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中南大学:基于LBS的智能信息服务系统

时间:2015-05-15 21:46来源:中国教育网络 作者:陈军 曾香 点击:
数字化校园的建设,已成为信息时代的必然趋势。近年来,一方面,由于诸 多高校的扩招和合并,学校规模越来越大,从位置上分为相距较远的多个校区,校园设施和环境也在不断地完

数字化校园的建设,已成为信息时代的必然趋势。近年来,一方面,由于诸 多高校的扩招和合并,学校规模越来越大,从位置上分为相距较远的多个校区,校园设施和环境也在不断地完善,众多的机构分散在校园的不同地方,这使得高校信 息量有庞杂、分散、更新速度快和信息不对称的特点;另一方面,随着移动互联网的发展,用户对随时随地获取服务信息的需求越来越迫切,传统的基于桌面终端浏 览器的校园信息服务系统由于其空间数据和属性数据缺乏实时的动态联系和统一管理,已不能很好地满足服务对象及管理者的需求,而以基于位置的服务为技术基础 的校园信息服务系统能很好地满足这一需求。LBS(Location Based Service)即通过移动通信运营商的无线通信网络(如GSM、CDMA)或外部定位方式(如GPS)获取移动终端用户的物理位置信息,并根据用户的位 置提供与之相匹配的服务。基于LBS的数字校园信息服务可以结合校园的各类实体资源,通过移动终端和PC端以地图这种可视化的形式,将各种相关的信息和服 务组织起来,为服务对象提供精准的信息推送,实现智能化的信息服务。

  需求分析

  校园信息服务的服务对象是校园师生、管理决策和后勤服务部门以及来访人员等,其主要目的是通过定位、导航和查 询、索引等技术,为用户提供智能化的信息服务。从用户的角度出发可将其服务需求分为四大类:基于位置的基础信息查询服务、基于位置的可视化地图导航服务、 基于位置的个性化信息推荐服务和基于位置数据分析和挖掘的动态调度和规划。

  总体设计

  系统分层结构设计

  数字校园是数字地球、数字城市的微观的、具体的表现,但显然又具有其教育行业和个性化特点。基于LBS的数字校园信息服务系统是在对这种特点进行具体分析的基础上加以拓展实现的。

  2011年,Kivera公司提出了一个在LBS平台集成服务的平台架构,该平台将静态地理数据和动态数据结合为用户提供实时动态的信息服务。基于这种思想,结合校园信息服务的实际需求,系统分层结构设计如图1所示。

  其中数据是信息服务的基础,可将数据分成两大部分,一部分是提供基础信息数据,包括校园地理空间信息数据,如 校园教学区、办公区等校园建筑的地理位置坐标数据、教学信息、办公信息、新闻通知、会议讲座以及学生活动等相关的校园POI(Point of Interest)信息数据,还包括校园周边公共交通信息等其他基础数据;另一部分为动态获取的用户实时信息,包括批量性的大众基础位置信息和用户基本信 息。信息服务包括用户定位,路径规划,周边搜索,地理编码,地图绘制,反地理编码等基于位置的核心服务和校园人流量分布分析,个人个性化位置服务定制等基 于用户轨迹挖掘的数据可视化服务和信息服务。最后在这些基础上开发基于桌面端和移动端的应用工程,使得用户通过互联网获取相关信息服务。

  系统运行流程设计

  基于LBS的信息服务的主要工作是根据用户的需求完成定位系统、服务器和移动终端之间的信息交互,系统运行流 程如图2所示,系统运行的流程主要分为三个主要交互过程,首先,用户通过移动设备的定位模块接收由卫星导航系统或移动通信基站、Wi-Fi热点发送的数据 信息,并利用该信息计算出用户的经纬度等信息;其次,将位置信息和查询请求发送到绑定的服务器,服务器接收并根据GPRS或CDMA等移动网络传输回来的 数据进行处理和计算后,将相应结果通过移动网络发送给移动终端;最后,用户再根据请求结果在应用程序中进行可视化并在用户端呈现相关内容。

  系统功能模块设计

  数字校园信息服务系统为广大师生、校园管理人员、家长及其社会提供了一个方便、快捷、高效的校园信息化服务平 台,也为校园的规划、设计和管理、决策提供准确而详细的数据。不仅囊括了校园常用的相关信息,诸如学校常用网站链接、校车通勤服务信息、招聘会议信息、生 活服务信息等,还针对移动用户增加了学校内部及周边生活设施如银行、商场、医院等信息服务。结合实际需求分析与当前的技术发展,将整个基于LBS的数字化 校园服务系统分为系统设置、定位导航、地图显示、信息咨询、动态调度和推荐服务等六大模块。系统功能模块如图3所示。

