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5G时代下基于城市信息模型（CIM）的智慧校园建设模式研究

发表时间：2020/10/20 来源：《基层建设》2020年第19期作者：叶青青1 潘婧2

[导读] 摘要：在教育信息化2.0与智慧城市建设的双时代背景下，探讨CIM的特征与实质，以及在5G 时代CIM平台的物联网感知关键技术，提出基于CIM的智慧校园总体建设模式，旨在进一步推进智慧校园的服务能力，构建符合高校园区特色的平台化系统整合。

        1.华南理工大学建筑设计研究院有限公司 510640；2.中国建筑科学研究院 100013
        摘要：在教育信息化2.0与智慧城市建设的双时代背景下，探讨CIM的特征与实质，以及在5G 时代CIM平台的物联网感知关键技术，提出基于CIM的智慧校园总体建设模式，旨在进一步推进智慧校园的服务能力，构建符合高校园区特色的平台化系统整合。
        关键词：CIM，智慧校园，物联网，5G
        一、研究背景
        高校园区的日常工作和数据管理涉及高校各部门管理系统，以及众多外部管理部门。以往的智慧校园平台建设，采用各自采购专业智能化系统、建设独立系统的模式，因重复采集、交叉维护造成数据条目的规范性和实用性差，跨系统、跨部门数据流通与工作流程不一致等问题，严重影响信息化效益的发挥。
        此外，高校园区现有和正在建设的平台多种多样，专题数据量也十分庞大，如何集成这些平台和数据，丰富三维空间数据的属性内容，增强三维平台的功能集合活跃度，扩展应用领域，满足校园日常运营管理和应急保障服务需求，新型智慧校园平台建设势在必行。
        二、CIM及应用
        CIM是对建筑信息模型（BIM）、地理信息系统（GIS）、物联网（IOT）等新一代信息技术的集成和提升（耿丹，2017）。CIM既可以存储城市规模的海量信息，又可以作为云平台提供协同工作与数据调阅功能；同时和物联网、大数据挖掘、云计算等技术结合，还能提供满足城市发展需求的集成性管理系统（ESRI，2019）。
        CIM的构成是以GIS作为所有数据的承载，作为所有数据融合的功能性平台，同时，还会加入新的内涵；BIM数据，就是城市单体、城市细胞的数据。
        由BIM到CIM，扩展成为智慧城市的底板，包含建筑物、构筑物、道路、地下管线、地址、水体和地表等7类基础数据资源，共同构成城市公共治理的物质底板。
        2013年，我国设立了第一批智慧城市试点，引爆智慧城市在中国的落地进程。截至2017年3月，我国95%的副省级城市、83%的地级城市，总计超过500座城市，均明确提出或正在建设智慧城市。从数字模型的角度分析，目前BIM软件通用由Building SMART联盟提出的IFC标准，其几何表达方式有三种：边界几何（B-Rep，Boundary Representation），扫描体（Swept Solid）和构造实体（Constructive Solid Geometry，CSG）。同时IFC存储了建筑物及其所有构件的多种语义信息，如所有者信息，模型修改历史记录，以及建筑构件的成本和施工时间表等内容。
        2017 年，中国信息通信研究院提出“以数字孪生城市推进新型智慧城市建设”的创新理念。有学者提出：城市信息模型是智慧城市的操作系统，用3D可视化的管理系统提升城市决策与管理，类似于从DOS时代升级至Windows时代，城市实现管理透明化和决策科学化。
        三、5G时代下CIM技术趋势
        5G带来的高速率、大容量、低延迟，实现互动性、实时性、场景化更强的三维直播/视频/通话应用，已经拉开了三维通讯社交的序幕。技术演进与需求升级驱动了数字孪生城市这一新型智慧城市建设发展的新理念、新途径、新思路。
        5G时代下物联网数据信息和控制信息的双向传递与控制，包括海量信息智能感知识别、处理运算、模式发掘，从而实现人与环境、系统与系统信息交互和无缝连接，达到对现实中校园各系统、环境、单位、元素的实时控制、精确管理和科学决策目的。
