基于数字孪生技术的智慧校园统一运营中心构建研究

关键词：信息技术；数字孪生；虚拟校园；统一运营中心；数据治理

中图分类号：TP391 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）21-0089-03

0 引言

2021年，教育部等六部门发布了《关于推进教育新型基础设施建设构建高质量教育支撑体系的指导意见》，提出聚焦信息网络、平台体系、数字资源、智慧校园、创新应用、可信安全等6个方面，力争到2025年基本形成结构优化、集约高效、安全可靠的教育新型基础设施体系，推进教育新型基础设施建设[1]。这一指导意见的提出正处于我国从教育大国向教育强国迈进的关键时期，教育的全面数字化转型已成必然趋势，在此背景下，智慧校园统一运营中心的概念应运而生。

智慧校园统一运营中心（Intelligent OperationsCenter） 指的是依托于物联网、大数据、云计算、人工智能、移动互联等新型数字化技术实现对校园内的人、车、物、设备、设施和各业务系统的互联，并承担着学校数字化运行、智慧化管理、集中化指挥的三层重要功能。统一运营中心（以下简称IOC） 可以一站式展示校园的整体运行情况，实现校园综合态势感知、安防态势监测、信息安全监测、重点楼宇监测、设施设备监测和应急指挥等功能。随着智慧校园建设的不断深入，统一运营中心也在朝着集成化、立体化、场景化和智能化的方向发展，致力于构建一个全面覆盖校园各个领域的综合性管理平台。数字孪生技术作为一种前沿的技术趋势，未来有望给IOC的建设带来这些方面的突破。

1 数字孪生技术的原理、发展及应用

作为影响工业4.0实现的关键技术之一，数字孪生（Digital Twin） 技术是一项以模型信息流驱动全产业价值链协同的产品生命期管理工具，其核心在于数据收集、聚合、分析及提供决策性洞见等功能，将会重构未来人类的生存环境[2]。简单来说就是在一个设备或系统的基础上，创造出一个数字“克隆体”，在高精度模拟本体的同时，与本体保持实时的数据同步和双向互动的技术。2003年，Grieves教授提出了信息镜像模型，这是数字孪生技术的雏形[3]，如图1所示。

1.1 数字孪生技术的产生与发展

数字孪生技术的发展可以分为3个阶段，分别是概念形成期、航空工业运用的发力期以及逐步在各领域的推广期，如表1所示。2003年在密歇根企业高管培训课中首次提出了数字孪生的术语，这是一种通过物理设备收集数据，在虚拟空间构建可以表征该设备的虚拟实体和子系统，以数字可视化的方式实现透明化的产品全生命周期管理[4]。2010年，NASA首次提出了数字孪生技术的应用构想， 并将其运用到下一代战斗机与月球车的设计中[5]。2017年，德国西门子公司发布了完整的数字孪生应用模型[6]。近年来，我国北京航空航天大学等单位在基于数字孪生的虚拟装配等方面取得了很好的成果[7]。2020年，中国科协将“建立虚拟孪生理论和技术基础并开展示范应用”列为前沿科学问题[8]。

1.2 数字孪生技术的特性

1） 虚实共生性。通过高精度的数据采集、分析和建模，构建物理世界的数字化副本，实现物理世界与虚拟世界之间准确的映射，使得虚拟世界能够实时反映真实世界的状态和变化，二者之间达成充分共融共生。

2） 高度仿真性。通过先进的数据感知和处理技术，数字孪生技术不仅可以构建出与真实外观1：1的仿真模型，还能够精准模拟物理实体的行为和状态，通过对其物理属性、运动规律、组成结构等特征进行数据分析，准确反映出实体在真实世界的动态行为。

3） 实时交互性。通过实时采集和感知物理世界的数据，数字孪生体可以实时更新状态，确保与真实世界同步交互，这种交互性不仅体现在数据的自由传输上，还体现在对物理世界变化的即时响应上。一旦物理世界发生变化，数字孪生模型能够迅速捕捉并进行相应调整。

4） 深刻洞察性。随着大数据收集、人工智能算法的不断增强，数字孪生体不仅可以完全映射物理实体，虚拟世界将赋予人们对真实世界更深刻的理解和洞察，不仅体现在对物理世界的运行规律上，更在于通过精准的数据分析揭示出隐藏的运行规律和潜在问题。

