定义、查询、状态显示、报警记录等众多功能，跨越了三维立体可视化与数据管理之间的鸿沟。

平台实现了管理业务信息与空间信息的对应关系，使得业务信息能在空间模型上直观表达。

系统具有以下特点：

1、真正实用的三维可视化管理技术：

突破了一系列技术难题，如三维空间拓扑分析、三维空间信息索引、三维空间数据组织等；

2、面向对象与管理信息系统无缝集成：

三维空间中所有物体均以对象的方式进行管理，具有可设的属性信息并与数据库实时对接，从而可与各种复杂的信息管理系统集成，甚至包括ERP系统。

3、创新的三维框架表现形式：

可以用线框方式简明地表现建筑物的内部空间，并在线框模式和实体模式之间灵活切换，非常有利于管理信息的表现。

建筑物内/外部三维建模、建筑物内部三维框架巧妙地集成在一个平台上。

4、效果精美的三维可视化效果：

卓越的三维渲染引擎，精细的模型；

四、结语

传统的数字化校园是一个综合性且庞大的系统，很多信息过于抽象，难以方便的管理和使用，随着物联网的发展，急需一个便捷有效的管理系统对其进行控制和管理。

三维可视化数字校园信息管理系统基于三维可视化综合管理平台，将物联网的海量数据信息通过三维立体化的方式进行展示和管理，同时可以对各种信息进行集成，还世界原本的真实，让信息以可视化的方式呈现并得以有效的管理控制。

因此基于物联网的三维可视化数字校园信息综合管理系统必将对传统数字校园建设形成革命性的冲击，成为今后数字化校园建设的主流技术。

参考文献：

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[2]乔彦友.基于GIS和物联网技术的基础设施管理信息系统[J].地理信息世界,2010,08（5）17-21.

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[4]潘国华.基于物联网与三维可视化技术的智能辅助系统在变电站的应用[J].电气技术,2012（5）85-87.

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