融合數(shù)字孿生模型的高校校園公共安全風(fēng)險(xiǎn)管控研究

摘? 要：高校校園公共安全事件具有突發(fā)性、緊急性和不可預(yù)見(jiàn)性，一旦發(fā)生會(huì)造成巨大的社會(huì)影響。通過(guò)對(duì)高校校園公共安全事件風(fēng)險(xiǎn)管控難點(diǎn)和關(guān)鍵性問(wèn)題進(jìn)行研究，借助數(shù)字孿生技術(shù)重構(gòu)全時(shí)全域智慧校園，進(jìn)而構(gòu)建高校校園數(shù)字信息模型，研究成果有助于實(shí)現(xiàn)高校校園安全風(fēng)險(xiǎn)事件智能識(shí)別與預(yù)警，達(dá)到高校校園安全風(fēng)險(xiǎn)事件精準(zhǔn)適度管控，以期為高校校園智慧運(yùn)維和公共安全風(fēng)險(xiǎn)管控提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生;智慧校園;公共安全;風(fēng)險(xiǎn)管控

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2022）02-0128-03

Abstract： College campus public security events are sudden， urgent and unpredictable， and once they occur， they will have a huge social impact. By studying the difficulties and key issues in the risk management and control of public security events in college campus， reconstructing a full-time and all-domain smart campus with the help of digital twin technology， and then constructing a digital information model of college campuses， the research results will help realize the intelligent identification and early warm of college campus security risk events. To achieve accurate and appropriate management and control of college campus security risk events， in order to provide a scientific basis for college campus smart operation and maintenance and public security risk management and control.

Keywords： digital twin; smart campus; public security; risk management and control

0? 引? 言

“百年大計(jì)，教育為本”，在科教興國(guó)戰(zhàn)略的指引下，我國(guó)教育事業(yè)取得長(zhǎng)足的發(fā)展。然而近年來(lái)，全國(guó)發(fā)生了多起高校校園公共安全事件，高校校園公共安全問(wèn)題已成為社會(huì)各界關(guān)注的熱點(diǎn)。雖然針對(duì)高校校園公共安全事件，目前已存在多項(xiàng)措施來(lái)解決此類(lèi)問(wèn)題，但這些措施較多都停留在人工管理及安防監(jiān)控層面。

數(shù)字孿生（Digital Twin），即現(xiàn)實(shí)物理對(duì)象的數(shù)字模型。具體而言，該模型通過(guò)接受物理對(duì)象的信息而進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和優(yōu)化，從而與物理對(duì)象在全壽命周期保持同步，數(shù)字孿生模型可借助依賴(lài)傳感器數(shù)據(jù)了解物理實(shí)體狀態(tài)，對(duì)變化快速進(jìn)行響應(yīng)，從而提供相應(yīng)的措施[1]。本文將從如何利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能設(shè)備數(shù)據(jù)采集為抓手，構(gòu)建校園智能化的感知系統(tǒng)，借助數(shù)字孿生技術(shù)，通過(guò)（Building information model， BIM）仿真對(duì)高校校園實(shí)體模型進(jìn)行構(gòu)建，對(duì)校園正常及極端運(yùn)行情況下全要素進(jìn)行精準(zhǔn)表達(dá)，實(shí)現(xiàn)校園關(guān)鍵要素行為智能感知，從而對(duì)高校校園公共安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別、預(yù)警及管控。

1? 高校校園公共安全風(fēng)險(xiǎn)防控機(jī)制分析

公共安全教育是高等學(xué)校教育教學(xué)內(nèi)容的重要體現(xiàn)，高校經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，已由早期的封閉式校園轉(zhuǎn)變?yōu)殚_(kāi)放型校園，伴隨這一過(guò)程，校園內(nèi)外部環(huán)境日益復(fù)雜，治安形勢(shì)日趨嚴(yán)峻[2]。傳統(tǒng)的高校校園公共安全防控系統(tǒng)，是通過(guò)安防感知系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和決策確定要實(shí)施的方案，對(duì)實(shí)施方案的結(jié)果進(jìn)行“事后”評(píng)價(jià)。數(shù)字孿生模型驅(qū)動(dòng)下的高校校園公共安全防控策略，是結(jié)合傳統(tǒng)高校安防體系，借助數(shù)字孿生技術(shù)，在數(shù)字空間中通過(guò)構(gòu)建現(xiàn)實(shí)校園場(chǎng)景的映射模型，在數(shù)據(jù)孿生安防域中對(duì)方案進(jìn)行“事前”仿真評(píng)價(jià)，將問(wèn)題發(fā)現(xiàn)在前端進(jìn)行早期預(yù)防，保證高校校園突發(fā)事件處理的高效率，從而實(shí)現(xiàn)高校校園常態(tài)化校園安防管理和突發(fā)場(chǎng)景下安防體系預(yù)警的機(jī)制。具體防控機(jī)制如圖1所示。

