李俐 胡永斌

（江蘇師范大學(xué) 智慧教育學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

“數(shù)字孿生”（Digital Twin）的概念起源于美國(guó)國(guó)家航空航天局的“阿波羅計(jì)劃”。2020 年，美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC）發(fā)布了《工業(yè)應(yīng)用中的數(shù)字孿生：定義、行業(yè)價(jià)值、設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用案例》，將數(shù)字孿生納入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系[1]。近年來(lái)，我國(guó)政府陸續(xù)出臺(tái)相關(guān)文件，推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展，并在2021 年將數(shù)字孿生寫入《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》，作為數(shù)字中國(guó)的重要建設(shè)方向[2]。

通過(guò)物理世界和虛擬世界的融合，數(shù)字孿生逐漸成為多個(gè)領(lǐng)域的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)力和數(shù)字化轉(zhuǎn)型使能技術(shù)[3]。隨著數(shù)字孿生技術(shù)的逐步完善及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和教育部門開始關(guān)注并探討數(shù)字孿生技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用。在理論研究上，朱珂等人[4]將數(shù)字孿生技術(shù)與全息可視化學(xué)習(xí)空間進(jìn)行了結(jié)合，認(rèn)為數(shù)字孿生能夠賦能全息課堂，并對(duì)其教育功能和構(gòu)建路徑進(jìn)行了詳細(xì)闡述。在實(shí)踐應(yīng)用上，奧古斯丁·扎巴洛斯（Agustin Zaballos）等人[5]使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)和優(yōu)化大學(xué)校園的學(xué)習(xí)環(huán)境，并建模、設(shè)計(jì)與實(shí)施了相應(yīng)的校園數(shù)字孿生模型，以評(píng)估能源效率。雖然該研究是為了測(cè)試建筑信息建模工具與基于物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)和情感監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用效果，但這仍然是數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于校園治理的一次重要嘗試。2022 年，中國(guó)傳媒大學(xué)打造了我國(guó)首個(gè)開放于元宇宙平臺(tái)的“虛擬大學(xué)”，其借助街景地圖、三維重建、三維引擎等數(shù)字孿生技術(shù)，精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字孿生校園的環(huán)境搭建，體驗(yàn)者可通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備、移動(dòng)端或電腦端作為虛擬化身漫游校園[6]。此外，上海市也已經(jīng)開始關(guān)注數(shù)字孿生技術(shù)與教育的融合，《上海市教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型實(shí)施方案（2021—2023）》中就指出要探索數(shù)字孿生學(xué)校建設(shè)[7]。褚樂(lè)陽(yáng)等人[8]認(rèn)為數(shù)字孿生校園的出現(xiàn)和應(yīng)用能夠彌合虛擬與現(xiàn)實(shí)的界限，有利于創(chuàng)設(shè)泛在智慧學(xué)習(xí)空間，從而支持學(xué)習(xí)者的個(gè)性化學(xué)習(xí)。

整體來(lái)看，當(dāng)前數(shù)字孿生在教育領(lǐng)域的研究探索剛剛起步，缺少成熟的理論成果和清晰的建設(shè)應(yīng)用思路，亟待加強(qiáng)系統(tǒng)構(gòu)建研究和推進(jìn)策略研究?；诖?，本研究將系統(tǒng)闡釋數(shù)字孿生校園的內(nèi)涵、特征、關(guān)鍵技術(shù)與架構(gòu)設(shè)計(jì)，并提出推進(jìn)數(shù)字孿生校園建設(shè)的路徑，以期推動(dòng)數(shù)字孿生賦能數(shù)字校園建設(shè)。

一、數(shù)字孿生校園的系統(tǒng)構(gòu)成

（一）數(shù)字孿生校園的內(nèi)涵

關(guān)于數(shù)字孿生的定義存在多種視角，陶飛[9]和伊莉莎·內(nèi)格里（Elisa Negri）[10]等學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了綜述。目前普遍認(rèn)為數(shù)字孿生是一種數(shù)字化理念和技術(shù)手段，它以數(shù)據(jù)與模型的集成融合為基礎(chǔ)與核心，通過(guò)在數(shù)字空間實(shí)時(shí)構(gòu)建物理對(duì)象的精準(zhǔn)數(shù)字化影像，基于數(shù)據(jù)整合與分析來(lái)模擬、驗(yàn)證、預(yù)測(cè)、控制物理實(shí)體全生命周期過(guò)程，最終形成智能決策的優(yōu)化閉環(huán)[11]。數(shù)字孿生具備虛實(shí)融合與實(shí)時(shí)交互、迭代運(yùn)行與優(yōu)化，以及全要素、全流程、全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)[12]。