2 数字孪生技术在统一运营中心的应用场景

2021年，中共中央、国务院发布《中国教育现代化2035》，明确提出要加快高等教育的信息化改革，构建智能化校园，统筹建设集智能化教学、管理、服务于一体的信息化平台[9]。智慧校园统一运营中心的建设，顺应了这一需求，数字孪生技术支持万物可视、可管、可控，将这一技术深度应用于IOC的建设，无疑是教育信息化转型的发展方向。

2.1 全方位的数字化建模能力

利用GIS地理信息、BIM、物联网传感器及子系统业务数据，数字孪生技术能够搭建出完整的校园虚拟镜像，实现对校园内各类设施、设备和环境的精准映射，直观展示校园道路、地形、楼宇、设施、绿化等实景模型。同时集成多物理、多角度、多概率的仿真过程，将真实校园内的设备、资产和场地完成互联，并完整反映它们的生命周期。这使得校园管理者能够更加直观准确地了解校园的整体运行状态。

2.2 全面实时维护与监测的能力

数字孪生技术可以通过集成校园各类传感器和监控设备，实现对校园内建筑、环境、全要素运行态势的实时监控。通过汇集校园内各信息系统的数据资源和分析工具，对校园的教学情况、管理情况和安保情况等关键指标进行综合监测。比如通过对门禁信息进行记录、接入多媒体教学数据、仿真教学实验仪器的使用寿命等方法，实现校园通行监测、重点楼宇监测以及设施设备监测等多种实时监测功能。

2.3 智能化资源分配与调度的能力

数字孪生技术有助于IOC实现更智能化的资源分配和调度。通过实时跟踪和分析校园内各种资源，平台能够自动调整和优化资源分配方案，确保资源有效利用，降低浪费。中心能够实时获取并分析校园的运行数据，提前预警潜在故障和安全风险，实现预测性维护，降低设备故障率，提高校园设施管理效率。

3 校园统一运营中心的具体架构

要将数字孪生技术真正应用于校园统一运营平台的建设，需要解决一些技术上的难题，如数据的集成和共享、平台的安全性和稳定性等。其中最重要的是实现校园内各类复杂数据的广泛互联，这必然涉及校园物联网的实施。物联网的架构设计通常包括五层，即感知层、传输层、网络层、平台层和应用层，如图2 所示：

智慧校园统一运营中心的建设以数字孪生技术为底层架构，以智慧校园一体化建设为现实基础，按照物联网产品的开发和建设模式，汇聚政府、学校云服务商、第三方认证机构等力量共同参与其中，进行广泛的数据共享和治理。本文参照物联网建设的组织结构，以数据治理为核心，设计了智慧校园统一运营中心的架构模型，具体包括基础设施层、数据感知层、智慧平台层、数据孪生层、业务展示层，如图3所示。

1） 基础设施层包括服务于智慧校园建设的各种基础网络和终端设备，如5G网络、全光网等通信网络，以及教学录播设备、会议终端设备、门禁监管设备等智能终端。这些设备是实现数字孪生和数据交互的基础设施。

2） 数据感知层汇集学校各类静态数据和实时数据，包括安防数据、校园空间数据、人员数据、常态化录播数据等。通过数据采集、传输和计算，实现数据的综合治理。

3） 智慧平台层是数据生成和交互的载体，包括校园门户、统一身份认证平台、教学资源整合平台等智慧平台。校园统一运营中心通过集成各类教学科研相关平台和业务系统，将各类业务数据汇集在平台层进行交汇和互动。

4） 数据孪生层涵盖完整的数据集成、分析、计算、孪生过程，可以实现多种业务数据在虚拟空间的精准映射和自动汇总，从而真正实现数据一个库、校园一张卡、网站一个群的数据治理效果。

5） 业务展示层将智慧校园的所有业务系统集中呈现，对校园真实场景进行仿真和实时展示。其显示内容可以包括教室运行状态、校园运行监测、巡课督导、安防管理等跨部门、可视化的数据。通过这五层结构的层层搭建和递进，校园统一运营中心可以真正做到“校园态势一张图”的集中化管理。

