基于数字孪生校园构建智能运营平台

智慧校园与数字孪生的融合为教育领域带来了革命性的变革，通过数字孪生技术，可以实现对校园的全面数字化建模和管理，实现校园各种资源的智能化分配和服务。智慧校园利用数字孪生技术，通过“数据可视化”和“位置智能化”服务来加强部门间协作配合，有效提升快速反应和指挥调度能力，实现信息展示动态化、系统应用集成化、现场监控实时化、远程指挥可视化、数据采集自动化、决策支持网格化，提升师生应用体验，形成基础设施共建和信息资源共享新格局，推动高校智慧校园建设从数字化向智慧化转型升级。

将不同功能的智慧校园应用系统集成到统一平台，形成信息汇集、资源共享的跨平台管理服务能力，面向校园师生、管理人员、校级领导等不同层级的使用人员，需支持在统一体系下，面向不同用户提供大屏LED、中屏PC Web端、小屏手机等多种终端的使用形式。数字孪生校园能够根据学校的信息化应用水平与实际需求，将复杂的大型系统划分成多个微服务，各个微服务进程独立运行、相互协调，服务之间采用轻量级的通信机制进行相互沟通，应用微服务按需建设授权使用。数字孪生校园运行保持足够的灵活性，采用弹性架构模式以便应对学校客观情况下的业务变化，能够随着系统压力的增减动态地调整系统的某一部分功能与模式。数字孪生校园构建跨平台、微服务、弹性架构模式，将保证智能运营平台整个生命周期的灵活性、实用性与拓展性。

目前大部分高校建设了数据中台，实现了数据集中收集与统计，大部分业务数据或物联网采集数据具有时间与空间属性，但基于数据的建模分析、可视化呈现、联动决策的机制与模式尚未建立，形成校园“数据孤岛”，软件功能不关联互动、信息无法实时共享交换、服务流程脱节不连续，未发挥数据的真正价值。室内外一体化数字孪生是采用2D/3D可视化技术对校园建筑实体的组成与特征进行数字化定义与建模，基于校园统一的空间数据标准，整体还原校园室内与室外的真实场景，在虚拟空间中完成物理校园在虚拟世界的真实再现与数据映射。基于图形化方式实现校园数据的可视、可管与可控，并将相应的数据结果运用于校园的决策，构建室内外一体化数字孪生运营可视化交互门户，打造一个真实校园运行的虚拟孪生平台，搭建立体式、沉浸式、智能式的可视化数据运营中心，助力校园智能化全面升级。

数字孪生校园的复杂性决定了系统设计需要具有较强的开放性，充分考虑系统后期的硬件接入、功能扩展、应用扩展、集成扩展等多层面的需求，保证系统的开放融合能力，以提高系统的稳定性和可靠性，适应不断发展变化的需求。

数字孪生校园应从组件化结构、分层架构、标准接口、二次开发应用工具包、系统部署与升级等多方面进行系统设计，保证整个平台的开放融合服务能力。采用组件化结构设计，每个功能组件在技术与功能上独立，每个组件都被独立地实现，后期可根据用户需求灵活配置、组合，根据具体的使用要求增加或减少系统应用模块。采用分层架构设计，各层的应用和服务采用独立的模块开发和部署，新增功能模块分解到各层，以插件形式加入原系统，既不影响整体架构，也不影响本层功能。采用标准统一的接口设计，所有功能实体间的数据交换以及对其他模块的数据引用都通过标准API接口完成，使多个组件对接时在开放性、稳定性、扩展性与集成性上保持良好的适配空间。封装系统及其组件所需的二次开发应用工具包，使其他技术团队对平台进行二次开发时能够更好地复用，方便个性应用的开发。此外，从软件系统的部署与升级方面考虑，数字孪生校园应能运行于通用的主流硬件平台上，不依赖于特定的、专用的硬件或者环境，当系统配置需要升级，不会引起系统过多的修改与再次开发。

