基于数字孪生技术的智慧校园综合管理的研究

张之倩 兰海波

关键词：数字孪生技术；智慧校园综合管理；信息化

1 数字孪生技术应用于智慧校园综合管理的时代背景

随着我国经济水平的飞速发展，我国国民教育水平与能力也会得到一定的发展。随着近几年来，高等院校的招生人数在稳定进行增长，我国致力于建设高质量的高等教育体系[1]。加之2020年新冠疫情暴发，特殊的环境给高等教育院校综合管理带来一定的挑战。对校园进行科学化、智能化的管理，顺理成章成为未来校园管理的趋势。如何实现好校园的科学管理工作，实现校园科学智能化管理，为在校的学生和老师们提供一个较为安全舒适、方便快捷的学习和教学环境，如今成为每个高校的重点难题。

数字孪生技术顺应时代的需要而产生。数字孪生是全面利用物理实体模型，并结合传感器信息，通过对其运行历史数据进行分析，将多个学科、多种物理量从各个尺度和不同的概率相结合进行仿真的过程。它是在虚拟的数据空间中将实体进行映射，以此来反映实体的全生命周期的过程[2]。近年来，得益于物联网，大数据等新一代信息技术的充分发展，数字孪生的概念及应用传播广泛[3]。

全球已经向信息数字化时代迈进，校园综合管理作为在教育领域最重要的一环，对其进行动态信息化[4]、数字化发展已经迫在眉睫。利用数字孪生技术进行校园信息动态化，可以在校园管理中充分缩减人工统计工作、优化学校资源配置，使学校建设重点可以更好地放在教书育人的方面。并且学校利用基于数字孪生技术的智慧校园综合管理平台进行科学化管理，不仅可以在安全防控方面及时做出反应，还可以把数字孪生技术应用到学校的每一个模块，例如消防报警模块，发生火灾及时进行预警报警并及时做出相应的应答；门禁系统管理模块，更好地管理学生出行；监控管理模块，识别某种信息后做出应对，让校园各区域都可以变得更安全，从而达到让学校管理更加方便，学生和老师以及工作人员更加便利，学校更加安全的目的。

2 数字孪生技术在智慧校园综合管理中的应用思路及应用价值

2.1 应用思路

建立校园三维建筑动态信息模型，是数字孪生技术应用在智慧校园综合管理核心功能的体现[5]。对校園实体进行虚拟模型建造，并与校园原有信息服务系统产生联系，以及三者交互产生的融合数据形成了校园信息的孪生数据，形成了校园可视化与动态信息可见化一体的校园数字孪生平台，很好地消除了信息孤岛现象。通过该模型，可对校园的资源配置、在校人员的流量监控等进行优化，保证在校人员各个环节的安全和高效。校园资源配置实时情况以及优化后的效果均可清晰明了地通过演示动画的形式在可视模型平台上显示，可通过对动画显示大屏进行观察，检查安全隐患，解决突发问题，根据实际情况进行相应的调整和安排。

2.2 应用价值

与传统意义上的建筑资料相比，将数字孪生技术对校园实体模型进行应用，可以更生动、直观、全面地对校园实体信息进行观察与分析。学校主管部门可以通过智慧校园综合管理系统，在决策和管理方面进行多方沟通，使校园管理更加顺畅、更具效率[6]，有助于节约校园管理时间。

大学校园场地建设的范围广泛，占地面积大，建筑类别种类繁多，涉及不同的综合办公楼、教学楼、图书馆、项目实验室、体育馆、学生宿舍等，形色各异的建筑对于运营和维护上的管理都有着相应不同的要求，不同部门之间的信息平台往往彼此独立，高校的各个部门间普遍存在多平台、多系统、少共享的问题，学校管理人员对于在校人员和设备的管理难度大，且所需图纸等档案资料繁多。将各种信息资料通过数字孪生技术收到校园虚拟模型中，实现信息实时联动，可以有效节约人力消耗和财力支出，提高效率。

2.3 应用数字孪生技术对智慧校园综合管理的创新之处

1） 更加全面精准地测量

使用数字孪生技术对校园建造虚拟模型，借助物联网技术就能够快速测量且直接采集大量数据。在智慧校园管理系统下可以更好地针对每一个学生个体进行体温测量、口罩佩戴监控、安全隐患的识别等烦琐活动的把控。

2） 更全面地分析和预测

对校园进行数字孪生，采集、处理和分析校园中物联网数据，以此对校园当前状态进行诊断和分析，并且推测状态未来发展趋势，对校园管理者进行未来的决策能够提供有价值的参考数据。

3） 提高效率

对校园环境应用数字孪生技术，不再要求校园管理者探索和掌握有关物理项目的不同途径达到改良必要流程的目的，而是可以通过最短、最快捷的路径查找漏洞，寻求最优方案。

3 校园科学管理现状以及潜在问题

当学校把大部分的资本和精力投入教书育人之中时，投入校园的信息化科学化管理的资本和精力就会有限，这就导致大多数校园的科学管理系统并不完善，存在着一些问题亟待解决。

3.1 在学生管理方面

学生作为活动在校园生活中最大的群体，对学生进行管理，保护学生的安全是校园管理系统中关键的一环。虽然信息化的校园科学管理已经逐步渗透到大多数校园中，但是依然有一部分学校还存在采用传统信息管理模式管理学生信息、学校管理信息的科技化手段更新缓慢等问题。

3.2 在行政管理方面

学校行政管理主要是对物品进行分发、学生权限设置的管理、教育工作的计划和安排、学生处教务管理。但是仍旧有很多学校在行政管理上权限划分存在模糊之处，教务系统经常因多人进行登录而造成崩溃，教育工作计划查找原始数据困难，缺乏原始数据做对比，靠主观意识决策。

