數字孿生校園的內涵、架構與推進路徑

李俐 胡永斌

（江蘇師范大學 智慧教育學院，江蘇 徐州 221116）

“數字孿生”（Digital Twin）的概念起源于美國國家航空航天局的“阿波羅計劃”。2020 年，美國工業互聯網聯盟（IIC）發布了《工業應用中的數字孿生：定義、行業價值、設計、標準及應用案例》，將數字孿生納入工業物聯網技術體系[1]。近年來，我國政府陸續出臺相關文件，推動數字孿生技術發展，并在2021 年將數字孿生寫入《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》，作為數字中國的重要建設方向[2]。

通過物理世界和虛擬世界的融合，數字孿生逐漸成為多個領域的創新驅動力和數字化轉型使能技術[3]。隨著數字孿生技術的逐步完善及應用領域的不斷拓展，國內外學者和教育部門開始關注并探討數字孿生技術在教育領域的應用。在理論研究上，朱珂等人[4]將數字孿生技術與全息可視化學習空間進行了結合，認為數字孿生能夠賦能全息課堂，并對其教育功能和構建路徑進行了詳細闡述。在實踐應用上，奧古斯丁·扎巴洛斯（Agustin Zaballos）等人[5]使用物聯網技術來監測和優化大學校園的學習環境，并建模、設計與實施了相應的校園數字孿生模型，以評估能源效率。雖然該研究是為了測試建筑信息建模工具與基于物聯網的無線傳感器網絡在環境監測和情感監測領域的應用效果，但這仍然是數字孿生技術應用于校園治理的一次重要嘗試。2022 年，中國傳媒大學打造了我國首個開放于元宇宙平臺的“虛擬大學”，其借助街景地圖、三維重建、三維引擎等數字孿生技術，精準實現了數字孿生校園的環境搭建，體驗者可通過虛擬現實設備、移動端或電腦端作為虛擬化身漫游校園[6]。此外，上海市也已經開始關注數字孿生技術與教育的融合，《上海市教育數字化轉型實施方案（2021—2023）》中就指出要探索數字孿生學校建設[7]。褚樂陽等人[8]認為數字孿生校園的出現和應用能夠彌合虛擬與現實的界限，有利于創設泛在智慧學習空間，從而支持學習者的個性化學習。

整體來看，當前數字孿生在教育領域的研究探索剛剛起步，缺少成熟的理論成果和清晰的建設應用思路，亟待加強系統構建研究和推進策略研究?；诖?，本研究將系統闡釋數字孿生校園的內涵、特征、關鍵技術與架構設計，并提出推進數字孿生校園建設的路徑，以期推動數字孿生賦能數字校園建設。

一、數字孿生校園的系統構成

（一）數字孿生校園的內涵

關于數字孿生的定義存在多種視角，陶飛[9]和伊莉莎·內格里（Elisa Negri）[10]等學者對此進行了綜述。目前普遍認為數字孿生是一種數字化理念和技術手段，它以數據與模型的集成融合為基礎與核心，通過在數字空間實時構建物理對象的精準數字化影像，基于數據整合與分析來模擬、驗證、預測、控制物理實體全生命周期過程，最終形成智能決策的優化閉環[11]。數字孿生具備虛實融合與實時交互、迭代運行與優化，以及全要素、全流程、全業務數據驅動的特點[12]。

數字孿生的本質是以數字形式為物理實體創建虛擬模型，進而模擬實體行為、監控持續狀態、識別復雜性、檢測異常模式、反映系統性能和預測未來趨勢[13]。最初，邁克爾·格里夫斯（Michal Grieves）構建了數字孿生“三維”模型并得到了廣泛應用，但隨著應用領域的擴大，數字孿生面臨著來自不同領域、不同用戶層次、不同業務的更多服務需求。因此，在數字孿生三維模型的基礎上，陶飛等人[14]構建了五維模型，以促進數字孿生在更多領域的進一步應用。

