基于物聯網與數字孿生的高校智能信息服務系統研究

李 俊

(中國人民解放軍陸軍防化學院，北京 102205)

0 引言

信息技術的高速發展與應用推廣不斷推動人類社會進步，對人們的社會生活與經濟活動產生深遠影響[1]。當前，以大數據、人工智能、物聯網等為代表的新一代信息技術持續演進，加速推動人類社會從信息時代邁向數字化、智能化時代。習近平總書記在十九屆中央政治局第三十四次集體學習時深刻指出，要促進數字技術和實體經濟深度融合，賦能傳統產業轉型升級，催生新產業新業態新模式，不斷做強、做優、做大我國數字經濟。

高校信息系統作為信息技術實踐與應用的重要場景，也亟須緊緊抓住數字化、智能化的時代機遇，充分探索新興技術賦能，構建高效、敏捷、智能的信息服務系統，提升服務與管理效能，助力教育事業發展。教育部在2018年發布的《教育信息化2.0行動計劃》中也明確提出了全面推動教育的智能化[2]。然而，高校傳統的功能疊加式信息服務系統建設模式存在多方面問題，很難在復雜的信息與業務環境下實現大范圍的服務能力智能化提升。本文提出一種基于物聯網與數字孿生的智能化高校信息服務系統，利用先進的物聯網與數字孿生技術，通過建立邏輯統一的分層信息服務架構，實現不同業務數據的高效共享與復雜應用場景下不同板塊業務的智能協同，以增強高校信息服務系統的基礎支撐能力，為解決高校信息系統建設中存在的問題、提升服務能力與效率提供了新的思路，對利用新興技術推動高校信息系統建設升級轉型具有一定的理論與實踐意義。

1 高校教育信息服務系統現存的問題

高校信息系統需要提供眾多場景的業務服務，包括校園管理、學生管理、教師管理、課程管理、考試管理、線上授課管理、教室資源管理、活動場景與設施管理等[3]。在邏輯上，每個業務場景都有其自身業務流程，而不同業務間又有各類共享的基礎數據；在物理上，業務的時空狀態是分布式的，不同業務狀態又有重疊。因此，高校的信息系統是個復雜的集成系統，其發展進步是一個漸進的過程，系統功能的逐步添加與技術架構的迭代升級，易使得系統變得臃腫。

首先，受到業務體系較廣、業務內容較雜等組織因素的影響，高校信息系統本身存在分散建設、分散管理的現象[4]。不同業務分屬高校不同部門管理，通常有自己的業務數據體系，不同業務間缺乏信息互通共享機制，數據共享需要進行跨數據集和接口通信，導致學校內部存在多個數據孤島，數據冗余現象嚴重[5]，既降低了服務的效能與資源的使用效率，也極大地增加了新業務的實現成本。

其次，由于各業務板塊的信息系統架構相對獨立，限制了相關業務的協同能力，跨院系、跨部門的業務很難實現順利流轉，系統易用性較差，極大地影響了系統使用者的體驗與滿意度[6]。同時，由于各業務板塊通常獨立組織開展系統建設服務，缺乏一體化的規劃，在一定程度上造成了重復建設、資源浪費等問題，對復雜信息服務的可行性、智能性與易用性方面均產生負面影響。

最后，高校對信息的收集主要依靠傳統的業務信息錄入方式，而對物聯網信息收集途徑的建設與利用還不充分，使得一些信息服務智能化缺少先決條件。高校信息系統對校園基礎設施、教職人員、學生等物理環境與服務對象的數字化建模還不夠全面和充分，沒有形成數字孿生模型與相關平臺架構，因而很難為校園信息服務架構與功能的長期升級演進提供有力支撐。此外，在常態化疫情防控形勢下，高校傳統信息系統在支持疫情防控，開展日常人員管理、數據溯源、線上辦公與教學方面也存在短板[7]，亟須通過引入新的技術手段予以解決。

2 校園物聯網與數字孿生技術

2.1 校園物聯網技術

物聯網通常是指通過信息傳感器等裝置與技術，組成異構傳感器網絡，實時采集被采集對象的各種信息(如聲、光、熱、電、位置、生物信息)等，進而通過各類網絡實現實時接入，實現物與物、物與人的泛在連接，實現對人、物、過程等的智能化感知、識別與管理。當前，物聯網技術已被應用于智能家居、智能交通、智慧城市、智慧物流等場景。

