數字孿生技術在智慧校園中的研究與應用

劉哲, 趙曉宇, 李艷麗, 張蕊, 劉冀琛

(中國人民大學, 信息技術中心, 北京 100872)

0 引言

近年來,隨著5G、云計算、大數據、物聯網、人工智能和數字孿生等新興技術的迅猛發展,持續推動學校教學、科研、管理、服務等各項工作的改革創新,加快學校智慧校園建設進程,推進學校治理體系和治理能力現代化[1]。目前,從兄弟高校智慧校園建設中數字孿生的應用場景分析,數字孿生平臺僅是實現了與科研、人事、教務、OA辦公自動化和學籍管理等若干系統的數據對接和校園三維建模,并未與智能設備控制系統實現對接,如智能照明系統、能耗計量系統、變配電監控系統等。因此,學校無法整體掌握設備的能耗信息及管控校園硬件設施,并未從真正意義上建設具有輔助決策及聯動指揮能力的數字孿生校園。

1 發展現狀

1.1 數據治理與數據共享

高校業務系統類型繁多且使用頻率較高,每時每刻都在生產大量的數據,其中,有固定格式和規則組織的結構化數據,也有無固定格式的非結構化數據,且在高校信息化建設初期各自為政的應用系統所帶來的信息孤島問題一直是高校在數據共享、流通、治理過程中面臨的難點之一。建設規范準確的數據中臺,協調各相關部門及時準確地按照統一數據標準提供相關數據,并將數據進行聯動互通,既要滿足各相關業務的數據提取需求,還要保障各類數據的信息安全,是智慧校園數據聯動與可視化的重要基礎。卓鳳艷等[2]設計了異構數據庫數據實時同步策略應對數據同步延時問題;鄒恒華等[3]提出了連接能力強、開放共享、協同融合的新一代集成平臺;楊強[4]提出了高校數據治理建設路徑,構建數據治理全生命周期生態體系模型,在一定程度上提升了數據的可用性和安全性。上述方法均能在一定程度上解決數據同步、清洗、轉化、共享等問題,但是均缺少數據質量評估、數據問題反饋及質量持續調優環節。

1.2 數字孿生技術

數字孿生是將工業產品、制造系統、城市、園區等復雜物理系統的結構、狀態、行為、功能和性能映射到數字化的虛擬世界,通過實時傳感、連接映射、精確分析和沉浸交互來刻畫、預測和控制物理系統,實現復雜系統虛實融合,使系統全要素、全過程、全價值鏈達到最大限度的閉環優化。數字孿生與產業技術的深度融合,有力推動了相關產業數字化、網絡化和智能化的發展進程,正成為產業轉型升級的強大推動力[5]。崔一輝等[6]就數字孿生技術在航空發動機設計、制造和服務等業務領域的實現途徑進行了分析和驗證,有效提高了產品生產質量和生產效率;劉芳等[7]提出了數字孿生在智慧工廠、智慧城市、孿生醫療、航空航天等領域的場景應用;劉占省等[8]設計了一種基于數字孿生的消防疏散動態引導方法,較好地實現了城市建筑物發生火災時動態進行疏散路徑規劃、室內人員定位等功能;周瑜等[9]提出了將雄安新區建設成為數字孿生城市,真正意義上建設“以人民為中心”的智慧城市;李林等[10]設計了一個基于時空編碼的開放性大數據架構,為城市信息模型(CIM)平臺提供了重要的價值。以上文獻重點圍繞運用數字孿生技術在智慧城市建設、智能制造方面展開,均未涉及在智慧校園、校區設備遠程管控和耗能分析優化中的應用場景。

2 數字孿生平臺的研究與實現

2.1 平臺的整體架構設計

本平臺采用分層架構設計,主要設計為物聯管理中心、全量數據中心、數據倉庫、數字孿生中心和校園主題可視化展示等5層結構。其主要功能模塊包括數據采集、設備管控、3D模型庫、場景維護、模擬仿真、智能診斷、監測預警、數據呈現、決策支持。平臺的整體技術架構如圖1所示。