數(shù)字孿生的本質(zhì)是以數(shù)字形式為物理實(shí)體創(chuàng)建虛擬模型，進(jìn)而模擬實(shí)體行為、監(jiān)控持續(xù)狀態(tài)、識(shí)別復(fù)雜性、檢測(cè)異常模式、反映系統(tǒng)性能和預(yù)測(cè)未來(lái)趨勢(shì)[13]。最初，邁克爾·格里夫斯（Michal Grieves）構(gòu)建了數(shù)字孿生“三維”模型并得到了廣泛應(yīng)用，但隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，數(shù)字孿生面臨著來(lái)自不同領(lǐng)域、不同用戶層次、不同業(yè)務(wù)的更多服務(wù)需求。因此，在數(shù)字孿生三維模型的基礎(chǔ)上，陶飛等人[14]構(gòu)建了五維模型，以促進(jìn)數(shù)字孿生在更多領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。

數(shù)字孿生校園（Digital Twin Campus）是學(xué)校物理空間與網(wǎng)絡(luò)虛擬空間相互映射、協(xié)同交互的復(fù)雜系統(tǒng)。從狹義看，數(shù)字孿生校園是數(shù)字孿生理念與技術(shù)在學(xué)校范圍的應(yīng)用，是基于復(fù)雜綜合的技術(shù)體系構(gòu)建的物理校園的數(shù)字孿生體。從廣義看，數(shù)字孿生校園是物理維度上的實(shí)體學(xué)校和信息維度上的虛擬學(xué)校同生共存、虛實(shí)交融的未來(lái)學(xué)校發(fā)展形態(tài)，是以虛擬服務(wù)現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)治理為特征的未來(lái)學(xué)校智能化運(yùn)行的先進(jìn)模式。數(shù)字孿生校園的系統(tǒng)構(gòu)成要素包括物理校園（Physical Campus）、虛擬校園（Virtual Campus）、孿生服務(wù)（Digital Twin Services）和孿生數(shù)據(jù)（Digital Twin Data）4 部分，其關(guān)系如圖1 所示。

圖1 數(shù)字孿生校園的系統(tǒng)構(gòu)成要素

1.物理校園

物理校園是指物理世界的真實(shí)學(xué)校。物理校園除了包含地理位置、學(xué)校各要素和環(huán)境，還包含學(xué)校中的組織、活動(dòng)以及關(guān)系。與傳統(tǒng)的學(xué)校相比，數(shù)字孿生校園除了具備傳統(tǒng)學(xué)校的功能，還需具備用于收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的智能傳感器等物聯(lián)感知設(shè)備。

2.虛擬校園

虛擬校園是信息維度上的數(shù)字孿生體，它以數(shù)字方式為物理實(shí)體創(chuàng)建虛擬模型，以模擬其行為。此時(shí)的虛擬校園依賴且服務(wù)于真實(shí)的物理校園，兩者同生共存、虛實(shí)交互，且服務(wù)對(duì)象相同，虛擬校園是真實(shí)物理校園的部分職能在虛擬世界的延伸。虛擬校園是將學(xué)校數(shù)字孿生的載體，通過(guò)對(duì)物理校園所包含的實(shí)體要素及其關(guān)系進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、匯聚、建模、分析及反饋，實(shí)現(xiàn)校園的多維仿真、智能預(yù)測(cè)、虛實(shí)交互、精準(zhǔn)控制。

3.孿生服務(wù)

孿生服務(wù)是數(shù)字孿生校園各類功能與服務(wù)的集合與總稱，是物理校園與虛擬校園實(shí)現(xiàn)虛實(shí)交互的媒介。數(shù)字孿生的目的是以虛擬服務(wù)現(xiàn)實(shí)，數(shù)字孿生校園的虛實(shí)互動(dòng)過(guò)程是通過(guò)將物理校園數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、接入及映射到虛擬校園，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理校園的仿真和模擬。同時(shí)，會(huì)在數(shù)字空間中進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的計(jì)算、預(yù)測(cè)和演練，服務(wù)系統(tǒng)的相關(guān)功能負(fù)責(zé)提出關(guān)于校園規(guī)劃、校園建設(shè)、校園治理等的科學(xué)決策建議，并不斷迭代優(yōu)化，最終相關(guān)決策建議會(huì)在物理校園執(zhí)行，相應(yīng)的執(zhí)行結(jié)果會(huì)再次映射到虛擬校園，并及時(shí)進(jìn)行信息更新，實(shí)現(xiàn)物理空間與數(shù)字空間的雙向閉環(huán)互動(dòng)。

4.孿生數(shù)據(jù)

