高校數字孿生校園平臺設計與建設實踐*——以華中科技大學為例

王士賢 文坤梅 李俊峰 吳 馳 鄭競力

高校數字孿生校園平臺設計與建設實踐*——以華中科技大學為例

王士賢1文坤梅2[通訊作者]李俊峰3吳 馳2鄭競力3

（1．華中科技大學 軟件學院，湖北武漢 430074；2．華中科技大學 網絡與信息化辦公室，湖北武漢 430074；3．華中科技大學 網絡與計算中心，湖北武漢 430074）

信息技術的快速發展，推動了高校數字孿生校園的建設。在數字化轉型的迫切需求下，亟待研發高校數字孿生校園平臺，以更好地支撐教學、科研、管理、生活等服務。基于此，文章首先梳理了數字孿生校園與智慧校園的關系，指出研發高校數字孿生校園平臺的重要性和必要性。之后，文章以數字孿生校園模型為底層邏輯基礎，設計了由基礎設施層、支撐層、數據層、平臺層、數字孿生服務層、展示交互層六層組成的高校數字孿生校園平臺架構。最后，文章介紹了華中科技大學數字孿生校園平臺的建設實踐，指出該平臺將“一張圖”作為數字孿生底座，實現了數據驅動下的校園數據全景可視化展示和動態智能化管理，能有效提升校園的治理能力和服務水平。文章提出的平臺架構設計及其實踐，探索了建設高校數字孿生校園的可行路徑，有利于促進數字孿生技術在智慧校園建設中的應用落地，并可為高校建設數字孿生校園提供參考。

數字孿生；智慧校園；校園平臺；智能化管理

一 從智慧校園到數字孿生校園

1 智慧校園

當前，高校正逐步進入以人工智能、大數據等新技術為支撐的智慧校園建設階段，研究者也紛紛開展了智慧校園模型構建和智慧校園建設的相關探討。例如，蔣東興等[9]提出了高校智慧校園技術參考模型，并設計了高校智慧校園的成熟度模型及其評價指標體系；李易俞等[10]對比分析了國內外智慧校園的研究熱點和發展趨勢，提出要學習、借鑒國外智慧城市與智慧校園相互促進的發展經驗；而楊萍等[11]分析了智慧校園建設的管理和評價現狀。總的來看，高校智慧校園建設存在發展不平衡的現象，新技術在智慧校園建設中的深度融合應用仍然是提升智慧化水平的關鍵途徑。

2 數字孿生校園

當前，將數字孿生技術應用于教育和管理已取得了初步成效。例如，楊佳麗等[12]基于建筑信息模型（Building Information Model，BIM）構建了高校校園實體模型，可以智能感知校園的關鍵要素行為，實現對高校校園公共安全風險的識別、預警與管控；褚樂陽等[13]提出了數字孿生在教育領域的主要應用，包括用于建設綠色校園、賦能職業教育、推動教育公平等；沈富可[14]提出數字孿生可以作為一種新技術手段被引入教育實踐，來探索適合高校自身發展的融合路徑，并在其中發揮“適當”助力的作用。將數字孿生技術融入智慧校園建設，有效提升了高校教學和管理服務的智能化水平。

當前，研究者尚未就數字孿生校園的定義達成共識。結合數字孿生技術和智慧校園的相關研究成果，本研究對數字孿生校園的定義如下：數字孿生校園是指運用物聯網、大數據、人工智能、虛擬現實等信息技術，完整實現實體校園在虛擬世界的數字化表達，為實體校園的運行管理提供全場景式、沉浸式、交互式體驗，并實時串聯物理空間數據與虛擬空間數據，形成緊密閉環的校園智能生態系統，實現智能分析與決策。

3 數字孿生校園與智慧校園的關系

高校信息化已經歷從電子校園、網絡校園、數字校園到智慧校園的發展階段。數字孿生校園是智慧校園的一種形態，是新型智慧校園建設的新方向。建設數字孿生校園對數據治理水平提出了更高要求，而數據的實時性、應用的綜合性和決策分析的智能性，使數字孿生校園在實現技術、數據應用、全場景等方面已具有比傳統智慧校園更多的優勢，兩者的對比如表1所示。

