数字孪生技术在智慧校园中的研究与应用

刘哲, 赵晓宇, 李艳丽, 张蕊, 刘冀琛

(中国人民大学, 信息技术中心, 北京 100872)

0 引言

近年来,随着5G、云计算、大数据、物联网、人工智能和数字孪生等新兴技术的迅猛发展,持续推动学校教学、科研、管理、服务等各项工作的改革创新,加快学校智慧校园建设进程,推进学校治理体系和治理能力现代化[1]。目前,从兄弟高校智慧校园建设中数字孪生的应用场景分析,数字孪生平台仅是实现了与科研、人事、教务、OA办公自动化和学籍管理等若干系统的数据对接和校园三维建模,并未与智能设备控制系统实现对接,如智能照明系统、能耗计量系统、变配电监控系统等。因此,学校无法整体掌握设备的能耗信息及管控校园硬件设施,并未从真正意义上建设具有辅助决策及联动指挥能力的数字孪生校园。

1 发展现状

1.1 数据治理与数据共享

高校业务系统类型繁多且使用频率较高,每时每刻都在生产大量的数据,其中,有固定格式和规则组织的结构化数据,也有无固定格式的非结构化数据,且在高校信息化建设初期各自为政的应用系统所带来的信息孤岛问题一直是高校在数据共享、流通、治理过程中面临的难点之一。建设规范准确的数据中台,协调各相关部门及时准确地按照统一数据标准提供相关数据,并将数据进行联动互通,既要满足各相关业务的数据提取需求,还要保障各类数据的信息安全,是智慧校园数据联动与可视化的重要基础。卓凤艳等[2]设计了异构数据库数据实时同步策略应对数据同步延时问题;邹恒华等[3]提出了连接能力强、开放共享、协同融合的新一代集成平台;杨强[4]提出了高校数据治理建设路径,构建数据治理全生命周期生态体系模型,在一定程度上提升了数据的可用性和安全性。上述方法均能在一定程度上解决数据同步、清洗、转化、共享等问题,但是均缺少数据质量评估、数据问题反馈及质量持续调优环节。

1.2 数字孪生技术

数字孪生是将工业产品、制造系统、城市、园区等复杂物理系统的结构、状态、行为、功能和性能映射到数字化的虚拟世界,通过实时传感、连接映射、精确分析和沉浸交互来刻画、预测和控制物理系统,实现复杂系统虚实融合,使系统全要素、全过程、全价值链达到最大限度的闭环优化。数字孪生与产业技术的深度融合,有力推动了相关产业数字化、网络化和智能化的发展进程,正成为产业转型升级的强大推动力[5]。崔一辉等[6]就数字孪生技术在航空发动机设计、制造和服务等业务领域的实现途径进行了分析和验证,有效提高了产品生产质量和生产效率;刘芳等[7]提出了数字孪生在智慧工厂、智慧城市、孪生医疗、航空航天等领域的场景应用;刘占省等[8]设计了一种基于数字孪生的消防疏散动态引导方法,较好地实现了城市建筑物发生火灾时动态进行疏散路径规划、室内人员定位等功能;周瑜等[9]提出了将雄安新区建设成为数字孪生城市,真正意义上建设“以人民为中心”的智慧城市;李林等[10]设计了一个基于时空编码的开放性大数据架构,为城市信息模型(CIM)平台提供了重要的价值。以上文献重点围绕运用数字孪生技术在智慧城市建设、智能制造方面展开,均未涉及在智慧校园、校区设备远程管控和耗能分析优化中的应用场景。

2 数字孪生平台的研究与实现

2.1 平台的整体架构设计

本平台采用分层架构设计,主要设计为物联管理中心、全量数据中心、数据仓库、数字孪生中心和校园主题可视化展示等5层结构。其主要功能模块包括数据采集、设备管控、3D模型库、场景维护、模拟仿真、智能诊断、监测预警、数据呈现、决策支持。平台的整体技术架构如图1所示。