  信息服务系统的核心技术

  基于LBS数字校园信息服务的最终目标是使用户通过移动终端获取自己的位置,然后根据其位置来获取所需的服 务。具体的说,系统的设计需要从移动客户端和服务器端两部分来进行分析。移动客户端软件的主要功能包括两个部分,第一是利用其移动终端具备的功能模块 --GPS全球卫星定位模块或移动通信基站定位、Wi-Fi定位获取用户当前所在位置的地理坐标,并使用Socket网络编程实现移动终端与服务器端进行 通信,利用移动数据网络向服务器发送地理经纬度坐标及服务请求;第二是根据用户的位置和服务器发送过来的响应数据,在APP中进行展示和操作。服务器端的 主要功能分为两个部分,第一个部分是开发一个服务器端监听软件,对相应网络端口进行监听,接收来自各个移动终端所发送过来的数据,并将数据解析后存入数据 库。第二个部分的功能是将数据进行挖掘和分析,并通过网页以可视化的形式展示给相关人员。下面就系统的定位功能、地图显示和用户轨迹挖掘模块的设计进行详 细介绍。

  定位功能设计

  获取用户位置是LBS系统提供服务的前提,常用的定位方式有基于GPS(全球定位系统)的定位方式、基于移动 通信基站的定位方式和基于Wi-Fi的定位方式三种。基于GPS的定位方式是利用移动终端上的GPS定位模块接收导航卫星发送的广播信号,计算出用户所在 方位,该方式是目前最为精确、应用最为广泛的定位导航技术,但它是采用终端计算,计算速度慢且终端能耗较高,此外,该方式在室内使用时由于存在信号接收的 盲区,定位成功率低。基于移动通信基站的定位是根据移动设备侦测到的不同移动通信基站(Cell Tower)下行导频的TOA(Time of Arrival,到达时刻)信息,结合数据库中的基站坐标,计算其具体位置,这种方式具有覆盖广,适用于室、内外多种定位场景,定位速度快,能耗低的优 点,但定位精确定位较低,一般为100m-300m,且用户需要为定位过程中使用的流量付费。基于Wi-Fi的定位方式通过获取附近周围所有的无线网络热 点(Wi-Fi Access Point)的MAC地址,比对数据库中该MAC地址对应的坐标,计算出用户所在位置,它具有定位速度快,精度较高且能耗低的优势,一般为30m- 150m,但需要区域大量部署Wi-Fi热点。

  由于高校校园建筑的布局相对集中,教学楼、办公楼等分布较为密集,对定位的精度和成功率等要求较高,单一的某 种定位方式无法满足需求,需要采用综合定位的方式。综合定位即根据设备当前的实际情况,如是否开启GPS,是否连接GPRS网络,是否扫描到Wi-Fi信 息等生成定位依据,同时,根据用户当前所处环境自动判断并选择一种最优的定位方式。当用户处在室外时,采用GPS定位方式为主,其他定位方式为辅的定位策 略,当用户在室内时则使用Wi-Fi或者移动通信基站定位方式。

  地图显示功能的实现

  地图服务可以直接选用谷歌、百度和高德等数字地图服务提供商提供的公共地图接口,研发人员遵循地图接口的开发 规范进行开发和使用即可获得相应的地图服务。但是,这些公共的地图服务中的校园基础数据不够详细,更新速度较慢,无法直接满足服务需求。因此,需要将校园 内的基础信息,如教学楼栋信息,常用设施、设备信息和校园资讯等,进行统一收集、整合和分类管理,建立基础信息数据库并分类存储,然后对外提供统一的接 口,开发时调用该数据接口,获得数据,最后再结合地图公共接口进行二次开发,在地图上实现位置标注,线路规划,周边查询等功能。这样既能满足数字化校园服 务的个性化需求又能最大程度地降低研发成本。

  用户轨迹挖掘的实现

  当今校园的发展使校园管理层面临三大挑战:第一,目前校园的基础设施和相关服务都处在不断变化和扩展的阶段, 校园管理者如何全面、及时地把握物理空间和人员的动态,简单直接地获取校园信息,为校园教学、科研和管理活动提供精确、可靠的资料;第二,校园人口活跃度 不断变化,管理人员如何全面、及时地了解校园不同区域的人口活动及其规模,通过数字化的直观呈现和科学预测,从而优化校园管理和应对突发事件;第三,在以 往的校园信息化历程中,在各个部门,领域都积累了一些原始数据,校园管理者如何将这些数据进行收集、整合和挖掘,进一步为用户提供更智能的服务。基于位置 的信息服务系统可以获取所有用户的属性及位置信息,因此,可以通过建立用户位置信息库,针对用户的轨迹进行挖掘,分析校园各个时间段的人流量密度分布情 况,并在地图中绘制历史和当前人流量密度分布地图,管理人员便可直观清晰地查看校园动态信息,并据此制定调度和管理策略。