數字孿生校園（Digital Twin Campus）是學校物理空間與網絡虛擬空間相互映射、協同交互的復雜系統。從狹義看，數字孿生校園是數字孿生理念與技術在學校范圍的應用，是基于復雜綜合的技術體系構建的物理校園的數字孿生體。從廣義看，數字孿生校園是物理維度上的實體學校和信息維度上的虛擬學校同生共存、虛實交融的未來學校發展形態，是以虛擬服務現實、數據驅動治理為特征的未來學校智能化運行的先進模式。數字孿生校園的系統構成要素包括物理校園（Physical Campus）、虛擬校園（Virtual Campus）、孿生服務（Digital Twin Services）和孿生數據（Digital Twin Data）4 部分，其關系如圖1 所示。

圖1 數字孿生校園的系統構成要素

1.物理校園

物理校園是指物理世界的真實學校。物理校園除了包含地理位置、學校各要素和環境，還包含學校中的組織、活動以及關系。與傳統的學校相比，數字孿生校園除了具備傳統學校的功能，還需具備用于收集實時數據的智能傳感器等物聯感知設備。

2.虛擬校園

虛擬校園是信息維度上的數字孿生體，它以數字方式為物理實體創建虛擬模型，以模擬其行為。此時的虛擬校園依賴且服務于真實的物理校園，兩者同生共存、虛實交互，且服務對象相同，虛擬校園是真實物理校園的部分職能在虛擬世界的延伸。虛擬校園是將學校數字孿生的載體，通過對物理校園所包含的實體要素及其關系進行實時數據的采集、匯聚、建模、分析及反饋，實現校園的多維仿真、智能預測、虛實交互、精準控制。

3.孿生服務

孿生服務是數字孿生校園各類功能與服務的集合與總稱，是物理校園與虛擬校園實現虛實交互的媒介。數字孿生的目的是以虛擬服務現實，數字孿生校園的虛實互動過程是通過將物理校園數據的實時采集、接入及映射到虛擬校園，進而實現對物理校園的仿真和模擬。同時，會在數字空間中進行大數據量的計算、預測和演練，服務系統的相關功能負責提出關于校園規劃、校園建設、校園治理等的科學決策建議，并不斷迭代優化，最終相關決策建議會在物理校園執行，相應的執行結果會再次映射到虛擬校園，并及時進行信息更新，實現物理空間與數字空間的雙向閉環互動。

4.孿生數據

孿生數據是數字孿生的關鍵驅動因素。孿生數據是指數字孿生校園在運行過程中所采集與產生的所有數據，包括時空基礎數據、物聯感知數據、網絡傳輸數據、業務應用數據等。數字孿生是物理實體的實時動態超現實映射，數據的實時采集、傳輸和更新是實現物理對象與其數字孿生系統間全要素、全業務、全流程精準映射與實時交互的重要一環。

（二）數字孿生校園的典型特征

1.虛實交互

虛實交互是指物理空間與數字空間的雙向互動，借助物聯網、AR、VR、人機交互等技術的協同作用，實現虛實空間融合、控制與反饋。精準映射是虛實交互的基礎，數字孿生技術要求在數字空間對物理對象進行數字化呈現。數字孿生校園不僅將物理校園在視覺上進行還原，而且對其運行規則也真實還原?，F實世界中的物理校園和數字空間中的孿生校園能夠實現雙向映射、數據連接和狀態交互，即真實物理校園的任何狀態變化都能同比反映在其孿生體中，對虛擬校園的任何操控都能實時影響到對應的物理校園實體。

2.數據驅動

學?；A數據、各部門業務數據、校園運行數據等各類數據均以屬性的形式加諸物理校園實體，而物理校園實體又加載到校園信息模型，形成模型、實體、數據一體化。數字孿生校園能夠匯集多元數據，并對匯集后的數據進行分析、加工與挖掘，使之充分發揮價值。與以往數字校園的大數據分析有所不同，數字孿生校園的數據分析具有全局性、可視化、與位置關聯、支持仿真試錯等特點，可以助力校園治理全面升級。

