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数字孪生校园的架构、建模与应用

摘要：本文分析了数字孪生校园的研究现状，探讨了其在智慧校园建设中的重要性和技术集成特性，详细介绍了数字孪生校园的整体架构和模型建立，并重点讨论了数字孪生校园的应用场景等。通过这些应用场景，数字孪生校园不仅提升了校园管理和服务的智能化水平，还为教学、科研、安全管理等多个方面提供了有力支持。目前，数字孪生技术虽然在教育领域的应用还处于起步阶段，但却显示出了巨大的潜力，为未来的智慧校园建设提供了新方向。

关键词：数字孪生；虚拟空间；三维建模；智能分析

随着人工智能（以下简称“AI”）的迅猛发展，数字孪生技术逐渐成为推动智慧校园建设的关键技术之一。2024年世界数字教育大会（WDEC2024）在上海成功举办，大会以“数字教育：应用、共享、创新”为主题，展示了我国数字教育领域的必威体育精装版成果，搭建了一个国际交流合作平台，共同探讨数字教育的实践与创新。大会特别关注数字孪生技术在教育领域的应用，可以看出，数字孪生技术将在未来的智慧校园建设中发挥越来越重要的作用。

数字孪生校园的研究现状

数字孪生校园的概念在不同研究者的理解中有所差异，但总体上都强调了其在智慧校园建设中的重要性和技术集成特性。数字孪生技术自2003年由MichaelGrieves教授首次提出以来，已逐渐成为多个领域创新发展的驱动力。李俐等认为数字孪生校园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，它具备虚实交互、数据驱动、动态可视、开放参与、以人为本等典型特征。陈益均认为数字孪生校园通过“数据可视化”和“位置智能化”服务来加强部门间的协作配合，有效提升快速反应和指挥调度能力，实现信息展示动态化、系统应用集成化、现场监控实时化、远程指挥可视化、数据采集自动化、决策支持网格化，提升师生应用体验，形成基础设施共建和信息资源共享的新格局。施雯认为数字孪生技术通过实时数据采集、分析和可视化展示，实现对校园内的人、车、物、设备、设施和各业务系统的互联，承担着学校数字化运行、智慧化管理、集中化指挥的三层重要功能。王士贤等认为，数字孪生校园通过将“一张图”作为数字孪生底座，实现了数据驱动下的校园数据全景可视化展示和动态智能化管理，有效提升了校园的治理能力和服务水平。

当前，数字孪生技术的应用主要集中在智慧校园建设、校园治理、教学科研等领域。例如，通过形成孪生数字化建模构建虚拟校园空间，实现对校园建设进展的可视化展示，以及校园运营的智能化管理。郭晓东指出，数字孪生技术在校园建设阶段，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，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。吴驰也提到，数字孪生技术在校园建设、运营管理、教学科研等方面具有显著的应用价值。例如，通过数据大屏监测和预警断网或教室设备问题，生成各项按日、按周、按月的统计数据，从而有效地辅助决策。

综上所述，不同研究者对数字孪生校园的理解虽各有侧重，但均强调了它的几个核心特征：①虚实结合，即数字孪生校园不仅是物理校园的虚拟镜像，更是与之实时互动、协同进化的智能生态系统；②技术集成，它融合了物联网、大数据、人工智能、虚拟现实等多领域的尖端技术；③应用场景广泛，不仅限于校园建设与运营管理，更在教学科研、安全管理、生活服务等多个维度展现出巨大价值；④智能化管理，通过数据驱动与智能分析，实现对校园各类场景的精确模拟与智能管理，从而提升了校园治理的科学性与精准度。这些共识为数字孪生校园的建设与实践奠定了坚实的理论与实践基础。

数字孪生校园的应用价值

笔者所在学校数字孪生校园的建设是基于对学校自身业务需求的深度分析，充分利用GIS信息、物联网传感器、业务子系统等数据，集成多学科、多物理、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟数字空间中完成映射，从而反映相对应的校园实体全生命周期过程。将整个校园情况通过三维建模1：1映射到虚拟空间，提供实体校园的全场景、沉浸式、交互式展现，实现实体校园在虚拟世界的数字化表达，使得校园管理者可通过系统直观快速地掌握校园总体运营情况。

1.构建校园三维地图，提升校园管理的直观性和交互性

传统的二维地图仅能展示平面位置信息，三维地图可真实还原学校空间关系和地形特征，可承载更多业务数据信息。通过三维地图可运用旋转、缩放、平移等交互方式浏览校园室内外场景，提升系统的交互性和用户体验，让校园管理变得更加直观和便捷。

2.打通跨系统数据，助力校园多业务场景的一体化管理

基于校园三维实景数据，并融合录播、监控、设备状态等多种业务数据，以身临其境的方式对数据进行调阅和业务应用，实现一体化业务管理，推动校园服务由被动响应向主动服务转变，校园决策由经验驱动向数据驱动转变。

3.融合AI智能分析，实现校园异常事件的闭环处