基于數(shù)字孿生技術的智慧校園綜合管理的研究

張之倩 蘭海波

關鍵詞：數(shù)字孿生技術；智慧校園綜合管理；信息化

1 數(shù)字孿生技術應用于智慧校園綜合管理的時代背景

隨著我國經(jīng)濟水平的飛速發(fā)展，我國國民教育水平與能力也會得到一定的發(fā)展。隨著近幾年來，高等院校的招生人數(shù)在穩(wěn)定進行增長，我國致力于建設高質量的高等教育體系[1]。加之2020年新冠疫情暴發(fā)，特殊的環(huán)境給高等教育院校綜合管理帶來一定的挑戰(zhàn)。對校園進行科學化、智能化的管理，順理成章成為未來校園管理的趨勢。如何實現(xiàn)好校園的科學管理工作，實現(xiàn)校園科學智能化管理，為在校的學生和老師們提供一個較為安全舒適、方便快捷的學習和教學環(huán)境，如今成為每個高校的重點難題。

數(shù)字孿生技術順應時代的需要而產(chǎn)生。數(shù)字孿生是全面利用物理實體模型，并結合傳感器信息，通過對其運行歷史數(shù)據(jù)進行分析，將多個學科、多種物理量從各個尺度和不同的概率相結合進行仿真的過程。它是在虛擬的數(shù)據(jù)空間中將實體進行映射，以此來反映實體的全生命周期的過程[2]。近年來，得益于物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)等新一代信息技術的充分發(fā)展，數(shù)字孿生的概念及應用傳播廣泛[3]。

全球已經(jīng)向信息數(shù)字化時代邁進，校園綜合管理作為在教育領域最重要的一環(huán)，對其進行動態(tài)信息化[4]、數(shù)字化發(fā)展已經(jīng)迫在眉睫。利用數(shù)字孿生技術進行校園信息動態(tài)化，可以在校園管理中充分縮減人工統(tǒng)計工作、優(yōu)化學校資源配置，使學校建設重點可以更好地放在教書育人的方面。并且學校利用基于數(shù)字孿生技術的智慧校園綜合管理平臺進行科學化管理，不僅可以在安全防控方面及時做出反應，還可以把數(shù)字孿生技術應用到學校的每一個模塊，例如消防報警模塊，發(fā)生火災及時進行預警報警并及時做出相應的應答；門禁系統(tǒng)管理模塊，更好地管理學生出行；監(jiān)控管理模塊，識別某種信息后做出應對，讓校園各區(qū)域都可以變得更安全，從而達到讓學校管理更加方便，學生和老師以及工作人員更加便利，學校更加安全的目的。

2 數(shù)字孿生技術在智慧校園綜合管理中的應用思路及應用價值

2.1 應用思路

建立校園三維建筑動態(tài)信息模型，是數(shù)字孿生技術應用在智慧校園綜合管理核心功能的體現(xiàn)[5]。對校園實體進行虛擬模型建造，并與校園原有信息服務系統(tǒng)產(chǎn)生聯(lián)系，以及三者交互產(chǎn)生的融合數(shù)據(jù)形成了校園信息的孿生數(shù)據(jù)，形成了校園可視化與動態(tài)信息可見化一體的校園數(shù)字孿生平臺，很好地消除了信息孤島現(xiàn)象。通過該模型，可對校園的資源配置、在校人員的流量監(jiān)控等進行優(yōu)化，保證在校人員各個環(huán)節(jié)的安全和高效。校園資源配置實時情況以及優(yōu)化后的效果均可清晰明了地通過演示動畫的形式在可視模型平臺上顯示，可通過對動畫顯示大屏進行觀察，檢查安全隱患，解決突發(fā)問題，根據(jù)實際情況進行相應的調(diào)整和安排。

2.2 應用價值

與傳統(tǒng)意義上的建筑資料相比，將數(shù)字孿生技術對校園實體模型進行應用，可以更生動、直觀、全面地對校園實體信息進行觀察與分析。學校主管部門可以通過智慧校園綜合管理系統(tǒng)，在決策和管理方面進行多方溝通，使校園管理更加順暢、更具效率[6]，有助于節(jié)約校園管理時間。

大學校園場地建設的范圍廣泛，占地面積大，建筑類別種類繁多，涉及不同的綜合辦公樓、教學樓、圖書館、項目實驗室、體育館、學生宿舍等，形色各異的建筑對于運營和維護上的管理都有著相應不同的要求，不同部門之間的信息平臺往往彼此獨立，高校的各個部門間普遍存在多平臺、多系統(tǒng)、少共享的問題，學校管理人員對于在校人員和設備的管理難度大，且所需圖紙等檔案資料繁多。將各種信息資料通過數(shù)字孿生技術收到校園虛擬模型中，實現(xiàn)信息實時聯(lián)動，可以有效節(jié)約人力消耗和財力支出，提高效率。