3.動態可視

動態可視是指通過將感知的多源數據進行數字化建模和可視化渲染，數字孿生校園提供了全要素、全范圍、全過程的真實渲染效果，實現了全空間信息和校園實時運行態勢的動態展示。一方面，數字孿生校園既可以展示校園全貌場景，也可以展示諸如教室、食堂、場館設備等微場景，提供全粒度、多尺度的多維展現效果。另一方面，數字孿生校園可視化具有動態性特點，可將校園實時運行情況，如課堂情況、校園環境、監控視頻等實時信息與空間模型緊密融合，動態展示可視化對象的狀態變化，精準反映物理校園的真實狀態和運行情況，使虛擬校園更加鮮活。

4.開放參與

開放參與是數字孿生技術賦予學校的新特征。以往學校為了保證安全，很難做到完全對外開放，而數字孿生校園可以超越時間與空間，既面向校園，也面向社會。通過將校園三維景觀和教學環境進行數字化與虛擬化，來訪者可以作為虛擬化身瀏覽校園風光，甚至可以與校內學生共同參與活動來感受校園文化。

5.以人為本

數字孿生不是目的，而是一種技術手段。數字孿生校園旨在全面整合和拓展教育領域的各種應用，并以三維數字化的方式呈現，使其能夠支持教育教學、資源互換、溝通交流、數字化辦公、數字化管理與領導決策分析，全面提高教育教學質量，最終為學生、教師、家長、學校服務。

二、數字孿生校園的關鍵技術

（一）物聯感知：全面感知物理校園實時數據

感知是數字孿生體系架構中的底層基礎，要創建高保真數字孿生校園模型，必須認知物理世界并感知數據。數字孿生需要不斷地提取實時傳感器和信息系統產生的數據，以表示物理實體近乎實時的狀態[15]。因此，為了使虛擬模型與其真實世界的對應模型同步，就必須通過智能感知設備收集校園實時數據。

為了建立校園全域、全時段的物聯感知體系，并實現真實物理校園運行態勢的多維度、多層次精準監測，感知技術不但要有更精確可靠的物理測量技術，還需考慮感知數據間的協同交互，明確物體的空間位置及唯一標識，并確保設備可信可控。標識是為物理對象賦予數字“身份信息”，支撐孿生映射，構建準確的數字孿生校園模型離不開數字化標識技術。標識技術能夠為各類部件、物體賦予獨一無二的數字化身份編碼，從而確?，F實世界中的每一個物理實體都能與孿生空間中的數字虛體精準映射、一一對應。數字孿生全域標識可實現數字孿生資產數據庫的物體快速索引、定位及關聯信息加載，也便于物理實體之間跨域、跨系統的互通和共享。目前，主流的物體標識編碼包括Handle 標識、Ecode 標識、OID 標識等。

（二）三維實景：創建虛擬校園數字模型

數字孿生的建模是將物理世界的對象進行數字化，并轉換成虛擬模型的過程。虛擬模型應該是物理實體的忠實副本，再現物理實體的幾何圖形、屬性、行為和規則[16]。數字孿生相關建模包括幾何建模、物理建模、行為建模和規則建模[17]。因此，數字孿生校園的建模不僅包括對物理校園的幾何結構和外形進行三維建模，還包括對物理校園本身的業務流程、動態監測數據、軟件與算法等信息進行全數字化建模，進而驅動校園數字化與智能化。

數字孿生校園模型不是靜態模型，而是動態演進的，它是物理校園與虛擬校園完全對應、相互融合的結果。數字孿生校園模型，一方面是物理校園時空數字化還原的載體，通過對校園進行全要素數字化和語義化建模，實現從宏觀大場景到微觀小單元、從室外到室內的全空間立體還原，形成全空間一體化且相互關聯的全領域立體模型；另一方面是實現真實物理世界與虛擬世界相互關聯的重要技術手段，它能夠集中可視化呈現校園運行情況、學生信息、教學數據、設備狀態、決策效果等?？梢暬尸F是數字孿生校園所具備的各種應用能力的重要表達方式和直觀展示窗口。數字孿生校園可視化，不是對校園中數字對象的簡單呈現，而是根據具體業務場景，從模型處理、場景編輯、可視化渲染、腳本制作、虛實融合等多方面著力，實現全時空、全過程、全交互、全實時的可視化服務，從而構建一個更加逼真的虛擬空間。此外，通過將AR、VR 等技術融入虛實場景中，能夠為數字孿生校園提供一種全新的互動性可視化功能。

