数字孪生校园的内涵、架构与推进路径

李俐 胡永斌

（江苏师范大学 智慧教育学院，江苏 徐州 221116）

“数字孪生”（Digital Twin）的概念起源于美国国家航空航天局的“阿波罗计划”。2020 年，美国工业互联网联盟（IIC）发布了《工业应用中的数字孪生：定义、行业价值、设计、标准及应用案例》，将数字孪生纳入工业物联网技术体系[1]。近年来，我国政府陆续出台相关文件，推动数字孪生技术发展，并在2021 年将数字孪生写入《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》，作为数字中国的重要建设方向[2]。

通过物理世界和虚拟世界的融合，数字孪生逐渐成为多个领域的创新驱动力和数字化转型使能技术[3]。随着数字孪生技术的逐步完善及应用领域的不断拓展，国内外学者和教育部门开始关注并探讨数字孪生技术在教育领域的应用。在理论研究上，朱珂等人[4]将数字孪生技术与全息可视化学习空间进行了结合，认为数字孪生能够赋能全息课堂，并对其教育功能和构建路径进行了详细阐述。在实践应用上，奥古斯丁·扎巴洛斯（Agustin Zaballos）等人[5]使用物联网技术来监测和优化大学校园的学习环境，并建模、设计与实施了相应的校园数字孪生模型，以评估能源效率。虽然该研究是为了测试建筑信息建模工具与基于物联网的无线传感器网络在环境监测和情感监测领域的应用效果，但这仍然是数字孪生技术应用于校园治理的一次重要尝试。2022 年，中国传媒大学打造了我国首个开放于元宇宙平台的“虚拟大学”，其借助街景地图、三维重建、三维引擎等数字孪生技术，精准实现了数字孪生校园的环境搭建，体验者可通过虚拟现实设备、移动端或电脑端作为虚拟化身漫游校园[6]。此外，上海市也已经开始关注数字孪生技术与教育的融合，《上海市教育数字化转型实施方案（2021—2023）》中就指出要探索数字孪生学校建设[7]。褚乐阳等人[8]认为数字孪生校园的出现和应用能够弥合虚拟与现实的界限，有利于创设泛在智慧学习空间，从而支持学习者的个性化学习。

整体来看，当前数字孪生在教育领域的研究探索刚刚起步，缺少成熟的理论成果和清晰的建设应用思路，亟待加强系统构建研究和推进策略研究。基于此，本研究将系统阐释数字孪生校园的内涵、特征、关键技术与架构设计，并提出推进数字孪生校园建设的路径，以期推动数字孪生赋能数字校园建设。

一、数字孪生校园的系统构成

（一）数字孪生校园的内涵

关于数字孪生的定义存在多种视角，陶飞[9]和伊莉莎·内格里（Elisa Negri）[10]等学者对此进行了综述。目前普遍认为数字孪生是一种数字化理念和技术手段，它以数据与模型的集成融合为基础与核心，通过在数字空间实时构建物理对象的精准数字化影像，基于数据整合与分析来模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程，最终形成智能决策的优化闭环[11]。数字孪生具备虚实融合与实时交互、迭代运行与优化，以及全要素、全流程、全业务数据驱动的特点[12]。

数字孪生的本质是以数字形式为物理实体创建虚拟模型，进而模拟实体行为、监控持续状态、识别复杂性、检测异常模式、反映系统性能和预测未来趋势[13]。最初，迈克尔·格里夫斯（Michal Grieves）构建了数字孪生“三维”模型并得到了广泛应用，但随着应用领域的扩大，数字孪生面临着来自不同领域、不同用户层次、不同业务的更多服务需求。因此，在数字孪生三维模型的基础上，陶飞等人[14]构建了五维模型，以促进数字孪生在更多领域的进一步应用。