  除此以外,还可以针对单个的用户属性信息,如究竟是学生还是老师,是新生还是毕业生等,针对个性化用户轨迹进 行挖掘,进而根据用户的需求主动提供服务。由于用户轨迹记录了用户所关注的活动场所,而这些活动场所能够在一定程度上反映出了个人的意图、兴趣和行为模 式。如某个用户的轨迹经常出现在校园大型会议厅讲堂区域,表明该用户可能对大型会议、学术讲座有一定的兴趣等;而那些经常出现在运动场所的路线也表征用户 对体育运动的偏好。通过挖掘用户轨迹中的信息,实现根据用户的需求主动提供服务的目的需要三个主要步骤:第一,要根据每项具体的服务建立经验模型,如希望 针对应届毕业生提供智能服务,就应该根据已有的信息建立模型,如常用招聘场所的位置坐标等;第二,从每个用户轨迹中提取停留点,利用基于密度的聚类算法, 针对这个停留点的集合进行层次化聚类,在不同的地理尺度上,将相近的停留点划分到同一个聚类;第三,选择合适的粒度,将用户停留点的数据与经验模型进行匹 配,如果两者能达到一定程度的相似性,则可以将用户划分为具有同一属性。这样,便可向该用户推送与校园招聘相关的信息,如当用户进入招聘区域附近时,便主 动为其推送该区域的最新招聘信息,如招聘公司介绍,招聘会召开时间、所需职位等用户关心的信息。

  系统的实现

  通过对基于LBS校园信息服务的整体需求、系统总体架构(系统分层结构,系统运行流程和系统功能模块)以及系 统涉及的核心技术的全面研究,初步建立了中南大学LBS信息服务系统,实现了系统中的部分核心功能。中南大学校区分布相对分散,全校由分布在长沙市区的六 个校区和三个附属医院组成,对位置服务的需求较大。学校已建成绕城的万兆光纤网,通过“数字中南”的建设,校园网络以光纤、无线等方式基本覆盖学校全部园 区,为信息服务的建设提供了很好的条件。系统的客户端是基于Android平台实现的,它以Linux内核结合系统框架层、应用层,并通过 Activity、Service、Content Provide、Receiver等四大组件提供对外的基础应用API,并支持JAVA、C/C++等多种编程语言,极大地降低了移动应用的开发门槛。下 面将选择系统的几个重要功能模块进行简单的介绍。

  校园基础设施信息查询

  校园基础设施信息查询功能主要是根据校园设施的地理位置来查询其属性信息。具体某个校园设施大致上应该包括的 信息有:该设施的名字、设施所在地理位置、设施的简单介绍、公开的联系方式或网站链接、所在建筑物的图片展示等。该模块可以实现对校园内各建筑物名称或者 道路名称的搜索定位并提供相应的属性信息,用户根据不同的分类选择所需的查询对象,系统将会在地图上标注该建筑物所在位置,点击标注用户便可快捷地查找到 该建筑的名称、主要功能、所在地址、相关图片等信息。根据服务对象的需求不同,系统将校园设施分为教学办公、生活服务、运动健身、校园图书馆四大类。图4 展示了校园餐饮设施的查询实例。

  用户路径规划

  用户路径规划功能主要实现为用户提供驾车、步行,公交出行方式的线路导航,如图5所示。用户可以自主选择起点 和终点以及出行方式,系统将根据用户的选择,进行规划和导航,用户可通过地图直观地查看详细导航信息,在关键节点(如十字路口)还可以向用户提供有效的文 字提示,用户路径规划可以节约用户规划行程的时间,为用户的出行带来便利。

  基于用户轨迹挖掘的人流量密度分析

  该项功能主要是通过收集、整合和挖掘已获取的用户位置数据,为管理层提供可视化、科学和精准的监控预测服务, 辅助校园管理人员高效决策。同时,用户也可以根据人流量密度规划作息,避开高峰,节省时间提高效率。由于目前开发的系统还未大范围使用,采用模拟1000 个用户在中午12点时的出行轨迹信息的方式来获得数据,然后将用户的位置坐标进行分类、筛选和聚合,然后使用热力图在地图上直观地展示各个校区中主要学生 活动区的人员分布状况。如图6所示,在该时间段,校园食堂所在区域的人流量密度最大。

  基于LBS的数字校园信息服务系统从学校的实际需求出发,整合与位置相关的教学、科研、生活等各类信息,结合 移动互联网的特点为用户提供基于位置的信息服务,不仅能够直观、充分地反映校园范围内的教学、办公场所的地理分布情况,为学生、老师、家长以及社会提供实 时、便利、动态的信息服务,系统还能将学校部分部门的管理功能结合在一起,优化办公流程,提高工作效率,方便学校的管理。基于LBS的数字校园信息服务系 统的建立,可以为学校提供一个更加智能化、科学化的管理、服务体系,有利于提高校园管理和服务的效率。(作者单位为中南大学信息与网络中心)

(责任编辑:老杨)
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