数字孪生技术在智慧校园中的应用与探索

曾宏志

摘 要：随着信息技术飞速发展，物联网、云计算、大数据、人工智能等技术应用成熟，针对校园中的教学、管理、安全等问题，提出基于数字孪生技术智慧校园建设方案，从而提升学校的教学及管理。通过搭建数字孪生智慧校园模型，设备通过物联网实现感知，进行数据的管理与展示，通过程序语言实现前后端的交互，实现校园智慧化管理。

关键词：智慧校园；数字孪生；智慧教学；安全管理

一、引言

数字孪生的概念最早产生于2002年，美国密歇根大学迈克尔·格里夫斯（Michael Grieves）教授在其产品全生命周期管理课程中提出了“镜像空间模型”概念，在当时并没有明确命名为数字孪生，但已经体现出数字孪生的思想。直到2012年，NASA（美国国家航空航天局）发布相关技术路线图和论文，正式提出了“数字孪生”这一概念，通过孪生器概念来反映真实飞行器的实际状况。数字孪生作为新一代高新技术，结合人工智能、5G、区块链等前沿技术，可以与各产业领域不断融合深化。近年来，教育领域高度重视数字化、智慧化校园建设，教育数字化升级改革战略正在推进中，《教育信息化2.0行动计划》等教育信息化指导文件，均体现出了引导信息化、智慧化、数字化与校园教育深度融合，加快信息化教育变革，促进教育高质量发展的目标。而数字孪生技术的出现，以及在其他行业领域的探索应用成果，为数字化、智慧化校园建设提供了新的思路。

二、数字孪生智慧校园建设的背景

智慧校园建设则是利用信息技术手段对校园内各种资源进行集成、感知和管理，实现校园治理和服务的智能化，而数字孪生校园是利用数字孪生技术对物理校园进行1：1映射的虚拟校园，可实现物理校园到虚 拟校园的实时交互；操作便捷、扩展性强；通过物联系统进行信息收集，智能分析，快速反馈，智慧预测及管控；多种应用实现授课、学习、管理、运行、发展更加高效、稳定、安全地运行。可解决当前信息化系統中的信息少，网速慢，数据乱，效率低，形式单一，管控欠佳，身心健康，安全等问题。数字孪生校园建设模型是指将数字孪生技术与智慧校园建设相结合的一种模型和探索，实时反映和模拟真实系统的运行状态和行为，为系统分析、优化和决策提供支持的技术。数字孪生智慧校园建设的背景主要有以下几个方面：

1.高等教育改革与发展：高等教育改革和发展一直是各国致力于推动的重要议题。在中国，高等教育改革已经进入了深化阶段，以创新人才培养模式为核心，推进高等教育质量提升和内涵式发展。在这个过程中，数字孪生智慧校园的建设可以有效地提升高校的教学、科研和管理水平，适应高等教育的发展需求。

2.信息技术的快速发展：随着信息技术的快速发展和应用，数字孪生智慧校园已经成为数字时代高等教育的发展趋势。数字孪生技术可以将现实中的校园环境转换成虚拟的数字世界，实现对校园场景的精准模拟和智能化管理，提高高校的信息化水平和服务质量。

3.智慧教育的要求：当前，教育的发展已经不仅仅是知识传授，而是注重培养学生的创新能力、实践能力和综合素质。数字孪生智慧校园的建设可以为学生提供个性化、多元化的学习资源和服务，提高学生的学习效果和满意度。同时，数字孪生智慧校园的建设还可以提升教师的教学质量和科研能力，为高校的人才培养和发展提供更好的支撑。

4.数字孪生技术的成熟应用：随着数字孪生技术的不断发展和成熟应用，数字孪生智慧校园的建设也变得更加可行和实际。数字孪生技术可以实现对校园场景的高度还原和模拟，为高校提供精准的数据支持和决策参考。同时，数字孪生技术也可以实现校园管理的智能化和自动化，提高工作效率和管理水平。

三、数字孪生智慧校园模型

建立校园孪生模型是校园数字孪生技术应用的首要基础，国内研究中以北京航天航空大学陶飞数字孪生研究组提出的数字孪生五维模型构建理论为典型代表。基于五维模型进行扩展研究，借鉴周成等人研究的“车间三维可视化监控系统六维模型”，我们提出以数字孪生为建模可视化基础的智慧孪生校园模型概念。

物理校园实体包括校园楼宇、校区道路、停车场、环境建筑、校内景观、物理设备等可见可得实体；物理空间包括存在于各教学楼、图书馆、文体馆等室内空间及校内物理实体之间的空间部分。虚拟校园是指将物理校园利用仿真模拟、三维数字化建模等技术，虚拟化孪生形成，成为物理校园的孪生体展示。借助虚拟校园可以全面体现并预测物理校园的实际状态，可以为教学者和学习者提供高互动、高投入的虚拟学习、开展校园活动等校园情境。

校园服务是指在孪生校园应用中提供给教师、学生及管理者的所有服务功能集合的总称，主要是为了实现孪生智慧校园实现所需要的基础功能技术服务，包括孪生模型的建立优化分析服务；实时孪生数据传输、清洗、存储等数据处理类服务；以及综合连接服务，提供标准化数据接口、服务接口、协议支持服务等。面向教师和学生，按不同领域划分提供的各类教学及管理业务服务，如教务管理应用、学工管理应用、后勤管理应用、校园网服务、图书馆服务、安防管理服务等，在校园服务设计上重在以孪生校园为底座，以服务于人为根本，并不断迭代优化，促进升级或重构孪生模型配置。

可视化展示将孪生校园数据、校内原有资源数据以及校外可用公开数据有机整合起来，打破校园内管理信息分散壁垒，以数字孪生技术、5G通信技术等为支撑，实现学校空间管理、设备管理、服务管理等整体可视化联动。

四、数字孪生在智慧校园中的发展趋势

数字孪生智慧校园的建设是高等教育信息化发展的重要趋势，它将为学生、教师和管理人员提供更加便捷、高效、智能的服务和支持，推进高等教育的质量和内涵式发展。

1.数据整合和智能分析。随着物联网技术的发展，智慧校园中产生的大量数据将会被整合到数字孪生模型中。通过智能分析和机器学习算法，可以对数据进行深入挖掘和分析，为校园管理者提供更准确的决策支持。

2.虚拟现实与增强现实。虚拟现实和增强现实技术将进一步融入数字孪生中，使得校园管理人员和教师能够更直观地体验和操作数字孪生模型。通过VR和AR，可以实现真实场景的模拟和互动，更好地支持校园管理和教学活动。

3.自主决策与智能控制。数字孪生模型将借助人工智能和自主决策技术，能够自动分析、预测和调整校园中的各种系统和流程。例如，通过数字孪生模型，可以实现自动化的能源管理、安全监控等功能，提高效率和降低人为干预的错误。

4.可视化展示与交互。数字孪生的可视化展示将更加精细和直观，同时也将支持更多的交互方式。校园管理人员和教师可以通过触摸屏、手势操作等方式与数字孪生模型进行互动，更好地理解和管理校园中的各种情况。

综上所述，数字孪生在智慧校园中将会越来越普及和成熟，为校园管理和教育教学提供更强大的工具和支持。随着技术的进一步发展，数字孪生将更加智能化、可视化和互动化，为智慧校园的建设和发展带来新的机遇和挑战。

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