2? 基于DT的高校校園公共安全風(fēng)險(xiǎn)管控系統(tǒng)

高校校園公共安全風(fēng)險(xiǎn)管控系統(tǒng)融合了數(shù)字孿生技術(shù)及智能化集成監(jiān)控系統(tǒng)，主體功能包括：校園安防控制、設(shè)備控制、能耗管理、資產(chǎn)管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、車(chē)輛管理、門(mén)禁管理。此集成系統(tǒng)可通過(guò)（Virtual Reality， VR）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維情景中的實(shí)體對(duì)象進(jìn)行交互，結(jié)合報(bào)警聯(lián)動(dòng)，視頻追蹤，可及時(shí)對(duì)高校校園公共安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行管控，實(shí)現(xiàn)校園正常運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和公共安全突發(fā)事件時(shí)的快速應(yīng)對(duì)。

2.1? 校園數(shù)字孿生模型構(gòu)建

在高校校園數(shù)字孿生模型系統(tǒng)的建立中，應(yīng)用建筑信息模型（BIM）技術(shù)，可自動(dòng)生成高校校園建筑結(jié)構(gòu)詳圖，這種技術(shù)方法可以使建筑的空間特征表達(dá)得更為清晰直觀[3]。通過(guò)建立與現(xiàn)實(shí)建筑相對(duì)應(yīng)的BIM模型，可視化展現(xiàn)校園中所有樓層信息，以及能源損耗、設(shè)備分布、視頻監(jiān)控等。同時(shí)采用災(zāi)害分析模擬軟件，可以模擬校園災(zāi)害演化全過(guò)程，為防災(zāi)減災(zāi)以及災(zāi)后應(yīng)急措施提供應(yīng)對(duì)方案。在高校校園中，當(dāng)突發(fā)公共安全事件時(shí)，BIM模型可以快速提供救援人員所在位置的完整建筑信息，及時(shí)獲取建筑物及設(shè)備的狀態(tài)信息，在BIM模型中能高度還原建筑物內(nèi)部危險(xiǎn)位置情況，為制定到緊急狀況點(diǎn)的最優(yōu)路線(xiàn)提供科學(xué)依據(jù)。78A5AB1A-1778-42F6-B631-C1F7FA621693

本文對(duì)于高校校園數(shù)字孿生模型的構(gòu)建，基于Dynamo的可視化開(kāi)發(fā)，首先進(jìn)行圖元的選擇，根據(jù)圖元在Revit項(xiàng)目中所處的空間來(lái)選擇，使用Levels節(jié)點(diǎn)，打開(kāi)下拉列表，選擇具體的樓層平面。其次使用Elements at Level選擇到該層的所有圖元，通過(guò)條件篩選進(jìn)一步選中目標(biāo)圖元。再者完成圖元的創(chuàng)建，包括創(chuàng)建軸網(wǎng)、創(chuàng)建結(jié)構(gòu)柱、創(chuàng)建結(jié)構(gòu)框架、創(chuàng)建墻體、放置自適應(yīng)構(gòu)件、建立驅(qū)動(dòng)明細(xì)表、對(duì)Dynamo的圖元進(jìn)行修改。最終構(gòu)建的高校校園數(shù)字孿生模型如圖2所示。

2.2? 校園智能化集成監(jiān)控系統(tǒng)部署

高校校園智能化集成監(jiān)控系統(tǒng)采用本地化部署方式，可實(shí)現(xiàn)基于B/S、C/S的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可對(duì)校園內(nèi)所有建筑智能化系統(tǒng)進(jìn)行集中管理，具體部署方案如圖3所示。通過(guò)建立物聯(lián)網(wǎng)綜合管控平臺(tái)，可以把校園樓宇、圖書(shū)館、餐廳、停車(chē)場(chǎng)、校門(mén)、實(shí)驗(yàn)室、宿舍樓等物體連接起來(lái)，形成“物聯(lián)網(wǎng)”。