数字孪生校园（Digital Twin Campus）是学校物理空间与网络虚拟空间相互映射、协同交互的复杂系统。从狭义看，数字孪生校园是数字孪生理念与技术在学校范围的应用，是基于复杂综合的技术体系构建的物理校园的数字孪生体。从广义看，数字孪生校园是物理维度上的实体学校和信息维度上的虚拟学校同生共存、虚实交融的未来学校发展形态，是以虚拟服务现实、数据驱动治理为特征的未来学校智能化运行的先进模式。数字孪生校园的系统构成要素包括物理校园（Physical Campus）、虚拟校园（Virtual Campus）、孪生服务（Digital Twin Services）和孪生数据（Digital Twin Data）4 部分，其关系如图1 所示。

图1 数字孪生校园的系统构成要素

1.物理校园

物理校园是指物理世界的真实学校。物理校园除了包含地理位置、学校各要素和环境，还包含学校中的组织、活动以及关系。与传统的学校相比，数字孪生校园除了具备传统学校的功能，还需具备用于收集实时数据的智能传感器等物联感知设备。

2.虚拟校园

虚拟校园是信息维度上的数字孪生体，它以数字方式为物理实体创建虚拟模型，以模拟其行为。此时的虚拟校园依赖且服务于真实的物理校园，两者同生共存、虚实交互，且服务对象相同，虚拟校园是真实物理校园的部分职能在虚拟世界的延伸。虚拟校园是将学校数字孪生的载体，通过对物理校园所包含的实体要素及其关系进行实时数据的采集、汇聚、建模、分析及反馈，实现校园的多维仿真、智能预测、虚实交互、精准控制。

3.孪生服务

孪生服务是数字孪生校园各类功能与服务的集合与总称，是物理校园与虚拟校园实现虚实交互的媒介。数字孪生的目的是以虚拟服务现实，数字孪生校园的虚实互动过程是通过将物理校园数据的实时采集、接入及映射到虚拟校园，进而实现对物理校园的仿真和模拟。同时，会在数字空间中进行大数据量的计算、预测和演练，服务系统的相关功能负责提出关于校园规划、校园建设、校园治理等的科学决策建议，并不断迭代优化，最终相关决策建议会在物理校园执行，相应的执行结果会再次映射到虚拟校园，并及时进行信息更新，实现物理空间与数字空间的双向闭环互动。

4.孪生数据

孪生数据是数字孪生的关键驱动因素。孪生数据是指数字孪生校园在运行过程中所采集与产生的所有数据，包括时空基础数据、物联感知数据、网络传输数据、业务应用数据等。数字孪生是物理实体的实时动态超现实映射，数据的实时采集、传输和更新是实现物理对象与其数字孪生系统间全要素、全业务、全流程精准映射与实时交互的重要一环。

（二）数字孪生校园的典型特征

1.虚实交互

虚实交互是指物理空间与数字空间的双向互动，借助物联网、AR、VR、人机交互等技术的协同作用，实现虚实空间融合、控制与反馈。精准映射是虚实交互的基础，数字孪生技术要求在数字空间对物理对象进行数字化呈现。数字孪生校园不仅将物理校园在视觉上进行还原，而且对其运行规则也真实还原。现实世界中的物理校园和数字空间中的孪生校园能够实现双向映射、数据连接和状态交互，即真实物理校园的任何状态变化都能同比反映在其孪生体中，对虚拟校园的任何操控都能实时影响到对应的物理校园实体。

2.数据驱动

学校基础数据、各部门业务数据、校园运行数据等各类数据均以属性的形式加诸物理校园实体，而物理校园实体又加载到校园信息模型，形成模型、实体、数据一体化。数字孪生校园能够汇集多元数据，并对汇集后的数据进行分析、加工与挖掘，使之充分发挥价值。与以往数字校园的大数据分析有所不同，数字孪生校园的数据分析具有全局性、可视化、与位置关联、支持仿真试错等特点，可以助力校园治理全面升级。

