數(shù)字孿生技術(shù)在智慧校園中的應(yīng)用與探索

曾宏志

摘 要：隨著信息技術(shù)飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)應(yīng)用成熟，針對(duì)校園中的教學(xué)、管理、安全等問(wèn)題，提出基于數(shù)字孿生技術(shù)智慧校園建設(shè)方案，從而提升學(xué)校的教學(xué)及管理。通過(guò)搭建數(shù)字孿生智慧校園模型，設(shè)備通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)感知，進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理與展示，通過(guò)程序語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)前后端的交互，實(shí)現(xiàn)校園智慧化管理。

關(guān)鍵詞：智慧校園；數(shù)字孿生；智慧教學(xué)；安全管理

一、引言

數(shù)字孿生的概念最早產(chǎn)生于2002年，美國(guó)密歇根大學(xué)邁克爾·格里夫斯（Michael Grieves）教授在其產(chǎn)品全生命周期管理課程中提出了“鏡像空間模型”概念，在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有明確命名為數(shù)字孿生，但已經(jīng)體現(xiàn)出數(shù)字孿生的思想。直到2012年，NASA（美國(guó)國(guó)家航空航天局）發(fā)布相關(guān)技術(shù)路線圖和論文，正式提出了“數(shù)字孿生”這一概念，通過(guò)孿生器概念來(lái)反映真實(shí)飛行器的實(shí)際狀況。數(shù)字孿生作為新一代高新技術(shù)，結(jié)合人工智能、5G、區(qū)塊鏈等前沿技術(shù)，可以與各產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域不斷融合深化。近年來(lái)，教育領(lǐng)域高度重視數(shù)字化、智慧化校園建設(shè)，教育數(shù)字化升級(jí)改革戰(zhàn)略正在推進(jìn)中，《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》等教育信息化指導(dǎo)文件，均體現(xiàn)出了引導(dǎo)信息化、智慧化、數(shù)字化與校園教育深度融合，加快信息化教育變革，促進(jìn)教育高質(zhì)量發(fā)展的目標(biāo)。而數(shù)字孿生技術(shù)的出現(xiàn)，以及在其他行業(yè)領(lǐng)域的探索應(yīng)用成果，為數(shù)字化、智慧化校園建設(shè)提供了新的思路。

二、數(shù)字孿生智慧校園建設(shè)的背景

智慧校園建設(shè)則是利用信息技術(shù)手段對(duì)校園內(nèi)各種資源進(jìn)行集成、感知和管理，實(shí)現(xiàn)校園治理和服務(wù)的智能化，而數(shù)字孿生校園是利用數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)物理校園進(jìn)行1：1映射的虛擬校園，可實(shí)現(xiàn)物理校園到虛 擬校園的實(shí)時(shí)交互；操作便捷、擴(kuò)展性強(qiáng)；通過(guò)物聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行信息收集，智能分析，快速反饋，智慧預(yù)測(cè)及管控；多種應(yīng)用實(shí)現(xiàn)授課、學(xué)習(xí)、管理、運(yùn)行、發(fā)展更加高效、穩(wěn)定、安全地運(yùn)行?？山鉀Q當(dāng)前信息化系統(tǒng)中的信息少，網(wǎng)速慢，數(shù)據(jù)亂，效率低，形式單一，管控欠佳，身心健康，安全等問(wèn)題。數(shù)字孿生校園建設(shè)模型是指將數(shù)字孿生技術(shù)與智慧校園建設(shè)相結(jié)合的一種模型和探索，實(shí)時(shí)反映和模擬真實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和行為，為系統(tǒng)分析、優(yōu)化和決策提供支持的技術(shù)。數(shù)字孿生智慧校園建設(shè)的背景主要有以下幾個(gè)方面：

1.高等教育改革與發(fā)展：高等教育改革和發(fā)展一直是各國(guó)致力于推動(dòng)的重要議題。在中國(guó)，高等教育改革已經(jīng)進(jìn)入了深化階段，以創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式為核心，推進(jìn)高等教育質(zhì)量提升和內(nèi)涵式發(fā)展。在這個(gè)過(guò)程中，數(shù)字孿生智慧校園的建設(shè)可以有效地提升高校的教學(xué)、科研和管理水平，適應(yīng)高等教育的發(fā)展需求。

2.信息技術(shù)的快速發(fā)展：隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)字孿生智慧校園已經(jīng)成為數(shù)字時(shí)代高等教育的發(fā)展趨勢(shì)。數(shù)字孿生技術(shù)可以將現(xiàn)實(shí)中的校園環(huán)境轉(zhuǎn)換成虛擬的數(shù)字世界，實(shí)現(xiàn)對(duì)校園場(chǎng)景的精準(zhǔn)模擬和智能化管理，提高高校的信息化水平和服務(wù)質(zhì)量。

3.智慧教育的要求：當(dāng)前，教育的發(fā)展已經(jīng)不僅僅是知識(shí)傳授，而是注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)。數(shù)字孿生智慧校園的建設(shè)可以為學(xué)生提供個(gè)性化、多元化的學(xué)習(xí)資源和服務(wù)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和滿意度。同時(shí)，數(shù)字孿生智慧校園的建設(shè)還可以提升教師的教學(xué)質(zhì)量和科研能力，為高校的人才培養(yǎng)和發(fā)展提供更好的支撐。