图1 数字孪生平台整体架构图

2.2 主要功能模块实现

2.2.1 物联管理中心

物联管理中心主要提供统一标准物模型、多协议解析、海量设备管控及数据采集入库功能,实现全校物联设备数据的互联互通。该物联中心通过物模型来实现对各类设备的定义和管理,包括定义物模型、下发物模型、编辑物模型、查看物模型、删除物模型等几大功能。物联中心支持常见的设备数据通信协议解析(如BacnetIP、ModbusTCP、M-Bus、KNX/EIB、LonWorks、MQTT、CoAP、OPC等),已与学校实现对接的智能控制系统有楼宇自控管理、智能烟感控制、消防管控、摄像头管控、智能照明、变配电监控等。目前,物联管理中心与业务系统采用的对接方式如表1所示。

表1 物联中心管理模式

结合学校的具体需求及实际情况,本文采用SDK-旁路模式管控设备,由业务部门负责建设自有的智能控制系统(如门禁系统、智能照明系统、楼宇自控系统等),设备控制权仍保留在业务部门,最大程度保留业务子系统的完整性,同时便于业务部门对子系统的快速安装部署、运维、监管等工作的开展及减轻数字孪生平台的运维压力。

2.2.2 全量数据中心与标准数仓

设计并建设一个稳定、安全的全量数据中心,筑牢数据底座。按照“应采尽采、统一汇聚”的工作原则,将各类设备智能管控系统(如水电气热传感器等设备数据)及业务系统(如人事、科研、教学、学籍管理等系统)产生的数据聚集到全量数据中心,依托校级大数据治理平台,深度整合应用,打破“数据孤岛”,构建全校资源数据仓库,实现应用数据的统一管理与共享。同时基于数据质量分析报告,与数据生产部门共同提高数据质量,形成数据“在用中优,在优中用”的良好态势,真正做到让数据一次治理、多次、多方使用,为校内应用系统建设提供稳定的数据支撑服务。

2018年9月,中国人民大学信息技术中心协调学校各相关部门,启动建设数据共享中心平台,分类整理各种数据信息,遵照一个标准、一个数据库的原则,经过一年多的筹备,于 2019年11月平台正式上线运行,该平台自上线运行以来已为百余个业务系统提供高效、稳定的数据共享服务。经过持续的优化、升级最终构建了学校权威的、准确的、完备的全域数据仓库,充分解决数据质量低、利用率低、链条缺失、不可追溯等实际问题,满足校务数据的储存、服务、监控、安全等在内的数据全生命周期管理,支撑智慧校园各业务领域的数据模型、数据关系清晰化,充分发挥数据中台的作用。学校数据共享中心平台架构如图2所示。

图3 三维模型可视化流程图

2.2.3 孪生中心

孪生中心是本平台的核心功能模块,主要分为三维建模、模拟仿真及AI智能监测预警。下面对三维建模和模拟仿真进行详细描述。

(1) 三维建模

学校的CAD、BIM、GIS数据可用于制作数字孪生校园的校区3D场景,包括但不限于校园的整体校区(含道路、出入口、绿化等基础设施)、建筑、室内结构、设施设备、管线、地下空间、综合管廊等进行全面建模,来实现资源的可视化。

(2) 模拟仿真

通过针对特定场景的数据建模来实现场景的模拟仿真,可在线开展场景演练或重现故障,全面修正应急预案、完善指挥调度流程、优化系统运行。如:模拟校内举办大型活动(校庆、大型体育活动、文化活动等),要能够模拟人流、车辆暴增导致交通拥堵甚至造成人员踩踏,能够优化应急预案、优化管理人员调度、模拟闸机开放、交通疏导、班车运力调度、地铁运力协同等流程,全面助力校园管理水平的提升;模拟极端雷暴天气下,校园内海绵城市系统、地下管廊系统对瞬时雨水的承受能力,优化防汛物资储备、物资调度、应急广播、人员疏散、后勤保障、危险区域与物品防护等工作,优化预案流程。

