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案例分享 | 高校数字孪生平台建设思路

2025-12-02 中国教育网络

　　当前，高校智慧校园建设已从单点系统的信息化，步入到追求整体效能最优化的“智慧运营”新阶段。然而，传统的管理模式大多依赖于一个个独立的“烟囱式”系统，导致运营数据孤岛林立，难以对校园的人、事、物、环境进行全局感知和高效协同。正是这些现实挑战，推动着高校从分散的“智慧管理”向一体化的“智慧运营”逐步转型。

　　数字孪生技术，作为连接物理世界与数字世界的桥梁，为解决这一难题提供了全新可能。它不仅仅是三维场景的可视化呈现，更是一个融合数据采集、建模分析、仿真推演和决策控制的动态系统。通过构建与真实校园同步运行、虚实映射的“数字镜像”，它使我们能够以全局、实时乃至前瞻的视角，去洞察并优化校园运行的每一个细节。

　　北京师范大学由北京、珠海两地的五个校园共同组成，物理空间的分散性也给统一运营管理与协同效率提升带来了挑战。为打破这种分散所形成的壁垒，学校于2024年正式启动数字孪生平台建设，旨在通过数据驱动运营、仿真支持决策，逐步推动校园管理向精细化、智能化与人性化发展。

数字孪生平台整体设计

　　整体设计思路

　　学校数字孪生平台规划分三个阶段稳步推进，以实现“全域可视、数据可管、业务可控”为目标，如图1所示。

图1 数字孪生平台分阶段规划

　　第一阶段：基础构建，打造统一数字底座。核心任务是构建精准的三维数字场景与物联感知体系，形成覆盖五个校园的“数字底盘”。此阶段旨在实现校园基础环境的“全域可视”。平台不仅为管理者提供统一的校园空间，更能面向师生提供沉浸式的校园导览服务，使师生可以“云游”校园，快速定位教学楼、图书馆等关键区域，从而实现基础服务的提质增效。

　　第二阶段：运营深化，驱动核心业务创新。在数字底座之上，平台将重点与公房管理、实验室安全等核心业务系统深度融合，实现“数据可管”。通过打通业务系统，使管理者能全局掌握能耗、安防、空间利用率等关键指标，并实现设备的异常预警。通过数据驱动业务流程再造，实现从“可见”到“可用”的跨越，赋能跨校区的精细化管理。

　　第三阶段：智慧引领，构建校园运营中枢。平台建设的最终目标是从数字孪生平台演进为校园智慧运营指挥中心，实现“业务可控”。未来平台将不仅是现实的数字镜像，更是一个具备跨校区协同指挥、全局数据分析和模拟仿真预测能力的“智慧大脑”，为学校的战略决策和日常管理提供前瞻性支持。

　　平台框架设计

　　平台采用国产Web3D引擎与UE引擎双核驱动的先进架构，来实现渲染能力与应用场景的平衡。国产Web3D引擎保障了平台的自主可控与广域访问能力，用户无需安装插件，通过浏览器即可流畅访问三维场景，满足日常管理、分析展示等轻量化应用需求。UE引擎则提供电影级的渲染质量与物理仿真效果，用于重点建筑、大型设施的超高精度还原，支撑沉浸式体验等高端应用，比如数字校史馆和作为文物的辅仁校园建模。

　　多模态引擎通过激光点云、视频融合、VR/AR、物联网、AI、BIM模型多模态加载等技术，实现多图层承载和高保真虚拟校园的可视化呈现。同时支持多源异构数据融合，构建标准化数据接口体系，来提升系统的兼容性与扩展性。

　　平台采用分层架构设计，从底层基础设施到上层应用场景形成完整闭环，分为基础设施、数据资源、支撑引擎、平台服务、应用场景五个层次，如图2所示。

图2 基于数字孪生的智慧校园运营平台架构

　　基础设施：以校园各类物联网设备（如无线AP、门禁、智能电表、监控摄像头、环境传感器等）为基础数据采集终端，通过网络与数据安全体系，保障数据传输安全可靠，构建包含业务数据、场景模型、仿真数据和动态数据在内的多维度资源池。

　　数据资源：建立统一的标签体系，将人、地、事、物等所有实体对象进行数字化定义，并关联其相关的视频、语音、文本、图片、图表等多模态信息。通过标签体系，实现基础数据、业务数据、位置数据、空间数据的深度融合与关联查询，使数据在三维场景中“活”起来。

