打开文本图片集

摘要：近年来，数字孪生技术的飞速发展和普及应用，为高校校园规划建设、治理管理等带来了新的思路和解决方案。随着数字孪生技术应用场景的持续探索，数字孪生校园成为智慧学校建设的新形态，通过实体映射、动态感知、信息反馈等形式，为高校教学科研、管理服务、后勤保障、科学决策等环节提供有力依据，从而进一步实现高校校园全景可视化、校内设施智联化、管理决策智慧化和教学管理精准化。

0 引言

随着物联网、大数据、人工智能等技术的发展，使数字孪生多场景应用的实现成为可能，全国各高校信息化建设逐步升级。当前，高校运行管理过程中产生的数据资源分散在不同业务主管部门的业务信息系统，同时校园人脸核验、一卡通等物联网设备和各类设施资源产生大量的数据资源信息，这些数据由于多种因素而产生的信息孤岛现象日益凸显，信息资源难以有效整合。因此，以信息化赋能教育教学与生活服务，基于数字孪生技术的高校智慧校园建设“一张图”应运而生，通过三维校园GIS系统形成统一的校园大数据和设施资源可视化展示平台，能够促进信息资源的共建共享、数据的有效利用、教学管理的提质增效，数字孪生技术已然成为搭建智慧校园底座的重要实现方式。

一、智慧学校建设发展现状及技术实现

（一） 发展现状

高校管理信息系统及信息化平台种类繁多，校内各部门或单位数据资源相对独立，数据共享不充分，绝大部分场景只能通过使用传统表格进行数据交换，数据留存困难，难以充分有效共享和利用，“数据壁垒”问题比较突出，信息孤岛现象凸显，数据无法有效支撑教育管理和科学决策。当前，部分地区高校仍然存在业务主管部门没有信息化平台支撑，手动填报业务数据的现象，距离实现全业务流程数字化、信息化、智慧化差距较大。部分业务工作规范性和精细程度较弱，存量数据和历史数据难以校准，信息化支撑教育治理现代化存在差距。部分教学设施设备、综合保障设施型号老旧，与现代信息技术深度融合度较差，服务智慧校园公共管理需求能力较弱。

（二） 技术实现

数字孪生校园是指运用物联网、大数据、人工智能、虚拟现实等信息技术，完整实现实体校园在虚拟世界的数字化表达，为实体校园的运行管理提供全场景式、沉浸式、交互式体验，并实时串联物理空间数据与虚拟空间数据，形成紧密闭环的校园智能生态系统，实现智能分析与决策。数字孪生校园结合了物联网、大数据、人工智能等多项前沿技术，聚焦数字管理、信息模型和仿真分析等环节。通过物联网技术来采集高校运行中的各类数据，再传输到云端进行处理和分析，构成了校园数字孪生模型的“底座”；利用人工智能技术，对各类数据进行处理和分析，能够实现对高校运行的实时监控、预测和优化；虚拟现实和增强现实技术将高校数字孪生模型呈现在现实场景中，可以让全校师生更加直观地了解高校实时运行管理情况。

1.数字孪生技术

数字孪生技术是充分利用物理模型和物联网传感器采集的全生命周期的运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间完成映射，从而反映相对应实体对象的全生命周期过程。数字孪生技术作为实现虚实之间双向映射、动态交互、实时连接的关键途径，为观察、认识、理解、控制和改造物理世界提供了一种新的有效手段。数字孪生技术应用到高校中，能够对高校的各种要素、数据进行模拟和仿真。数字孪生校园是在建筑信息模型和三维地理信息系统的基础上，利用物联网技术把物理校园的各种要素进行数字化，然后在网络空间上构造一个与之完全对应的“虚拟校园”，形成物理上的实体校园和信息上的数字校园同生共存、虚实交融。数字孪生技术通过数字化建模的方式建立物理世界和数字世界之间精准映射关系、实时反馈机制，可以构建起虚拟世界对物理世界描述、诊断、预测和决策的新体系。数字孪生技术所展现的独特优势，具有广阔的应用前景。

2.物联网技术

物联网是通过信息传感设备，按照约定的协议把任何物品与互联网连接起来的一种网络。通过物联网，可以进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、监控和管理等。物联网系统一般分为感控层、网络层、处理层和应用层。感控层负责采集物理世界的数据，通过传感器、射频识别（RFID）等设备感知环境和物体的信息；网络层将感控层收集的数据通过各种通信协议和网络技术进行传输；处理层对网络层传输的数据进行处理、分析和存储；应用层则根据处理层提供的信息和服务，为用户提供具体的应用和解决方案。应用层的核心技术包括物联网中间件、物联网应用系统、物联网可视化等。物联网的应用非常广泛，涵盖工业、农业、交通、教育、环境、医疗、安全等领域。

3.大数据技术

数据是智慧学校建设的核心支撑，大数据技术是现今非常流行的数据处理技术，通常可以分析处理非结构化数据等多种复杂数据类型的数据，并进行专业化处理。随着智慧学校建设的深入推进和发展，必然会产生大量的数据，积累丰富、多源、异构的数据资源，对如此规模的数据进行充分有效利用，可以更好更快实现高校由信息化迈向智慧化建设。大数据技术与数字孪生技术的深度融合，能够有效提高搭建数字孪生校园平台的精准度和科学性。在众多实际使用场景下，大数据技术能够为数字孪生校园提供海量多样化多结构性的实时数据，基于此可以更直观、更有效地反映实际物理对象的实际状态，从而达到可预测、可验证和可改进的目的。

