探路數(shù)字孿生校園建設(shè)

文/本刊記者 陳永杰

數(shù)字孿生校園是什么，怎么建？這正是當(dāng)下高校信息化工作者普遍關(guān)注的熱點話題。數(shù)字孿生所蘊含的思想最早由美國密歇根大學(xué)邁克爾·格里夫斯(Michael Grieves)教授提出，2012 年，NASA(美國國家航空航天局)正式提出“數(shù)字孿生”這一概念，并將其運用于航空航天領(lǐng)域。隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字孿生逐漸成為未來智慧校園建設(shè)的新方向。那么，數(shù)字孿生校園建設(shè)有哪些關(guān)鍵點？如何規(guī)劃數(shù)字孿生校園建設(shè)？建設(shè)中面臨哪些挑戰(zhàn)？如何應(yīng)對這些挑戰(zhàn)？都是我們需要深入思考和探討的命題。針對這些問題，各位信息化工作者給出了自己的見解和思考。

物理世界與虛擬世界的“雙胞胎”

“目前，數(shù)字孿生在業(yè)界尚無統(tǒng)一的定義?！鄙綎|大學(xué)信息化工作辦公室常務(wù)副主任郭曉東表示，顧名思義，數(shù)字孿生就是現(xiàn)實世界的物理本體和虛擬世界的數(shù)字虛體組成“雙胞胎”，通過綜合應(yīng)用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、AI、GIS、BIM、三維立體建模、VR/AR/MR 等關(guān)鍵技術(shù)和信息化手段，對現(xiàn)實世界中的物體、過程和系統(tǒng)等進(jìn)行數(shù)字化，在虛擬化環(huán)境中進(jìn)行仿真和模擬，實現(xiàn)對物理世界的數(shù)字化再現(xiàn)和與物理世界的實時互動。

虛擬實體不能僅是對物理實體的“復(fù)刻”，更應(yīng)該是物理實體的“孿生”，通過“虛實”交互結(jié)合，實現(xiàn)共同成長。

郭曉東表示，數(shù)字孿生校園可以理解為將現(xiàn)實中的物理校園環(huán)境映射成虛擬的數(shù)字世界，實現(xiàn)對校園各類場景的精準(zhǔn)模擬和智能化管理，拓展校園數(shù)字空間，為師生、管理人員等提供全方位、個性化、智能化的數(shù)字化應(yīng)用與服務(wù)。同時，他認(rèn)為數(shù)字孿生校園的建設(shè)包含三種形態(tài)：一是構(gòu)建以校園空間為本體的數(shù)字化模型，從規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運維等全生命周期實現(xiàn)校園空間（包含建筑、教室、場館等）的數(shù)字化模型建設(shè)；二是構(gòu)建以校園場景為主體的數(shù)字化模型，對校園內(nèi)教學(xué)、科研、管理等各類活動場景進(jìn)行數(shù)字化模型建設(shè)；三是實現(xiàn)物理校園與數(shù)字孿生校園共生長、同進(jìn)化，構(gòu)建共同演進(jìn)的校園智能體。

而在華中科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與信息化辦公室副主任吳馳看來：“虛擬實體不能僅是對物理實體的‘復(fù)刻’，更應(yīng)該是物理實體的‘孿生’，通過‘虛實’交互結(jié)合，實現(xiàn)共同成長?！彼J(rèn)為，理想中的數(shù)字孿生校園應(yīng)該是在智慧校園建設(shè)和發(fā)展的基礎(chǔ)上，校園各類實體、業(yè)務(wù)高度數(shù)字化的產(chǎn)物。它是一個與實體校園交匯融合的“虛擬大學(xué)”，師生可以在實體空間和虛擬空間自由切換，滿足管理、科研、教育教學(xué)和生活服務(wù)等各類需求。

“數(shù)字孿生并不是一項新技術(shù)，它是多種數(shù)字技術(shù)的綜合。”北京外國語大學(xué)信息技術(shù)中心主任楊紅波表示。他認(rèn)為，由于各個高校的需求點不同，所以對數(shù)字孿生的關(guān)注點也存在差異。但是整體來說，數(shù)字孿生對教育教學(xué)、虛擬現(xiàn)實、物聯(lián)數(shù)據(jù)采集、輔助決策等都產(chǎn)生了較大的推動作用。目前，各高校的目標(biāo)應(yīng)該是通過數(shù)字孿生技術(shù)，將實體校園和虛體校園融合起來，服務(wù)于教學(xué)科研。據(jù)他介紹，很多時候，北京外國語大學(xué)（以下簡稱“北外”）的專業(yè)工作人員都是通過數(shù)據(jù)大屏去監(jiān)測和預(yù)警斷網(wǎng)或教室設(shè)備問題。同時，能夠生成各項按日、按周、按月的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從而有效地輔助決策。