孿生數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。孿生數(shù)據(jù)是指數(shù)字孿生校園在運(yùn)行過(guò)程中所采集與產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)，包括時(shí)空基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、物聯(lián)感知數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)等。數(shù)字孿生是物理實(shí)體的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)超現(xiàn)實(shí)映射，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸和更新是實(shí)現(xiàn)物理對(duì)象與其數(shù)字孿生系統(tǒng)間全要素、全業(yè)務(wù)、全流程精準(zhǔn)映射與實(shí)時(shí)交互的重要一環(huán)。

（二）數(shù)字孿生校園的典型特征

1.虛實(shí)交互

虛實(shí)交互是指物理空間與數(shù)字空間的雙向互動(dòng)，借助物聯(lián)網(wǎng)、AR、VR、人機(jī)交互等技術(shù)的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)空間融合、控制與反饋。精準(zhǔn)映射是虛實(shí)交互的基礎(chǔ)，數(shù)字孿生技術(shù)要求在數(shù)字空間對(duì)物理對(duì)象進(jìn)行數(shù)字化呈現(xiàn)。數(shù)字孿生校園不僅將物理校園在視覺(jué)上進(jìn)行還原，而且對(duì)其運(yùn)行規(guī)則也真實(shí)還原?，F(xiàn)實(shí)世界中的物理校園和數(shù)字空間中的孿生校園能夠?qū)崿F(xiàn)雙向映射、數(shù)據(jù)連接和狀態(tài)交互，即真實(shí)物理校園的任何狀態(tài)變化都能同比反映在其孿生體中，對(duì)虛擬校園的任何操控都能實(shí)時(shí)影響到對(duì)應(yīng)的物理校園實(shí)體。

2.數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)

學(xué)?；A(chǔ)數(shù)據(jù)、各部門業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、校園運(yùn)行數(shù)據(jù)等各類數(shù)據(jù)均以屬性的形式加諸物理校園實(shí)體，而物理校園實(shí)體又加載到校園信息模型，形成模型、實(shí)體、數(shù)據(jù)一體化。數(shù)字孿生校園能夠匯集多元數(shù)據(jù)，并對(duì)匯集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、加工與挖掘，使之充分發(fā)揮價(jià)值。與以往數(shù)字校園的大數(shù)據(jù)分析有所不同，數(shù)字孿生校園的數(shù)據(jù)分析具有全局性、可視化、與位置關(guān)聯(lián)、支持仿真試錯(cuò)等特點(diǎn)，可以助力校園治理全面升級(jí)。

3.動(dòng)態(tài)可視

動(dòng)態(tài)可視是指通過(guò)將感知的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化建模和可視化渲染，數(shù)字孿生校園提供了全要素、全范圍、全過(guò)程的真實(shí)渲染效果，實(shí)現(xiàn)了全空間信息和校園實(shí)時(shí)運(yùn)行態(tài)勢(shì)的動(dòng)態(tài)展示。一方面，數(shù)字孿生校園既可以展示校園全貌場(chǎng)景，也可以展示諸如教室、食堂、場(chǎng)館設(shè)備等微場(chǎng)景，提供全粒度、多尺度的多維展現(xiàn)效果。另一方面，數(shù)字孿生校園可視化具有動(dòng)態(tài)性特點(diǎn)，可將校園實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，如課堂情況、校園環(huán)境、監(jiān)控視頻等實(shí)時(shí)信息與空間模型緊密融合，動(dòng)態(tài)展示可視化對(duì)象的狀態(tài)變化，精準(zhǔn)反映物理校園的真實(shí)狀態(tài)和運(yùn)行情況，使虛擬校園更加鮮活。

4.開放參與

開放參與是數(shù)字孿生技術(shù)賦予學(xué)校的新特征。以往學(xué)校為了保證安全，很難做到完全對(duì)外開放，而數(shù)字孿生校園可以超越時(shí)間與空間，既面向校園，也面向社會(huì)。通過(guò)將校園三維景觀和教學(xué)環(huán)境進(jìn)行數(shù)字化與虛擬化，來(lái)訪者可以作為虛擬化身瀏覽校園風(fēng)光，甚至可以與校內(nèi)學(xué)生共同參與活動(dòng)來(lái)感受校園文化。

5.以人為本

數(shù)字孿生不是目的，而是一種技術(shù)手段。數(shù)字孿生校園旨在全面整合和拓展教育領(lǐng)域的各種應(yīng)用，并以三維數(shù)字化的方式呈現(xiàn)，使其能夠支持教育教學(xué)、資源互換、溝通交流、數(shù)字化辦公、數(shù)字化管理與領(lǐng)導(dǎo)決策分析，全面提高教育教學(xué)質(zhì)量，最終為學(xué)生、教師、家長(zhǎng)、學(xué)校服務(wù)。