表1 數字孿生校園與傳統智慧校園的對比

建設高校數字孿生校園，其本質是探索一種以數據驅動治理為特征的校園智能化運行新模式，實現對大學校園運行的實時監測、運維管理、決策分析和智能優化，提升校園服務的質量和效率，促進校園管理的流程再造和評價改革，實現全域視角下校園管理的科學決策。而數字孿生技術為智慧校園建設提供了新方向，其提供的實時交互、虛實共生等功能促進了教育教學線上、線下全過程的深度融合，為學生創造了更逼真的學習環境，也帶來了更真實的學習體驗，故有效提升了教育教學質量。

數字孿生技術已在教學實踐中進行了應用，而本研究重點探討的是數字孿生技術在校園管理場景中的應用。目前，高校數字孿生校園服務基本處于起步階段，在數字化轉型的迫切需求下，亟待研發高校數字孿生校園平臺，推進數字孿生技術在智慧校園建設中的應用。基于此，本研究通過梳理數字孿生校園的運行邏輯，結合校園特點，抽象出數字孿生校園模型，以此為基礎設計高校數字孿生校園平臺架構，并在華中科技大學數字孿生校園建設中進行實踐探索。

二 高校數字孿生校園平臺設計

建設數字孿生校園平臺，是利用數字孿生技術，創建校園物理實體的虛擬映射。其中，數字孿生校園模型是指導數字孿生校園平臺設計的底層邏輯基礎。

2.5 森林景觀 坎布拉于1957年建立森林經營所，1960年改為國營林場。園區植被茂盛，形成了典型的森林景觀。植物種類800余種，分屬于76科、276屬[11]。在森林上部的灌木花草種類更是豐富，其中有較高觀賞價值的花卉達80余種。植被類型分布的垂直帶譜十分明顯，從黃河谷地至申寶山峰，從下向上依次更迭著溫性河谷草原—溫性針闊葉林—寒溫性針闊葉林—高寒灌叢—高寒草甸—高山流石坡稀疏植被。

1 數字孿生校園模型

參考《城市數字孿生標準化白皮書（2022版）》，本研究首先梳理了數字孿生校園的運行邏輯，如圖1所示。數字孿生校園可分為三個部分，分別是物理校園、虛擬校園和虛實之間的連接。其中，物理校園包含師生所在的物理空間和社會空間，虛擬校園是校園物理實體在數字空間的映射；而虛實之間的連接包括由實到虛的物聯感知數據傳遞，以及由虛到實的控制指令執行。以虛擬校園建立的全域數據和算法模型為基礎，通過校園物理、社會、數字三個空間在時空維度的映射、聯接和反饋，實現對校園實體的全生命周期管理、協同交互和迭代進化。

圖1 數字孿生校園的運行邏輯

之后，以數字孿生校園的運行邏輯為基礎，參考Grieves[15]提出的數字孿生三維模型，即物理實體、虛擬實體和虛實之間的連接，結合校園師生的實際需求及其主要活動特征，本研究提出數字孿生校園三維模型，如公式（1）所示。其中，E（Entity）表示校園實體，PE表示物理實體，VE表示虛擬實體，C表示兩者之間的連接；而M是通用的模型框架，適用于所有數字孿生校園建模，高校可以根據本校的實際情況對模型進行擴展和細化。

校園實體E可以分為三個子類，分別是：①校園人/物。校園人包括師生、管理者和其他相關人員等，在學校發展和治理過程中構成不同的組織，形成多維層次關系。校園物是除校園人之外各實體的總稱，包含校園的建筑物（如教學樓、圖書館等），構筑物（如校區道路、停車場等），教學設施，能源設施（如水、電等），信息基礎設施（如物聯感知、通信網絡等），交通監控設施，消防設施等。此外，還包括必要的校園環境如土壤、植被等實體。②校園空間，是指校園各實體和實體之間的地理、時間、空間等信息。③校園活動，分為教學活動、科研活動、管理服務活動、學生活動等類別。