隨著教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的迫切要求和信息化技術(shù)的快速發(fā)展，眾多高校已將數(shù)字孿生校園建設(shè)提上發(fā)展規(guī)劃和建設(shè)日程，部分高校已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)字孿生校園建設(shè)實踐。總體看來，當(dāng)前數(shù)字孿生校園建設(shè)雖然處于起步和局部嘗試階段，但這正從另外一個側(cè)面顯示出其的巨大潛力。

數(shù)字孿生成為校園建設(shè)新引擎

“從高校信息化建設(shè)的經(jīng)驗看，數(shù)字孿生校園是數(shù)字校園建設(shè)的升級和演進(jìn)，數(shù)字孿生技術(shù)在校園建設(shè)、校園治理、教學(xué)科研等領(lǐng)域都有顯著的應(yīng)用價值。”郭曉東表示。

總的來看，數(shù)字孿生技術(shù)主要可以應(yīng)用于下面這四個方向。

首先，在校園建設(shè)上，形成孿生數(shù)字化建模，構(gòu)建虛擬校園空間。郭曉東表示，在校園建設(shè)階段，依托園區(qū)信息模型平臺（CIM）基礎(chǔ)設(shè)施，把物理工程與智能化工程同步規(guī)劃設(shè)計、同步建設(shè)實施，打造智慧基建能力，每周呈現(xiàn)校園建設(shè)進(jìn)展?；谛@信息模型，在CIM 平臺上把學(xué)校各領(lǐng)域數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，從而達(dá)到“規(guī)劃設(shè)計一張圖、建設(shè)監(jiān)管一張網(wǎng)、學(xué)校治理一盤棋”的新格局。從校園建設(shè)之初，智能化技術(shù)和手段就嵌入其中，形成孿生數(shù)字化建模，每加蓋一層物理建筑，建筑建模的數(shù)字化設(shè)施就同步更新，形成與物理實體一致的虛擬校園空間。

其次，在運營管理上，依托關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)可視化、智能化管理。從校園規(guī)劃角度看，郭曉東表示，建設(shè)校園智慧運營中心（IOC），實現(xiàn)校園內(nèi)的所有建筑、房間、設(shè)施、地上地下管線和車輛、人員、事件的可視化管理、結(jié)合傳感網(wǎng)絡(luò)智能感知實現(xiàn)遠(yuǎn)程智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理，使人、事、物、知有機集成一個智能化整體。從技術(shù)支持角度看，吳馳表示，主要體現(xiàn)在三個方面：一是依托GIS、3D可視化等技術(shù)，實現(xiàn)校園空間可視化規(guī)劃與管理；二是依托GIS、3D 可視化、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實現(xiàn)校園水電能源、安防消防、交通門禁、物業(yè)等的智能化運營管理；三是依托GIS、3D 可視化、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中臺、大數(shù)據(jù)等，為學(xué)校決策提供支持。

再次，在人才培養(yǎng)上，打造泛在教學(xué)空間，建設(shè)智慧學(xué)習(xí)環(huán)境。郭曉東表示，依托數(shù)字孿生校園規(guī)劃，打造泛在智能的教學(xué)空間，高標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃建設(shè)智慧教室、智慧實驗室、智慧場館、智能研討互動空間等區(qū)域，構(gòu)建物理與數(shù)字孿生融合的泛在學(xué)習(xí)環(huán)境。打造“智慧學(xué)工”系統(tǒng)，實現(xiàn)綜合分析、預(yù)警預(yù)判、業(yè)務(wù)優(yōu)化等業(yè)務(wù)功能，不僅能為學(xué)生提供學(xué)生畫像、基本信息查詢、學(xué)習(xí)和消費行為、成長軌跡等分析服務(wù)，同時也能實現(xiàn)校園宿舍、學(xué)業(yè)、消費、個體安全、公共安全等預(yù)判預(yù)警查詢，還能在精準(zhǔn)扶貧等領(lǐng)域推動校園管理效率的提升，從而構(gòu)建更加簡單、高效、貼心、智慧的教學(xué)、工作和生活環(huán)境。其中，“教學(xué)環(huán)境是數(shù)字孿生技術(shù)的核心應(yīng)用場景?！睏罴t波表示，北外數(shù)字孿生教學(xué)保障中心，利用全樓物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，達(dá)成系統(tǒng)平臺與教學(xué)資源互通互享，實現(xiàn)了校園教學(xué)與管理的數(shù)字孿生。