2016年，教育部在其《教育信息化工作要點》中指出，要利用物聯網技術實現多方面的智能校園服務[8]。高校作為一個小社會，廣泛融合了家居、交通、城市等相關職能，因此將物聯網技術應用于智慧校園建設，具有較強的可行性，也是有效拓展物聯網技術應用場景的重要突破。校園物聯網常見的傳感器及其作用包括：監測校園各類基礎設施狀態的傳感器，如大樓的狀態(溫濕度、空氣質量、電梯、照明、消防等子系統)，校園電力、供水等狀態[9]；安裝于道路側、人行道與建筑內的感知車流和人流的傳感器，如攝像頭、毫米波雷達、激光雷達等；與教室教學過程相關的傳感器，如攝像頭、拾音器、投影儀、計算機等；專業實驗相關實驗室內傳感器，如關鍵實驗設備狀態、實驗室環境狀態(氣體傳感器、溫度傳感器)、安全保障設備狀態等；監測公寓樓住宿生活相關狀態的傳感器，如公共空間攝像頭、紅外傳感器、電梯傳感器、智能水電表、網聯洗衣機等[10]。

校園物聯網建設的關鍵在于傳感器的選取、部署與網絡的建立。高校信息化服務涉及的業務板塊眾多，業務對物聯網傳感器的需求多樣，統一規劃所需傳感器及其布置方案是重要問題。受制于物聯網傳感器硬件建設的固有局限，如更新迭代周期慢(通常在壽命期內不更換)、安裝復雜等，傳感器方案需要具有較強的完備性與預見性。雖然可以根據盡可能多地采集數據的原則安裝傳感器，但實際上受環境條件與預算范圍以及傳感器功能與性能取舍等情況的影響，需要嚴格按照由物聯網技術所支持業務的基本規劃來牽引傳感器方案設計。

2.2 數字孿生技術

數字孿生技術是指以現實空間為原型，構建其虛擬空間的鏡像模型，從而建立現實與虛擬之間的信息流，進而構建現實空間實物的數字化全生命周期管理模型[11]。目前，數字孿生技術已被廣泛應用于工業互聯網場景。在高校場景中，基于各類物聯網傳感器數據的支持，可以探索建立高校校園的數字孿生，對校園內學習、工作、生活等行為的宏觀與微觀狀態進行觀測、估計與預測，進而支撐智能化的高校信息服務。

數字孿生首先需要建立孿生對象的數據模型，將物聯網及傳統來源的豐富數據進行表示與存儲。數據模型所涉及的孿生對象包括學生、教師、職工、學校基礎設施、校園環境等，并對孿生對象全方位的狀態屬性進行了定義，確定了屬性的分類與關聯關系。例如，學生的模型應包括其學習、科研、生活等方面的狀態屬性。其次，數字孿生需要建立孿生對象的關系模型，刻畫對象屬性狀態的演進關系以及對象與對象間的相互作用，這是數字孿生的狀態估計與預測、數據挖掘與分析的基礎。孿生對象間的交互關系如學生的課程出席、作業、生活狀態與其成績間存在一定內在聯系，學生的課程表、科研工作與其生活軌跡相關，教師任教的歷史情況與其本學期課程的選課與課程成績存在聯系。通過物聯網獲取校園內人與物的實時狀態，依據人的動態軌跡和需求，建立對應算法模型，智能調度信息服務，提供基礎設施和資源服務，構建智能化的服務能力。

不同于智能交通等自動化相關領域，在建立孿生模型方面，高校信息服務相關孿生模型構建的挑戰在于模型機理不易得到，解析表達較難，因為其涉及的不是純物理過程[11]。因此，為了支撐高校智能化信息服務，數字孿生更依賴于包括物聯網來源的廣泛大量的數據及數據驅動的人工智能模型與訓練方法。

3 高校智能信息服務統一平臺架構

為支撐高校智能信息服務的一體化建設與長期發展，高校設計了基于物聯網與數字孿生的高校智能信息服務系統的統一云平臺架構(見圖1)，主要包括4層：互聯互通層、數字孿生層、業務服務層、協同服務層。其中，互聯互通層、數字孿生層與協同服務層屬于統一公共基礎服務，業務服務層可以在各自業務領域進行垂直建設與發展。4層架構設計旨在形成以統一數據為基礎支撐、以數字孿生為核心平臺、以業務服務為核心能力、以協同服務為能力提升的高效、智能的高校信息服務系統。

圖1 基于物聯網與數字孿生的高校智能信息服務系統的統一云平臺架構

3.1 互聯互通層

互聯互通層是高校智能信息服務系統的基礎層，主要負責云平臺與所有的物聯網設備及其他信息服務數據來源的互聯互通，以打破傳統高校信息服務系統存在的信息孤島。物聯網和數字孿生技術的核心支撐是數據與通信，前者為業務提供統一底層支撐，后者為前者構建統一接口或轉換渠道。因此，互聯互通層的解決方案有兩個關鍵點：一是搭建統一的數據中臺，對接不同業務數據庫，實現數據的集中化存儲和管理，為數字孿生層的模型構建需求提供基礎數據保障；二是通過建立可擴展的標準化協議，實現對異構通信的支持及協議的標準化或自適應，進而通過協議適配方式與現有系統對接，同時實現對業務演進與發展的自適應升級或改造支持。