基于数字孪生校园建设新思路的智能运营管理平台（IOC），是智慧校园运行管理和便捷服务的神经中枢，通过多维数字孪生和跨平台等技术，充分融合业务系统、传感网络数据，构建整合统一的综合运营管理和服务平台，面向指挥决策、智能管理、师生服务，推进决策科学化、管理精准化、服务可视化。依据数字孪生校园六维模型，以服务为导向，以数据驱动为原则，智能运营管理平台采用四层架构的应用思路与方案如图2所示。

感知层是反映物理校园运行状态动态变化的前端载体，构建包括5G 、Wi-Fi 6在内的高速、泛在、多网协同的综合网络，对物理场景的各要素进行实时感应、监控和反馈，实现智慧场景运行过程中基于数据驱动的虚实双方实时双向连接。感知的数据既包括AI视频监控终端、AI闸机、物联网传感器、基于GPS/Wi-Fi/蓝牙定位等的结构化数据，也包括业务系统产生的实时或准实时数据以及各类业务的属性数据，感知数据层是智能运营管理平台建设的基础。

智慧校园采集的数据来自于各个业务系统，数据标准并不完全一致，因此，数据需要经过严格的治理。数据层完成数据高速度采集、大容量存储及高性能分析，通过对场景各要素、各环节、各流程的立体定位感知，形成全面的场景运行数据，存储数字孪生校园中产生的各种属性数据和行为数据，利用各类算法实现数据处理和分析，为模型构建提供重要支撑。

服务中台包括数字孪生系统、位置服务系统、开放 API等核心模块，这些核心模块通过接口与学校数据中台打通，将物理校园环境中感知层获取的所有数据与虚拟校园环境进行映射对应，形成与用户身份、地理位置信息融合的关联数据，通过标准SDK 形式对外为应用服务层提供调用能力。

服务中台是与具体业务无关的基础和共性能力平台，具体的应用服务可根据学校实际需求开发指挥决策类应用、业务管理类应用、师生服务类应用。其中数字孪生系统是3D建模和3D可视化及数据对接集成服务模块，主要支撑指挥中心大屏类应用，服务跨部门业务调度协同管理、校情运行态势决策等场景；位置服务系统是位置信息采集、位置信息融合共享、基于位置轻量化服务模块，主要支撑 Web端、手机端类应用，服务于业务管理、师生服务等场景；开放API主要支撑业务系统数据对接及中台服务能力调用等场景。

服务门户是智能运营管理平台面向最终服务用户的入口和可视化层，与校园统一身份认证对接实现分权分级管理和服务，按需将应用发布到Web端或移动端，实现跨平台的统一应用管理和服务，支持各类智能终端设备接入，面向校园不同层级用户提供不同的服务入口和可视化业务应用。

服务门户根据业务部门管理和师生服务场景，在指挥大厅宽幅LED屏应用场景，可采用适配全尺寸 LED屏界面，通过三维建模实现数字孪生校园，结合业务、物联网采集数据进行校园综合态势运营管理；在业务部门日常管理的PC电脑或移动端应用场景，可采用自适应PC Web端和终端尺寸操作界面，通过轻量化建模实现业务可视化管理；在面向师生服务的移动端应用场景，可采用对接微信公众号、企业号等方式提供便捷的可视化服务，实现对场景运行的智能决策、可视化管理和智慧优化。

基于新一代数字孪生校园智能运营管理平台的整体架构，南通大学于2020年10月开始启动调研规划，进行了一系列的建设实践，建设完成基础平台部署构建、校园物理空间的数据采集、室内外可视化建模及部分可视化业务管理应用和师生服务应用，可根据应用场景实时生成各种维度的图景，展示以往二维模型中无法提供的空间和属性信息，突破“看不懂”“看不全”的瓶颈。