最后，在教學(xué)科研方面，打造教育教學(xué)、科研創(chuàng)新一體化環(huán)境。郭曉東表示，可以通過數(shù)字孿生技術(shù)向地下工程、智慧建筑、智能制造、電氣與智能化、智能控制等專業(yè)學(xué)科提供教學(xué)、演示、操作、實訓(xùn)、模擬測試于一體的綜合平臺；通過將虛擬環(huán)境與現(xiàn)實世界相結(jié)合，建立數(shù)字孿生模型，探索教育理論、教育科技等領(lǐng)域中的新思路、新方法、新模式；在數(shù)字孿生校園建設(shè)過程中，引入校內(nèi)科研力量和創(chuàng)新團隊，服務(wù)于技術(shù)實踐和創(chuàng)新。2022年，山東大學(xué)在濟南、青島、威海分別建設(shè)了一套全息教室，利用三維建模、全息投影和AR 技術(shù)，實現(xiàn)了三地的全息授課。學(xué)校的多個團隊也都將數(shù)字孿生技術(shù)與教學(xué)科研深度融合，如齊魯醫(yī)學(xué)院采用數(shù)字人技術(shù)創(chuàng)新了解剖實驗的教學(xué)方式等。

“經(jīng)過十多年的持續(xù)探索與建設(shè)，高校信息化工作卓有成效?！惫鶗詵|表示，IT 基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)中心、信息化應(yīng)用等初具規(guī)模，在信息化機制體制、人才隊伍、經(jīng)費保障等方面也日益完善，這為數(shù)字孿生校園建設(shè)打下了堅實基礎(chǔ)。但也必須認(rèn)識到，高校在數(shù)字孿生校園建設(shè)方面的技術(shù)儲備、產(chǎn)業(yè)鏈、安全保障等依然存在很多不足。

涉及面廣 挑戰(zhàn)眾多

數(shù)字孿生校園涉及規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)及運營等諸多方面，同時又受數(shù)字孿生技術(shù)能力等多種因素制約，在實際建設(shè)中面臨眾多挑戰(zhàn)。綜合來看，當(dāng)前數(shù)字孿生校園建設(shè)主要面臨如下挑戰(zhàn)：

數(shù)字孿生技術(shù)需要形成標(biāo)準(zhǔn)。郭曉東指出，目前數(shù)字孿生技術(shù)仍在快速演進(jìn)中，建筑信息模型（BIM）、園區(qū)信息模型（CIM）等不同廠商之間并未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)導(dǎo)入與系統(tǒng)遷移面臨巨大挑戰(zhàn)；物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與控制也面臨同樣問題；在VR/AR 虛擬呈現(xiàn)方面，仍存在許多亟待解決的技術(shù)挑戰(zhàn)。對此，楊紅波表示，當(dāng)前大部分高校還是借助廠商的力量去開發(fā)數(shù)字孿生技術(shù)，而且高校的需求存在多樣性和高變動性，所以于高校而言，培養(yǎng)相關(guān)技術(shù)開發(fā)人才可以有效解決遇到的難題。然而，某種意義上來說，數(shù)字孿生技術(shù)的開發(fā)并非當(dāng)前高校的“剛需”，所以很多時候，只能希望在通用技術(shù)上能夠獲得廠商的更多支持，在投入預(yù)算可控的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)的持續(xù)更新。目前，北外的“剛需”是教學(xué)設(shè)備保障，在教學(xué)方面已經(jīng)歷了1.0～2.0～3.0 的迭代，目的是將數(shù)字孿生應(yīng)用做得更深。

