數字孿生技術在智慧校園物聯網終端設備數據交互中的應用

摘要：探討了數字孿生技術在智慧校園物聯網終端設備數據交互中的應用，闡述其對提升校園管理效率、優化資源配置以及增強師生用戶體驗的重要作用。詳細分析了基于數字孿生技術的智慧校園物聯網可視化運維平臺，包括數字孿生技術、計算機建模及可視化技術在平臺中的應用；提出了智慧校園物聯網運維平臺總體設計方案，建立了智慧校園物聯網終端設備數據物理實體和可視化運維平臺虛擬模型。通過系統案例驗證該平臺在智慧校園物聯網終端設備數據交互中的可行性。結果表明，數字孿生技術在智慧校園物聯網終端設備數據交互平臺中的應用能夠更好地滿足運維需求。

關鍵詞：數字孿生技術；智慧校園；物聯網終端設備；數據交互

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A

0 引言

近年來，數字孿生技術逐漸受到各個行業的重視，特別是在教育領域，它為智慧校園的發展提供了新的視角和機遇。當前，智慧校園在數據交互中面臨諸多困難，尤其是普遍存在的“信息孤島”現象導致不同設備間的協調性下降，大大降低了管理效率。數字孿生技術通過數據與模型的實時交互，能夠構建出復雜系統的虛擬副本，從而在虛擬環境中實現對物理實體的監控與優化。在此背景下，深入研究數字孿生技術在智慧校園物聯網終端設備數據交互中的應用不僅有重要的學術價值，還有助于高校優化資源管理、提升教學質量。

1 數字孿生技術分析

1.1 數字孿生技術概述

數字孿生技術是一種通過數字化手段映射真實物理世界，在真實世界和虛擬世界中創建實體，以便更好地實現對物理對象的狀態監測、分析和優化的方法。“數字孿生”的概念最早是由美國密歇根大學的Michael Grieves 教授提出的，他稱之為“虛擬鏡像模型”。后來，美國航空航天局稱其為數字孿生，并做出了更具體和專業的解釋，它指的是依靠高精度的物理模型、傳感器收集的信號、有關設備運行歷史等數據，集成多個學科和概念的模擬過程，現實世界的運作狀況都會被映射到虛擬世界[1]。

數字孿生是一種集模型、數據和人工智能于一體，聚焦產品全生命周期，連接物理世界和虛擬世界，為用戶提供實時、高效、智能服務的技術。Michael Grieves 教授將數字孿生分為3 個組成部分：真實世界中的物理對象、反映物理對象的虛擬模型、物理對象與虛擬模型之間的數據交互接口[2]。陶飛等[3] 最新的研究發現，使用數字孿生的原始三維模型可以進一步完善數字孿生的組成部分。該團隊提出了物理實體、虛擬模型、數據、服務以及它們之間連接的數字孿生五維模型的概念，該概念可用如下公式表示：

MDT =（PE，VE，Ss，DD，CN）。 （ 1）

式中，MDT 為數字孿生模型，PE 為真實世界中的物理實體，VE 為反映物理對象的虛擬模型，Ss 為結合了物理實體和虛擬模型的服務系統，DD 為物理實體和虛擬模型的孿生數據，CN 為各個部分之間的連接[4]。

1.2 計算機建模及可視化技術

根據已有的知識和經驗對數據進行分析處理，然后利用計算機建模方法建立虛擬模型。虛擬模型是物理原型的映射，用來描述原生物理環境數據信息。數字映射是虛擬現實技術的關鍵技術之一，包括模型構建、模型簡化和模型優化。另外，可視化技術也非常重要，它可以為數字孿生技術提供三維模型以及場景的可視化展示。在數字孿生系統中，數據處理能力非常重要，當數據量大時，如果僅進行簡單的可視化處理，往往只能呈現出靜態的界面。要想充分利用這些數據，需要采用先進的可視化技術。

2 智慧校園物聯網運維平臺總體方案

2.1 系統需求分析

智慧校園物聯網運維平臺的設計旨在提高校園物聯網終端數據交互，其系統的需求分析主要包括需求目標、系統架構設計和系統功能規劃。①需求目標：通過數字孿生技術構建物聯網終端設備數字孿生體，實現對物聯網終端設備的遠程控制和監測分析。②系統架構設計：系統采用瀏覽器/ 服務器（browser/server，B/S） 結構， 使用MySQL 管理數據，利用JSON 格式對物聯網終端設備數據進行封裝。③系統功能規劃：系統需要具備用戶管理、設備管理、數據分析、數據交互和展示查詢等功能[5]。

2.2 系統方案設計

在智慧校園物聯網終端設備數據交互中，需要將物聯網設備作為數字孿生體，并將其與虛擬環境中的數字孿生體進行交互；通過數字孿生體將不同的傳感器數據融合處理，為智慧校園物聯網設備提供決策支持。智慧校園物聯網終端設備數據交互系統主要包含感知層、網絡層、數據層、邊緣層和用戶層。①感知層：在智慧校園物聯網終端設備上部署傳感器以采集數據信息。②網絡層：利用有線或無線方式將傳感器設備與中心云平臺進行連接，然后將采集到的數據信息上傳到云端服務器進行數據處理。③數據層：通過云計算技術對物聯網終端設備數據進行融合處理，能夠為智慧校園的運營和管理提供精準的決策支持。④邊緣層：在智慧校園物聯網終端設備上部署邊緣計算節點，將感知層采集到的數據信息進行分析處理并展示出來。⑤用戶層：通過Web 界面或APP 客戶端等方式與用戶進行交互，幫助用戶獲取需要的信息。