3.3 在应对突发情况方面

以2020年突发新冠疫情为例，在此次突发疫情防控过程中，学校为了保证在校人员安全，安排先锋岗及保安巡查，要求在校人员进出教学楼等公共场所都需佩戴口罩并进行体温监测。每周定时核酸检测都需大量志愿者进行核酸检测人员信息录入等疫情防控工作。

4 数字孪生技术在校园科学管理中的实践应用

4.1 项目概况

通过运用BIM建造三维立体模型技术对校园进行模型建造，学校信息模型将采集的学校相关的各类结构化、非结构化数据统一整合，形成虚拟学校在信息维度上对实体学校的精准信息表达和映射，形成学校全景视图和各领域视图，全局、直观、量化可分析、可推演的数字孪生信息模型，从而给学校管理带来质的飞跃。

4.2 具体管理功能

实时安全监控反馈：此系统对于日常生活中火灾识别，以及宿舍门禁之后的人员统计、人身安全保障（例：预防学生因出现心理问题选择跳楼）等安防问题可以通过摄像识别提早预警学校，同时以发送短信通知相关人员的方式，来保障学校人员的人身安全问题。

教学管理：在学校中，教学事件反馈不及时，调配困难，教务信息滞后、调度复杂等问题带给师生困扰。此功能通过对接教务系统以热力图的方式进行教学楼人员流动统计，实时记录一定区域内人员分配情况，有助于管理员对教务做出及时调整。

运维管理：教学设施损坏，设备故障，不能及时报修，难以明确负责人等问题，严重影响老师和同学们的学习安排，对此，系统可以对教学设备进行实时检测并汇总于管理平台，迅速对反映的问题进行人员安排和处理，并在管理平台显示负责人联系方式及处理进度，快速解决出现的问题，为学生和老师提供更完善的教学条件。

场所管理：教学场所应用不充分，调配困难，此系统通过数据展现各个场所的拥有量和使用情况，显示所在位置和当前使用人及联系方式，利于管理者充分调配学校资源，也方便学生自由安排自习场所。

资产管理：学校管理中，软硬件设备资产管理、统计混乱，财务信息难以准确获悉。此系统能够对校园所有设备进行实时统计和更新，通过历年的资产变化情况让学校教育部门能够有效地进行财政规划。

能源管理：对于本系统，可以通过屏幕显示总的校园能源消耗情况和不同设备的用电情况，有利于能源的节约，及时发现能源故障进行预防，并及时了解线路跳闸这些常见问题。

4.3 案例分析结论

21世纪对于建筑、环境等监测管理以及事故的预警将会更加数字化与自动化，减少相关人力资源的使用，降低雇佣的成本，最大限度地减少资金的浪费将会成为主流。该项目的投入只需要雇佣少数的人员实时地观测系统是否出现运行错误，并且在系统检测出相关问题或者隐患时及时地进行预警，可以极大地减少人员的雇佣与资金投入。同时计算机系统的监测可以大大降低并减少人为观测失误所引起的问题。对于所应用的地点有着全方位的监管，对于其具体的能耗、隐患等方面的数据也能够有着清晰地展示。

此類项目有着广阔的应用前景，使用者可以足不出户地实时监测例如公司、车间、仓库等重要地点的情况。在人群密集的地点例如商场、景区等地可以实时地监测安全情况，及时做出相应的措施与提醒。如可以用于建筑的火灾防控，甚至可以及时地检测出楼体的安全隐患，如地震发生时楼体的震荡，可以极大地保证了居民的人身安全。

5 提高数字孪生技术在校园科学管理应用水平的措施

5.1 需要国家政策的推广和支持

国家应该推出相关政策，积极鼓励相关技术人员或者青年主力军进入比较先进的科技公司进行实习和调研，认真调研和思考数字孪生技术目前的应用程度和未来发展情况，并制定发展数字孪生技术的措施和规划。督促相关技术单位，深入探索研究数字孪生建筑的使用情况和不足之处，完善相关符合中国国情的技术标准，形成规范，使数字孪生技术有章可依。

5.2 引起相关企业的重视

信息化建筑，是顺应历史发展的必然要求。广大技术公司应当目光长远，积极响应国家、政府的号召，把发展数字孪生技术放在第一位，落到实处。在智慧校园信息化领域加大科研投入，培养一批数字孪生建模团队和应用管理团队，积极实践，将知识转化为实践经验。

5.3 引起社会的重视

国家应借助社会力量，鼓励并支持相关培训机构的设立，进行数字孪生技术的宣传和普及，提高青年人群对数字孪生技术的兴趣。让社会为当前数字孪生技术应用的发展培养一批新生力量。

6 结论与展望

教育是立国之本、强国之基，国民教育离不开场景中各大影响要素的相互配合，不论是教师的教学水平，还是学生的学习能力和方式，以及适配的资源、环境、设施都对国民教育起到重要作用。运用数字孪生技术使智慧校园综合管理更加科学，更加高效，有利于学校减少对于校园综合管理的投入，将更多的精力投入在提高教师专业能力和使学生学到更多的知识等问题上。

建筑的信息化是人类社会发展的必然结果之一，是现代化建设的必要需求之一，同时也是人类生存环境保护的要求。在我国，建筑信息化发展尚处于初级阶段[7]。不论是从国家还是企业，甚至到个人都要认清发展形势，采取系列措施，努力克服当前面对的困难，争取用较短的时间，让数字孪生建筑的发展迈上新台阶，使其为人类社会服务。