（三）多源數據：全域、全要素、全過程的數據獲取

數據驅動的數字孿生能夠感知、響應并適應不斷變化的環境和操作條件。數字孿生校園涉及全域、全要素、全過程的數據資源，它不僅匯聚了科研數據、資產數據、師生信息、圖書信息等基礎數據，還同時集成了環境信息、課堂數據、設備運行感知數據等動態數據。因此，人們通過數字孿生校園便可以從全景視角洞察校園整體情況，如校園環境、課堂教學、科研水平、資金分布、校園治安、校園輿情等。數字孿生校園多源數據體系具體如圖2 所示。

圖2 數字孿生校園多源數據體系

數據管理技術是使數據創造出更大價值的前提，可以確保數據的質量、完整性、安全性及對數據的高效使用。復雜系統的數據生命周期包括數據收集、傳輸、存儲、處理、融合和可視化[18]。對于數字孿生校園實時數據的采集，可以依靠智能化傳感器和多傳感器融合技術。數據傳輸是實現物理校園與其數字孿生系統間實時交互、相互影響的前提，探索高速、低延遲、高性能和高安全數據傳輸協議（如光纖通道協議）是建設數字孿生校園需考慮的因素。在數字孿生校園建設的過程中，必然會伴隨多源孿生數據的數量和異構性不斷增加，因此分布式文件存儲系統（FastDFS）、NoSQL 數據庫、NewSQL 數據庫和云存儲等大數據存儲技術的應用將發揮重要作用。而隨著算法變得越來越復雜，新的數據處理架構，如邊緣計算和霧計算，可以解決海量數據處理的問題。

（四）柔性仿真：在虛擬校園試錯，在物理校園執行

數字孿生用包含確定性規律和完整機制的模型轉化成仿真軟件來模擬物理校園。數字孿生通過模型對物理校園進行分析、預測、診斷、訓練等仿真模擬，并將仿真結果反饋給物理校園，從而幫助學校管理者進行優化決策。只要模型正確，并擁有完整的行為信息和環境數據，就可以基本正確地反映物理校園的特性和參數，驗證和確認對物理校園問題理解的正確性和解決對策的有效性。和傳統的仿真技術相比，數字孿生更強調物理校園和虛擬校園之間的虛實共融和實時交互，是貫穿全生命周期的高頻次并不斷循環迭代的仿真過程。

模擬仿真推演是數字孿生校園具備智慧能力的體現，實時柔性仿真能力是數字孿生校園進行輔助治理的優勢所在，是實現對物理校園建設進行科學預測、指導與優化的關鍵。仿真推演基于各類算法，在數字空間中對物理校園進行實時或仿真計算，為校園規劃、建設與管理提供參考和決策支持。通過對校園規劃、建設、管理的模擬仿真，可以提前預判可能對校園產生的不良影響及潛在危險，幫助學校管理者制定合理可行的對策建議，以未來視角智能干預學校發展軌跡，實現智慧決策。

三、數字孿生校園的架構設計

實現數字孿生校園建設，首先要對校園中的物理實體及關系進行虛擬表達及映射。依托基礎設施實現數據的匯聚、傳輸及處理，形成數據資源，在平臺能力的支持下進一步融合數字孿生技術，形成能夠對外提供的數字孿生服務，并通過交互服務實現與上層應用場景的融合。同時，還需要制定統一的標準規范并提供立體化的安全管理，從而保障數字空間各類資產以及服務的安全高效運行?；趯底謱\生校園技術體系與功能體系的規劃，可構建數字孿生校園的總體架構，如圖3 所示。

