數字孿生技術在智慧校園中的應用與探索

曾宏志

摘 要：隨著信息技術飛速發展，物聯網、云計算、大數據、人工智能等技術應用成熟，針對校園中的教學、管理、安全等問題，提出基于數字孿生技術智慧校園建設方案，從而提升學校的教學及管理。通過搭建數字孿生智慧校園模型，設備通過物聯網實現感知，進行數據的管理與展示，通過程序語言實現前后端的交互，實現校園智慧化管理。

關鍵詞：智慧校園；數字孿生；智慧教學；安全管理

一、引言

數字孿生的概念最早產生于2002年，美國密歇根大學邁克爾·格里夫斯（Michael Grieves）教授在其產品全生命周期管理課程中提出了“鏡像空間模型”概念，在當時并沒有明確命名為數字孿生，但已經體現出數字孿生的思想。直到2012年，NASA（美國國家航空航天局）發布相關技術路線圖和論文，正式提出了“數字孿生”這一概念，通過孿生器概念來反映真實飛行器的實際狀況。數字孿生作為新一代高新技術，結合人工智能、5G、區塊鏈等前沿技術，可以與各產業領域不斷融合深化。近年來，教育領域高度重視數字化、智慧化校園建設，教育數字化升級改革戰略正在推進中，《教育信息化2.0行動計劃》等教育信息化指導文件，均體現出了引導信息化、智慧化、數字化與校園教育深度融合，加快信息化教育變革，促進教育高質量發展的目標。而數字孿生技術的出現，以及在其他行業領域的探索應用成果，為數字化、智慧化校園建設提供了新的思路。

二、數字孿生智慧校園建設的背景

智慧校園建設則是利用信息技術手段對校園內各種資源進行集成、感知和管理，實現校園治理和服務的智能化，而數字孿生校園是利用數字孿生技術對物理校園進行1：1映射的虛擬校園，可實現物理校園到虛 擬校園的實時交互；操作便捷、擴展性強；通過物聯系統進行信息收集，智能分析，快速反饋，智慧預測及管控；多種應用實現授課、學習、管理、運行、發展更加高效、穩定、安全地運行。可解決當前信息化系統中的信息少，網速慢，數據亂，效率低，形式單一，管控欠佳，身心健康，安全等問題。數字孿生校園建設模型是指將數字孿生技術與智慧校園建設相結合的一種模型和探索，實時反映和模擬真實系統的運行狀態和行為，為系統分析、優化和決策提供支持的技術。數字孿生智慧校園建設的背景主要有以下幾個方面：

1.高等教育改革與發展：高等教育改革和發展一直是各國致力于推動的重要議題。在中國，高等教育改革已經進入了深化階段，以創新人才培養模式為核心，推進高等教育質量提升和內涵式發展。在這個過程中，數字孿生智慧校園的建設可以有效地提升高校的教學、科研和管理水平，適應高等教育的發展需求。

2.信息技術的快速發展：隨著信息技術的快速發展和應用，數字孿生智慧校園已經成為數字時代高等教育的發展趨勢。數字孿生技術可以將現實中的校園環境轉換成虛擬的數字世界，實現對校園場景的精準模擬和智能化管理，提高高校的信息化水平和服務質量。

3.智慧教育的要求：當前，教育的發展已經不僅僅是知識傳授，而是注重培養學生的創新能力、實踐能力和綜合素質。數字孿生智慧校園的建設可以為學生提供個性化、多元化的學習資源和服務，提高學生的學習效果和滿意度。同時，數字孿生智慧校園的建設還可以提升教師的教學質量和科研能力，為高校的人才培養和發展提供更好的支撐。

4.數字孿生技術的成熟應用：隨著數字孿生技術的不斷發展和成熟應用，數字孿生智慧校園的建設也變得更加可行和實際。數字孿生技術可以實現對校園場景的高度還原和模擬，為高校提供精準的數據支持和決策參考。同時，數字孿生技術也可以實現校園管理的智能化和自動化，提高工作效率和管理水平。

三、數字孿生智慧校園模型

建立校園孿生模型是校園數字孿生技術應用的首要基礎，國內研究中以北京航天航空大學陶飛數字孿生研究組提出的數字孿生五維模型構建理論為典型代表。基于五維模型進行擴展研究，借鑒周成等人研究的“車間三維可視化監控系統六維模型”，我們提出以數字孿生為建?？梢暬A的智慧孿生校園模型概念。

物理校園實體包括校園樓宇、校區道路、停車場、環境建筑、校內景觀、物理設備等可見可得實體；物理空間包括存在于各教學樓、圖書館、文體館等室內空間及校內物理實體之間的空間部分。虛擬校園是指將物理校園利用仿真模擬、三維數字化建模等技術，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并預測物理校園的實際狀態，可以為教學者和學習者提供高互動、高投入的虛擬學習、開展校園活動等校園情境。

校園服務是指在孿生校園應用中提供給教師、學生及管理者的所有服務功能集合的總稱，主要是為了實現孿生智慧校園實現所需要的基礎功能技術服務，包括孿生模型的建立優化分析服務；實時孿生數據傳輸、清洗、存儲等數據處理類服務；以及綜合連接服務，提供標準化數據接口、服務接口、協議支持服務等。面向教師和學生，按不同領域劃分提供的各類教學及管理業務服務，如教務管理應用、學工管理應用、后勤管理應用、校園網服務、圖書館服務、安防管理服務等，在校園服務設計上重在以孿生校園為底座，以服務于人為根本，并不斷迭代優化，促進升級或重構孿生模型配置。

可視化展示將孿生校園數據、校內原有資源數據以及校外可用公開數據有機整合起來，打破校園內管理信息分散壁壘，以數字孿生技術、5G通信技術等為支撐，實現學?？臻g管理、設備管理、服務管理等整體可視化聯動。

四、數字孿生在智慧校園中的發展趨勢

數字孿生智慧校園的建設是高等教育信息化發展的重要趨勢，它將為學生、教師和管理人員提供更加便捷、高效、智能的服務和支持，推進高等教育的質量和內涵式發展。

1.數據整合和智能分析。隨著物聯網技術的發展，智慧校園中產生的大量數據將會被整合到數字孿生模型中。通過智能分析和機器學習算法，可以對數據進行深入挖掘和分析，為校園管理者提供更準確的決策支持。

2.虛擬現實與增強現實。虛擬現實和增強現實技術將進一步融入數字孿生中，使得校園管理人員和教師能夠更直觀地體驗和操作數字孿生模型。通過VR和AR，可以實現真實場景的模擬和互動，更好地支持校園管理和教學活動。

3.自主決策與智能控制。數字孿生模型將借助人工智能和自主決策技術，能夠自動分析、預測和調整校園中的各種系統和流程。例如，通過數字孿生模型，可以實現自動化的能源管理、安全監控等功能，提高效率和降低人為干預的錯誤。

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

綜上所述，數字孿生在智慧校園中將會越來越普及和成熟，為校園管理和教育教學提供更強大的工具和支持。隨著技術的進一步發展，數字孿生將更加智能化、可視化和互動化，為智慧校園的建設和發展帶來新的機遇和挑戰。

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