文/陳軍　曾香

中南大學：基于LBS的智能信息服務系統(tǒng)

文/陳軍曾香

數(shù)字化校園的建設，已成為信息時代的必然趨勢。近年來，一方面，由于諸多高校的擴招和合并，學校規(guī)模越來越大，從位置上分為相距較遠的多個校區(qū)，校園設施和環(huán)境也在不斷地完善，眾多的機構分散在校園的不同地方，這使得高校信息量有龐雜、分散、更新速度快和信息不對稱的特點；另一方面，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，用戶對隨時隨地獲取服務信息的需求越來越迫切，傳統(tǒng)的基于桌面終端瀏覽器的校園信息服務系統(tǒng)由于其空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)缺乏實時的動態(tài)聯(lián)系和統(tǒng)一管理,已不能很好地滿足服務對象及管理者的需求,而以基于位置的服務為技術基礎的校園信息服務系統(tǒng)能很好地滿足這一需求。

LBS（Location Based Service）即通過移動通信運營商的無線通信網(wǎng)絡（如GSM、CDMA）或外部定位方式（如GPS）獲取移動終端用戶的物理位置信息，并根據(jù)用戶的位置提供與之相匹配的服務。基于LBS的數(shù)字校園信息服務可以結合校園的各類實體資源，通過移動終端和PC端以地圖這種可視化的形式，將各種相關的信息和服務組織起來，為服務對象提供精準的信息推送，實現(xiàn)智能化的信息服務。

需求分析

校園信息服務的服務對象是校園師生、管理決策和后勤服務部門以及來訪人員等，其主要目的是通過定位、導航和查詢、索引等技術，為用戶提供智能化的信息服務。從用戶的角度出發(fā)可將其服務需求分為四大類:基于位置的基礎信息查詢服務、基于位置的可視化地圖導航服務、基于位置的個性化信息推薦服務和基于位置數(shù)據(jù)分析和挖掘的動態(tài)調(diào)度和規(guī)劃。

圖1　系統(tǒng)分層結構設計

圖2　系統(tǒng)運行流程

總體設計

系統(tǒng)分層結構設計

數(shù)字校園是數(shù)字地球、數(shù)字城市的微觀的、具體的表現(xiàn)，但顯然又具有其教育行業(yè)和個性化特點?；贚BS的數(shù)字校園信息服務系統(tǒng)是在對這種特點進行具體分析的基礎上加以拓展實現(xiàn)的。

2011年，Kivera公司提出了一個在LBS平臺集成服務的平臺架構，該平臺將靜態(tài)地理數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)結合為用戶提供實時動態(tài)的信息服務?；谶@種思想，結合校園信息服務的實際需求，系統(tǒng)分層結構設計如圖1所示。

其中數(shù)據(jù)是信息服務的基礎，可將數(shù)據(jù)分成兩大部分，一部分是提供基礎信息數(shù)據(jù)，包括校園地理空間信息數(shù)據(jù)，如校園教學區(qū)、辦公區(qū)等校園建筑的地理位置坐標數(shù)據(jù)、教學信息、辦公信息、新聞通知、會議講座以及學生活動等相關的校園POI（Point of Interest）信息數(shù)據(jù)，還包括校園周邊公共交通信息等其他基礎數(shù)據(jù)；另一部分為動態(tài)獲取的用戶實時信息，包括批量性的大眾基礎位置信息和用戶基本信息。信息服務包括用戶定位，路徑規(guī)劃，周邊搜索，地理編碼，地圖繪制，反地理編碼等基于位置的核心服務和校園人流量分布分析，個人個性化位置服務定制等基于用戶軌跡挖掘的數(shù)據(jù)可視化服務和信息服務。最后在這些基礎上開發(fā)基于桌面端和移動端的應用工程，使得用戶通過互聯(lián)網(wǎng)獲取相關信息服務。

系統(tǒng)運行流程設計

基于LBS的信息服務的主要工作是根據(jù)用戶的需求完成定位系統(tǒng)、服務器和移動終端之間的信息交互，系統(tǒng)運行流程如圖2所示，系統(tǒng)運行的流程主要分為三個主要交互過程，首先，用戶通過移動設備的定位模塊接收由衛(wèi)星導航系統(tǒng)或移動通信基站、Wi-Fi熱點發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，并利用該信息計算出用戶的經(jīng)緯度等信息；其次，將位置信息和查詢請求發(fā)送到綁定的服務器，服務器接收并根據(jù)GPRS或CDMA等移動網(wǎng)絡傳輸回來的數(shù)據(jù)進行處理和計算后，將相應結果通過移動網(wǎng)絡發(fā)送給移動終端；最后，用戶再根據(jù)請求結果在應用程序中進行可視化并在用戶端呈現(xiàn)相關內(nèi)容。

