數(shù)字孿生技術(shù)在智慧校園物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備數(shù)據(jù)交互中的應(yīng)用

摘要：探討了數(shù)字孿生技術(shù)在智慧校園物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備數(shù)據(jù)交互中的應(yīng)用，闡述其對提升校園管理效率、優(yōu)化資源配置以及增強(qiáng)師生用戶體驗(yàn)的重要作用。詳細(xì)分析了基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧校園物聯(lián)網(wǎng)可視化運(yùn)維平臺，包括數(shù)字孿生技術(shù)、計(jì)算機(jī)建模及可視化技術(shù)在平臺中的應(yīng)用；提出了智慧校園物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)維平臺總體設(shè)計(jì)方案，建立了智慧校園物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備數(shù)據(jù)物理實(shí)體和可視化運(yùn)維平臺虛擬模型。通過系統(tǒng)案例驗(yàn)證該平臺在智慧校園物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備數(shù)據(jù)交互中的可行性。結(jié)果表明，數(shù)字孿生技術(shù)在智慧校園物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備數(shù)據(jù)交互平臺中的應(yīng)用能夠更好地滿足運(yùn)維需求。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生技術(shù)；智慧校園；物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備；數(shù)據(jù)交互

中圖分類號：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

近年來，數(shù)字孿生技術(shù)逐漸受到各個(gè)行業(yè)的重視，特別是在教育領(lǐng)域，它為智慧校園的發(fā)展提供了新的視角和機(jī)遇。當(dāng)前，智慧校園在數(shù)據(jù)交互中面臨諸多困難，尤其是普遍存在的“信息孤島”現(xiàn)象導(dǎo)致不同設(shè)備間的協(xié)調(diào)性下降，大大降低了管理效率。數(shù)字孿生技術(shù)通過數(shù)據(jù)與模型的實(shí)時(shí)交互，能夠構(gòu)建出復(fù)雜系統(tǒng)的虛擬副本，從而在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對物理實(shí)體的監(jiān)控與優(yōu)化。在此背景下，深入研究數(shù)字孿生技術(shù)在智慧校園物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備數(shù)據(jù)交互中的應(yīng)用不僅有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，還有助于高校優(yōu)化資源管理、提升教學(xué)質(zhì)量。

1 數(shù)字孿生技術(shù)分析

1.1 數(shù)字孿生技術(shù)概述

數(shù)字孿生技術(shù)是一種通過數(shù)字化手段映射真實(shí)物理世界，在真實(shí)世界和虛擬世界中創(chuàng)建實(shí)體，以便更好地實(shí)現(xiàn)對物理對象的狀態(tài)監(jiān)測、分析和優(yōu)化的方法。“數(shù)字孿生”的概念最早是由美國密歇根大學(xué)的Michael Grieves 教授提出的，他稱之為“虛擬鏡像模型”。后來，美國航空航天局稱其為數(shù)字孿生，并做出了更具體和專業(yè)的解釋，它指的是依靠高精度的物理模型、傳感器收集的信號、有關(guān)設(shè)備運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多個(gè)學(xué)科和概念的模擬過程，現(xiàn)實(shí)世界的運(yùn)作狀況都會被映射到虛擬世界[1]。

數(shù)字孿生是一種集模型、數(shù)據(jù)和人工智能于一體，聚焦產(chǎn)品全生命周期，連接物理世界和虛擬世界，為用戶提供實(shí)時(shí)、高效、智能服務(wù)的技術(shù)。Michael Grieves 教授將數(shù)字孿生分為3 個(gè)組成部分：真實(shí)世界中的物理對象、反映物理對象的虛擬模型、物理對象與虛擬模型之間的數(shù)據(jù)交互接口[2]。陶飛等[3] 最新的研究發(fā)現(xiàn)，使用數(shù)字孿生的原始三維模型可以進(jìn)一步完善數(shù)字孿生的組成部分。該團(tuán)隊(duì)提出了物理實(shí)體、虛擬模型、數(shù)據(jù)、服務(wù)以及它們之間連接的數(shù)字孿生五維模型的概念，該概念可用如下公式表示：