上述校園智能化集成監(jiān)控系統(tǒng)主要由感知層、協(xié)議層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層四層結(jié)構(gòu)組成。其中感知層包括通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、設(shè)備控制、安防監(jiān)控、能耗管理、資產(chǎn)管理等。物聯(lián)網(wǎng)硬件包括各種傳感設(shè)備，這些設(shè)備數(shù)據(jù)接入到物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器終端，并與互聯(lián)網(wǎng)連接。協(xié)議層包括物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器對(duì)底層各種設(shè)備傳感器的數(shù)據(jù)，進(jìn)行解析、讀取、運(yùn)算。網(wǎng)絡(luò)層主要提供信息傳輸通道。涉及有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、信息管理網(wǎng)。應(yīng)用層直接對(duì)外提供業(yè)務(wù)應(yīng)用和業(yè)務(wù)服務(wù)的用戶(hù)界面。應(yīng)用層包括智能設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、三維校園展示、車(chē)輛門(mén)禁管理。

通過(guò)智能化集成監(jiān)控系統(tǒng)可以全面了解建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，同時(shí)向管理者及時(shí)反饋信息。對(duì)于獨(dú)立運(yùn)行的建筑物內(nèi)部設(shè)備及其系統(tǒng)，通過(guò)智能化集成監(jiān)控系統(tǒng)可以建立起不同智能化設(shè)備之間的通訊機(jī)制，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備及其接口之間的數(shù)據(jù)共享和高效協(xié)同工作，例如發(fā)生校園火災(zāi)時(shí)，可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)視頻的及時(shí)反饋，控制動(dòng)力設(shè)備的斷電以及門(mén)禁系統(tǒng)的開(kāi)啟控制等。

3? 融合DT的高校校園公共安全風(fēng)險(xiǎn)管控范式構(gòu)建

3.1? 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

在BIM展示頁(yè)面中，通過(guò)選擇設(shè)備可查看該設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，報(bào)警、故障分別以不同顏色閃爍綁定設(shè)備模型進(jìn)行顯示，選擇攝像頭時(shí)，以彈出窗體顯示該攝像頭畫(huà)面。在數(shù)字孿生模型中，通過(guò)發(fā)揮空間環(huán)境的矩陣化應(yīng)用，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)進(jìn)行物聯(lián)環(huán)境可視化處理。在建筑感知方面，通過(guò)溫度傳感器，感知各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫濕度及環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)，利用空間矩陣形成空間渲染，為綠色建筑提供有效的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。在人員感知方面，可以通過(guò)Wi-Fi信號(hào)及（Radio Frequency Identification， RFID）射頻識(shí)別技術(shù)等對(duì)可檢測(cè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行孿生，對(duì)異常設(shè)備進(jìn)行靈活管控。以上監(jiān)控方式也可用于疫情期間，對(duì)學(xué)生關(guān)鍵行為軌跡的追蹤。由于個(gè)人頭像、二維碼等數(shù)據(jù)格式中均包含有詳細(xì)的師生個(gè)人身份信息，可通過(guò)大數(shù)據(jù)回溯目標(biāo)人員的行動(dòng)路徑，查詢(xún)相關(guān)位置等信息，確保在發(fā)現(xiàn)可疑人員后快速查找其密切接觸者，為流調(diào)提供精準(zhǔn)有效的信息。

3.2? 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

融合DT的高校校園公共安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，主要是對(duì)發(fā)生在高校的突發(fā)事件進(jìn)行合理、科學(xué)的分類(lèi)。依據(jù)災(zāi)害演化特征及其階段，可將校園安全情景分為常態(tài)化狀態(tài)（無(wú)警情）、輕度非常態(tài)化狀態(tài)（一般事件）、中度非常態(tài)化狀態(tài)（較大事件）、重度非常態(tài)化狀態(tài)（危險(xiǎn)事件）以及特重度非常態(tài)化狀態(tài)（極端安全事件）五個(gè)等級(jí)[4]。因此，在校園要素行為感知基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)校園安全風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行自適應(yīng)分類(lèi)，并在數(shù)字孿生模型運(yùn)行過(guò)程中對(duì)這一基礎(chǔ)分類(lèi)進(jìn)行自適應(yīng)精細(xì)劃分。在校園安全風(fēng)險(xiǎn)事件預(yù)警時(shí)，可以識(shí)別確定各要素正常及異常狀態(tài)，分析其狀態(tài)變化是否構(gòu)成校園安全風(fēng)險(xiǎn)事件，并進(jìn)行標(biāo)記。并對(duì)校園安全風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)主動(dòng)預(yù)警，分析研究各安全風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生邏輯及報(bào)警閾值，當(dāng)滿(mǎn)足風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生邏輯及達(dá)到報(bào)警閾值時(shí)，向校園運(yùn)行中心反饋報(bào)警信息。

