數(shù)字孿生技術(shù)在智慧校園中的研究與應(yīng)用

劉哲, 趙曉宇, 李艷麗, 張蕊, 劉冀琛

(中國人民大學(xué), 信息技術(shù)中心, 北京 100872)

0 引言

近年來,隨著5G、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和數(shù)字孿生等新興技術(shù)的迅猛發(fā)展,持續(xù)推動(dòng)學(xué)校教學(xué)、科研、管理、服務(wù)等各項(xiàng)工作的改革創(chuàng)新,加快學(xué)校智慧校園建設(shè)進(jìn)程,推進(jìn)學(xué)校治理體系和治理能力現(xiàn)代化[1]。目前,從兄弟高校智慧校園建設(shè)中數(shù)字孿生的應(yīng)用場景分析,數(shù)字孿生平臺僅是實(shí)現(xiàn)了與科研、人事、教務(wù)、OA辦公自動(dòng)化和學(xué)籍管理等若干系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對接和校園三維建模,并未與智能設(shè)備控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對接,如智能照明系統(tǒng)、能耗計(jì)量系統(tǒng)、變配電監(jiān)控系統(tǒng)等。因此,學(xué)校無法整體掌握設(shè)備的能耗信息及管控校園硬件設(shè)施,并未從真正意義上建設(shè)具有輔助決策及聯(lián)動(dòng)指揮能力的數(shù)字孿生校園。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 數(shù)據(jù)治理與數(shù)據(jù)共享

高校業(yè)務(wù)系統(tǒng)類型繁多且使用頻率較高,每時(shí)每刻都在生產(chǎn)大量的數(shù)據(jù),其中,有固定格式和規(guī)則組織的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),也有無固定格式的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),且在高校信息化建設(shè)初期各自為政的應(yīng)用系統(tǒng)所帶來的信息孤島問題一直是高校在數(shù)據(jù)共享、流通、治理過程中面臨的難點(diǎn)之一。建設(shè)規(guī)范準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)中臺,協(xié)調(diào)各相關(guān)部門及時(shí)準(zhǔn)確地按照統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)提供相關(guān)數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)互通,既要滿足各相關(guān)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)提取需求,還要保障各類數(shù)據(jù)的信息安全,是智慧校園數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)與可視化的重要基礎(chǔ)。卓鳳艷等[2]設(shè)計(jì)了異構(gòu)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步策略應(yīng)對數(shù)據(jù)同步延時(shí)問題;鄒恒華等[3]提出了連接能力強(qiáng)、開放共享、協(xié)同融合的新一代集成平臺;楊強(qiáng)[4]提出了高校數(shù)據(jù)治理建設(shè)路徑,構(gòu)建數(shù)據(jù)治理全生命周期生態(tài)體系模型,在一定程度上提升了數(shù)據(jù)的可用性和安全性。上述方法均能在一定程度上解決數(shù)據(jù)同步、清洗、轉(zhuǎn)化、共享等問題,但是均缺少數(shù)據(jù)質(zhì)量評估、數(shù)據(jù)問題反饋及質(zhì)量持續(xù)調(diào)優(yōu)環(huán)節(jié)。

1.2 數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生是將工業(yè)產(chǎn)品、制造系統(tǒng)、城市、園區(qū)等復(fù)雜物理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、行為、功能和性能映射到數(shù)字化的虛擬世界,通過實(shí)時(shí)傳感、連接映射、精確分析和沉浸交互來刻畫、預(yù)測和控制物理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)虛實(shí)融合,使系統(tǒng)全要素、全過程、全價(jià)值鏈達(dá)到最大限度的閉環(huán)優(yōu)化。數(shù)字孿生與產(chǎn)業(yè)技術(shù)的深度融合,有力推動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的發(fā)展進(jìn)程,正成為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的強(qiáng)大推動(dòng)力[5]。崔一輝等[6]就數(shù)字孿生技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)等業(yè)務(wù)領(lǐng)域的實(shí)現(xiàn)途徑進(jìn)行了分析和驗(yàn)證,有效提高了產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率;劉芳等[7]提出了數(shù)字孿生在智慧工廠、智慧城市、孿生醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域的場景應(yīng)用;劉占省等[8]設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字孿生的消防疏散動(dòng)態(tài)引導(dǎo)方法,較好地實(shí)現(xiàn)了城市建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí)動(dòng)態(tài)進(jìn)行疏散路徑規(guī)劃、室內(nèi)人員定位等功能;周瑜等[9]提出了將雄安新區(qū)建設(shè)成為數(shù)字孿生城市,真正意義上建設(shè)“以人民為中心”的智慧城市;李林等[10]設(shè)計(jì)了一個(gè)基于時(shí)空編碼的開放性大數(shù)據(jù)架構(gòu),為城市信息模型(CIM)平臺提供了重要的價(jià)值。以上文獻(xiàn)重點(diǎn)圍繞運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)在智慧城市建設(shè)、智能制造方面展開,均未涉及在智慧校園、校區(qū)設(shè)備遠(yuǎn)程管控和耗能分析優(yōu)化中的應(yīng)用場景。