　　支撑引擎：平台整合了多模态地图引擎、视频管理服务和实景AR管理等核心技术组件，为上层应用提供统一身份认证、数据交换等基础服务支撑。

　　平台服务：面向不同角色的用户，提供统一用户门户、统一视角作业、统一计量和统一信息服务等核心能力，确保各业务系统在统一的规范和框架下协同工作。

　　应用场景：在应用层面，平台实现三维模型全生命周期管理、综合校情可视化展示和设备智能管控三大核心功能，包括校园室内多模态建模、校园数字驾驶舱、设备POI标签上图、设备远程控制等丰富应用，全面支撑智慧校园的数字化运营与管理。

功能模块

　　结合学校实际，平台设计了七大功能模块：综合校情、漫游京师、教学教务、智慧空间、智慧物联、能源管控、智能安防，如图3所示。

图3 数字孪生平台应用场景

　　1. 综合校情：校园运营的“驾驶舱”，实现全局态势感知与科学决策。“综合校情”模块通过整合人事、财务、科研、教学、资产、后勤、学生发展等多维度业务系统的数据，构建统一的数据资源池，并以可视化大屏的形式进行直观呈现。平台可动态展示全校师生人数分布、高层次人才占比、科研情况、空间资源等关键指标，支持按校区、校园进行下钻分析。该模块实现了从“数据碎片”到“信息全景”的跃升，为学校战略规划与科学决策提供了强有力的支撑。

　　2. 漫游京师：打造沉浸式校园导览与文化传播新窗口。“漫游京师”模块以高精度三维建模和WebGL渲染技术为基础，构建了一个可交互、可探索的虚拟校园，为师生及社会公众提供沉浸式的校园导览体验，可广泛用于新生入学、校友返校、招生宣传、访客接待等场景，有效提升了学校的品牌形象与社会影响力。用户可通过电脑或移动设备“云游”各个校园，自由切换视角，浏览教学楼、宿舍区、图书馆、运动场馆及园林景观。系统支持路径导航、兴趣点标注等功能，真正实现“一图在手，畅游校园”。平台特设“京师人文”二级栏目，对具有深厚文化底蕴的标志性建筑（如木铎、校训碑等）进行精细化建模，并嵌入图文、音视频等多媒体内容，讲述其历史渊源与文化内涵，实现校园文化的数字化传承与可视化传播。

　　3. 教学教务：赋能教学调度与教学质量监控。“教学教务”模块将教务系统与三维可视化深度融合，实现对教学活动的全流程动态查询。在三维校园场景中，可直观查看每栋教学楼的课程安排、教室使用状态（空闲、上课、考试）、教师到岗情况及学生到课率。下一步将对接校内巡课系统，实现巡课路径智能规划、教学行为AI识别分析、异常情况实时告警的全链路智慧督导，最终构建覆盖“计划—执行—监督—评估”的教务管理闭环，全面提升教学质量管理水平。

　　4. 智慧空间：实现空间资源的高效利用与效能评估。“智慧空间”模块致力于实现校园物理空间的精细化管理和使用效能提升，涵盖教学、办公、科研、生活与教辅五大类空间。通过与学校相关职能部门协同，对全校楼宇及房间进行统一编码，构建完整的空间基础信息数据库，房间信息包括所属单位、建筑面积、使用人等关键属性。在完成楼层与房间的单元划分后，平台可进一步实现多维度统计分析，支持按楼宇、院系、使用人等视角灵活展示空间使用状况，为学校资源配置与决策提供数据支撑。此外，平台还接入了体育场馆等公共设施的预约信息，实现对校园空间资源的可视化动态监管，进一步提升空间统筹与服务水平。

　　5. 智慧物联：构建设备全生命周期管理体系。“智慧物联”模块是数字孪生平台的“神经网络”，负责对校园内各类物联网设备进行统一接入、集中管理与智能运维。目前已完成对无线网络、校园门禁、智能门锁等系统的对接与状态监控。