3.动态可视

动态可视是指通过将感知的多源数据进行数字化建模和可视化渲染，数字孪生校园提供了全要素、全范围、全过程的真实渲染效果，实现了全空间信息和校园实时运行态势的动态展示。一方面，数字孪生校园既可以展示校园全貌场景，也可以展示诸如教室、食堂、场馆设备等微场景，提供全粒度、多尺度的多维展现效果。另一方面，数字孪生校园可视化具有动态性特点，可将校园实时运行情况，如课堂情况、校园环境、监控视频等实时信息与空间模型紧密融合，动态展示可视化对象的状态变化，精准反映物理校园的真实状态和运行情况，使虚拟校园更加鲜活。

4.开放参与

开放参与是数字孪生技术赋予学校的新特征。以往学校为了保证安全，很难做到完全对外开放，而数字孪生校园可以超越时间与空间，既面向校园，也面向社会。通过将校园三维景观和教学环境进行数字化与虚拟化，来访者可以作为虚拟化身浏览校园风光，甚至可以与校内学生共同参与活动来感受校园文化。

5.以人为本

数字孪生不是目的，而是一种技术手段。数字孪生校园旨在全面整合和拓展教育领域的各种应用，并以三维数字化的方式呈现，使其能够支持教育教学、资源互换、沟通交流、数字化办公、数字化管理与领导决策分析，全面提高教育教学质量，最终为学生、教师、家长、学校服务。

二、数字孪生校园的关键技术

（一）物联感知：全面感知物理校园实时数据

感知是数字孪生体系架构中的底层基础，要创建高保真数字孪生校园模型，必须认知物理世界并感知数据。数字孪生需要不断地提取实时传感器和信息系统产生的数据，以表示物理实体近乎实时的状态[15]。因此，为了使虚拟模型与其真实世界的对应模型同步，就必须通过智能感知设备收集校园实时数据。

为了建立校园全域、全时段的物联感知体系，并实现真实物理校园运行态势的多维度、多层次精准监测，感知技术不但要有更精确可靠的物理测量技术，还需考虑感知数据间的协同交互，明确物体的空间位置及唯一标识，并确保设备可信可控。标识是为物理对象赋予数字“身份信息”，支撑孪生映射，构建准确的数字孪生校园模型离不开数字化标识技术。标识技术能够为各类部件、物体赋予独一无二的数字化身份编码，从而确保现实世界中的每一个物理实体都能与孪生空间中的数字虚体精准映射、一一对应。数字孪生全域标识可实现数字孪生资产数据库的物体快速索引、定位及关联信息加载，也便于物理实体之间跨域、跨系统的互通和共享。目前，主流的物体标识编码包括Handle 标识、Ecode 标识、OID 标识等。

（二）三维实景：创建虚拟校园数字模型

数字孪生的建模是将物理世界的对象进行数字化，并转换成虚拟模型的过程。虚拟模型应该是物理实体的忠实副本，再现物理实体的几何图形、属性、行为和规则[16]。数字孪生相关建模包括几何建模、物理建模、行为建模和规则建模[17]。因此，数字孪生校园的建模不仅包括对物理校园的几何结构和外形进行三维建模，还包括对物理校园本身的业务流程、动态监测数据、软件与算法等信息进行全数字化建模，进而驱动校园数字化与智能化。

数字孪生校园模型不是静态模型，而是动态演进的，它是物理校园与虚拟校园完全对应、相互融合的结果。数字孪生校园模型，一方面是物理校园时空数字化还原的载体，通过对校园进行全要素数字化和语义化建模，实现从宏观大场景到微观小单元、从室外到室内的全空间立体还原，形成全空间一体化且相互关联的全领域立体模型；另一方面是实现真实物理世界与虚拟世界相互关联的重要技术手段，它能够集中可视化呈现校园运行情况、学生信息、教学数据、设备状态、决策效果等。可视化呈现是数字孪生校园所具备的各种应用能力的重要表达方式和直观展示窗口。数字孪生校园可视化，不是对校园中数字对象的简单呈现，而是根据具体业务场景，从模型处理、场景编辑、可视化渲染、脚本制作、虚实融合等多方面着力，实现全时空、全过程、全交互、全实时的可视化服务，从而构建一个更加逼真的虚拟空间。此外，通过将AR、VR 等技术融入虚实场景中，能够为数字孪生校园提供一种全新的互动性可视化功能。