2.3 應用數(shù)字孿生技術對智慧校園綜合管理的創(chuàng)新之處

1） 更加全面精準地測量

使用數(shù)字孿生技術對校園建造虛擬模型，借助物聯(lián)網(wǎng)技術就能夠快速測量且直接采集大量數(shù)據(jù)。在智慧校園管理系統(tǒng)下可以更好地針對每一個學生個體進行體溫測量、口罩佩戴監(jiān)控、安全隱患的識別等煩瑣活動的把控。

2） 更全面地分析和預測

對校園進行數(shù)字孿生，采集、處理和分析校園中物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，以此對校園當前狀態(tài)進行診斷和分析，并且推測狀態(tài)未來發(fā)展趨勢，對校園管理者進行未來的決策能夠提供有價值的參考數(shù)據(jù)。

3） 提高效率

對校園環(huán)境應用數(shù)字孿生技術，不再要求校園管理者探索和掌握有關物理項目的不同途徑達到改良必要流程的目的，而是可以通過最短、最快捷的路徑查找漏洞，尋求最優(yōu)方案。

3 校園科學管理現(xiàn)狀以及潛在問題

當學校把大部分的資本和精力投入教書育人之中時，投入校園的信息化科學化管理的資本和精力就會有限，這就導致大多數(shù)校園的科學管理系統(tǒng)并不完善，存在著一些問題亟待解決。

3.1 在學生管理方面

學生作為活動在校園生活中最大的群體，對學生進行管理，保護學生的安全是校園管理系統(tǒng)中關鍵的一環(huán)。雖然信息化的校園科學管理已經(jīng)逐步滲透到大多數(shù)校園中，但是依然有一部分學校還存在采用傳統(tǒng)信息管理模式管理學生信息、學校管理信息的科技化手段更新緩慢等問題。

3.2 在行政管理方面

學校行政管理主要是對物品進行分發(fā)、學生權限設置的管理、教育工作的計劃和安排、學生處教務管理。但是仍舊有很多學校在行政管理上權限劃分存在模糊之處，教務系統(tǒng)經(jīng)常因多人進行登錄而造成崩潰，教育工作計劃查找原始數(shù)據(jù)困難，缺乏原始數(shù)據(jù)做對比，靠主觀意識決策。

3.3 在應對突發(fā)情況方面

以2020年突發(fā)新冠疫情為例，在此次突發(fā)疫情防控過程中，學校為了保證在校人員安全，安排先鋒崗及保安巡查，要求在校人員進出教學樓等公共場所都需佩戴口罩并進行體溫監(jiān)測。每周定時核酸檢測都需大量志愿者進行核酸檢測人員信息錄入等疫情防控工作。

4 數(shù)字孿生技術在校園科學管理中的實踐應用

4.1 項目概況

通過運用BIM建造三維立體模型技術對校園進行模型建造，學校信息模型將采集的學校相關的各類結構化、非結構化數(shù)據(jù)統(tǒng)一整合，形成虛擬學校在信息維度上對實體學校的精準信息表達和映射，形成學校全景視圖和各領域視圖，全局、直觀、量化可分析、可推演的數(shù)字孿生信息模型，從而給學校管理帶來質的飛躍。

4.2 具體管理功能

實時安全監(jiān)控反饋：此系統(tǒng)對于日常生活中火災識別，以及宿舍門禁之后的人員統(tǒng)計、人身安全保障（例：預防學生因出現(xiàn)心理問題選擇跳樓）等安防問題可以通過攝像識別提早預警學校，同時以發(fā)送短信通知相關人員的方式，來保障學校人員的人身安全問題。

教學管理：在學校中，教學事件反饋不及時，調(diào)配困難，教務信息滯后、調(diào)度復雜等問題帶給師生困擾。此功能通過對接教務系統(tǒng)以熱力圖的方式進行教學樓人員流動統(tǒng)計，實時記錄一定區(qū)域內(nèi)人員分配情況，有助于管理員對教務做出及時調(diào)整。

運維管理：教學設施損壞，設備故障，不能及時報修，難以明確負責人等問題，嚴重影響老師和同學們的學習安排，對此，系統(tǒng)可以對教學設備進行實時檢測并匯總于管理平臺，迅速對反映的問題進行人員安排和處理，并在管理平臺顯示負責人聯(lián)系方式及處理進度，快速解決出現(xiàn)的問題，為學生和老師提供更完善的教學條件。