圖1 數字孿生平臺整體架構圖

2.2 主要功能模塊實現

2.2.1 物聯管理中心

物聯管理中心主要提供統一標準物模型、多協議解析、海量設備管控及數據采集入庫功能,實現全校物聯設備數據的互聯互通。該物聯中心通過物模型來實現對各類設備的定義和管理,包括定義物模型、下發物模型、編輯物模型、查看物模型、刪除物模型等幾大功能。物聯中心支持常見的設備數據通信協議解析(如BacnetIP、ModbusTCP、M-Bus、KNX/EIB、LonWorks、MQTT、CoAP、OPC等),已與學校實現對接的智能控制系統有樓宇自控管理、智能煙感控制、消防管控、攝像頭管控、智能照明、變配電監控等。目前,物聯管理中心與業務系統采用的對接方式如表1所示。

表1 物聯中心管理模式

結合學校的具體需求及實際情況,本文采用SDK-旁路模式管控設備,由業務部門負責建設自有的智能控制系統(如門禁系統、智能照明系統、樓宇自控系統等),設備控制權仍保留在業務部門,最大程度保留業務子系統的完整性,同時便于業務部門對子系統的快速安裝部署、運維、監管等工作的開展及減輕數字孿生平臺的運維壓力。

2.2.2 全量數據中心與標準數倉

設計并建設一個穩定、安全的全量數據中心,筑牢數據底座。按照“應采盡采、統一匯聚”的工作原則,將各類設備智能管控系統(如水電氣熱傳感器等設備數據)及業務系統(如人事、科研、教學、學籍管理等系統)產生的數據聚集到全量數據中心,依托校級大數據治理平臺,深度整合應用,打破“數據孤島”,構建全校資源數據倉庫,實現應用數據的統一管理與共享。同時基于數據質量分析報告,與數據生產部門共同提高數據質量,形成數據“在用中優,在優中用”的良好態勢,真正做到讓數據一次治理、多次、多方使用,為校內應用系統建設提供穩定的數據支撐服務。

2018年9月,中國人民大學信息技術中心協調學校各相關部門,啟動建設數據共享中心平臺,分類整理各種數據信息,遵照一個標準、一個數據庫的原則,經過一年多的籌備,于 2019年11月平臺正式上線運行,該平臺自上線運行以來已為百余個業務系統提供高效、穩定的數據共享服務。經過持續的優化、升級最終構建了學校權威的、準確的、完備的全域數據倉庫,充分解決數據質量低、利用率低、鏈條缺失、不可追溯等實際問題,滿足校務數據的儲存、服務、監控、安全等在內的數據全生命周期管理,支撐智慧校園各業務領域的數據模型、數據關系清晰化,充分發揮數據中臺的作用。學校數據共享中心平臺架構如圖2所示。

圖3 三維模型可視化流程圖

2.2.3 孿生中心

孿生中心是本平臺的核心功能模塊,主要分為三維建模、模擬仿真及AI智能監測預警。下面對三維建模和模擬仿真進行詳細描述。

(1) 三維建模

學校的CAD、BIM、GIS數據可用于制作數字孿生校園的校區3D場景,包括但不限于校園的整體校區(含道路、出入口、綠化等基礎設施)、建筑、室內結構、設施設備、管線、地下空間、綜合管廊等進行全面建模,來實現資源的可視化。

(2) 模擬仿真

通過針對特定場景的數據建模來實現場景的模擬仿真,可在線開展場景演練或重現故障,全面修正應急預案、完善指揮調度流程、優化系統運行。如:模擬校內舉辦大型活動(校慶、大型體育活動、文化活動等),要能夠模擬人流、車輛暴增導致交通擁堵甚至造成人員踩踏,能夠優化應急預案、優化管理人員調度、模擬閘機開放、交通疏導、班車運力調度、地鐵運力協同等流程,全面助力校園管理水平的提升;模擬極端雷暴天氣下,校園內海綿城市系統、地下管廊系統對瞬時雨水的承受能力,優化防汛物資儲備、物資調度、應急廣播、人員疏散、后勤保障、危險區域與物品防護等工作,優化預案流程。