3.2 數字孿生層

數字孿生層負責將所有輸入的數據進行匯聚、清洗并構建成數字孿生模型。基于互聯互通層提供的實時數據，數字孿生層利用孿生模型的狀態估計、預測等技術，生成所有孿生對象的不同粒度的實時狀態信息，利用高性能的消息系統統一為上層的各類業務需求提供動態基礎數據。通過將所有業務所需數據在統一的邏輯架構下進行匯聚和分發，打破了業務板塊自建垂直系統造成的信息孤島，實現智能化服務所需的不同業務數據可一次獲得，通過數據間的高效協同以支撐服務的長期發展。此外，數字孿生層主要需協調好緩存、存儲與讀寫技術，以提高服務響應性能。

3.3 業務服務層

業務服務層是傳統高校信息服務的承載層，主要通過微服務、流式計算、大數據分析等技術支撐高校的信息服務應用。該層是將傳統信息服務系統中面向客戶的業務相關功能提取后形成的，其部署的形式并不要求邏輯統一，可以是在數字孿生層上形成垂直的子系統，如按教學、考試、選課、科研、實驗、教務、生活等板塊劃分，以減小對原有信息系統架構和部署模式的改變。然而，理想的實施方式是由統一平臺提供公共的應用運行環境，不同業務板塊間進行隔離，以最好地保證服務的性能并減少實施成本。

3.4 協同服務層

協同服務層是高校智能信息服務系統智能服務的集中體現。基于統一的平臺架構，在業務服務層由統一架構實現的基礎上，所有面向復雜場景或跨業務板塊流程的信息服務都在這一層上實現。協同服務層的典型特征是能夠自然高效地調用業務服務層的服務應用并形成一致的工作流，這樣的架構不僅簡化了服務功能開發與部署的難度，降低了成本，還使得可實現的服務范圍與服務性能得以提升。過構建協同服務層，能有效實現高度自動化與智能化的服務。對于一個復雜的業務流程，如學生辦理畢業離校各類手續流程，設計一個協同服務應用，在離校手續辦理開放時，自動通過公共信息發布子系統向學生終端推送消息，對于各項手續，調用教職工的辦公自動化子系統確定辦理的條件及可辦理的精確時間，在手續辦理的全程自動更新學生子系統與教務子系統的狀態。此架構使得學生和相關教職工只需要按系統指示就能輕松完成復雜的流程，減少了辦理手續時去現場卻無法辦理的情況。

尤需注意的是，跨組織、跨部門的業務協同不僅僅需要在系統層面予以提升或變革，更要在組織層面進一步梳理業務流程、打通業務堵點、達成協同共識，實現信息系統變革牽引業務流程變革，業務流程變革促進信息系統變革，確保二者相得益彰、相互促進。

4 高校智能信息服務系統的升級路線

為盡可能地降低高校信息服務系統的升級成本，避免因系統升級與變革造成資源浪費，高校智能信息服務系統的部署與升級需要在保證現有信息服務不中斷的前提下，在現有資源約束下逐步推進，因此需要使用逐步替換的方案。為此，在實現前述統一平臺架構設計時還需重點設計其兼容擴展能力及相關自動化功能。

具體而言，在升級過程中，首先建立小規劃的包含數據中臺能力的新云平臺，部署新的物聯網傳感器并將之接入新平臺，同時逐步將現有業務數據接入新平臺，在新平臺上實現基礎的互聯互通與數字孿生，這一部分暫時與現有業務無過多交互。其次，考慮現有服務使用需求與資源要求，將現有業務逐步向新平臺上遷移，并將原平臺的物理資源向新平臺轉移，這個過程將持續最長的時間，也將涉及一些重開發工作。基于新平臺上的既有業務，可以同步研發并部署協同服務層的功能，提升服務智能化。然而，所有業務在新平臺上運行，新平臺成型，原平臺已沒有業務運行和資源使用而自然停用，之后在新平臺上進行升級。最后，在運營一段時間后，依據系統服務能力反饋與評估結果，進一步在各個層面進行迭代更新，尤其關注業務協同層的組織流程適用性、易用性和智能性，在更高維度上實現能力躍升。

5 結語

高校教育信息服務發展的過程是利用先進信息與通信等技術提升服務智能化水平的過程。支持信息服務長期演進的理想方式是引入先進的物聯網與數字孿生技術，建立統一平臺架構的智能化高校信息服務系統，作為公共基礎設施支撐實現各板塊業務的服務。新系統的建立需要與現有業務統籌規劃，逐步實施并升級。