2 數(shù)字孿生平臺的研究與實(shí)現(xiàn)

2.1 平臺的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本平臺采用分層架構(gòu)設(shè)計(jì),主要設(shè)計(jì)為物聯(lián)管理中心、全量數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)字孿生中心和校園主題可視化展示等5層結(jié)構(gòu)。其主要功能模塊包括數(shù)據(jù)采集、設(shè)備管控、3D模型庫、場景維護(hù)、模擬仿真、智能診斷、監(jiān)測預(yù)警、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)、決策支持。平臺的整體技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生平臺整體架構(gòu)圖

2.2 主要功能模塊實(shí)現(xiàn)

2.2.1 物聯(lián)管理中心

物聯(lián)管理中心主要提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)物模型、多協(xié)議解析、海量設(shè)備管控及數(shù)據(jù)采集入庫功能,實(shí)現(xiàn)全校物聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。該物聯(lián)中心通過物模型來實(shí)現(xiàn)對各類設(shè)備的定義和管理,包括定義物模型、下發(fā)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(lián)中心支持常見的設(shè)備數(shù)據(jù)通信協(xié)議解析(如BacnetIP、ModbusTCP、M-Bus、KNX/EIB、LonWorks、MQTT、CoAP、OPC等),已與學(xué)校實(shí)現(xiàn)對接的智能控制系統(tǒng)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(jiān)控等。目前,物聯(lián)管理中心與業(yè)務(wù)系統(tǒng)采用的對接方式如表1所示。

表1 物聯(lián)中心管理模式

結(jié)合學(xué)校的具體需求及實(shí)際情況,本文采用SDK-旁路模式管控設(shè)備,由業(yè)務(wù)部門負(fù)責(zé)建設(shè)自有的智能控制系統(tǒng)(如門禁系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、樓宇自控系統(tǒng)等),設(shè)備控制權(quán)仍保留在業(yè)務(wù)部門,最大程度保留業(yè)務(wù)子系統(tǒng)的完整性,同時(shí)便于業(yè)務(wù)部門對子系統(tǒng)的快速安裝部署、運(yùn)維、監(jiān)管等工作的開展及減輕數(shù)字孿生平臺的運(yùn)維壓力。

2.2.2 全量數(shù)據(jù)中心與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)倉

設(shè)計(jì)并建設(shè)一個(gè)穩(wěn)定、安全的全量數(shù)據(jù)中心,筑牢數(shù)據(jù)底座。按照“應(yīng)采盡采、統(tǒng)一匯聚”的工作原則,將各類設(shè)備智能管控系統(tǒng)(如水電氣熱傳感器等設(shè)備數(shù)據(jù))及業(yè)務(wù)系統(tǒng)(如人事、科研、教學(xué)、學(xué)籍管理等系統(tǒng))產(chǎn)生的數(shù)據(jù)聚集到全量數(shù)據(jù)中心,依托校級大數(shù)據(jù)治理平臺,深度整合應(yīng)用,打破“數(shù)據(jù)孤島”,構(gòu)建全校資源數(shù)據(jù)倉庫,實(shí)現(xiàn)應(yīng)用數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理與共享。同時(shí)基于數(shù)據(jù)質(zhì)量分析報(bào)告,與數(shù)據(jù)生產(chǎn)部門共同提高數(shù)據(jù)質(zhì)量,形成數(shù)據(jù)“在用中優(yōu),在優(yōu)中用”的良好態(tài)勢,真正做到讓數(shù)據(jù)一次治理、多次、多方使用,為校內(nèi)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)支撐服務(wù)。