圖3 數字孿生校園架構設計

（一）基礎設施層

數字孿生校園的基礎設施層包括感知設備、連接設備、計算設備及存儲設備。感知基礎設備包含嵌入式傳感設備、物聯網基礎設施以及測繪設備等。數字孿生校園支持用戶在任何時間、任何地點訪問，必須保證良好的通信基礎，因此，應采用5G 網絡等較為先進的連接通信設備，為數字孿生校園建設提供高效、可靠的網絡服務質量。數字孿生校園是一個大規模的多媒體系統，其操作需要巨大的計算成本，因此，計算設備可以包含邊緣計算、云計算等先進計算基礎設施，支持學校建立虛擬一體化計算資源池。除此之外，在數字孿生校園的建設與運行過程中會產生大量的數據資源，例如，地圖、角色與建筑模型等，因此，需要存儲設施提供大規模數據存儲空間，包括塊存儲、對象存儲、分布式存儲和超融合存儲等形式。

（二）數據資源層

數據資源層是學校各類數據的總和，包括地理空間數據、物聯感知數據、部門業務數據、教學數據、互聯網數據等。其中，地理空間數據是指三維建筑模型及各種矢量數據。設備感知數據是指通過傳感器、攝像頭及其他智能終端所采集到的數據資源，如溫度、濕度、圖片、錄像及設備運行狀態。教學數據是指學習過程中的學生行為數據和學習結果數據，包括學習資源使用數據、學習行為投入數據、課堂互動數據、課堂測驗數據和作業與考試數據。部門業務數據是指學校各個業務系統的數據，比如教務、科研、黨政等。兩大引擎為數據資源層提供支撐，通過校園實時感知引擎安全高效收集數據，同時借助大數據分析引擎充分挖掘數據資源的使用價值。

（三）平臺能力層

平臺能力層為數字孿生校園提供共性能力支撐，向下接通數據，向上支撐業務應用。該層包含各種孿生服務，具體包括全要素數字化表達、時空計算、物聯感知操控、靜動態模型、模擬仿真推演、多維建模、虛實融合互動、可視化呈現等。多個能力的集成可將各種數據資源整合為一個有機體，進而協同支持校園問題的快速發現、精準定位和智能決策，調動末端智能響應，并提高學校資源的管理和配置效率。

（四）服務應用層

服務應用層是數字孿生校園最直接的功能體現，包含了其所能提供的各種應用服務。從教學科研應用層面看，通過全線采集教學信息獲得教學過程中的各種數據，準確定位教師與學生的實際需求，解決“信息孤島”問題。從校園管理應用層面看，數字孿生校園集成分析決策、學生管理、設備管理、安防監測等系統，并支持對各個樓宇的可視化監測，輔助校園管理者及時掌握安防態勢，從而精準施策。從校園服務應用層面看，數字孿生校園不僅支持在校學生進行在線協作與社交活動，而且還向社會公眾或家長等校外人員提供服務，他們可以通過化身虛擬形象游覽校園，體驗校園文化。

（五）實時交互層

實時交互層是用戶獲取服務的入口，可以為使用者提供良好的人機交互環境，能夠提供多個類型的交互界面，實現跨系統數據互通及服務調用。數字孿生校園可同時面向教職工、學生、管理者、家長、社會公眾等各類用戶提供不同的服務與應用功能。綜合應用多種終端接入技術，基于用戶所處的不同環境，圍繞特定應用場景，實現跨終端、多模態的交互方式，并進一步基于AR、VR、MR 技術，提供高逼真、多粒度、多維度的沉浸式體驗。

四、數字孿生校園建設的推進路徑

（一）強化頂層設計，布局數字孿生校園

上海市政府已經將數字孿生校園作為教育數字化轉型的創新教育場景，未來推動數字孿生校園建設的政策文件和建設案例還會不斷涌現。數字孿生校園是包含多異構設備、多異構網絡、多異構數據的復雜系統，需要站在全局最優、整體統籌的視角，開展頂層設計和總體設計，保證系統能動性、相互約束性、數據可信和仿真。數字孿生校園建設過程需要多方協同推進，其中，高校及科研院所主要開展數字孿生校園基礎理論研究，聯盟協會則負責行業生態整合，加速產業互聯、生態躍遷等。