二、數(shù)字孿生校園的關(guān)鍵技術(shù)

（一）物聯(lián)感知：全面感知物理校園實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

感知是數(shù)字孿生體系架構(gòu)中的底層基礎(chǔ)，要?jiǎng)?chuàng)建高保真數(shù)字孿生校園模型，必須認(rèn)知物理世界并感知數(shù)據(jù)。數(shù)字孿生需要不斷地提取實(shí)時(shí)傳感器和信息系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，以表示物理實(shí)體近乎實(shí)時(shí)的狀態(tài)[15]。因此，為了使虛擬模型與其真實(shí)世界的對(duì)應(yīng)模型同步，就必須通過(guò)智能感知設(shè)備收集校園實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

為了建立校園全域、全時(shí)段的物聯(lián)感知體系，并實(shí)現(xiàn)真實(shí)物理校園運(yùn)行態(tài)勢(shì)的多維度、多層次精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，感知技術(shù)不但要有更精確可靠的物理測(cè)量技術(shù)，還需考慮感知數(shù)據(jù)間的協(xié)同交互，明確物體的空間位置及唯一標(biāo)識(shí)，并確保設(shè)備可信可控。標(biāo)識(shí)是為物理對(duì)象賦予數(shù)字“身份信息”，支撐孿生映射，構(gòu)建準(zhǔn)確的數(shù)字孿生校園模型離不開數(shù)字化標(biāo)識(shí)技術(shù)。標(biāo)識(shí)技術(shù)能夠?yàn)楦黝惒考⑽矬w賦予獨(dú)一無(wú)二的數(shù)字化身份編碼，從而確?，F(xiàn)實(shí)世界中的每一個(gè)物理實(shí)體都能與孿生空間中的數(shù)字虛體精準(zhǔn)映射、一一對(duì)應(yīng)。數(shù)字孿生全域標(biāo)識(shí)可實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生資產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)的物體快速索引、定位及關(guān)聯(lián)信息加載，也便于物理實(shí)體之間跨域、跨系統(tǒng)的互通和共享。目前，主流的物體標(biāo)識(shí)編碼包括Handle 標(biāo)識(shí)、Ecode 標(biāo)識(shí)、OID 標(biāo)識(shí)等。

（二）三維實(shí)景：創(chuàng)建虛擬校園數(shù)字模型

數(shù)字孿生的建模是將物理世界的對(duì)象進(jìn)行數(shù)字化，并轉(zhuǎn)換成虛擬模型的過(guò)程。虛擬模型應(yīng)該是物理實(shí)體的忠實(shí)副本，再現(xiàn)物理實(shí)體的幾何圖形、屬性、行為和規(guī)則[16]。數(shù)字孿生相關(guān)建模包括幾何建模、物理建模、行為建模和規(guī)則建模[17]。因此，數(shù)字孿生校園的建模不僅包括對(duì)物理校園的幾何結(jié)構(gòu)和外形進(jìn)行三維建模，還包括對(duì)物理校園本身的業(yè)務(wù)流程、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、軟件與算法等信息進(jìn)行全數(shù)字化建模，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)校園數(shù)字化與智能化。

數(shù)字孿生校園模型不是靜態(tài)模型，而是動(dòng)態(tài)演進(jìn)的，它是物理校園與虛擬校園完全對(duì)應(yīng)、相互融合的結(jié)果。數(shù)字孿生校園模型，一方面是物理校園時(shí)空數(shù)字化還原的載體，通過(guò)對(duì)校園進(jìn)行全要素?cái)?shù)字化和語(yǔ)義化建模，實(shí)現(xiàn)從宏觀大場(chǎng)景到微觀小單元、從室外到室內(nèi)的全空間立體還原，形成全空間一體化且相互關(guān)聯(lián)的全領(lǐng)域立體模型；另一方面是實(shí)現(xiàn)真實(shí)物理世界與虛擬世界相互關(guān)聯(lián)的重要技術(shù)手段，它能夠集中可視化呈現(xiàn)校園運(yùn)行情況、學(xué)生信息、教學(xué)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、決策效果等。可視化呈現(xiàn)是數(shù)字孿生校園所具備的各種應(yīng)用能力的重要表達(dá)方式和直觀展示窗口。數(shù)字孿生校園可視化，不是對(duì)校園中數(shù)字對(duì)象的簡(jiǎn)單呈現(xiàn)，而是根據(jù)具體業(yè)務(wù)場(chǎng)景，從模型處理、場(chǎng)景編輯、可視化渲染、腳本制作、虛實(shí)融合等多方面著力，實(shí)現(xiàn)全時(shí)空、全過(guò)程、全交互、全實(shí)時(shí)的可視化服務(wù)，從而構(gòu)建一個(gè)更加逼真的虛擬空間。此外，通過(guò)將AR、VR 等技術(shù)融入虛實(shí)場(chǎng)景中，能夠?yàn)閿?shù)字孿生校園提供一種全新的互動(dòng)性可視化功能。