校園實體的三個子類可以繼續細分，如校園活動子類中的學生活動可進一步細分為學習活動、創新活動、創業活動等。物理校園中的各類物理實體PE在虛擬校園中有對應的虛擬實體VE，VE包含實體的物理模型、面向對象模型、行為模型、規則模型等。根據不同的物理對象和孿生需求，需選擇合適的建模方法對虛擬實體VE建模。C實現PE和VE之間的互聯互通，通過對物理實體PE的實時數據采集、分析、建模和反饋，實現所有校園實體的真實狀態都能實時同步映射到虛擬校園的理想狀態，使校園管理者通過對虛擬實體VE的操控，即可實現對物理實體PE的智能化管理。

圖2 高校數字孿生校園平臺架構

2 高校數字孿生校園平臺架構

以數字孿生校園模型為底層邏輯基礎，本研究設計了高校數字孿生校園平臺架構，如圖2所示。具體來說，數字孿生校園平臺由基礎設施層、支撐層、數據層、平臺層、數字孿生服務層、展示交互層六層組成。其中，數據層是實現數字孿生校園模型中各類實體建模的數據基礎，通過數據層和數字孿生服務層之間的數據交換，以及數字孿生服務層、展示交互層和基礎設施層中孿生感知之間的數據交換，實現模型中虛擬實體和物理實體之間的連接。

①基礎設施層：實現對物理校園的全面感知和實時監測，包括孿生感知和通信網絡。其中，孿生感知是實現虛實之間感知互聯的基礎，通過各種環境感知、智能終端等設備和技術，實現數字校園與物理校園之間的動態數據交互。通信網絡是指通過5G、全光網等技術構建一張能支撐孿生服務的校園高速網。

②支撐層：提供網絡資源、計算資源、存儲資源和超算資源，為孿生服務提供基本支撐（特別是算力支撐），為海量數據交互、智能分析算法的應用提供保障。

③數據層：匯集各類靜態數據和動態實時數據，包含基礎數據、業務數據、校園人/物數據、校園空間數據、校園活動數據和其他數據，通過數據采集、數據傳輸、數據治理等實現校園數據的全生命周期管理。

④平臺層：是數據共享與交換的載體，可分為公共平臺、教學平臺、科研管理平臺和其他業務類平臺，基礎數據和業務數據在平臺中產生和流轉。

⑤數字孿生層：包括建模分析和孿生服務。其中，建模分析是從數據層中獲取相關數據，然后進行數據統計和數據分析，在此基礎上對校園人/物、空間、活動等校園物理實體及其之間的關系進行建模，通過人工智能算法實現數字孿生校園的迭代和優化；而孿生服務是基于建模分析的結果，提供各類校園智能應用服務，包括校園運行監測、智能運維、預測預警、校園管理、決策支持等數字孿生服務。

⑥展示交互層：通過數字孿生校園統一操控平臺，對校園各類實體進行高仿真實時展示。統一操控平臺應具有全景視角下的展現能力，利用可視化、BIM、增強現實（Augmented Reality，AR）、虛擬現實（Virtual Reality，VR）等技術，實現校園全景可視化、校園人/物可視化、校園空間可視化和校園活動可視化；同時接收用戶控制指令和反饋信號，實現對實體校園的交互控制和智能優化管理。

三 華中科技大學數字孿生校園平臺的建設實踐

依托高校數字孿生校園平臺架構，華中科技大學以本校“十四五”信息化發展規劃為指導，結合本校智慧校園建設的實際情況，探索構建了華中科技大學數字孿生校園平臺，如圖3所示。2021年11月，華中科技大學啟動建設數字孿生校園平臺，2023年4月正式上線運行。基于學校“數據一個庫”和“一張表”數據治理的全域貫通，華中科技大學數字孿生校園平臺將學校“一張圖”作為數字孿生底座，實現了數據驅動下的校園全景可視化展示和動態智能化管理，初步實現了校園運行監測、教學管理等數字孿生應用服務。

1 孿生數據

孿生數據是數字孿生校園平臺建設的核心基礎。為此，華中科技大學推出了“十個一”工程：全校一張網、基礎一平臺、網站一個群、數據一個庫、集成一總線、上網一個號、信息一個站、消息一通道、校園一張卡、辦事一張表。近年來，華中科技大學通過有效的數據治理，特別是本校“數據一個庫”的建設，實現了多元異構數據在人/物、空間、活動三個維度的精準映射。其中，“辦事一張表”工程實現了教師基本信息、教學、科研、論文、人事、公益六個方面數據的自動匯總，共得到80余個數據子集、近3000個字段。