系統(tǒng)功能模塊設計

充分探索“互聯(lián)網(wǎng)+”對企業(yè)信息化發(fā)展的推進作用，深度融合BIM、大數(shù)據(jù)、智能化、移動通訊、云計算等信息技術，實現(xiàn)BIM與企業(yè)管理信息系統(tǒng)的一體化應用，促進企業(yè)設計水平和管理水平的提高。使用網(wǎng)絡和移動終端，實現(xiàn)項目現(xiàn)場與企業(yè)管理的互聯(lián)互通，完善信息化施工、運維管理體系，保障設施及系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，增強鄉(xiāng)鎮(zhèn)供電的平穩(wěn)安全（見圖6）。

數(shù)字校園信息服務系統(tǒng)為廣大師生、校園管理人員、家長及其社會提供了一個方便、快捷、高效的校園信息化服務平臺，也為校園的規(guī)劃、設計和管理、決策提供準確而詳細的數(shù)據(jù)。不僅囊括了校園常用的相關信息，諸如學校常用網(wǎng)站鏈接、校車通勤服務信息、招聘會議信息、生活服務信息等，還針對移動用戶增加了學校內(nèi)部及周邊生活設施如銀行、商場、醫(yī)院等信息服務。結合實際需求分析與當前的技術發(fā)展，將整個基于LBS的數(shù)字化校園服務系統(tǒng)分為系統(tǒng)設置、定位導航、地圖顯示、信息咨詢、動態(tài)調(diào)度和推薦服務等六大模塊。系統(tǒng)功能模塊如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)功能模塊設計

信息服務系統(tǒng)的核心技術

基于LBS數(shù)字校園信息服務的最終目標是使用戶通過移動終端獲取自己的位置，然后根據(jù)其位置來獲取所需的服務。具體的說，系統(tǒng)的設計需要從移動客戶端和服務器端兩部分來進行分析。移動客戶端軟件的主要功能包括兩個部分，第一是利用其移動終端具備的功能模塊——GPS全球衛(wèi)星定位模塊或移動通信基站定位、Wi-Fi定位獲取用戶當前所在位置的地理坐標，并使用Socket網(wǎng)絡編程實現(xiàn)移動終端與服務器端進行通信，利用移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡向服務器發(fā)送地理經(jīng)緯度坐標及服務請求；第二是根據(jù)用戶的位置和服務器發(fā)送過來的響應數(shù)據(jù)，在APP中進行展示和操作。服務器端的主要功能分為兩個部分，第一個部分是開發(fā)一個服務器端監(jiān)聽軟件，對相應網(wǎng)絡端口進行監(jiān)聽，接收來自各個移動終端所發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)解析后存入數(shù)據(jù)庫。第二個部分的功能是將數(shù)據(jù)進行挖掘和分析，并通過網(wǎng)頁以可視化的形式展示給相關人員。下面就系統(tǒng)的定位功能、地圖顯示和用戶軌跡挖掘模塊的設計進行詳細介紹。

定位功能設計

獲取用戶位置是LBS系統(tǒng)提供服務的前提，常用的定位方式有基于GPS（全球定位系統(tǒng)）的定位方式、基于移動通信基站的定位方式和基于Wi-Fi的定位方式三種?；贕PS的定位方式是利用移動終端上的GPS定位模塊接收導航衛(wèi)星發(fā)送的廣播信號，計算出用戶所在方位，該方式是目前最為精確、應用最為廣泛的定位導航技術，但它是采用終端計算，計算速度慢且終端能耗較高，此外，該方式在室內(nèi)使用時由于存在信號接收的盲區(qū)，定位成功率低?；谝苿油ㄐ呕镜亩ㄎ皇歉鶕?jù)移動設備偵測到的不同移動通信基站（Cell Tower）下行導頻的TOA（Time of Arrival，到達時刻）信息，結合數(shù)據(jù)庫中的基站坐標，計算其具體位置，這種方式具有覆蓋廣，適用于室、內(nèi)外多種定位場景，定位速度快，能耗低的優(yōu)點，但定位精確定位較低，一般為100m～300m，且用戶需要為定位過程中使用的流量付費。基于Wi-Fi的定位方式通過獲取附近周圍所有的無線網(wǎng)絡熱點（Wi-Fi Access Point）的MAC地址，比對數(shù)據(jù)庫中該MAC地址對應的坐標，計算出用戶所在位置，它具有定位速度快，精度較高且能耗低的優(yōu)勢，一般為30m～150m，但需要區(qū)域大量部署Wi-Fi熱點。