        IoT能够给CIM平台呈现客观世界所有的状态，即“数字孪生”。今天以数字孪生（Digital Twin）为代表的战略性技术，已经逐步实践出CIM作为多维数据融合治理平台的趋势，从宏观到微观、从地上到地下、从室外到室内、如果将承载人们生活生产的城市空间、建筑物和基础设施实现立体化、参数化，不必在脑袋里面想象真实三维世界的景象。
        CIM作为多维数据融合治理的基础性平台，可以理解为城市所有设施物理性和相关信息的数字表达。CIM的终极目标是走向智能化——City Intelligence Modeling，在统一的地理空间框架体系中挂接物联网实时动态信息数据，通过可交互的平台实现分析决策、预警模拟和远程调控，实现真正的智慧城市。这一终极目标将随5G时代的到来而实现。
        四、智慧校园与当前建设模式
        智慧校园是以园区为平台，由建设单位规划建设的，涉及多个领域、应用多种技术，服务于多个部门与对象的复杂系统。以物联网为基础，通过感知、分析、整合和智慧响应，对园区内的人和环境机器行为的互通互联管控，构建集各类应用服务系统为一体的智能化教育、学习生活环境（严大虎，陈明选，2011）。智慧校园是一个开放的、创新的、协作的、智能的综合信息服务平台。教师、学生和管理者能全面感知不同的教学资源，获得及时的互动、最大的共享、最佳协作的学习、工作和生活环境，实现相关信息资源的有效的采集、合理的分析、高效的应用和便捷的服务。
        教学与学术交流作为高校园区的核心功能，近年来教育信息化领域的发展日趋专业，细分市场跨越式发展，而跨职能的平台融合和数据互通应用尚属空缺。从应用层面看，智慧校园的应用平台根据其运营阶段的教育教学、学术交流、身长生活等方面需求的分析，采用专门技术路径进行子系统设计并根据应用模块采集数据而产生。其问题在于并未考虑综合性校园管理系统的研究。
        在运营实践中，结构复杂、人员流动性高的校园实时都处于变化之中，很多因素都影响着其运行。为了全面感知建筑、地下空间、地上道路、植被、水体、各类设备等物理实体对象的运行状况，以及各类人员的教育教学、学术交流，以及生产、生活活动，分析各种状况和活动间的耦合关系，深度挖掘校园运行模式，实现运行状态的感知与预测，从而早期预测预警风险并高效响应，一个结构化、融合各子系统数据的多维数据治理平台是势在必行的。
        五、5G时代基于CIM的智慧校园建设新模式
        新的时代背景，科技日新月异，赋予高校建设者和管理者超越现有高校发展诸多困境和压力的契机。而在5G和智慧城市平台技术为代表的新形式下，智慧校园建设的核心仍应是提高高校教学质量，不断为社会建设输送高水平高素质人才。
        以此为核心，结合高校及所在园区业务职能和社会责任，以建设新型智慧校园和推行5G网络为手段，实现技术、职能、信息的融合，从而实现高校职能的跨校区、跨系统、跨部门协同管理，从而提升高效管理效率与水平，实现科学决策，并为发挥高校科研优势提供基础平台，从而推进教育系统的智慧化升级与转型。
        具体说来，首先充分利用CIM平台对高校园区的数字孪生能力，发挥CIM平台信息的多层次性，首先建立健全其模拟论证方面的应用，实现高校园区规划的科学合理性发展。
        在此基础上，充分发挥5G网络的传播特性，基于CIM平台，提升校园基础设施运营服务效率，提高校园安全管理水平和应急处理能力，如动态监测校园运营状态，针对实时数据开展分析与特殊状况预警，并事后对运营数据进行整体分析，逐步建立综合型跨部门、跨系统的校园治理体系，为高校的教育和学术交流事业提供安全、可靠、健康的园区环境。
        在项目设计阶段，充分考虑智慧校园所涉及业务领域的管理需求和信息流转需求，采用创新的合作模式，在前期促进智慧校园相关系统设计工作的整合性和高效性，并充分考虑未来校园运营管理机构及模式的特点，并针对性进行信息流设计，倒退智慧校园层级和模块设计。
        在项目实施阶段，与有充分教育或科研园区经验的技术和管理团队合作，进一步完善设计，并完成实施。未来校园运营管理团队应在此阶段充分介入，从而充分将其运营经验带入实施过程，实现智慧校园系统建设的优化，提供使用痛点、难点等需求，与实施团队充分配合，从软硬件多方面提出建设性意见和建议，共同搭建兼具5G传播特性和CIM平台数字孪生特性的新一代智慧校园管理平台。