數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)鏈仍需完善。郭曉東指出，具體產(chǎn)業(yè)的整條產(chǎn)業(yè)鏈中涉及各種不同職能的主體，通過建立數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)鏈能夠?qū)崿F(xiàn)這些主體的跨區(qū)域、跨行業(yè)、跨企業(yè)、跨部門的高效協(xié)同與資源優(yōu)化配置，但目前數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)鏈中的各主體尚處于碎片階段，聯(lián)系不夠緊密，數(shù)字化程度較低。對此，他表示，可以通過將數(shù)字孿生校園列入學(xué)校信息化發(fā)展規(guī)劃，加強與各部門之間的信息化調(diào)研、溝通工作，凝聚共識、形成合力，整合各方面數(shù)據(jù)及資源，并充分借助校內(nèi)科研團隊的創(chuàng)新能力，共同推進(jìn)數(shù)字孿生校園建設(shè)。

數(shù)字孿生需要保障系統(tǒng)安全和數(shù)據(jù)安全。“數(shù)字孿生系統(tǒng)中，數(shù)字孿生體與物理實體的交互建立在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)之上，數(shù)字孿生的應(yīng)用使得企業(yè)原有的封閉系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殚_發(fā)系統(tǒng)，因此系統(tǒng)安全問題隨之而來?！惫鶗詵|指出，首先是數(shù)據(jù)傳輸與存儲的安全，即在傳輸及存儲的過程中面臨數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)泄密等風(fēng)險，其次是數(shù)字孿生虛實交互過程中存在安全漏洞，而導(dǎo)致其易受外界攻擊，進(jìn)而引起數(shù)字孿生體與物理實體之間運行紊亂。對于數(shù)據(jù)安全，楊紅波說：“讓數(shù)據(jù)安全性更高的前提是少采集，不該采集的千萬不要采集?！彼J(rèn)為，正如電影《銀河帝國》中哈里·謝頓博士提出的預(yù)言始終只講究未來發(fā)展趨勢一樣，人們用數(shù)據(jù)去表達(dá)一個技術(shù)發(fā)展路徑的時候，實際上是不講究個體的。同樣的，高校數(shù)字孿生也好，數(shù)字化或信息化的進(jìn)程也罷，有時只需要把握趨勢。

針對這些挑戰(zhàn)，各高校在探尋解決措施的同時，還應(yīng)思考未來數(shù)字孿生校園的發(fā)展路徑，抓住影響數(shù)字孿生校園建設(shè)的關(guān)鍵因素，對癥下藥，進(jìn)一步激發(fā)出數(shù)字孿生校園的潛力。

面向未來：先脫貧、再小康

郭曉東表示，當(dāng)前數(shù)字孿生校園建設(shè)的新需求、新場景和新應(yīng)用正不斷出現(xiàn)，并在校園建設(shè)、校園運營、校園治理、教學(xué)科研等方面涌現(xiàn)出了一些代表性成果，在校園信息化建設(shè)中展現(xiàn)出日益重要的應(yīng)用意義和巨大潛力，進(jìn)一步推動并引領(lǐng)信息化工作深入發(fā)展。面向未來，楊紅波認(rèn)為：“教師的需求永遠(yuǎn)是對的，在數(shù)字孿生校園的建設(shè)上，要遵循‘先脫貧、再小康’的發(fā)展理念，先抓教學(xué)數(shù)字孿生?！?/p>

結(jié)合當(dāng)前高等教育領(lǐng)域數(shù)字孿生校園的建設(shè)現(xiàn)狀，整體來說，未來推進(jìn)數(shù)字孿生校園建設(shè)可從以下幾個關(guān)鍵點抓起。

第一，認(rèn)識引領(lǐng)意義，把握發(fā)展機遇。

郭曉東表示，國家“十四五”規(guī)劃綱要明確提出要“探索建設(shè)數(shù)字孿生城市”，為數(shù)字孿生城市建設(shè)提供了國家戰(zhàn)略指引。因此，在教育領(lǐng)域如何利用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行數(shù)字孿生校園建設(shè)、進(jìn)一步推動和引領(lǐng)教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型具有重要意義。他進(jìn)一步提出，數(shù)字孿生校園建設(shè)是智慧校園建設(shè)發(fā)展的必然趨勢，是數(shù)字校園建設(shè)的深化和升華，可以實現(xiàn)物理校園和數(shù)字孿生校園的深度融合和迭代優(yōu)化，從而構(gòu)建一個同生長、共進(jìn)步的自進(jìn)化校園智能體。