3 數字孿生在智慧校園中的典型應用

3.1 智慧教學

獲取教學管理數據并在整體三維空間中以及融合視頻畫面上疊加顯示各類可視化信息,快速識別場景空間信息、教學教務動態等信息,形成從外到內的多維度感知,實現透明教室、透明教學、智慧管理。主要展示內容:資產展示、教室使用情況和使用率展示、教學環境展示、教學管理展示、實驗室管理展示、教學督導智慧教室展示、課表展示、課件資源展示、運維數據展示。

教學數據可視化。通過與教務系統深度對接,直觀展示當前實時授課的教學班數、當前實時上課的學生數、當前實時上課的課程數;實時查看各個教室的錄播畫面,支持直播、多畫面實時巡視、教學數據分析與統計等多種場景應用。

3.2 智慧安防

基于平臺自身集成的視覺智能算法,在服務器端實現對視頻流或者圖片流的結構化處理,構建以人、車、物、事件為核心的視圖大數據分析服務體系。提供智能檢索、行為追蹤等多種研判分析手段,如動作識別、人臉識別、禁區闖入等智能功能,如有可疑人員、非法闖入或火災、輿情均可實時監測,并向管理人員發送短信或微信提醒,緩解學校在安防方面的運行壓力和降低人力成本。

在數字孿生平臺與視頻監控、人車通行記錄、智能消防、停車管理等各類安防系統進行數據對接、統計分析的基礎上,以3D形式將校園各場景的態勢清晰呈現,實現快速查詢相關車輛和人員在指定時間段內的通行情況、火災、輿情、人員聚集智能告警等,全面提升校園整體安防消防管理水平。

3.3 智慧物聯

利用數字化、虛擬化技術對設備的運行數據進行采集、統計、分析,以提高設備使用壽命及保障設備正常運行?；谌S模型實現校園的園區、建筑、樓層、設備的逐級可視化展示;聯動智能照明、能源管理、生態環境監測、建筑設備監控、智慧管廊、資產管理等系統,為建設綠色、生態、智能的新時代新校園全面賦能。

能耗分析與優化。數字孿生平臺采集實時能耗監控數據,在三維場景中綜合展示空調、電梯、照明、供水、通風、通訊、安防、機房等各項耗能情況,包括分類統計面板、分區統計面板、歷史趨勢圖表等;分項詳細展示每個統計項的能耗情況,以高級圖表的方式顯示實時數據及分區統計信息;對各單體建筑、各功能區域的能耗占比、環比、同比,關鍵能耗設備用能情況進行多維度統計和大數據分析,透視能耗結構、分析用能習慣,并通過峰谷、平谷用電分析,評估用能趨勢,優化校園用電,并對能耗數據進行實時監測,當發生異常時快速定位問題所在,及時做出判斷。

3.4 智慧IT

智慧IT展示內容主要包括網絡基礎設施和網絡數據。根據學校實際工作需要,選取學校數據中心機房建設高精度模型,打造亮點品牌,包括機柜、服務器、交換機、路由器、UPS等數據中心設備建模,攝像頭、門禁、閘機、消防栓、報警設備等安全消防設備建模,照明、新風、冷熱源、暖通等物聯網及樓控設備建模,實現學校數據中心、校園網絡的整體運行態勢展示,為學校核心機房、服務器和網絡維護和巡檢保障提供有力支撐。

4 總結

本文在深入研究數據治理、數字孿生的基礎上,詳細介紹了中國人民大學在建設數字孿生平臺過程中的探索及應用,實現從單一維度的數據展示到全方位的數據聯動與分析、科學決策、智能預警的數字孿生平臺,為降低學校在實時監測、保衛安防和能源管控等方面的成本投入提供強有力的支撐,一定程度上提升了學校治理體系與治理能力的現代化。中國人民大學數字孿生平臺將為兄弟高校在智慧校園建設中提供可借鑒的建設經驗。下一步,我們將繼續豐富數字孿生平臺的應用場景,如學生學業分析、貧困生救助、優質課程推薦等,持續推動信息技術、智能技術與教育教學的深度融合,開創“互聯網”條件下的人才培養新局面。