（三）多源數(shù)據(jù)：全域、全要素、全過(guò)程的數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生能夠感知、響應(yīng)并適應(yīng)不斷變化的環(huán)境和操作條件。數(shù)字孿生校園涉及全域、全要素、全過(guò)程的數(shù)據(jù)資源，它不僅匯聚了科研數(shù)據(jù)、資產(chǎn)數(shù)據(jù)、師生信息、圖書信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，還同時(shí)集成了環(huán)境信息、課堂數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行感知數(shù)據(jù)等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。因此，人們通過(guò)數(shù)字孿生校園便可以從全景視角洞察校園整體情況，如校園環(huán)境、課堂教學(xué)、科研水平、資金分布、校園治安、校園輿情等。數(shù)字孿生校園多源數(shù)據(jù)體系具體如圖2 所示。

圖2 數(shù)字孿生校園多源數(shù)據(jù)體系

數(shù)據(jù)管理技術(shù)是使數(shù)據(jù)創(chuàng)造出更大價(jià)值的前提，可以確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量、完整性、安全性及對(duì)數(shù)據(jù)的高效使用。復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)據(jù)生命周期包括數(shù)據(jù)收集、傳輸、存儲(chǔ)、處理、融合和可視化[18]。對(duì)于數(shù)字孿生校園實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，可以依靠智能化傳感器和多傳感器融合技術(shù)。數(shù)據(jù)傳輸是實(shí)現(xiàn)物理校園與其數(shù)字孿生系統(tǒng)間實(shí)時(shí)交互、相互影響的前提，探索高速、低延遲、高性能和高安全數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議（如光纖通道協(xié)議）是建設(shè)數(shù)字孿生校園需考慮的因素。在數(shù)字孿生校園建設(shè)的過(guò)程中，必然會(huì)伴隨多源孿生數(shù)據(jù)的數(shù)量和異構(gòu)性不斷增加，因此分布式文件存儲(chǔ)系統(tǒng)（FastDFS）、NoSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)、NewSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)和云存儲(chǔ)等大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用將發(fā)揮重要作用。而隨著算法變得越來(lái)越復(fù)雜，新的數(shù)據(jù)處理架構(gòu)，如邊緣計(jì)算和霧計(jì)算，可以解決海量數(shù)據(jù)處理的問(wèn)題。

（四）柔性仿真：在虛擬校園試錯(cuò)，在物理校園執(zhí)行

數(shù)字孿生用包含確定性規(guī)律和完整機(jī)制的模型轉(zhuǎn)化成仿真軟件來(lái)模擬物理校園。數(shù)字孿生通過(guò)模型對(duì)物理校園進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)、診斷、訓(xùn)練等仿真模擬，并將仿真結(jié)果反饋給物理校園，從而幫助學(xué)校管理者進(jìn)行優(yōu)化決策。只要模型正確，并擁有完整的行為信息和環(huán)境數(shù)據(jù)，就可以基本正確地反映物理校園的特性和參數(shù)，驗(yàn)證和確認(rèn)對(duì)物理校園問(wèn)題理解的正確性和解決對(duì)策的有效性。和傳統(tǒng)的仿真技術(shù)相比，數(shù)字孿生更強(qiáng)調(diào)物理校園和虛擬校園之間的虛實(shí)共融和實(shí)時(shí)交互，是貫穿全生命周期的高頻次并不斷循環(huán)迭代的仿真過(guò)程。

模擬仿真推演是數(shù)字孿生校園具備智慧能力的體現(xiàn)，實(shí)時(shí)柔性仿真能力是數(shù)字孿生校園進(jìn)行輔助治理的優(yōu)勢(shì)所在，是實(shí)現(xiàn)對(duì)物理校園建設(shè)進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)、指導(dǎo)與優(yōu)化的關(guān)鍵。仿真推演基于各類算法，在數(shù)字空間中對(duì)物理校園進(jìn)行實(shí)時(shí)或仿真計(jì)算，為校園規(guī)劃、建設(shè)與管理提供參考和決策支持。通過(guò)對(duì)校園規(guī)劃、建設(shè)、管理的模擬仿真，可以提前預(yù)判可能對(duì)校園產(chǎn)生的不良影響及潛在危險(xiǎn)，幫助學(xué)校管理者制定合理可行的對(duì)策建議，以未來(lái)視角智能干預(yù)學(xué)校發(fā)展軌跡，實(shí)現(xiàn)智慧決策。