由于高校校園建筑的布局相對集中，教學樓、辦公樓等分布較為密集，對定位的精度和成功率等要求較高，單一的某種定位方式無法滿足需求，需要采用綜合定位的方式。綜合定位即根據(jù)設備當前的實際情況，如是否開啟GPS，是否連接GPRS網(wǎng)絡，是否掃描到Wi-Fi信息等生成定位依據(jù)，同時，根據(jù)用戶當前所處環(huán)境自動判斷并選擇一種最優(yōu)的定位方式。當用戶處在室外時，采用GPS定位方式為主，其他定位方式為輔的定位策略，當用戶在室內(nèi)時則使用Wi-Fi或者移動通信基站定位方式。

地圖顯示功能的實現(xiàn)

地圖服務可以直接選用谷歌、百度和高德等數(shù)字地圖服務提供商提供的公共地圖接口，研發(fā)人員遵循地圖接口的開發(fā)規(guī)范進行開發(fā)和使用即可獲得相應的地圖服務。但是，這些公共的地圖服務中的校園基礎數(shù)據(jù)不夠詳細，更新速度較慢，無法直接滿足服務需求。因此，需要將校園內(nèi)的基礎信息，如教學樓棟信息，常用設施、設備信息和校園資訊等，進行統(tǒng)一收集、整合和分類管理，建立基礎信息數(shù)據(jù)庫并分類存儲，然后對外提供統(tǒng)一的接口，開發(fā)時調(diào)用該數(shù)據(jù)接口，獲得數(shù)據(jù)，最后再結合地圖公共接口進行二次開發(fā)，在地圖上實現(xiàn)位置標注，線路規(guī)劃，周邊查詢等功能。這樣既能滿足數(shù)字化校園服務的個性化需求又能最大程度地降低研發(fā)成本。

用戶軌跡挖掘的實現(xiàn)

當今校園的發(fā)展使校園管理層面臨三大挑戰(zhàn)：第一，目前校園的基礎設施和相關服務都處在不斷變化和擴展的階段，校園管理者如何全面、及時地把握物理空間和人員的動態(tài)，簡單直接地獲取校園信息，為校園教學、科研和管理活動提供精確、可靠的資料；第二，校園人口活躍度不斷變化，管理人員如何全面、及時地了解校園不同區(qū)域的人口活動及其規(guī)模，通過數(shù)字化的直觀呈現(xiàn)和科學預測，從而優(yōu)化校園管理和應對突發(fā)事件；第三，在以往的校園信息化歷程中，在各個部門，領域都積累了一些原始數(shù)據(jù)，校園管理者如何將這些數(shù)據(jù)進行收集、整合和挖掘，進一步為用戶提供更智能的服務?；谖恢玫男畔⒎障到y(tǒng)可以獲取所有用戶的屬性及位置信息，因此，可以通過建立用戶位置信息庫，針對用戶的軌跡進行挖掘，分析校園各個時間段的人流量密度分布情況，并在地圖中繪制歷史和當前人流量密度分布地圖，管理人員便可直觀清晰地查看校園動態(tài)信息，并據(jù)此制定調(diào)度和管理策略。

除此以外，還可以針對單個的用戶屬性信息，如究竟是學生還是老師，是新生還是畢業(yè)生等，針對個性化用戶軌跡進行挖掘，進而根據(jù)用戶的需求主動提供服務。由于用戶軌跡記錄了用戶所關注的活動場所，而這些活動場所能夠在一定程度上反映出了個人的意圖、興趣和行為模式。如某個用戶的軌跡經(jīng)常出現(xiàn)在校園大型會議廳講堂區(qū)域，表明該用戶可能對大型會議、學術講座有一定的興趣等；而那些經(jīng)常出現(xiàn)在運動場所的路線也表征用戶對體育運動的偏好。通過挖掘用戶軌跡中的信息，實現(xiàn)根據(jù)用戶的需求主動提供服務的目的需要三個主要步驟：第一，要根據(jù)每項具體的服務建立經(jīng)驗模型，如希望針對應屆畢業(yè)生提供智能服務，就應該根據(jù)已有的信息建立模型，如常用招聘場所的位置坐標等；第二，從每個用戶軌跡中提取停留點，利用基于密度的聚類算法，針對這個停留點的集合進行層次化聚類，在不同的地理尺度上，將相近的停留點劃分到同一個聚類；第三，選擇合適的粒度，將用戶停留點的數(shù)據(jù)與經(jīng)驗模型進行匹配，如果兩者能達到一定程度的相似性，則可以將用戶劃分為具有同一屬性。這樣，便可向該用戶推送與校園招聘相關的信息，如當用戶進入招聘區(qū)域附近時，便主動為其推送該區(qū)域的最新招聘信息，如招聘公司介紹，招聘會召開時間、所需職位等用戶關心的信息。