圖3 華中科技大學數字孿生校園平臺

圖4 數字孿生校園整體運行界面

2 數據驅動下的全景可視化

華中科技大學將“一張圖”作為數字孿生底座，將地理信息系統（Geographic Information System，GIS）作為基礎工作平臺，建設了校園物理空間的虛擬環境。“一張圖”平臺采集了華中科技大學總面積超過7000畝的校園景觀紋理，完成了全校756棟建筑物、5萬余個房間信息的梳理入庫，部分實現了3D建模和渲染，并完成了其中346棟教學辦公建筑物、共1639個樓層的平面圖信息梳理，實現了校園基礎空間信息的規范化處理。同時，華中科技大學將校園人/物、活動等各類孿生數據與“一張圖”對接，實現了校園內空間位置數據與業務數據的關聯，目前管理圖層已達98個，管理要素超過7.8萬個。在此基礎上，華中科技大學將騰訊公司RayData作為建模平臺，實現了數據驅動下的校園全景可視化，整體運行界面如圖4所示。

3 動態智能化管理

華中科技大學數字孿生校園平臺的建設，實現了對校園運行監測和教育教學的動態智能化管理，提供包括校園概況、平安校園、今日教學、信息網絡、辦事服務等數字孿生應用服務，有效提升了學校的智能化管理和服務水平。

①全校概況：將高校作為完整的數字孿生體，從整體展示校園各方面情況，包括學科建設、教育教學、科學研究、人事人才、學生學情等，并可進一步細化到各教研機構，同時支持實時展示校情。為校園管理者展示整個校園發展態勢，并提供有效數據支持，有助于管理者做出正確決策。

②平安校園：實時監控校園的安全治理情況，根據學校各大門實時車流量數據，及時為進出校園的教職員工發送門區擁堵消息，以有效緩解高峰時期校園擁堵情況，減少教職工平均出行耗時；實時監控學校各門禁系統的人員進出信息，為保衛部門提供異常人員進出校園預警；同時，接入防火監控系統，實時自動識別、分析火情，并自動跟蹤、鎖定火點位置，以有效降低火災風險，具體如圖5所示。

圖5 數字孿生服務之“平安校園”

③今日教學：實時監控教育教學情況，包括今日課程、教室使用、教師授課、學生上課等情況；可分層查看公共教學大樓的樓內布局，實現遠程聽課、巡課等功能，有效提升了教學資源利用率和教學質量，具體如圖6所示。同時，提供師生畫像服務，利用大數據分析結果對師生的教與學情況進行預判、預警；提供自動幫扶、個性化推薦等智能服務，有助于打造更高效且人性化的校園環境。

此外，華中科技大學數字孿生校園平臺還以全校公共信息服務平臺為基礎，從網絡運行、服務器設備、應用情況三個方面對當前校園信息網絡態勢進行感知，實現了對信息網絡的態勢感知和對學校辦事服務的實時監控。而準確掌握信息網絡態勢，是未來實現智能運維的基礎。

圖6 數字孿生服務之“今日教學”

四 結語

本研究以數字孿生三維模型為底層邏輯基礎，設計了高校數字孿生校園平臺架構，并介紹了華中科技大學數字孿生校園平臺的建設實踐。華中科技大學數字孿生校園平臺實現了數據驅動下的校園全景可視化展示，并在校園運行監測、教學管理等方面進行了初步探索，其建設成效表明：數字孿生校園平臺能有效提升校園的治理能力和服務水平。但是，數字孿生技術作為新興的熱門技術，目前尚缺乏統一的技術標準規范，平臺架構也還有待在其實踐應用的過程中不斷完善，另外數據安全也是需要重點考慮的問題。展望未來，高校數字孿生校園建設將與教學科研進一步深度融合，以學校核心任務為指引，推動高校數字孿生校園建設。

[1]Michael W G. Product life cycle management: The new paradigm for enterprises[J]. International Journal of Product Development, 2005,(1-2):71-84.