場所管理：教學場所應用不充分，調(diào)配困難，此系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)展現(xiàn)各個場所的擁有量和使用情況，顯示所在位置和當前使用人及聯(lián)系方式，利于管理者充分調(diào)配學校資源，也方便學生自由安排自習場所。

資產(chǎn)管理：學校管理中，軟硬件設備資產(chǎn)管理、統(tǒng)計混亂，財務信息難以準確獲悉。此系統(tǒng)能夠對校園所有設備進行實時統(tǒng)計和更新，通過歷年的資產(chǎn)變化情況讓學校教育部門能夠有效地進行財政規(guī)劃。

能源管理：對于本系統(tǒng)，可以通過屏幕顯示總的校園能源消耗情況和不同設備的用電情況，有利于能源的節(jié)約，及時發(fā)現(xiàn)能源故障進行預防，并及時了解線路跳閘這些常見問題。

4.3 案例分析結論

21世紀對于建筑、環(huán)境等監(jiān)測管理以及事故的預警將會更加數(shù)字化與自動化，減少相關人力資源的使用，降低雇傭的成本，最大限度地減少資金的浪費將會成為主流。該項目的投入只需要雇傭少數(shù)的人員實時地觀測系統(tǒng)是否出現(xiàn)運行錯誤，并且在系統(tǒng)檢測出相關問題或者隱患時及時地進行預警，可以極大地減少人員的雇傭與資金投入。同時計算機系統(tǒng)的監(jiān)測可以大大降低并減少人為觀測失誤所引起的問題。對于所應用的地點有著全方位的監(jiān)管，對于其具體的能耗、隱患等方面的數(shù)據(jù)也能夠有著清晰地展示。

此類項目有著廣闊的應用前景，使用者可以足不出戶地實時監(jiān)測例如公司、車間、倉庫等重要地點的情況。在人群密集的地點例如商場、景區(qū)等地可以實時地監(jiān)測安全情況，及時做出相應的措施與提醒。如可以用于建筑的火災防控，甚至可以及時地檢測出樓體的安全隱患，如地震發(fā)生時樓體的震蕩，可以極大地保證了居民的人身安全。

5 提高數(shù)字孿生技術在校園科學管理應用水平的措施

5.1 需要國家政策的推廣和支持

國家應該推出相關政策，積極鼓勵相關技術人員或者青年主力軍進入比較先進的科技公司進行實習和調(diào)研，認真調(diào)研和思考數(shù)字孿生技術目前的應用程度和未來發(fā)展情況，并制定發(fā)展數(shù)字孿生技術的措施和規(guī)劃。督促相關技術單位，深入探索研究數(shù)字孿生建筑的使用情況和不足之處，完善相關符合中國國情的技術標準，形成規(guī)范，使數(shù)字孿生技術有章可依。

5.2 引起相關企業(yè)的重視

信息化建筑，是順應歷史發(fā)展的必然要求。廣大技術公司應當目光長遠，積極響應國家、政府的號召，把發(fā)展數(shù)字孿生技術放在第一位，落到實處。在智慧校園信息化領域加大科研投入，培養(yǎng)一批數(shù)字孿生建模團隊和應用管理團隊，積極實踐，將知識轉化為實踐經(jīng)驗。

5.3 引起社會的重視

國家應借助社會力量，鼓勵并支持相關培訓機構的設立，進行數(shù)字孿生技術的宣傳和普及，提高青年人群對數(shù)字孿生技術的興趣。讓社會為當前數(shù)字孿生技術應用的發(fā)展培養(yǎng)一批新生力量。

6 結論與展望

教育是立國之本、強國之基，國民教育離不開場景中各大影響要素的相互配合，不論是教師的教學水平，還是學生的學習能力和方式，以及適配的資源、環(huán)境、設施都對國民教育起到重要作用。運用數(shù)字孿生技術使智慧校園綜合管理更加科學，更加高效，有利于學校減少對于校園綜合管理的投入，將更多的精力投入在提高教師專業(yè)能力和使學生學到更多的知識等問題上。

建筑的信息化是人類社會發(fā)展的必然結果之一，是現(xiàn)代化建設的必要需求之一，同時也是人類生存環(huán)境保護的要求。在我國，建筑信息化發(fā)展尚處于初級階段[7]。不論是從國家還是企業(yè)，甚至到個人都要認清發(fā)展形勢，采取系列措施，努力克服當前面對的困難，爭取用較短的時間，讓數(shù)字孿生建筑的發(fā)展邁上新臺階，使其為人類社會服務。