3.3? 風(fēng)險(xiǎn)管控

校園關(guān)鍵要素包括參與校園的活動(dòng)的各類(lèi)人群角色、校園基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)等，基于數(shù)字孿生模型的高等學(xué)校校園運(yùn)行狀態(tài)演化機(jī)理與過(guò)程。借助于數(shù)字孿生校園模型，對(duì)正常及極端運(yùn)行情況下進(jìn)行全時(shí)全域仿真，推演校園運(yùn)行狀態(tài)，深刻詮釋校園運(yùn)行機(jī)理。同時(shí)調(diào)研目前國(guó)內(nèi)外高等學(xué)校校園應(yīng)急安全風(fēng)險(xiǎn)事件下的處理措施，并對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)。在數(shù)字孿生校園模型中加入預(yù)設(shè)的管控干擾因素，推演校園公共安全風(fēng)險(xiǎn)事件的演化過(guò)程。管控措施有效性分析與迭代優(yōu)化，基于不同管控措施的推演結(jié)果，確定最優(yōu)管控措施并進(jìn)行優(yōu)化迭代[5]。

3.4? 反饋機(jī)制

在高校校園公共安全風(fēng)險(xiǎn)管控系統(tǒng)的運(yùn)維過(guò)程中，通過(guò)不斷對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行正向檢測(cè)和負(fù)向反饋，及時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修正調(diào)整，從而防止因人為誤判或系統(tǒng)偶然誤測(cè)造成偏差。通過(guò)借助高校校園公共安全風(fēng)險(xiǎn)管控系統(tǒng)的規(guī)范化、制度化管理，不斷提高高校校園公共安全風(fēng)險(xiǎn)管控水平。

4? 應(yīng)用情景示例

在后疫情時(shí)期，高校校園由于人口密集、人員組成復(fù)雜，一旦發(fā)生聚集性爆發(fā)會(huì)給公共衛(wèi)生系統(tǒng)帶來(lái)巨大的壓力，是公共防疫的薄弱環(huán)節(jié)。借助于融合數(shù)字孿生模型的智慧校園，可以通過(guò)閘機(jī)人臉識(shí)別、校園視頻監(jiān)控、支付消費(fèi)、校園一卡通使用等手段記錄個(gè)體的時(shí)空軌跡，對(duì)于個(gè)別人身體出現(xiàn)異常情況，可以借助于校園數(shù)字孿生模型和智能化集成監(jiān)控系統(tǒng)，快速準(zhǔn)確識(shí)別異常者的時(shí)空密切群體，第一時(shí)間通過(guò)電話(huà)、短信或郵件等方式告知密接人員，在數(shù)字孿生模型中形成高感染風(fēng)險(xiǎn)人群的可視化時(shí)空軌跡，借以迅速形成疫情管控預(yù)案。具體實(shí)施過(guò)程如圖4所示。

5? 結(jié)? 論

本文面向高校校園公共安全事件風(fēng)險(xiǎn)管控難點(diǎn)和關(guān)鍵性問(wèn)題，借助于數(shù)字孿生技術(shù)重構(gòu)全時(shí)全域智慧校園，通過(guò)構(gòu)建高等學(xué)校校園數(shù)字信息模型，并建立智能設(shè)備數(shù)據(jù)采集方式構(gòu)建校園智能化的感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高等學(xué)校校園安全風(fēng)險(xiǎn)事件智能識(shí)別與預(yù)警，達(dá)到高等學(xué)校校園安全風(fēng)險(xiǎn)事件精準(zhǔn)適度管控，以期為高等學(xué)校校園智慧運(yùn)維和校園公共安全風(fēng)險(xiǎn)管控提供科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 安莉佳，于鵬.基于數(shù)字孿生技術(shù)的新型智慧城市建設(shè) [C]//2021年中國(guó)城市規(guī)劃信息化年會(huì).會(huì)議地點(diǎn)不詳：規(guī)劃師雜志社，2021：200-205.

[2] 于勇.高校公共安全風(fēng)險(xiǎn)管控機(jī)制構(gòu)建研究 [J].教育教學(xué)論壇，2016（5）：22-23.

[3] 鐘聲，周崢華，張清.基于BIM的數(shù)字孿生建筑的應(yīng)用 [C]//第七屆全國(guó)BIM學(xué)術(shù)會(huì)議.重慶：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2021：51-55.

[4] 秦琴，齊福榮.高等學(xué)校公共安全教育研究 [J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2009，5（3）：154-157.

[5] 張建民.基于云計(jì)算的高校智慧校園建設(shè)中數(shù)據(jù)安全研究 [J].現(xiàn)代信息科技，2018，2（1）：141-142+145.

作者簡(jiǎn)介：楊佳麗（1987—），女，漢族，陜西西安人，網(wǎng)絡(luò)工程師，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。78A5AB1A-1778-42F6-B631-C1F7FA621693