第二，以數(shù)據(jù)為突破口，強化數(shù)據(jù)治理?！皵?shù)字孿生校園建設(shè)是在各類業(yè)務(wù)數(shù)字化建設(shè)發(fā)展基礎(chǔ)上進(jìn)行的，其核心仍然是數(shù)據(jù)?！眳邱Y表示，華中科技大學(xué)信息化建設(shè)始終以數(shù)據(jù)為核心，以制度建設(shè)為抓手，通過“數(shù)據(jù)一個庫”“一張表”等工程建設(shè)，扎實推進(jìn)數(shù)據(jù)治理工作，成效明顯。“‘十三五’期間，很多高校都采集了大量數(shù)據(jù)，去展示或者去輔助決策，然而都沒有達(dá)到預(yù)期效果?！睏罴t波表示，如今高校水電氣暖數(shù)據(jù)、管線實時數(shù)據(jù)等的分析結(jié)果往往對學(xué)校下一步?jīng)Q策起著決定性作用。因此，智能數(shù)據(jù)分析成為數(shù)字孿生校園的一個標(biāo)簽，在數(shù)學(xué)模型和管理模型的基礎(chǔ)上，能夠?qū)ΜF(xiàn)實產(chǎn)生重大影響。

第三，創(chuàng)新發(fā)展，避免千篇一律?！皠?chuàng)新是數(shù)字孿生校園的核心競爭力，智能化是數(shù)字孿生校園的核心能力?！惫鶗詵|表示，通過技術(shù)創(chuàng)新、場景創(chuàng)新、應(yīng)用創(chuàng)新，改變學(xué)校教學(xué)、科研、管理和服務(wù)的模式與生態(tài)，為用戶提供全方位、個性化、智能化的信息化服務(wù)。同時，綜合運用人工智能等技術(shù)，實現(xiàn)物理校園與數(shù)字孿生校園同生長、共進(jìn)化，構(gòu)建共同演進(jìn)的校園智能體。另外，“數(shù)字孿生并沒有一個國家標(biāo)準(zhǔn)，大家都是摸著石頭過河?！睏罴t波表示，對于外語高校，更關(guān)注國際交流和校園的Open 程度；對于美術(shù)類高校，則更重視作品的版權(quán)、學(xué)生的采用率、作品的獲獎率等。因此，各個高校要創(chuàng)新發(fā)展，不跟風(fēng)，走自己的數(shù)字化轉(zhuǎn)型之路，有效推進(jìn)數(shù)字孿生校園健康發(fā)展。

第四，部門協(xié)同，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

“數(shù)字孿生最主要的是要操作，所以需要跨部門協(xié)同，這樣才能產(chǎn)生一個適合自己的、高效的管理模型?！睏罴t波表示，目前數(shù)字孿生的可持續(xù)發(fā)展主要集中在技術(shù)層面，以虛擬建模為例，由于建模技術(shù)所涉公司的壁壘較大，所以選定一家公司后很難進(jìn)行遷移或升級。當(dāng)校園環(huán)境發(fā)生變化時，原有公司的技術(shù)、設(shè)備等很可能需要全部替換。對此，各個高校都希望實現(xiàn)模塊化、可持續(xù)發(fā)展，至少不會頻繁地推翻重來。他認(rèn)為，要保障用戶投資，首先要保證技術(shù)的可持續(xù)性發(fā)展，比較合理的是形成通用的建模技術(shù)，但顯然目前的技術(shù)還不夠通用。

總的來說，盡管數(shù)字孿生校園建設(shè)面臨諸多挑戰(zhàn)，但其發(fā)展?jié)摿Σ蝗莺鲆?。要實現(xiàn)數(shù)字孿生校園建設(shè)的全面發(fā)展，各高校需要深刻理解“方法重于技術(shù)、組織制度創(chuàng)新重于技術(shù)創(chuàng)新”的工作理念，并根據(jù)“應(yīng)用為王、服務(wù)至上、簡潔高效、安全運行”的工作方法要求，結(jié)合學(xué)校信息化的需求和發(fā)展階段，進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃和分步實施。同時，也要以師生用戶為中心，充分體現(xiàn)數(shù)字孿生校園建設(shè)帶來的實際效益。只有這樣，數(shù)字孿生校園建設(shè)才能真正發(fā)揮其作用，服務(wù)于高校立德樹人的核心任務(wù)，從而推動我國高等教育智慧校園建設(shè)邁向新的高度。