（三）多源数据：全域、全要素、全过程的数据获取

数据驱动的数字孪生能够感知、响应并适应不断变化的环境和操作条件。数字孪生校园涉及全域、全要素、全过程的数据资源，它不仅汇聚了科研数据、资产数据、师生信息、图书信息等基础数据，还同时集成了环境信息、课堂数据、设备运行感知数据等动态数据。因此，人们通过数字孪生校园便可以从全景视角洞察校园整体情况，如校园环境、课堂教学、科研水平、资金分布、校园治安、校园舆情等。数字孪生校园多源数据体系具体如图2 所示。

图2 数字孪生校园多源数据体系

数据管理技术是使数据创造出更大价值的前提，可以确保数据的质量、完整性、安全性及对数据的高效使用。复杂系统的数据生命周期包括数据收集、传输、存储、处理、融合和可视化[18]。对于数字孪生校园实时数据的采集，可以依靠智能化传感器和多传感器融合技术。数据传输是实现物理校园与其数字孪生系统间实时交互、相互影响的前提，探索高速、低延迟、高性能和高安全数据传输协议（如光纤通道协议）是建设数字孪生校园需考虑的因素。在数字孪生校园建设的过程中，必然会伴随多源孪生数据的数量和异构性不断增加，因此分布式文件存储系统（FastDFS）、NoSQL 数据库、NewSQL 数据库和云存储等大数据存储技术的应用将发挥重要作用。而随着算法变得越来越复杂，新的数据处理架构，如边缘计算和雾计算，可以解决海量数据处理的问题。

（四）柔性仿真：在虚拟校园试错，在物理校园执行

数字孪生用包含确定性规律和完整机制的模型转化成仿真软件来模拟物理校园。数字孪生通过模型对物理校园进行分析、预测、诊断、训练等仿真模拟，并将仿真结果反馈给物理校园，从而帮助学校管理者进行优化决策。只要模型正确，并拥有完整的行为信息和环境数据，就可以基本正确地反映物理校园的特性和参数，验证和确认对物理校园问题理解的正确性和解决对策的有效性。和传统的仿真技术相比，数字孪生更强调物理校园和虚拟校园之间的虚实共融和实时交互，是贯穿全生命周期的高频次并不断循环迭代的仿真过程。

模拟仿真推演是数字孪生校园具备智慧能力的体现，实时柔性仿真能力是数字孪生校园进行辅助治理的优势所在，是实现对物理校园建设进行科学预测、指导与优化的关键。仿真推演基于各类算法，在数字空间中对物理校园进行实时或仿真计算，为校园规划、建设与管理提供参考和决策支持。通过对校园规划、建设、管理的模拟仿真，可以提前预判可能对校园产生的不良影响及潜在危险，帮助学校管理者制定合理可行的对策建议，以未来视角智能干预学校发展轨迹，实现智慧决策。

三、数字孪生校园的架构设计

实现数字孪生校园建设，首先要对校园中的物理实体及关系进行虚拟表达及映射。依托基础设施实现数据的汇聚、传输及处理，形成数据资源，在平台能力的支持下进一步融合数字孪生技术，形成能够对外提供的数字孪生服务，并通过交互服务实现与上层应用场景的融合。同时，还需要制定统一的标准规范并提供立体化的安全管理，从而保障数字空间各类资产以及服务的安全高效运行。基于对数字孪生校园技术体系与功能体系的规划，可构建数字孪生校园的总体架构，如图3 所示。