二、数字孪生平台的研究与实现

（一） 总体框架

建设基于数字孪生技术的高校智慧校园平台，探索以数据驱动治理为特征的智慧学校运行新模式，构建数据展示、校务应用、物联感知、数据资源、数字安全等多层级智慧校园运行体系，通过实时交互、虚实共生等方式，对学校状态的实时监测、运维管理、决策分析和智能优化，提升办学服务质量和效率，促进校园管理流程再造和评价改革，实现全域视角下学校管理的科学决策。

（二） 体系结构

1.数据展示层

数据展示层可以实现校园态势实时感知、学校日常运行大数据可视化展示，通过建立的校园三维地理信息模型，结合物联网智能传感设备、大数据技术等，基于地理位置在空间中实时显示学校运行的各类数据， 以更加直观的方式，展现学校运行状态，以可视化屏幕展示支撑科学管理决策。

2.校务应用层

校务应用层以服务学校教学管理、人才培养、学科建设、科学研究、招生就业、管理服务为牵引， 基于数据孪生平台一体化管理、协同共享，依据“动态管控、资源共享、互联互通、支撑决策”的设计思路，融合教学管理信息服务平台、人力资源管理系统、学科发展监测系统、科研创新服务平台、招生管理系统、就业服务系统等学校运行平台，实现多平台一体化协同管理，推进管理决策精准化、智慧化。

3.物联感知层

物联感知层依托物联网（loT）将校园内师生员工或校内楼宇通过智能传感设备与互联网连接起来，基于水电暖计量设备、水质检测传感器、温湿度传感器、人脸识别模块、气体检测传感器、热成像体温检测传感器等物联网信息感知模块，以及室内室外智能设备，例如智能电表、智能水表、电力检测设备、智能插座、智能门锁、智能路灯、环境检测等智能物联设备，为高校后勤管理、学生管理、资产管理提供基础数据以及控制能力。

4.数据资源层

数据资源层依托数据仓库构建数据湖、搭建数据中台。数据湖通过构建集中式存储库，用于存储学校各类业务系统所产生的原始数据以及各类任务所产生的转换数据，包括来自于关系型数据库中的结构化数据（行或列）、半结构化数据（如CSV、日志、XML、JSON）、非结构化数据（如E-mail、文档、PDF）和二进制数据（如图象、音频、视频）。从控制面板和可视化到大数据处理、实时分析和机器学习运行不同类型的分析，为科学管理决策提供强有力的支撑。数据中台以共享、挖掘、分析赋能高校教育教学、管理服务、决策研判等各项业务工作，为学校重大政策制定实施、重点工作推进落实、重要情况实时掌控提供数据支撑，形成全校数据高质量汇聚、一体化共享的大平台。

5.数字安全层

数字化不仅是高校管理的“提效器”，也容易成为数据安全、隐私保护等问题的“放大器”。随着高校数字化转型，应用场景变得复杂多样，数字孪生技术将整个校园部署在网络、应用程序和数据之上，数字安全的基础性作用日益突出，数字安全能力同时要融入到智慧学校建设中。数字安全层依据国家网络安全和信息化工作要求，持续提高校园基础设施防护能力、信息系统防御能力、整体风险防控能力、突发事件处理能力。

三、数字孪生平台在智慧学校建设中的意义

（一） 校园全景可视化

基于地理信息系统（Geographic information system， GIS），构建校园物理空间的虚拟环境，作为高校数字孪生平台底座。利用数字孪生“一张图”展示全校建筑物、校园景观纹理、楼层平台信息、教室办公场所等，实现校园物理空间信息的规范化处理。

（二） 校内设施智联化

利用物联网技术，通过实现校内智能设施与数字孪生平台对接，全方位多角度实现智慧学校管理和服务，提升师生幸福感。例如，服务平安校园建设，对接校园监控平台，实时监控入校车流量、人员进出情况等数据，可为学校安全保卫主管部门提供进出校园预警。对接消防安全系统，智能识别、判断起火情况，锁定起火位置，实现精准报警、快速处置火情。对接校园“无接触式”智能取餐柜，能够兼顾食品干净卫生保温的同时，以智慧化服务满足广大师生的使用需求。

（三） 管理决策智慧化

推动构建校园数据一体化平台，用数据赋能学校各项业务工作，重点强调实现校园运行监测和教育教学实时动态智慧化管理，从宏观层面精准分析学校整体运行情况，为管理决策提供有效数据支撑，助力学校管理层科学管理、精准决策，用数据说话、靠数据决策，达到“数据多跑路，师生享便利”的目的，全方位提升办学治校科学化。

（四） 教学管理精准化

通过数字孪生平台推进融合教育教学现代化平台，集合教育教学监控、远程听课巡课、学生行为分析等功能，提升学校教学资源利用率，为学校日常教学质量提供有利保障，从而打造面向未来的现代化教育教学环境。

四、总结

构建基于数字孪生技术的高校智慧校园平台，要综合全面考虑技术和管理等多方面问题，形成良性互动，同时需要校内各部门联动共同参与，协同治理、提升效能，加强应用、深入探索。 面向未来，高校智慧学校建设要主动应对新挑战，积极推进物理空间和网络空间共同建设，做好智慧校园规划、改造升级和科学管理，绘制数字孪生校园加快建设的新图景，让高校信息化建设沿着真正实现数字孪生的智慧校园方向发展。

参考文献

[1]吴飞龙，朱晓芒，张哲，张心，王芳.智慧校园物联网平台设计与实现[J].软件导刊，2024，卷（期）：1-8.

[2]王士贤，文坤梅，李俊峰，吴驰，郑競力.高校数字孪生校园平台设计与建设实践[J].现代教育技术，2023，33（11）：118-126.

[3]孟刚，李昭昶，郭慧，杨丹丹，胡斌.大数据与数字孪生驱动的智慧校园集成设计研究[J].包装工程，2023，44（18）：458-466.