圖4　校園信息查詢　圖5用戶路徑規(guī)劃　圖6人流量密度分析

系統(tǒng)的實現(xiàn)

通過對基于LBS校園信息服務的整體需求、系統(tǒng)總體架構（系統(tǒng)分層結構,系統(tǒng)運行流程和系統(tǒng)功能模塊）以及系統(tǒng)涉及的核心技術的全面研究，初步建立了中南大學LBS信息服務系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)中的部分核心功能。中南大學校區(qū)分布相對分散，全校由分布在長沙市區(qū)的六個校區(qū)和三個附屬醫(yī)院組成，對位置服務的需求較大。學校已建成繞城的萬兆光纖網(wǎng)，通過“數(shù)字中南”的建設，校園網(wǎng)絡以光纖、無線等方式基本覆蓋學校全部園區(qū)，為信息服務的建設提供了很好的條件。系統(tǒng)的客戶端是基于Android平臺實現(xiàn)的，它以Linux內(nèi)核結合系統(tǒng)框架層、應用層，并通過Activity、Service、Content Provide、Receiver等四大組件提供對外的基礎應用API，并支持JAVA、C／C++等多種編程語言，極大地降低了移動應用的開發(fā)門檻。下面將選擇系統(tǒng)的幾個重要功能模塊進行簡單的介紹。

校園基礎設施信息查詢

校園基礎設施信息查詢功能主要是根據(jù)校園設施的地理位置來查詢其屬性信息。具體某個校園設施大致上應該包括的信息有：該設施的名字、設施所在地理位置、設施的簡單介紹、公開的聯(lián)系方式或網(wǎng)站鏈接、所在建筑物的圖片展示等。該模塊可以實現(xiàn)對校園內(nèi)各建筑物名稱或者道路名稱的搜索定位并提供相應的屬性信息，用戶根據(jù)不同的分類選擇所需的查詢對象，系統(tǒng)將會在地圖上標注該建筑物所在位置，點擊標注用戶便可快捷地查找到該建筑的名稱、主要功能、所在地址、相關圖片等信息。根據(jù)服務對象的需求不同，系統(tǒng)將校園設施分為教學辦公、生活服務、運動健身、校園圖書館四大類。圖4展示了校園餐飲設施的查詢實例。

用戶路徑規(guī)劃

用戶路徑規(guī)劃功能主要實現(xiàn)為用戶提供駕車、步行，公交出行方式的線路導航，如圖5所示。用戶可以自主選擇起點和終點以及出行方式，系統(tǒng)將根據(jù)用戶的選擇，進行規(guī)劃和導航，用戶可通過地圖直觀地查看詳細導航信息，在關鍵節(jié)點（如十字路口）還可以向用戶提供有效的文字提示，用戶路徑規(guī)劃可以節(jié)約用戶規(guī)劃行程的時間，為用戶的出行帶來便利。

基于用戶軌跡挖掘的人流量密度分析

該項功能主要是通過收集、整合和挖掘已獲取的用戶位置數(shù)據(jù)，為管理層提供可視化、科學和精準的監(jiān)控預測服務，輔助校園管理人員高效決策。同時，用戶也可以根據(jù)人流量密度規(guī)劃作息，避開高峰，節(jié)省時間提高效率。由于目前開發(fā)的系統(tǒng)還未大范圍使用，采用模擬1000個用戶在中午12點時的出行軌跡信息的方式來獲得數(shù)據(jù)，然后將用戶的位置坐標進行分類、篩選和聚合，然后使用熱力圖在地圖上直觀地展示各個校區(qū)中主要學生活動區(qū)的人員分布狀況。如圖6所示，在該時間段，校園食堂所在區(qū)域的人流量密度最大。

基于LBS的數(shù)字校園信息服務系統(tǒng)從學校的實際需求出發(fā)，整合與位置相關的教學、科研、生活等各類信息，結合移動互聯(lián)網(wǎng)的特點為用戶提供基于位置的信息服務，不僅能夠直觀、充分地反映校園范圍內(nèi)的教學、辦公場所的地理分布情況，為學生、老師、家長以及社會提供實時、便利、動態(tài)的信息服務，系統(tǒng)還能將學校部分部門的管理功能結合在一起，優(yōu)化辦公流程，提高工作效率，方便學校的管理?；贚BS的數(shù)字校園信息服務系統(tǒng)的建立，可以為學校提供一個更加智能化、科學化的管理、服務體系，有利于提高校園管理和服務的效率。

（作者單位為中南大學信息與網(wǎng)絡中心）

教育技術資源與應用