图3 数字孪生校园架构设计

（一）基础设施层

数字孪生校园的基础设施层包括感知设备、连接设备、计算设备及存储设备。感知基础设备包含嵌入式传感设备、物联网基础设施以及测绘设备等。数字孪生校园支持用户在任何时间、任何地点访问，必须保证良好的通信基础，因此，应采用5G 网络等较为先进的连接通信设备，为数字孪生校园建设提供高效、可靠的网络服务质量。数字孪生校园是一个大规模的多媒体系统，其操作需要巨大的计算成本，因此，计算设备可以包含边缘计算、云计算等先进计算基础设施，支持学校建立虚拟一体化计算资源池。除此之外，在数字孪生校园的建设与运行过程中会产生大量的数据资源，例如，地图、角色与建筑模型等，因此，需要存储设施提供大规模数据存储空间，包括块存储、对象存储、分布式存储和超融合存储等形式。

（二）数据资源层

数据资源层是学校各类数据的总和，包括地理空间数据、物联感知数据、部门业务数据、教学数据、互联网数据等。其中，地理空间数据是指三维建筑模型及各种矢量数据。设备感知数据是指通过传感器、摄像头及其他智能终端所采集到的数据资源，如温度、湿度、图片、录像及设备运行状态。教学数据是指学习过程中的学生行为数据和学习结果数据，包括学习资源使用数据、学习行为投入数据、课堂互动数据、课堂测验数据和作业与考试数据。部门业务数据是指学校各个业务系统的数据，比如教务、科研、党政等。两大引擎为数据资源层提供支撑，通过校园实时感知引擎安全高效收集数据，同时借助大数据分析引擎充分挖掘数据资源的使用价值。

（三）平台能力层

平台能力层为数字孪生校园提供共性能力支撑，向下接通数据，向上支撑业务应用。该层包含各种孪生服务，具体包括全要素数字化表达、时空计算、物联感知操控、静动态模型、模拟仿真推演、多维建模、虚实融合互动、可视化呈现等。多个能力的集成可将各种数据资源整合为一个有机体，进而协同支持校园问题的快速发现、精准定位和智能决策，调动末端智能响应，并提高学校资源的管理和配置效率。

（四）服务应用层

服务应用层是数字孪生校园最直接的功能体现，包含了其所能提供的各种应用服务。从教学科研应用层面看，通过全线采集教学信息获得教学过程中的各种数据，准确定位教师与学生的实际需求，解决“信息孤岛”问题。从校园管理应用层面看，数字孪生校园集成分析决策、学生管理、设备管理、安防监测等系统，并支持对各个楼宇的可视化监测，辅助校园管理者及时掌握安防态势，从而精准施策。从校园服务应用层面看，数字孪生校园不仅支持在校学生进行在线协作与社交活动，而且还向社会公众或家长等校外人员提供服务，他们可以通过化身虚拟形象游览校园，体验校园文化。

（五）实时交互层

实时交互层是用户获取服务的入口，可以为使用者提供良好的人机交互环境，能够提供多个类型的交互界面，实现跨系统数据互通及服务调用。数字孪生校园可同时面向教职工、学生、管理者、家长、社会公众等各类用户提供不同的服务与应用功能。综合应用多种终端接入技术，基于用户所处的不同环境，围绕特定应用场景，实现跨终端、多模态的交互方式，并进一步基于AR、VR、MR 技术，提供高逼真、多粒度、多维度的沉浸式体验。

四、数字孪生校园建设的推进路径

（一）强化顶层设计，布局数字孪生校园

上海市政府已经将数字孪生校园作为教育数字化转型的创新教育场景，未来推动数字孪生校园建设的政策文件和建设案例还会不断涌现。数字孪生校园是包含多异构设备、多异构网络、多异构数据的复杂系统，需要站在全局最优、整体统筹的视角，开展顶层设计和总体设计，保证系统能动性、相互约束性、数据可信和仿真。数字孪生校园建设过程需要多方协同推进，其中，高校及科研院所主要开展数字孪生校园基础理论研究，联盟协会则负责行业生态整合，加速产业互联、生态跃迁等。