MDT =（PE，VE，Ss，DD，CN）。 （ 1）

式中，MDT 為數(shù)字孿生模型，PE 為真實(shí)世界中的物理實(shí)體，VE 為反映物理對象的虛擬模型，Ss 為結(jié)合了物理實(shí)體和虛擬模型的服務(wù)系統(tǒng)，DD 為物理實(shí)體和虛擬模型的孿生數(shù)據(jù)，CN 為各個(gè)部分之間的連接[4]。

1.2 計(jì)算機(jī)建模及可視化技術(shù)

根據(jù)已有的知識和經(jīng)驗(yàn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后利用計(jì)算機(jī)建模方法建立虛擬模型。虛擬模型是物理原型的映射，用來描述原生物理環(huán)境數(shù)據(jù)信息。數(shù)字映射是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，包括模型構(gòu)建、模型簡化和模型優(yōu)化。另外，可視化技術(shù)也非常重要，它可以為數(shù)字孿生技術(shù)提供三維模型以及場景的可視化展示。在數(shù)字孿生系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理能力非常重要，當(dāng)數(shù)據(jù)量大時(shí)，如果僅進(jìn)行簡單的可視化處理，往往只能呈現(xiàn)出靜態(tài)的界面。要想充分利用這些數(shù)據(jù)，需要采用先進(jìn)的可視化技術(shù)。

2 智慧校園物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)維平臺總體方案

2.1 系統(tǒng)需求分析

智慧校園物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)維平臺的設(shè)計(jì)旨在提高校園物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)據(jù)交互，其系統(tǒng)的需求分析主要包括需求目標(biāo)、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)功能規(guī)劃。①需求目標(biāo)：通過數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備數(shù)字孿生體，實(shí)現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測分析。②系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)：系統(tǒng)采用瀏覽器/ 服務(wù)器（browser/server，B/S） 結(jié)構(gòu)， 使用MySQL 管理數(shù)據(jù)，利用JSON 格式對物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝。③系統(tǒng)功能規(guī)劃：系統(tǒng)需要具備用戶管理、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)交互和展示查詢等功能[5]。

2.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在智慧校園物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備數(shù)據(jù)交互中，需要將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備作為數(shù)字孿生體，并將其與虛擬環(huán)境中的數(shù)字孿生體進(jìn)行交互；通過數(shù)字孿生體將不同的傳感器數(shù)據(jù)融合處理，為智慧校園物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供決策支持。智慧校園物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)主要包含感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、邊緣層和用戶層。①感知層：在智慧校園物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備上部署傳感器以采集數(shù)據(jù)信息。②網(wǎng)絡(luò)層：利用有線或無線方式將傳感器設(shè)備與中心云平臺進(jìn)行連接，然后將采集到的數(shù)據(jù)信息上傳到云端服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。③數(shù)據(jù)層：通過云計(jì)算技術(shù)對物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，能夠?yàn)橹腔坌@的運(yùn)營和管理提供精準(zhǔn)的決策支持。④邊緣層：在智慧校園物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備上部署邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，將感知層采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理并展示出來。⑤用戶層：通過Web 界面或APP 客戶端等方式與用戶進(jìn)行交互，幫助用戶獲取需要的信息。

3 物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備數(shù)據(jù)交互物理實(shí)體建模

在當(dāng)今數(shù)字化時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)滲透到生活的方方面面。隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷擴(kuò)展，對終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互物理實(shí)體建模顯得尤為重要。節(jié)點(diǎn)硬件總體設(shè)計(jì)方案如圖1 所示，主要包括遠(yuǎn)距離無線電（long range radio，LoRa） 傳輸模塊、北斗定位模塊、液晶顯示屏（liquid crystaldisplay，LCD） 交互模塊和發(fā)光二極管（lightemiting diode，LED）指示燈。微處理器作為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與外界交互的橋梁，其設(shè)計(jì)直接影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和可靠性。物理實(shí)體建模不僅要考慮傳感器的物理特性，還要深入研究其工作原理、數(shù)據(jù)處理流程以及如何通過網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效傳輸。

4 智慧校園物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)維平臺虛擬建模

將設(shè)備接入運(yùn)維平臺后，可以運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)在平臺建立虛擬模型，并對該模型進(jìn)行仿真分析和監(jiān)測。對于模型中的每個(gè)設(shè)備，都可以創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立的數(shù)字孿生體，并分別在各個(gè)數(shù)字孿生體中配置相應(yīng)的屬性和操作，最后通過物聯(lián)網(wǎng)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