2018年9月,中國人民大學(xué)信息技術(shù)中心協(xié)調(diào)學(xué)校各相關(guān)部門,啟動(dòng)建設(shè)數(shù)據(jù)共享中心平臺,分類整理各種數(shù)據(jù)信息,遵照一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)、一個(gè)數(shù)據(jù)庫的原則,經(jīng)過一年多的籌備,于 2019年11月平臺正式上線運(yùn)行,該平臺自上線運(yùn)行以來已為百余個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)共享服務(wù)。經(jīng)過持續(xù)的優(yōu)化、升級最終構(gòu)建了學(xué)校權(quán)威的、準(zhǔn)確的、完備的全域數(shù)據(jù)倉庫,充分解決數(shù)據(jù)質(zhì)量低、利用率低、鏈條缺失、不可追溯等實(shí)際問題,滿足校務(wù)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、服務(wù)、監(jiān)控、安全等在內(nèi)的數(shù)據(jù)全生命周期管理,支撐智慧校園各業(yè)務(wù)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)關(guān)系清晰化,充分發(fā)揮數(shù)據(jù)中臺的作用。學(xué)校數(shù)據(jù)共享中心平臺架構(gòu)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(jiān)測預(yù)警。下面對三維建模和模擬仿真進(jìn)行詳細(xì)描述。

(1) 三維建模

學(xué)校的CAD、BIM、GIS數(shù)據(jù)可用于制作數(shù)字孿生校園的校區(qū)3D場景,包括但不限于校園的整體校區(qū)(含道路、出入口、綠化等基礎(chǔ)設(shè)施)、建筑、室內(nèi)結(jié)構(gòu)、設(shè)施設(shè)備、管線、地下空間、綜合管廊等進(jìn)行全面建模,來實(shí)現(xiàn)資源的可視化。

(2) 模擬仿真

通過針對特定場景的數(shù)據(jù)建模來實(shí)現(xiàn)場景的模擬仿真,可在線開展場景演練或重現(xiàn)故障,全面修正應(yīng)急預(yù)案、完善指揮調(diào)度流程、優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行。如:模擬校內(nèi)舉辦大型活動(dòng)(校慶、大型體育活動(dòng)、文化活動(dòng)等),要能夠模擬人流、車輛暴增導(dǎo)致交通擁堵甚至造成人員踩踏,能夠優(yōu)化應(yīng)急預(yù)案、優(yōu)化管理人員調(diào)度、模擬閘機(jī)開放、交通疏導(dǎo)、班車運(yùn)力調(diào)度、地鐵運(yùn)力協(xié)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(nèi)海綿城市系統(tǒng)、地下管廊系統(tǒng)對瞬時(shí)雨水的承受能力,優(yōu)化防汛物資儲(chǔ)備、物資調(diào)度、應(yīng)急廣播、人員疏散、后勤保障、危險(xiǎn)區(qū)域與物品防護(hù)等工作,優(yōu)化預(yù)案流程。

3 數(shù)字孿生在智慧校園中的典型應(yīng)用

3.1 智慧教學(xué)

獲取教學(xué)管理數(shù)據(jù)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(xué)教務(wù)動(dòng)態(tài)等信息,形成從外到內(nèi)的多維度感知,實(shí)現(xiàn)透明教室、透明教學(xué)、智慧管理。主要展示內(nèi)容:資產(chǎn)展示、教室使用情況和使用率展示、教學(xué)環(huán)境展示、教學(xué)管理展示、實(shí)驗(yàn)室管理展示、教學(xué)督導(dǎo)智慧教室展示、課表展示、課件資源展示、運(yùn)維數(shù)據(jù)展示。

教學(xué)數(shù)據(jù)可視化。通過與教務(wù)系統(tǒng)深度對接,直觀展示當(dāng)前實(shí)時(shí)授課的教學(xué)班數(shù)、當(dāng)前實(shí)時(shí)上課的學(xué)生數(shù)、當(dāng)前實(shí)時(shí)上課的課程數(shù);實(shí)時(shí)查看各個(gè)教室的錄播畫面,支持直播、多畫面實(shí)時(shí)巡視、教學(xué)數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)等多種場景應(yīng)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(wù)器端實(shí)現(xiàn)對視頻流或者圖片流的結(jié)構(gòu)化處理,構(gòu)建以人、車、物、事件為核心的視圖大數(shù)據(jù)分析服務(wù)體系。提供智能檢索、行為追蹤等多種研判分析手段,如動(dòng)作識別、人臉識別、禁區(qū)闖入等智能功能,如有可疑人員、非法闖入或火災(zāi)、輿情均可實(shí)時(shí)監(jiān)測,并向管理人員發(fā)送短信或微信提醒,緩解學(xué)校在安防方面的運(yùn)行壓力和降低人力成本。