[2]Grieves M. Digital twin: Manufacturing excellence through virtual factory replication[J]. White Paper, 2014,(1):1-7.

[3]陶飛,劉蔚然,張萌,等.數字孿生五維模型及十大領域應用[J].計算機集成制造系統,2019,(1):1-18.

[4]中國電子技術標準化研究院,樹根互聯技術有限公司.數字孿生應用白皮書(2020版)[OL].

[5]全國信標委智慧城市標準工作組.城市數字孿生標準化白皮書(2022版)[OL].

[6]李海峰,王煒.數字孿生教育應用的教學模式探究——基于美國,瑞士和芬蘭數字孿生教育應用的案例分析[J].現代教育技術,2021,(7):12-20.

[7]李海峰,王煒.數字孿生智慧學習空間:內涵、模型及策略[J].現代遠程教育研究,2021,(3):73-80、90.

[8](美)穆希納·莫里斯.蔡榕臻,陸佳鈺,編譯.元宇宙賦能的高等教育轉型:來自美國莫爾豪斯學院的實踐[J].世界教育信息,2022,(6):72-75.

[9]蔣東興,付小龍,袁芳,等.高校智慧校園技術參考模型設計[J].中國電化教育,2016,(9):108-114.

[10]李易俞,陳金華.國內外智慧校園研究熱點、發展趨勢與異同比較[J].現代教育技術,2020,(3):88-94.

[11]楊萍,姚宇翔,史貝貝,等.智慧校園建設研究綜述[J].現代教育技術,2019,(1):18-24.

[12]楊佳麗.融合數字孿生模型的高校校園公共安全風險管控研究[J].現代信息科技,2022,(2):128-130.

[13]褚樂陽,陳衛東,譚悅,等.虛實共生:數字孿生(DT)技術及其教育應用前瞻——兼論泛在智慧學習空間的重構[J].遠程教育雜志,2019,(5):3-12.

[14]沈富可.打造高校數字孿生,需要廉頗也需要藺相如[J].中國教育網絡,2020,(8):35-37.

[15]Grieves M, Vickers J. Digital twin: Mitigating unpredictable, undesirable emergent behavior in complex systems[A]. Transdisciplinary Perspectives on Complex Systems[C]. Cham: Springer, 2017:85-113.

Design and Construction Practice of the Digital Twin Campus Platform in Universities——Taking Huazhong University of Science and Technology as an Example

WANG Shi-Xian1WEN Kun-Mei2[Corresponding Author]LI Jun-Feng3WU Chi2ZHENG Jing-Li3

The rapid development of information technology has promoted the construction of digital twin campus in universities. In the great need of digital transformation, it is urgent to develop the digital twin campus platform in universities to better support services such as teaching, scientific research, management, and daily life. Based on this, the paper firstly sorted out the relationship between digital twin campus and smart campus, and pointed out the importance and necessity of developing the digital twin campus platform in universities. Afterwards, taking the digital twin campus model as the underlying logical foundation, the platform architecture of digital twin campus in universities was designed, which consisted of six layers of infrastructure layer, support layer, data layer, platform layer, digital twin service layer, and display interaction layer. Finally, the construction practice of the digital twin campus platform of Huazhong University of Science and Technology was introduced, which pointed out that the platform used “one image” as the digital twin base, achieving data-driven panoramic visualization display and dynamic intelligent management of campus data, and effectively improving the governance capacity and service level of the campus. The platform architecture design and its practice proposed in this paper explored feasible paths for the construction of the digital twin campus in universities, which was conducive to promoting the application of digital twin technology in the construction of smart campus and providing reference for the construction of the digital twin campus in universities.

digital twin; smart campus; campus platform; intelligent management

G40-057

A

1009—8097（2023）11—0118—09

10.3969/j.issn.1009-8097.2023.11.012

本文為中國高等教育學會2022年專項課題“基于閉環的高校主動式網絡安全管理機制與智能化技術防范體系研究”(項目編號：22XX0403）的階段性研究成果。

王士賢，副研究員，博士，研究方向為網絡安全和信息化，郵箱為wangsx@hust.edu.cn。

2023年3月21日

編輯：小米