三、數(shù)字孿生校園的架構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生校園建設(shè)，首先要對(duì)校園中的物理實(shí)體及關(guān)系進(jìn)行虛擬表達(dá)及映射。依托基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯聚、傳輸及處理，形成數(shù)據(jù)資源，在平臺(tái)能力的支持下進(jìn)一步融合數(shù)字孿生技術(shù)，形成能夠?qū)ν馓峁┑臄?shù)字孿生服務(wù)，并通過(guò)交互服務(wù)實(shí)現(xiàn)與上層應(yīng)用場(chǎng)景的融合。同時(shí)，還需要制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范并提供立體化的安全管理，從而保障數(shù)字空間各類資產(chǎn)以及服務(wù)的安全高效運(yùn)行。基于對(duì)數(shù)字孿生校園技術(shù)體系與功能體系的規(guī)劃，可構(gòu)建數(shù)字孿生校園的總體架構(gòu)，如圖3 所示。

圖3 數(shù)字孿生校園架構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）基礎(chǔ)設(shè)施層

數(shù)字孿生校園的基礎(chǔ)設(shè)施層包括感知設(shè)備、連接設(shè)備、計(jì)算設(shè)備及存儲(chǔ)設(shè)備。感知基礎(chǔ)設(shè)備包含嵌入式傳感設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施以及測(cè)繪設(shè)備等。數(shù)字孿生校園支持用戶在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)訪問(wèn)，必須保證良好的通信基礎(chǔ)，因此，應(yīng)采用5G 網(wǎng)絡(luò)等較為先進(jìn)的連接通信設(shè)備，為數(shù)字孿生校園建設(shè)提供高效、可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。數(shù)字孿生校園是一個(gè)大規(guī)模的多媒體系統(tǒng)，其操作需要巨大的計(jì)算成本，因此，計(jì)算設(shè)備可以包含邊緣計(jì)算、云計(jì)算等先進(jìn)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，支持學(xué)校建立虛擬一體化計(jì)算資源池。除此之外，在數(shù)字孿生校園的建設(shè)與運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)資源，例如，地圖、角色與建筑模型等，因此，需要存儲(chǔ)設(shè)施提供大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，包括塊存儲(chǔ)、對(duì)象存儲(chǔ)、分布式存儲(chǔ)和超融合存儲(chǔ)等形式。

（二）數(shù)據(jù)資源層

數(shù)據(jù)資源層是學(xué)校各類數(shù)據(jù)的總和，包括地理空間數(shù)據(jù)、物聯(lián)感知數(shù)據(jù)、部門業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、教學(xué)數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)等。其中，地理空間數(shù)據(jù)是指三維建筑模型及各種矢量數(shù)據(jù)。設(shè)備感知數(shù)據(jù)是指通過(guò)傳感器、攝像頭及其他智能終端所采集到的數(shù)據(jù)資源，如溫度、濕度、圖片、錄像及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。教學(xué)數(shù)據(jù)是指學(xué)習(xí)過(guò)程中的學(xué)生行為數(shù)據(jù)和學(xué)習(xí)結(jié)果數(shù)據(jù)，包括學(xué)習(xí)資源使用數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)行為投入數(shù)據(jù)、課堂互動(dòng)數(shù)據(jù)、課堂測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)和作業(yè)與考試數(shù)據(jù)。部門業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)是指學(xué)校各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，比如教務(wù)、科研、黨政等。兩大引擎為數(shù)據(jù)資源層提供支撐，通過(guò)校園實(shí)時(shí)感知引擎安全高效收集數(shù)據(jù)，同時(shí)借助大數(shù)據(jù)分析引擎充分挖掘數(shù)據(jù)資源的使用價(jià)值。

（三）平臺(tái)能力層

平臺(tái)能力層為數(shù)字孿生校園提供共性能力支撐，向下接通數(shù)據(jù)，向上支撐業(yè)務(wù)應(yīng)用。該層包含各種孿生服務(wù)，具體包括全要素?cái)?shù)字化表達(dá)、時(shí)空計(jì)算、物聯(lián)感知操控、靜動(dòng)態(tài)模型、模擬仿真推演、多維建模、虛實(shí)融合互動(dòng)、可視化呈現(xiàn)等。多個(gè)能力的集成可將各種數(shù)據(jù)資源整合為一個(gè)有機(jī)體，進(jìn)而協(xié)同支持校園問(wèn)題的快速發(fā)現(xiàn)、精準(zhǔn)定位和智能決策，調(diào)動(dòng)末端智能響應(yīng)，并提高學(xué)校資源的管理和配置效率。

