探路数字孪生校园建设
数字孪生校园是什么，怎么建？这正是当下高校信息化工作者普遍关注的热点话题。
数字孪生所蕴含的思想最早由美国密歇根大学迈克尔·格里夫斯（Michael Grieves）教授提出。2012年，NASA（美国国家航空航天局）正式提出“数字孪生”这一概念，并将其运用于航空航天领域。
随着互联网、大数据、云计算等技术的飞速发展，数字孪生逐渐成为未来智慧校园建设的新方向。
那么，数字孪生校园建设有哪些关键点？如何规划数字孪生校园建设？建设中面临哪些挑战？如何应对这些挑战？都是我们需要深入思考和探讨的命题。针对这些问题，各位信息化工作者给出了自己的见解和思考。
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物理世界与虚拟世界的“双胞胎”
“目前，数字孪生在业界尚无统一的定义。”山东大学信息化工作办公室常务副主任郭晓东表示，顾名思义，数字孪生就是现实世界的物理本体和虚拟世界的数字虚体组成“双胞胎”，通过综合应用大数据、物联网、AI、GIS、BIM、三维立体建模、VR/AR/MR等关键技术和信息化手段，对现实世界中的物体、过程和系统等进行数字化，在虚拟化环境中进行仿真和模拟，实现对物理世界的数字化再现和与物理世界的实时互动。
郭晓东表示，数字孪生校园可以理解为将现实中的物理校园环境映射成虚拟的数字世界，实现对校园各类场景的精准模拟和智能化管理，拓展校园数字空间，为师生、管理人员等提供全方位、个性化、智能化的数字化应用与服务。
同时，他认为数字孪生校园的建设包含三种形态：一是构建以校园空间为本体的数字化模型，从规划、设计、建设、运维等全生命周期实现校园空间（包含建筑、教室、场馆等）的数字化模型建设；二是构建以校园场景为主体的数字化模型，对校园内教学、科研、管理等各类活动场景进行数字化模型建设；三是实现物理校园与数字孪生校园共生长、同进化，构建共同演进的校园智能体。
而在华中科技大学网络与信息化办公室副主任吴驰看来：“虚拟实体不能仅是对物理实体的‘复刻’，更应该是物理实体的‘孪生’，通过‘虚实’交互结合，实现共同成长。”他认为，理想中的数字孪生校园应该是在智慧校园建设和发展的基础上，校园各类实体、业务高度数字化的产物。它是一个与实体校园交汇融合的“虚拟大学”，师生可以在实体空间和虚拟空间自由切换，满足管理、科研、教育教学和生活服务等各类需求。
“数字孪生并不是一项新技术，它是多种数字技术的综合。”北京外国语大学信息技术中心主任杨红波表示。他认为，由于各个高校的需求点不同，所以对数字孪生的关注点也存在差异。但是整体来说，数字孪生对教育教学、虚拟现实、物联数据采集、辅助决策等都产生了较大的推动作用。目前，各高校的目标应该是通过数字孪生技术，将实体校园和虚体校园融合起来，服务于教学科研。据他介绍，很多时候，北京外国语大学（以下简称“北外”）的专业工作人员都是通过数据大屏去监测和预警断网或教室设备问题。同时，能够生成各项按日、按周、按月的统计数据，从而有效地辅助决策。
随着教育数字化转型的迫切要求和信息化技术的快速发展，众多高校已将数字孪生校园建设提上发展规划和建设日程，部分高校已经进行了数字孪生校园建设实践。总体看来，当前数字孪生校园建设虽然处于起步和局部尝试阶段，但这正从另外一个侧面显示出其的巨大潜力。
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数字孪生成为校园建设新引擎
“从高校信息化建设的经验看，数字孪生校园是数字校园建设的升级和演进，数字孪生技术在校园建设、校园治理、教学科研等领域都有显著的应用价值。”郭晓东表示。
总的来看，数字孪生技术主要可以应用于下面这四个方向。
首先，在校园建设上，形成孪生数字化建模，构建虚拟校园空间。
郭晓东表示，在校园建设阶段，依托园区信息模型平台（CIM）基础设施，把物理工程与智能化工程同步规划设计、同步建设实施，打造智慧基建能力，每周呈现校园建设进展。
基于校园信息模型，在CIM平台上把学校各领域数据进行集成，从而达到“规划设计一张图、建设监管一张网、学校治理一盘棋”的新格局。
从校园建设之初，智能化技术和手段就嵌入其中，形成孪生数字化建模，每加盖一层物理建筑，建筑建模的数字化设施就同步更新，形成与物理实体一致的虚拟校园空间。
其次，在运营管理上，依托关键技术，实现可视化、智能化管理。
从校园规划角度看，郭晓东表示，建设校园智慧运营中心（IOC），实现校园内的所有建筑、房间、设施、地上地下管线和车辆、人员、事件的可视化管理、结合传感网络智能感知实现远程智能化识别、定位、跟踪、监控和管理，使人、事、物、知有机集成一个智能化整体。