（二）研制重點標準，完善標準體系建設

數字孿生校園高度依賴數據模型，而不同數據類型及數據的分散所有權是進行數字孿生的一大障礙[19]。缺乏一致的數據標準和規則收集的教育數據，將導致不同部門難以共享數據，無法通過協作創造協同效益，以及實現最大化數據價值。要想真正實現大數據集成并基于大數據實現高效協同治理，就必須做到學校各個業務部門的數據互相兼容。此外，在對物理實體進行映射時，也必然會涉及數據格式等標準統一問題。因此，組建數字孿生校園建設標準研制專家團隊，共同搭建數字孿生校園統一標準體系，既要以共性支撐為基礎，研究架構、成熟度等總體標準，也要研制數據資源規劃、數據模型、數據融合等數據標準。

（三）攻關核心技術，聚焦共性難點問題

數字孿生校園要實現虛實互動、仿真推演、智能決策等能力，必須推進感知、建模、AI、仿真、交互等多技術的深度融合。由于各項技術集成關系較為復雜，目前面臨相關技術人才嚴重匱乏、核心技術企業開放不足、技術集成難度較大等問題，難以支撐數字孿生校園高質量發展，因此，建議加強數字孿生校園基礎理論與關鍵技術的研究，如三維可視化建模、仿真渲染、圖形化引擎、空間計算、CPU 芯片、虛實交互等。同時，需要各技術領域針對實際業務場景開展務實合作，企業、科研機構等應開展數字孿生新產品和新技術的研發，加強核心產業培育，強化數字孿生人才供給，加快營造助力數字孿生校園高質量發展的生態環境。

（四）提高服務能力，建立運維服務網絡

數字孿生校園建設與應用的過程中，必然伴隨著軟/硬件系統及數據存儲量不斷增加等問題，這對系統平臺的服務能力提出了更高的要求，運維體系的建設顯得尤為重要。因此，應更加關注數字孿生校園的長效運營，建立全覆蓋運維服務網絡，全面提升數字孿生校園服務質量。應著力提升數字孿生校園運維團隊的服務能力，提供系統核心部分以及主要設備發生故障時的應急處理方案，從而實現數字孿生校園的可持續發展，為其長期穩定地發揮作用打下良好的基礎。此外，還應為師生服務提供統一入口，除了包含系統的使用指南，還要能夠收集并處理用戶的反饋。

（五）挖掘優秀案例，發揮示范引領作用

挖掘一批數字孿生校園典型案例，充分發揮它們的先進性、引領性與示范性作用。一方面，要征集數字孿生校園的優秀案例和優秀解決方案，對其技術、平臺、運營模式等進行研究，提煉標準要求及核心指標，指導標準研制。另一方面，要圍繞數字孿生校園架構、成熟度等標準，開展標準驗證及應用示范，研發標準化技術服務、數據模型構建、軟件開源等公共服務平臺，促進標準規?；茝V應用，以標準化手段助力數據共享、產業聯動。

總之，數字孿生校園建設難以一蹴而就，它是一項長期性、迭代性工程，需要不斷演進升級。

五、結語

近年來，數字孿生相關產業快速發展，市場規模持續擴大，在各個領域的應用程度也不斷加深，數字孿生校園有望成為教育數字化轉型的新型基礎設施和學校運營賦能平臺。數字孿生校園作為基于創新理念與技術的前瞻性實踐，是未來學校不可或缺的關鍵基礎設施。數字孿生校園的探索與落地將會帶動數字校園建設進入新的發展階段，并成為其新發展階段的核心底座，使學校具有虛實共生的數字基礎設施能力。從目前來看，數字孿生校園還是一個新概念，缺少成熟的理論成果和清晰的建設應用思路，亟待加強系統構建研究和推進策略研究。未來隨著5G、人工智能、物聯網、大數據、云計算等技術的融合應用，數字孿生校園的建設和創新應用將迎來快速發展期，形成物理校園和虛擬校園并行共生發展的新格局。