        六、5G时代下基于CIM的智慧校园案例分析
        以某校基于CIM的智慧校园平台为例，其基础设施主要包括智能物联设备和通信网络设备，以4G/5G无线网和物联网建设为通信手段，以搭建智慧灯杆管理平台、智慧校园服务平台、智能教学服务平台为依托，按照万物互联、和谐、统一、美观的目标，构建智慧校园的整体生态。
        平台在建设期间通过技术交流和需求分析不断深化平台功能设计。结合现状多个平台和教育教学、行政服务需要，完成了各系统间的整合设计、数据融合、资源共享，实现各平台互联互通、管理联动，提升整体校园运营信息化管理水平。
        系统部署为教育教学、行政服务需要全方位提供三维可视化辅助决策支撑，提供动态资源状态在线监测和模拟真实环境下的应急指挥，为日常运维管理和辅助决策提供科学的依据支撑，并支持拓展实现基于大数据分析的状态分析、风险预警、应急处理等功能，实现基于倾斜三维模型的360度可视化管理。按照模块业务功能的分离，将应用最小划为具体功能模块，依据对资源的不同授权和管理实现对具体功能在业务上的映射，形成基于CIM系统的智慧校园平台应用架构。整体应用类型分为：基本功能、可视化呈现、在线视频监控、三维空间分析、接口服务、模拟仿真、信息查询统计、成果输出等，每一个应用功能又可细分多个子功能。
        该智慧校园系统基本功能包含：三维交互浏览、放大缩小、空间漫游、路径漫游、空间量测、空间定位等。可视化呈现包含：地理空间场景的三维可视化、BIM可视化、街景可视化、信息数据可视化等。在线视频监控包含：视频接入、实时视频画面查看、摄像头位置查看等。三维空间分析包含：空间距离分析、定点视域分析、动态视域分析、制高点分析、通视分析等。接口服务包含：与现有web service接口、基建 MIS 等系统的对接，BIM 集成等。模拟仿真包含：应急预案、信息标注等。信息查询统计包含：地址地名查询、按访客类型、人员院系进行查询与统计、根据图形框选统计查询、综合条件设置查询统计、一键搜索等。成果输出包含：查询统计结果数据列表导出、场景图像图片导出等。
        功能板块划分如图1所示，根据教育教学、行政管理业务划分为校园智能物联服务、数字化教学、科研创新、校务管理、校园文化、服务扩展六大模块。其中校园智能物联服务分为环境监测、资产管控、BIM应用、设备设施监测、巡更管理、查询统计、保修及工单派发、以及系统管理九个板块。

        图1 功能板块划分图
        七、研究前景及建议
        根据我国信通院发布的《新型智慧城市发展研究报告（2019年）》：新型智慧城市是建设数字中国、智慧社会的核心载体。我国新型智慧城市已经进入以人为本、成效导向、统筹集约、协同创新的新发展阶段。
        在新型智慧城市建设中，在5G网络发展的大时代中，CIM平台以其协同性、模拟性、多层级性等优秀特性脱颖而出，将有效地避免智慧城市发展过程中的重复建设、信息烟囱、数据孤岛、缺乏顶层规划等一系列问题，成为新型智慧城市实现技术落地的不二之选。
        智慧校园建设是智慧城市建设的缩影。而高校园区建设具有其技术专业攻坚优势，可实现5G时基于以CIM的智慧校园（城市）建设的持续快速迭代、跨学科融合创新，并依靠人工智能技术引领全社会数字经济建设发展的全局。发挥政府引导、市场主导和企业主体作用，促进创新资源集聚，完善各类要素支撑，建立健全相关协调机制，推进5G网络和应用场景协同发展，降低建设和运维成本，培育优化产业生态，培育产业链。
        参考文献：
        [1]教育部.教育信息化十年发展规划（2011-2020 年）.http：//www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/ moe/s3342/201203/xxgk_133322.html
        [2]ESRI中国2019.https：//mp.weixin.qq.com/s/uyBLXO4RD_eY_DuNu9t2Lg
        [3]严大虎、陈明选，2011.物联网在智慧校园中的应用。现代教育技术2011年第21卷第6期。
        [4]耿丹。2017.基于城市信息模型的智慧园区综合管理平台研究与设计。北京建筑大学硕士学位论文