从技术支持角度看，吴驰表示，主要体现在三个方面：一是依托GIS、3D可视化等技术，实现校园空间可视化规划与管理；二是依托GIS、3D可视化、物联网等技术，实现校园水电能源、安防消防、交通门禁、物业等的智能化运营管理；三是依托GIS、3D可视化、物联网、数据中台、大数据等，为学校决策提供支持。
再次，在人才培养上，打造泛在教学空间，建设智慧学习环境。
郭晓东表示，依托数字孪生校园规划，打造泛在智能的教学空间，高标准规划建设智慧教室、智慧实验室、智慧场馆、智能研讨互动空间等区域，构建物理与数字孪生融合的泛在学习环境。
打造“智慧学工”系统，实现综合分析、预警预判、业务优化等业务功能，不仅能为学生提供学生画像、基本信息查询、学习和消费行为、成长轨迹等分析服务，同时也能实现校园宿舍、学业、消费、个体安全、公共安全等预判预警查询，还能在精准扶贫等领域推动校园管理效率的提升，从而构建更加简单、高效、贴心、智慧的教学、工作和生活环境。
其中，“教学环境是数字孪生技术的核心应用场景。”杨红波表示，北外数字孪生教学保障中心，利用全楼物联网应用，达成系统平台与教学资源互通互享，实现了校园教学与管理的数字孪生。
最后，在教学科研方面，打造教育教学、科研创新一体化环境。
郭晓东表示，可以通过数字孪生技术向地下工程、智慧建筑、智能制造、电气与智能化、智能控制等专业学科提供教学、演示、操作、实训、模拟测试于一体的综合平台；通过将虚拟环境与现实世界相结合，建立数字孪生模型，探索教育理论、教育科技等领域中的新思路、新方法、新模式；在数字孪生校园建设过程中，引入校内科研力量和创新团队，服务于技术实践和创新。
2022年，山东大学在济南、青岛、威海分别建设了一套全息教室，利用三维建模、全息投影和AR技术，实现了三地的全息授课。学校的多个团队也都将数字孪生技术与教学科研深度融合，如齐鲁医学院采用数字人技术创新了解剖实验的教学方式等。
“经过十多年的持续探索与建设，高校信息化工作卓有成效。”郭晓东表示，IT基础设施、数据中心、信息化应用等初具规模，在信息化机制体制、人才队伍、经费保障等方面也日益完善，这为数字孪生校园建设打下了坚实基础。但也必须认识到，高校在数字孪生校园建设方面的技术储备、产业链、安全保障等依然存在很多不足。
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涉及面广 挑战众多
数字孪生校园涉及规划、设计、建设及运营等诸多方面，同时又受数字孪生技术能力等多种因素制约，在实际建设中面临众多挑战。综合来看，当前数字孪生校园建设主要面临如下挑战：
数字孪生技术需要形成标准。
郭晓东指出，目前数字孪生技术仍在快速演进中，建筑信息模型（BIM）、园区信息模型（CIM）等不同厂商之间并未形成统一的标准，数据导入与系统迁移面临巨大挑战；物联网数据采集与控制也面临同样问题；在VR/AR虚拟呈现方面，仍存在许多亟待解决的技术挑战。
对此，杨红波表示，当前大部分高校还是借助厂商的力量去开发数字孪生技术，而且高校的需求存在多样性和高变动性，所以于高校而言，培养相关技术开发人才可以有效解决遇到的难题。然而，某种意义上来说，数字孪生技术的开发并非当前高校的“刚需”，所以很多时候，只能希望在通用技术上能够获得厂商的更多支持，在投入预算可控的情况下，能够实现技术的持续更新。目前，北外的“刚需”是教学设备保障，在教学方面已经历了1.0～2.0～3.0的迭代，目的是将数字孪生应用做得更深。
数字孪生产业链仍需完善。
郭晓东指出，具体产业的整条产业链中涉及各种不同职能的主体，通过建立数字孪生产业链能够实现这些主体的跨区域、跨行业、跨企业、跨部门的高效协同与资源优化配置，但目前数字孪生产业链中的各主体尚处于碎片阶段，联系不够紧密，数字化程度较低。
对此，他表示，可以通过将数字孪生校园列入学校信息化发展规划，加强与各部门之间的信息化调研、沟通工作，凝聚共识、形成合力，整合各方面数据及资源，并充分借助校内科研团队的创新能力，共同推进数字孪生校园建设。
数字孪生需要保障系统安全和数据安全。
“数字孪生系统中，数字孪生体与物理实体的交互建立在网络数据传输的基础之上，数字孪生的应用使得企业原有的封闭系统逐渐转变为开发系统，因此系统安全问题随之而来。”郭晓东指出，首先是数据传输与存储的安全，即在传输及存储的过程中面临数据丢失、数据泄密等风险，其次是数字孪生虚实交互过程中存在安全漏洞，而导致其易受外界攻击，进而引起数字孪生体与物理实体之间运行紊乱。