3 数字孪生在智慧校园中的典型应用

3.1 智慧教学

获取教学管理数据并在整体三维空间中以及融合视频画面上叠加显示各类可视化信息,快速识别场景空间信息、教学教务动态等信息,形成从外到内的多维度感知,实现透明教室、透明教学、智慧管理。主要展示内容:资产展示、教室使用情况和使用率展示、教学环境展示、教学管理展示、实验室管理展示、教学督导智慧教室展示、课表展示、课件资源展示、运维数据展示。

教学数据可视化。通过与教务系统深度对接,直观展示当前实时授课的教学班数、当前实时上课的学生数、当前实时上课的课程数;实时查看各个教室的录播画面,支持直播、多画面实时巡视、教学数据分析与统计等多种场景应用。

3.2 智慧安防

基于平台自身集成的视觉智能算法,在服务器端实现对视频流或者图片流的结构化处理,构建以人、车、物、事件为核心的视图大数据分析服务体系。提供智能检索、行为追踪等多种研判分析手段,如动作识别、人脸识别、禁区闯入等智能功能,如有可疑人员、非法闯入或火灾、舆情均可实时监测,并向管理人员发送短信或微信提醒,缓解学校在安防方面的运行压力和降低人力成本。

在数字孪生平台与视频监控、人车通行记录、智能消防、停车管理等各类安防系统进行数据对接、统计分析的基础上,以3D形式将校园各场景的态势清晰呈现,实现快速查询相关车辆和人员在指定时间段内的通行情况、火灾、舆情、人员聚集智能告警等,全面提升校园整体安防消防管理水平。

3.3 智慧物联

利用数字化、虚拟化技术对设备的运行数据进行采集、统计、分析,以提高设备使用寿命及保障设备正常运行。基于三维模型实现校园的园区、建筑、楼层、设备的逐级可视化展示;联动智能照明、能源管理、生态环境监测、建筑设备监控、智慧管廊、资产管理等系统,为建设绿色、生态、智能的新时代新校园全面赋能。

能耗分析与优化。数字孪生平台采集实时能耗监控数据,在三维场景中综合展示空调、电梯、照明、供水、通风、通讯、安防、机房等各项耗能情况,包括分类统计面板、分区统计面板、历史趋势图表等;分项详细展示每个统计项的能耗情况,以高级图表的方式显示实时数据及分区统计信息;对各单体建筑、各功能区域的能耗占比、环比、同比,关键能耗设备用能情况进行多维度统计和大数据分析,透视能耗结构、分析用能习惯,并通过峰谷、平谷用电分析,评估用能趋势,优化校园用电,并对能耗数据进行实时监测,当发生异常时快速定位问题所在,及时做出判断。

3.4 智慧IT

智慧IT展示内容主要包括网络基础设施和网络数据。根据学校实际工作需要,选取学校数据中心机房建设高精度模型,打造亮点品牌,包括机柜、服务器、交换机、路由器、UPS等数据中心设备建模,摄像头、门禁、闸机、消防栓、报警设备等安全消防设备建模,照明、新风、冷热源、暖通等物联网及楼控设备建模,实现学校数据中心、校园网络的整体运行态势展示,为学校核心机房、服务器和网络维护和巡检保障提供有力支撑。

4 总结

本文在深入研究数据治理、数字孪生的基础上,详细介绍了中国人民大学在建设数字孪生平台过程中的探索及应用,实现从单一维度的数据展示到全方位的数据联动与分析、科学决策、智能预警的数字孪生平台,为降低学校在实时监测、保卫安防和能源管控等方面的成本投入提供强有力的支撑,一定程度上提升了学校治理体系与治理能力的现代化。中国人民大学数字孪生平台将为兄弟高校在智慧校园建设中提供可借鉴的建设经验。下一步,我们将继续丰富数字孪生平台的应用场景,如学生学业分析、贫困生救助、优质课程推荐等,持续推动信息技术、智能技术与教育教学的深度融合,开创“互联网”条件下的人才培养新局面。