（四）服務(wù)應(yīng)用層

服務(wù)應(yīng)用層是數(shù)字孿生校園最直接的功能體現(xiàn)，包含了其所能提供的各種應(yīng)用服務(wù)。從教學(xué)科研應(yīng)用層面看，通過(guò)全線采集教學(xué)信息獲得教學(xué)過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確定位教師與學(xué)生的實(shí)際需求，解決“信息孤島”問(wèn)題。從校園管理應(yīng)用層面看，數(shù)字孿生校園集成分析決策、學(xué)生管理、設(shè)備管理、安防監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)，并支持對(duì)各個(gè)樓宇的可視化監(jiān)測(cè)，輔助校園管理者及時(shí)掌握安防態(tài)勢(shì)，從而精準(zhǔn)施策。從校園服務(wù)應(yīng)用層面看，數(shù)字孿生校園不僅支持在校學(xué)生進(jìn)行在線協(xié)作與社交活動(dòng)，而且還向社會(huì)公眾或家長(zhǎng)等校外人員提供服務(wù)，他們可以通過(guò)化身虛擬形象游覽校園，體驗(yàn)校園文化。

（五）實(shí)時(shí)交互層

實(shí)時(shí)交互層是用戶獲取服務(wù)的入口，可以為使用者提供良好的人機(jī)交互環(huán)境，能夠提供多個(gè)類型的交互界面，實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)互通及服務(wù)調(diào)用。數(shù)字孿生校園可同時(shí)面向教職工、學(xué)生、管理者、家長(zhǎng)、社會(huì)公眾等各類用戶提供不同的服務(wù)與應(yīng)用功能。綜合應(yīng)用多種終端接入技術(shù)，基于用戶所處的不同環(huán)境，圍繞特定應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)跨終端、多模態(tài)的交互方式，并進(jìn)一步基于AR、VR、MR 技術(shù)，提供高逼真、多粒度、多維度的沉浸式體驗(yàn)。

四、數(shù)字孿生校園建設(shè)的推進(jìn)路徑

（一）強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)，布局?jǐn)?shù)字孿生校園

上海市政府已經(jīng)將數(shù)字孿生校園作為教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的創(chuàng)新教育場(chǎng)景，未來(lái)推動(dòng)數(shù)字孿生校園建設(shè)的政策文件和建設(shè)案例還會(huì)不斷涌現(xiàn)。數(shù)字孿生校園是包含多異構(gòu)設(shè)備、多異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、多異構(gòu)數(shù)據(jù)的復(fù)雜系統(tǒng)，需要站在全局最優(yōu)、整體統(tǒng)籌的視角，開展頂層設(shè)計(jì)和總體設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)能動(dòng)性、相互約束性、數(shù)據(jù)可信和仿真。數(shù)字孿生校園建設(shè)過(guò)程需要多方協(xié)同推進(jìn)，其中，高校及科研院所主要開展數(shù)字孿生校園基礎(chǔ)理論研究，聯(lián)盟協(xié)會(huì)則負(fù)責(zé)行業(yè)生態(tài)整合，加速產(chǎn)業(yè)互聯(lián)、生態(tài)躍遷等。

（二）研制重點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)，完善標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)

數(shù)字孿生校園高度依賴數(shù)據(jù)模型，而不同數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)的分散所有權(quán)是進(jìn)行數(shù)字孿生的一大障礙[19]。缺乏一致的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則收集的教育數(shù)據(jù)，將導(dǎo)致不同部門難以共享數(shù)據(jù)，無(wú)法通過(guò)協(xié)作創(chuàng)造協(xié)同效益，以及實(shí)現(xiàn)最大化數(shù)據(jù)價(jià)值。要想真正實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)集成并基于大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高效協(xié)同治理，就必須做到學(xué)校各個(gè)業(yè)務(wù)部門的數(shù)據(jù)互相兼容。此外，在對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行映射時(shí)，也必然會(huì)涉及數(shù)據(jù)格式等標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一問(wèn)題。因此，組建數(shù)字孿生校園建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)研制專家團(tuán)隊(duì)，共同搭建數(shù)字孿生校園統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)體系，既要以共性支撐為基礎(chǔ)，研究架構(gòu)、成熟度等總體標(biāo)準(zhǔn)，也要研制數(shù)據(jù)資源規(guī)劃、數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)融合等數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