通过三维虚拟仿真、室内外一体轻量化建模、三维科技风格建模等多种建模方式将空间信息和物联网相关系统数据信息整合，形成多维数字孪生校园，提供三维虚拟仿真校园可视化系统，方便用户直观查询了解学校布局和基础信息可视化查询及路径规划；在学校微信公众号提供室内外一体轻量化可视化服务系统，为师生提供精细化实时导航、可视化信息查询、迎新引导、可视化宿舍管理等服务；在智能治理指挥中心LED大屏上提供三维可视化管理系统，立体呈现全校整体情况。对校园内部人员进行三维综合展示，包括校园内的院系人员统计、办公区域人员统计、宿舍区人员统计，通过图表的方式对各校区、院系、宿舍等不同区域人员进行综合展示。

突破物理位置和逻辑功能阻碍，形成校区网络通、数据通、业务通，通过可视化手段在一个界面上对各类网络连通数据进行简洁易懂的可视化展示。在地图上通过逻辑连线方式展示各校区的网络连接状况，包括网络通断状态、连通率、延迟率、阻塞率等数据。在室内外一体化地图环境中直观展示校园和楼宇内所有无线AP设备的真实位置分布情况，以图表的方式展示楼宇所有无线AP设备的数量统计信息，运维人员可将故障AP位置一键分享给维修人员，维修人员通过移动端校园导航系统定位故障 AP 位置并通过语音导航到达位置。

展示楼宇内供水供电设备的空间分布，用不同颜色展示设备的不同工作状态。分类展示各类用途用水和用电信息，直观了解楼宇水电用量情况。当用电量超过设定的阈值时在系统中提示用户，通过智能电闸设备进行应急处置。

对接校园视频监控系统，直观展示楼宇内摄像机空间布局、工况及实时视频内容，通过与视频监控系统数据对接，调取相关摄像头图像，实现摄像头的智能识别事件告警。集成视频监控系统和出入口道闸系统，调取车位附近的监控视频，实现停车场虚实结合的查看。

展示消防设备空间分布，通过集成消防监控管理系统（烟感、温感、消防栓、火灾报警），在三维场景中展示实时数据信息。当设备出现告警，提醒具体告警位置，快速定位故障设备。

在建筑楼层中实现供水、供电、弱电主管线在空间中的展示，管线展示到楼层层级，通过不同颜色区分管线类型。

在三维场景中直观展示建筑物的占地面积、楼层及高度等信息，展示楼宇内部不同用途空间的布局、位置及功能说明等，可展开查看各楼层房间信息和人员信息。

实现校园内设备点位分布和状态查询，如重要设备及校园内的井盖、灯杆等设备。在3D场景中进行统计、查询、定位，可查看设备的基本信息和状态，实现大型设备的搜索定位、房间级小型资产设备的信息统计和展示。

通过微信公众号H5页面以及微信小程序为新生提供可视化迎新引导服务，将校外/校内迎新接待点、校内迎新办事流程路线、宿舍位置、学院通讯录、校园社团信息等信息通过室内外一体轻量化孪生校园的方式直观呈现给新生，帮助新生快速熟悉校园、提供导引导航服务，特别是在疫情期间通过自助式的方式更好地服务新生接待。

通过与宿舍闸机对接，实现可视化的宿舍已归寝、未归寝信息查询、住宿位置定位等。可视化宿舍管理通过微信公众号H5页面以及微信小程序为宿管员和班主任提供服务，宿管员和班主任可以通过手机便捷地查询学生住宿信息以及了解学生实时归寝情况。

数字孪生应用需要结合管理模式和业务流程等在学校管理层面、业务部门层面达成建设目标的共识统一、落地推进的计划统一和优化迭代的协同统一。这是一个长期持续的过程，非一朝一夕之功，需要持续地探索与验证符合校情的建设及管理运营模式。

来源：《中国教育网络》2024年7月刊

作者：陈益均（南通大学信息化中心）

责编：余秀

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