4 校园统一运营中心的运行机制

基于数字孪生技术的技术特性，智慧校园统一运营中心可以实现数据治理的全域贯通，并以此为基础实现全景化、智能化的校园监测管理，全面提升教育教学管理服务水平。本文将从四个方面探索校园统一运营平台的运行机制。

4.1 立体感知：全场景、沉浸式的校园场景

智慧校园统一运营中心可以对校园环境进行全景化、虚拟化的展示，实现对物理校园的真实还原。在数字建模中，数字孪生技术首先会对校园环境、道路、建筑、设施等进行1：1的仿真，形成真实校园的数字孪生体。这个数字孪生体能够准确反映真实校园的运行状态，包括人、财、物等各方面的信息，以及对教学、科研、实践等各类活动场景的模拟。校园内广泛分布的智能教学设施，如智慧教室、录播教室、虚拟实验室等，为运营中心的搭建提供了设施基础。这些设施和设备感知到的基础数据接入校园网络后，运营中心可集成各类视频信号、门禁信号、业务信号的数据流。通过对数据流应用人工智能、图像识别、视频探测等技术，可以实现对校园各个场景的立体感知和全面监测。同时，中心可以将集成来的数据流按照需要，在大屏幕或移动终端上进行实时展示，便于管理人员及时、准确地掌握校园的运行状态。当校园内出现不稳定事件时，中心会第一时间监测到报警信号并发出警告，并且可以通过大屏自动定位到真实校园中的位置，以便管理人员快速发现问题。

4.2 数字孪生：可视化、动态式的数据展示

智慧校园统一运营中心通过数据的集成、分析、运算和孪生，将校园内的所有数据流以可视化的形式展示，包括校园的资源配置、公共设施、人员流动等。同时，中心还汇集了学校所有业务系统的数据流，包括监控系统、教学系统、办公系统等。这些系统会产生大量的实时数据、视频流、教学日志、考勤记录、设备状态等。中心将这些数据进行统一的格式化和标准化处理，将教学、科研、管理、服务等方面的海量数据以图形、表格、动画等直观形式展示。通过将复杂的运营数据转化为直观易懂的图形，使得管理人员可以通过颜色、大小、形状等视觉元素快速识别数据的趋势和差异，还可以通过点击屏幕、拖动图像、缩放大小等操作，极大地提高学校的数据管理效率。

4.3 分析决策：智慧化、人性化的服务管理

智慧校园统一运营中心通过对虚拟校园的操控，实现对真实校园教育教学的智慧化管理。它可以提供包括校园安防、巡课督导、智慧教学、资源管理等多种数字孪生应用服务。中心通过集成校园监控系统和教室录播系统，实现随时随地查看各教学场所的教学情况，支持远程排课、听课和看课，有效提升教学资源的利用率和教学质量。中心对教学视频进行数据挖掘和分析，得到课堂活跃度、师生参与度等关键指标信息，并将这些信息通过教学系统及时反馈，使管理人员能够及时评估教学质量，为学校的课程设置和教学计划提供参考。中心通过集成教务系统、人事系统、财务系统、学工系统等多个业务系统，为个人用户提供数据汇聚展示和自动办公、门禁登记、人脸识别、实时监控等众多功能，真正做到“一站式”的管理与服务。

4.4 预案调度：多场景、协同化的科学指挥

智慧校园统一运营中心作为学校管理的核心，承担预案处置和指挥调度的重要职能。在指挥调度方面，该中心通过多源异构数据的融合和多终端的交互，能够迅速实现校园内各建筑、各部门之间的空间打通，并通过可视化的方式集中呈现在大屏上，实现对校园所有场景的全面监控。一旦发生突发事件，中心能立即启动应急预案，通过视频监控、通信调度等手段，对相关部门和人员进行统一的指挥和调度。管理人员可以通过观看大屏显示的信息和数据，实现如同身临其境般的场景化决策和协同指挥。

5 结束语

本文以数字孪生技术为突破口，以物联网的五层架构为底层逻辑，设计了智慧校园统一运营中心的组织架构。该中心实现了真实校园的虚拟化运行，承担了集成安防、教学、科研、服务等方面的综合管理功能，有效提升了智慧校园的管理和服务水平。然而，运营中心也存在着一些缺点和限制，如投入成本高、数据安全存在风险等，随着数字孪生技术的完善和发展，这些问题有望在未来得到逐步解决。