（三）攻關(guān)核心技術(shù)，聚焦共性難點(diǎn)問(wèn)題

數(shù)字孿生校園要實(shí)現(xiàn)虛實(shí)互動(dòng)、仿真推演、智能決策等能力，必須推進(jìn)感知、建模、AI、仿真、交互等多技術(shù)的深度融合。由于各項(xiàng)技術(shù)集成關(guān)系較為復(fù)雜，目前面臨相關(guān)技術(shù)人才嚴(yán)重匱乏、核心技術(shù)企業(yè)開放不足、技術(shù)集成難度較大等問(wèn)題，難以支撐數(shù)字孿生校園高質(zhì)量發(fā)展，因此，建議加強(qiáng)數(shù)字孿生校園基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)的研究，如三維可視化建模、仿真渲染、圖形化引擎、空間計(jì)算、CPU 芯片、虛實(shí)交互等。同時(shí)，需要各技術(shù)領(lǐng)域針對(duì)實(shí)際業(yè)務(wù)場(chǎng)景開展務(wù)實(shí)合作，企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)等應(yīng)開展數(shù)字孿生新產(chǎn)品和新技術(shù)的研發(fā)，加強(qiáng)核心產(chǎn)業(yè)培育，強(qiáng)化數(shù)字孿生人才供給，加快營(yíng)造助力數(shù)字孿生校園高質(zhì)量發(fā)展的生態(tài)環(huán)境。

（四）提高服務(wù)能力，建立運(yùn)維服務(wù)網(wǎng)絡(luò)

數(shù)字孿生校園建設(shè)與應(yīng)用的過(guò)程中，必然伴隨著軟/硬件系統(tǒng)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量不斷增加等問(wèn)題，這對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)的服務(wù)能力提出了更高的要求，運(yùn)維體系的建設(shè)顯得尤為重要。因此，應(yīng)更加關(guān)注數(shù)字孿生校園的長(zhǎng)效運(yùn)營(yíng)，建立全覆蓋運(yùn)維服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，全面提升數(shù)字孿生校園服務(wù)質(zhì)量。應(yīng)著力提升數(shù)字孿生校園運(yùn)維團(tuán)隊(duì)的服務(wù)能力，提供系統(tǒng)核心部分以及主要設(shè)備發(fā)生故障時(shí)的應(yīng)急處理方案，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生校園的可持續(xù)發(fā)展，為其長(zhǎng)期穩(wěn)定地發(fā)揮作用打下良好的基礎(chǔ)。此外，還應(yīng)為師生服務(wù)提供統(tǒng)一入口，除了包含系統(tǒng)的使用指南，還要能夠收集并處理用戶的反饋。

（五）挖掘優(yōu)秀案例，發(fā)揮示范引領(lǐng)作用

挖掘一批數(shù)字孿生校園典型案例，充分發(fā)揮它們的先進(jìn)性、引領(lǐng)性與示范性作用。一方面，要征集數(shù)字孿生校園的優(yōu)秀案例和優(yōu)秀解決方案，對(duì)其技術(shù)、平臺(tái)、運(yùn)營(yíng)模式等進(jìn)行研究，提煉標(biāo)準(zhǔn)要求及核心指標(biāo)，指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)研制。另一方面，要圍繞數(shù)字孿生校園架構(gòu)、成熟度等標(biāo)準(zhǔn)，開展標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證及應(yīng)用示范，研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)服務(wù)、數(shù)據(jù)模型構(gòu)建、軟件開源等公共服務(wù)平臺(tái)，促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)模化推廣應(yīng)用，以標(biāo)準(zhǔn)化手段助力數(shù)據(jù)共享、產(chǎn)業(yè)聯(lián)動(dòng)。

總之，數(shù)字孿生校園建設(shè)難以一蹴而就，它是一項(xiàng)長(zhǎng)期性、迭代性工程，需要不斷演進(jìn)升級(jí)。

五、結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，數(shù)字孿生相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用程度也不斷加深，數(shù)字孿生校園有望成為教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的新型基礎(chǔ)設(shè)施和學(xué)校運(yùn)營(yíng)賦能平臺(tái)。數(shù)字孿生校園作為基于創(chuàng)新理念與技術(shù)的前瞻性實(shí)踐，是未來(lái)學(xué)校不可或缺的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。數(shù)字孿生校園的探索與落地將會(huì)帶動(dòng)數(shù)字校園建設(shè)進(jìn)入新的發(fā)展階段，并成為其新發(fā)展階段的核心底座，使學(xué)校具有虛實(shí)共生的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施能力。從目前來(lái)看，數(shù)字孿生校園還是一個(gè)新概念，缺少成熟的理論成果和清晰的建設(shè)應(yīng)用思路，亟待加強(qiáng)系統(tǒng)構(gòu)建研究和推進(jìn)策略研究。未來(lái)隨著5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的融合應(yīng)用，數(shù)字孿生校園的建設(shè)和創(chuàng)新應(yīng)用將迎來(lái)快速發(fā)展期，形成物理校園和虛擬校園并行共生發(fā)展的新格局。