4.1 節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)及IP 地址分配

物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備在入網(wǎng)前，需要對其進(jìn)行IP地址分配。物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備一般由控制終端、嵌入式處理器和外部通信接口組成。其中，微控制單元（microcontroller unit，MCU）是物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的核心，其主要功能是接收并解析來自中央控制器的指令和數(shù)據(jù)，然后將其發(fā)送給嵌入式處理器；微處理器是嵌入式處理器的重要組成部分，主要功能是將MCU 接收到的指令進(jìn)行解析，并將解析后的指令發(fā)送給外部通信接口。物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備按照功能可以分為工業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備和消費(fèi)級物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備兩類。相應(yīng)地，這兩類終端設(shè)備的 IP 地址分配方式也有所區(qū)別。對于智能水表、智能電表等工業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，需要為其分配IP 地址；對于智能門鎖、智能手環(huán)等消費(fèi)級物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，不需要為其分配IP 地址。

4.2 平臺虛擬層軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，需要在平臺進(jìn)行虛擬層軟件設(shè)計(jì)，分為兩個(gè)步驟：①可視化圖形界面設(shè)計(jì)。將物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的設(shè)備、傳感器等物理實(shí)體創(chuàng)建成數(shù)字模型，包括實(shí)體模型和虛擬模型。②數(shù)據(jù)通信與交互。通過平臺虛擬層的軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的實(shí)時(shí)交互和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，使系統(tǒng)的運(yùn)行更加高效。

（1）可視化圖形界面?？梢暬缑嬷饕ㄔO(shè)備基礎(chǔ)信息、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)，其通過設(shè)計(jì)合適的圖形界面進(jìn)行設(shè)備管理并反映設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)。Unity3D 包含若干組件和大量圖形界面，通過組合使用，可以實(shí)現(xiàn)所需功能。

（2）數(shù)據(jù)通信與交互。Unity 可以實(shí)時(shí)傳輸模型數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)在多個(gè)平臺上以AR、VR、MR 的形式進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生功能。首先，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)與Unity 之間的通信；其次，安裝物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，IoT）設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳，數(shù)據(jù)采用Socket 傳輸編碼以保證格式的一致性；Unity 通過傳輸控制協(xié)議從服務(wù)端獲取數(shù)據(jù)后，對虛擬模型進(jìn)行實(shí)時(shí)映射驅(qū)動，并顯示監(jiān)控結(jié)果。如果需要反向控制，則由Unity 發(fā)出指令。

5 智慧校園物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備評價(jià)分析

調(diào)查問卷的發(fā)放采用線上線下相結(jié)合的形式，共計(jì)發(fā)放給師生460 份，累計(jì)回收381 份，依據(jù)問卷所設(shè)測試題，統(tǒng)計(jì)分析調(diào)查結(jié)果，共計(jì)有效問卷350 份，有效率為92%。問卷調(diào)查得到的評價(jià)結(jié)果如表1 所示。

從表1 可以得出，“基本滿意”在各個(gè)評價(jià)因素中占比最高，其次是“非常滿意”，最低為“極度不滿意”。在“非常滿意”中，占比最高的是咨詢效率和知識庫資源新穎性，其次是檢索范圍全面性；“基本滿意”中，占比最高的是隱私保護(hù)與服務(wù)政策。總體來說，數(shù)字孿生技術(shù)在智慧校園物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備數(shù)據(jù)交互中的成功應(yīng)用得到師生一致好評。

6 結(jié)論

本文提出了基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧校園物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)維平臺總體方案，展示了科學(xué)技術(shù)與教育管理的深度融合。研究結(jié)果表明，使用數(shù)字孿生技術(shù)后，運(yùn)維平臺的隱私保護(hù)與服務(wù)政策得到師生的一致好評，師生對學(xué)校設(shè)施的滿意度顯著提升。由此可見，數(shù)字孿生技術(shù)能夠顯著提升智慧校園物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的數(shù)據(jù)交互效率和智能化程度。希望未來可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高度透明化，提升師生的交互體驗(yàn)，推動管理決策的智能化，使校園管理更加精細(xì)化和高效化。

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