在數(shù)字孿生平臺與視頻監(jiān)控、人車通行記錄、智能消防、停車管理等各類安防系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)對接、統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上,以3D形式將校園各場景的態(tài)勢清晰呈現(xiàn),實(shí)現(xiàn)快速查詢相關(guān)車輛和人員在指定時(shí)間段內(nèi)的通行情況、火災(zāi)、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(lián)

利用數(shù)字化、虛擬化技術(shù)對設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、統(tǒng)計(jì)、分析,以提高設(shè)備使用壽命及保障設(shè)備正常運(yùn)行。基于三維模型實(shí)現(xiàn)校園的園區(qū)、建筑、樓層、設(shè)備的逐級可視化展示;聯(lián)動(dòng)智能照明、能源管理、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、建筑設(shè)備監(jiān)控、智慧管廊、資產(chǎn)管理等系統(tǒng),為建設(shè)綠色、生態(tài)、智能的新時(shí)代新校園全面賦能。

能耗分析與優(yōu)化。數(shù)字孿生平臺采集實(shí)時(shí)能耗監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),在三維場景中綜合展示空調(diào)、電梯、照明、供水、通風(fēng)、通訊、安防、機(jī)房等各項(xiàng)耗能情況,包括分類統(tǒng)計(jì)面板、分區(qū)統(tǒng)計(jì)面板、歷史趨勢圖表等;分項(xiàng)詳細(xì)展示每個(gè)統(tǒng)計(jì)項(xiàng)的能耗情況,以高級圖表的方式顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及分區(qū)統(tǒng)計(jì)信息;對各單體建筑、各功能區(qū)域的能耗占比、環(huán)比、同比,關(guān)鍵能耗設(shè)備用能情況進(jìn)行多維度統(tǒng)計(jì)和大數(shù)據(jù)分析,透視能耗結(jié)構(gòu)、分析用能習(xí)慣,并通過峰谷、平谷用電分析,評估用能趨勢,優(yōu)化校園用電,并對能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,當(dāng)發(fā)生異常時(shí)快速定位問題所在,及時(shí)做出判斷。

3.4 智慧IT

智慧IT展示內(nèi)容主要包括網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。根據(jù)學(xué)校實(shí)際工作需要,選取學(xué)校數(shù)據(jù)中心機(jī)房建設(shè)高精度模型,打造亮點(diǎn)品牌,包括機(jī)柜、服務(wù)器、交換機(jī)、路由器、UPS等數(shù)據(jù)中心設(shè)備建模,攝像頭、門禁、閘機(jī)、消防栓、報(bào)警設(shè)備等安全消防設(shè)備建模,照明、新風(fēng)、冷熱源、暖通等物聯(lián)網(wǎng)及樓控設(shè)備建模,實(shí)現(xiàn)學(xué)校數(shù)據(jù)中心、校園網(wǎng)絡(luò)的整體運(yùn)行態(tài)勢展示,為學(xué)校核心機(jī)房、服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和巡檢保障提供有力支撐。

4 總結(jié)

本文在深入研究數(shù)據(jù)治理、數(shù)字孿生的基礎(chǔ)上,詳細(xì)介紹了中國人民大學(xué)在建設(shè)數(shù)字孿生平臺過程中的探索及應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)從單一維度的數(shù)據(jù)展示到全方位的數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)與分析、科學(xué)決策、智能預(yù)警的數(shù)字孿生平臺,為降低學(xué)校在實(shí)時(shí)監(jiān)測、保衛(wèi)安防和能源管控等方面的成本投入提供強(qiáng)有力的支撐,一定程度上提升了學(xué)校治理體系與治理能力的現(xiàn)代化。中國人民大學(xué)數(shù)字孿生平臺將為兄弟高校在智慧校園建設(shè)中提供可借鑒的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。下一步,我們將繼續(xù)豐富數(shù)字孿生平臺的應(yīng)用場景,如學(xué)生學(xué)業(yè)分析、貧困生救助、優(yōu)質(zhì)課程推薦等,持續(xù)推動(dòng)信息技術(shù)、智能技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合,開創(chuàng)“互聯(lián)網(wǎng)”條件下的人才培養(yǎng)新局面。