3 物聯網終端設備數據交互物理實體建模

在當今數字化時代，物聯網技術已經滲透到生活的方方面面。隨著物聯網應用的不斷擴展，對終端設備進行數據交互物理實體建模顯得尤為重要。節點硬件總體設計方案如圖1 所示，主要包括遠距離無線電（long range radio，LoRa） 傳輸模塊、北斗定位模塊、液晶顯示屏（liquid crystaldisplay，LCD） 交互模塊和發光二極管（lightemiting diode，LED）指示燈。微處理器作為物聯網設備與外界交互的橋梁，其設計直接影響數據的準確性、實時性和可靠性。物理實體建模不僅要考慮傳感器的物理特性，還要深入研究其工作原理、數據處理流程以及如何通過網絡對數據進行有效傳輸。

4 智慧校園物聯網運維平臺虛擬建模

將設備接入運維平臺后，可以運用數字孿生技術在平臺建立虛擬模型，并對該模型進行仿真分析和監測。對于模型中的每個設備，都可以創建一個獨立的數字孿生體，并分別在各個數字孿生體中配置相應的屬性和操作，最后通過物聯網終端進行數據交互。

4.1 節點入網及IP 地址分配

物聯網終端設備在入網前，需要對其進行IP地址分配。物聯網終端設備一般由控制終端、嵌入式處理器和外部通信接口組成。其中，微控制單元（microcontroller unit，MCU）是物聯網終端設備的核心，其主要功能是接收并解析來自中央控制器的指令和數據，然后將其發送給嵌入式處理器；微處理器是嵌入式處理器的重要組成部分，主要功能是將MCU 接收到的指令進行解析，并將解析后的指令發送給外部通信接口。物聯網終端設備按照功能可以分為工業級物聯網終端設備和消費級物聯網終端設備兩類。相應地，這兩類終端設備的 IP 地址分配方式也有所區別。對于智能水表、智能電表等工業級物聯網終端設備，需要為其分配IP 地址；對于智能門鎖、智能手環等消費級物聯網終端設備，不需要為其分配IP 地址。

4.2 平臺虛擬層軟件設計

為了實現數據交互，需要在平臺進行虛擬層軟件設計，分為兩個步驟：①可視化圖形界面設計。將物聯網系統中的設備、傳感器等物理實體創建成數字模型，包括實體模型和虛擬模型。②數據通信與交互。通過平臺虛擬層的軟件設計，實現設備間的實時交互和數據的實時更新，使系統的運行更加高效。

（1）可視化圖形界面。可視化界面主要包括設備基礎信息、實時數據和設備狀態，其通過設計合適的圖形界面進行設備管理并反映設備的實時狀態。Unity3D 包含若干組件和大量圖形界面，通過組合使用，可以實現所需功能。

（2）數據通信與交互。Unity 可以實時傳輸模型數據和傳感器數據，并將數據在多個平臺上以AR、VR、MR 的形式進行交互，實現數字孿生功能。首先，實現數據服務與Unity 之間的通信；其次，安裝物聯網（internet of things，IoT）設備，實現數據的實時上傳，數據采用Socket 傳輸編碼以保證格式的一致性；Unity 通過傳輸控制協議從服務端獲取數據后，對虛擬模型進行實時映射驅動，并顯示監控結果。如果需要反向控制，則由Unity 發出指令。

5 智慧校園物聯網終端設備評價分析

調查問卷的發放采用線上線下相結合的形式，共計發放給師生460 份，累計回收381 份，依據問卷所設測試題，統計分析調查結果，共計有效問卷350 份，有效率為92%。問卷調查得到的評價結果如表1 所示。

從表1 可以得出，“基本滿意”在各個評價因素中占比最高，其次是“非常滿意”，最低為“極度不滿意”。在“非常滿意”中，占比最高的是咨詢效率和知識庫資源新穎性，其次是檢索范圍全面性；“基本滿意”中，占比最高的是隱私保護與服務政策。總體來說，數字孿生技術在智慧校園物聯網終端設備數據交互中的成功應用得到師生一致好評。

6 結論

本文提出了基于數字孿生技術的智慧校園物聯網運維平臺總體方案，展示了科學技術與教育管理的深度融合。研究結果表明，使用數字孿生技術后，運維平臺的隱私保護與服務政策得到師生的一致好評，師生對學校設施的滿意度顯著提升。由此可見，數字孿生技術能夠顯著提升智慧校園物聯網終端設備的數據交互效率和智能化程度。希望未來可以實現數據的高度透明化，提升師生的交互體驗，推動管理決策的智能化，使校園管理更加精細化和高效化。

參考文獻

[1] 曹家明. 5G 網絡數字孿生模型若干關鍵技術研究[D].南京：南京郵電大學，2022.

[2] 陶昀翔，王鈞，陳萬順. 數字孿生技術在校園管理服務體系中的應用研究：以蕪湖職業技術學院為例[J].蕪湖職業技術學院學報，2024，26（1）：35-38.

[3] 陶飛，張辰源，劉蔚然，等. 數字工程及十個領域應用展望[J]. 機械工程學報，2023，59（13）：193-215.

[4] 徐健，劉高峰，趙一劍，等. 裝配機器人的數字孿生虛實同步及抓取方法[J]. 系統仿真學報，2024，36（9）：2181-2192.

[5] 黃明海. 基于數字孿生技術的IT 運維管理平臺設計分析[J]. 通訊世界，2024，31（9）：178-180.