对于数据安全，杨红波说：“让数据安全性更高的前提是少采集，不该采集的千万不要采集。”他认为，正如电影《银河帝国》中哈里·谢顿博士提出的预言始终只讲究未来发展趋势一样，人们用数据去表达一个技术发展路径的时候，实际上是不讲究个体的。同样的，高校数字孪生也好，数字化或信息化的进程也罢，有时只需要把握趋势。
针对这些挑战，各高校在探寻解决措施的同时，还应思考未来数字孪生校园的发展路径，抓住影响数字孪生校园建设的关键因素，对症下药，进一步激发出数字孪生校园的潜力。
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面向未来：先脱贫、再小康
郭晓东表示，当前数字孪生校园建设的新需求、新场景和新应用正不断出现，并在校园建设、校园运营、校园治理、教学科研等方面涌现出了一些代表性成果，在校园信息化建设中展现出日益重要的应用意义和巨大潜力，进一步推动并引领信息化工作深入发展。
面向未来，杨红波认为：“教师的需求永远是对的，在数字孪生校园的建设上，要遵循‘先脱贫、再小康’的发展理念，先抓教学数字孪生。”
结合当前高等教育领域数字孪生校园的建设现状，整体来说，未来推进数字孪生校园建设可从以下几个关键点抓起。
第一，认识引领意义，把握发展机遇。
郭晓东表示，国家“十四五”规划纲要明确提出要“探索建设数字孪生城市”，为数字孪生城市建设提供了国家战略指引。因此，在教育领域如何利用数字孪生技术进行数字孪生校园建设、进一步推动和引领教育数字化转型具有重要意义。
他进一步提出，数字孪生校园建设是智慧校园建设发展的必然趋势，是数字校园建设的深化和升华，可以实现物理校园和数字孪生校园的深度融合和迭代优化，从而构建一个同生长、共进步的自进化校园智能体。
第二，以数据为突破口，强化数据治理。
“数字孪生校园建设是在各类业务数字化建设发展基础上进行的，其核心仍然是数据。”吴驰表示，华中科技大学信息化建设始终以数据为核心，以制度建设为抓手，通过“数据一个库”“一张表”等工程建设，扎实推进数据治理工作，成效明显。
“‘十三五’期间，很多高校都采集了大量数据，去展示或者去辅助决策，然而都没有达到预期效果。”杨红波表示，如今高校水电气暖数据、管线实时数据等的分析结果往往对学校下一步决策起着决定性作用。因此，智能数据分析成为数字孪生校园的一个标签，在数学模型和管理模型的基础上，能够对现实产生重大影响。
第三，创新发展，避免千篇一律。
“创新是数字孪生校园的核心竞争力，智能化是数字孪生校园的核心能力。”郭晓东表示，通过技术创新、场景创新、应用创新，改变学校教学、科研、管理和服务的模式与生态，为用户提供全方位、个性化、智能化的信息化服务。
同时，综合运用人工智能等技术，实现物理校园与数字孪生校园同生长、共进化，构建共同演进的校园智能体。
另外，“数字孪生并没有一个国家标准，大家都是摸着石头过河。”杨红波表示，对于外语高校，更关注国际交流和校园的Open程度；对于美术类高校，则更重视作品的版权、学生的采用率、作品的获奖率等。因此，各个高校要创新发展，不跟风，走自己的数字化转型之路，有效推进数字孪生校园健康发展。
第四，部门协同，实现可持续发展。
“数字孪生最主要的是要操作，所以需要跨部门协同，这样才能产生一个适合自己的、高效的管理模型。”杨红波表示，目前数字孪生的可持续发展主要集中在技术层面，以虚拟建模为例，由于建模技术所涉公司的壁垒较大，所以选定一家公司后很难进行迁移或升级。当校园环境发生变化时，原有公司的技术、设备等很可能需要全部替换。对此，各个高校都希望实现模块化、可持续发展，至少不会频繁地推翻重来。他认为，要保障用户投资，首先要保证技术的可持续性发展，比较合理的是形成通用的建模技术，但显然目前的技术还不够通用。
总的来说，尽管数字孪生校园建设面临诸多挑战，但其发展潜力不容忽视。
要实现数字孪生校园建设的全面发展，各高校需要深刻理解“方法重于技术、组织制度创新重于技术创新”的工作理念，并根据“应用为王、服务至上、简洁高效、安全运行”的工作方法要求，结合学校信息化的需求和发展阶段，进行统筹规划和分步实施。同时，也要以师生用户为中心，充分体现数字孪生校园建设带来的实际效益。
只有这样，数字孪生校园建设才能真正发挥其作用，服务于高校立德树人的核心任务，从而推动我国高等教育智慧校园建设迈向新的高度。
来源：《中国教育网络》2023年8月刊
编撰：陈永杰
投稿或合作，请联系：eduinfo@cernet.com
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