4.數(shù)字孿生技術(shù)的成熟應(yīng)用：隨著數(shù)字孿生技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟應(yīng)用，數(shù)字孿生智慧校園的建設(shè)也變得更加可行和實(shí)際。數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)校園場(chǎng)景的高度還原和模擬，為高校提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持和決策參考。同時(shí)，數(shù)字孿生技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)校園管理的智能化和自動(dòng)化，提高工作效率和管理水平。

三、數(shù)字孿生智慧校園模型

建立校園孿生模型是校園數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的首要基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)研究中以北京航天航空大學(xué)陶飛數(shù)字孿生研究組提出的數(shù)字孿生五維模型構(gòu)建理論為典型代表?；谖寰S模型進(jìn)行擴(kuò)展研究，借鑒周成等人研究的“車間三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)六維模型”，我們提出以數(shù)字孿生為建?？梢暬A(chǔ)的智慧孿生校園模型概念。

物理校園實(shí)體包括校園樓宇、校區(qū)道路、停車場(chǎng)、環(huán)境建筑、校內(nèi)景觀、物理設(shè)備等可見可得實(shí)體；物理空間包括存在于各教學(xué)樓、圖書館、文體館等室內(nèi)空間及校內(nèi)物理實(shí)體之間的空間部分。虛擬校園是指將物理校園利用仿真模擬、三維數(shù)字化建模等技術(shù)，虛擬化孿生形成，成為物理校園的孿生體展示。借助虛擬校園可以全面體現(xiàn)并預(yù)測(cè)物理校園的實(shí)際狀態(tài)，可以為教學(xué)者和學(xué)習(xí)者提供高互動(dòng)、高投入的虛擬學(xué)習(xí)、開展校園活動(dòng)等校園情境。

校園服務(wù)是指在孿生校園應(yīng)用中提供給教師、學(xué)生及管理者的所有服務(wù)功能集合的總稱，主要是為了實(shí)現(xiàn)孿生智慧校園實(shí)現(xiàn)所需要的基礎(chǔ)功能技術(shù)服務(wù)，包括孿生模型的建立優(yōu)化分析服務(wù)；實(shí)時(shí)孿生數(shù)據(jù)傳輸、清洗、存儲(chǔ)等數(shù)據(jù)處理類服務(wù)；以及綜合連接服務(wù)，提供標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接口、服務(wù)接口、協(xié)議支持服務(wù)等。面向教師和學(xué)生，按不同領(lǐng)域劃分提供的各類教學(xué)及管理業(yè)務(wù)服務(wù)，如教務(wù)管理應(yīng)用、學(xué)工管理應(yīng)用、后勤管理應(yīng)用、校園網(wǎng)服務(wù)、圖書館服務(wù)、安防管理服務(wù)等，在校園服務(wù)設(shè)計(jì)上重在以孿生校園為底座，以服務(wù)于人為根本，并不斷迭代優(yōu)化，促進(jìn)升級(jí)或重構(gòu)孿生模型配置。

可視化展示將孿生校園數(shù)據(jù)、校內(nèi)原有資源數(shù)據(jù)以及校外可用公開數(shù)據(jù)有機(jī)整合起來(lái)，打破校園內(nèi)管理信息分散壁壘，以數(shù)字孿生技術(shù)、5G通信技術(shù)等為支撐，實(shí)現(xiàn)學(xué)?？臻g管理、設(shè)備管理、服務(wù)管理等整體可視化聯(lián)動(dòng)。

四、數(shù)字孿生在智慧校園中的發(fā)展趨勢(shì)

數(shù)字孿生智慧校園的建設(shè)是高等教育信息化發(fā)展的重要趨勢(shì)，它將為學(xué)生、教師和管理人員提供更加便捷、高效、智能的服務(wù)和支持，推進(jìn)高等教育的質(zhì)量和內(nèi)涵式發(fā)展。

1.數(shù)據(jù)整合和智能分析。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智慧校園中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)將會(huì)被整合到數(shù)字孿生模型中。通過(guò)智能分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘和分析，為校園管理者提供更準(zhǔn)確的決策支持。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將進(jìn)一步融入數(shù)字孿生中，使得校園管理人員和教師能夠更直觀地體驗(yàn)和操作數(shù)字孿生模型。通過(guò)VR和AR，可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景的模擬和互動(dòng)，更好地支持校園管理和教學(xué)活動(dòng)。

3.自主決策與智能控制。數(shù)字孿生模型將借助人工智能和自主決策技術(shù)，能夠自動(dòng)分析、預(yù)測(cè)和調(diào)整校園中的各種系統(tǒng)和流程。例如，通過(guò)數(shù)字孿生模型，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的能源管理、安全監(jiān)控等功能，提高效率和降低人為干預(yù)的錯(cuò)誤。

4.可視化展示與交互。數(shù)字孿生的可視化展示將更加精細(xì)和直觀，同時(shí)也將支持更多的交互方式。校園管理人員和教師可以通過(guò)觸摸屏、手勢(shì)操作等方式與數(shù)字孿生模型進(jìn)行互動(dòng)，更好地理解和管理校園中的各種情況。

綜上所述，數(shù)字孿生在智慧校園中將會(huì)越來(lái)越普及和成熟，為校園管理和教育教學(xué)提供更強(qiáng)大的工具和支持。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，數(shù)字孿生將更加智能化、可視化和互動(dòng)化，為智慧校園的建設(shè)和發(fā)展帶來(lái)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

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