（二）研制重点标准，完善标准体系建设

数字孪生校园高度依赖数据模型，而不同数据类型及数据的分散所有权是进行数字孪生的一大障碍[19]。缺乏一致的数据标准和规则收集的教育数据，将导致不同部门难以共享数据，无法通过协作创造协同效益，以及实现最大化数据价值。要想真正实现大数据集成并基于大数据实现高效协同治理，就必须做到学校各个业务部门的数据互相兼容。此外，在对物理实体进行映射时，也必然会涉及数据格式等标准统一问题。因此，组建数字孪生校园建设标准研制专家团队，共同搭建数字孪生校园统一标准体系，既要以共性支撑为基础，研究架构、成熟度等总体标准，也要研制数据资源规划、数据模型、数据融合等数据标准。

（三）攻关核心技术，聚焦共性难点问题

数字孪生校园要实现虚实互动、仿真推演、智能决策等能力，必须推进感知、建模、AI、仿真、交互等多技术的深度融合。由于各项技术集成关系较为复杂，目前面临相关技术人才严重匮乏、核心技术企业开放不足、技术集成难度较大等问题，难以支撑数字孪生校园高质量发展，因此，建议加强数字孪生校园基础理论与关键技术的研究，如三维可视化建模、仿真渲染、图形化引擎、空间计算、CPU 芯片、虚实交互等。同时，需要各技术领域针对实际业务场景开展务实合作，企业、科研机构等应开展数字孪生新产品和新技术的研发，加强核心产业培育，强化数字孪生人才供给，加快营造助力数字孪生校园高质量发展的生态环境。

（四）提高服务能力，建立运维服务网络

数字孪生校园建设与应用的过程中，必然伴随着软/硬件系统及数据存储量不断增加等问题，这对系统平台的服务能力提出了更高的要求，运维体系的建设显得尤为重要。因此，应更加关注数字孪生校园的长效运营，建立全覆盖运维服务网络，全面提升数字孪生校园服务质量。应着力提升数字孪生校园运维团队的服务能力，提供系统核心部分以及主要设备发生故障时的应急处理方案，从而实现数字孪生校园的可持续发展，为其长期稳定地发挥作用打下良好的基础。此外，还应为师生服务提供统一入口，除了包含系统的使用指南，还要能够收集并处理用户的反馈。

（五）挖掘优秀案例，发挥示范引领作用

挖掘一批数字孪生校园典型案例，充分发挥它们的先进性、引领性与示范性作用。一方面，要征集数字孪生校园的优秀案例和优秀解决方案，对其技术、平台、运营模式等进行研究，提炼标准要求及核心指标，指导标准研制。另一方面，要围绕数字孪生校园架构、成熟度等标准，开展标准验证及应用示范，研发标准化技术服务、数据模型构建、软件开源等公共服务平台，促进标准规模化推广应用，以标准化手段助力数据共享、产业联动。

总之，数字孪生校园建设难以一蹴而就，它是一项长期性、迭代性工程，需要不断演进升级。

五、结语

近年来，数字孪生相关产业快速发展，市场规模持续扩大，在各个领域的应用程度也不断加深，数字孪生校园有望成为教育数字化转型的新型基础设施和学校运营赋能平台。数字孪生校园作为基于创新理念与技术的前瞻性实践，是未来学校不可或缺的关键基础设施。数字孪生校园的探索与落地将会带动数字校园建设进入新的发展阶段，并成为其新发展阶段的核心底座，使学校具有虚实共生的数字基础设施能力。从目前来看，数字孪生校园还是一个新概念，缺少成熟的理论成果和清晰的建设应用思路，亟待加强系统构建研究和推进策略研究。未来随着5G、人工智能、物联网、大数据、云计算等技术的融合应用，数字孪生校园的建设和创新应用将迎来快速发展期，形成物理校园和虚拟校园并行共生发展的新格局。