　　模块采用“左设备、右运行”的统一看板风格。以校园无线网络为例，左侧设备监控区聚焦设备状态，展示AP设备总数、在线/离线数量与占比，并通过楼宇分布表与三维地图气泡图可视化呈现。设备预警模块完整列出离线设备、长时间无用户接入设备及超负载运行设备（接入用户＞80人）清单，支持分页查看与设备详情联动；右侧运行情况区实时展示上网总人数，按楼宇、房间及无线AP三个维度统计上网人数情况，并生成TOP10排行榜，上网数据与三维地图联动呈现，精准反映网络负载与使用热点，如图4所示。

图4 智慧物联——校园网络模块应用场景

　　平台支持按楼宇、房间号查询并定位设备，管理人员可在三维场景中直观掌握设备分布。系统具备自动化运维能力，当设备故障或离线时自动告警并推送至运维工单系统，形成“发现—派单—处理—反馈”闭环。未来还将引入设备健康度评估模型，逐步实现预测性维护，进一步优化运维成本与设备生命周期。

　　6. 能源管控：推动绿色校园建设与精细化节能管理。“能源管控”模块以数字孪生技术为核心，构建校园水、电、燃气等能源系统的动态模型，实现能耗的可视化、可分析、可优化，为学校落实“双碳”战略、建设绿色低碳校园提供了精准的数据支撑与决策依据。目前，平台已完成与水能源系统对接，可实时采集海淀校区学生宿舍楼智能水表的能耗数据，并自动生成日、周、月能耗曲线。系统支持同比、环比分析，能够精准识别异常用能，并对高耗能区域进行自动标注与预警。模块沿用“智慧物联”的统一看板风格，确保操作体验一致。

　　7. 智能安防：构建全方位、立体化的校园安全防控体系。“智能安防”模块集成视频监控、电子巡更、门禁管理、车辆管理等多类安防子系统，打造“可视、可管、可控”的一体化安全防控平台。在三维地图上，所有摄像头、门禁点、报警装置均精确定位，管理人员可一键调取实时视频、查看人员进出记录、设置电子围栏。系统支持智能视频分析功能，如人脸识别、越界检测、人员聚集预警、异常行为识别等，实现从“人盯屏幕”到“智能预警”的转变。平台还支持电子巡更功能，安保人员按设定路线打卡，系统自动记录轨迹与时间，确保巡查到位。

价值与挑战并存的建设之路

　　数字孪生平台的建设与应用面临着一系列现实挑战，需克服数据融合、技术集成、管理协同与成本投入等多重困难，但成功落地后，将在管理、服务与安全等多个维度创造显著价值，推动校园治理模式深刻变革。

　　在数据层面，核心挑战在于打破“数据孤岛”。各类系统与物联网设备产生的多源异构数据标准不一、质量参差不齐，为构建统一、可信的数字映射带来了巨大的数据融合与治理挑战。不过，一旦攻克此难关，收益极为显著。平台彻底打通多业务系统，将形成全域统一的“数据湖”，驱动业务从“经验驱动”迈向“数据驱动”，实现治理模式的根本性变革。

　　在技术层面，挑战集中于实现高保真模型与多种技术的深度融合。三维建模成本高昂、过程复杂，同时将BIM、GIS、IoT、AI等异构技术无缝集成，并平衡实时渲染与计算资源消耗，是技术攻坚的重点。但成功突破这些技术瓶颈后，平台能实现对校园环境超高还原度的可视化呈现，并支撑起能耗的实时监测与智能优化、设备的预测性维护以及安防的主动预警，直接带来运维成本降低与安全水平提升的双重效益。

　　在管理层面，跨部门协同与业务流程重塑难度大，项目推进面临挑战；同时，投资回报周期长且难以量化。但通过构建“统一视角”的数字驾驶舱，可赋能跨部门协同作业，优化传统流程，实现从“被动响应”升级为“主动预防”，大大缩短设备故障响应时间，同时显著提升师生的服务体验与满意度。

　　在成本层面，持续投入软硬件开发、模型构建，可能还涉及模型更新、系统维护等长期的运维成本。但平台回报不仅体现在节能降耗、资源优化上，更体现在通过提升管理效率、保障校园安全与支持科学决策，所带来的隐性价值和可持续发展能力。

　　总而言之，直面这些挑战并成功构建数字孪生平台，是一项极具前瞻性的战略投资，为校园的精细化治理与长远发展奠定坚实基石。

　　下阶段，北京师范大学将在现有数字孪生平台基础上，重点围绕空间资源数字化与平台功能集成化两大方向开展建设。进一步深化公房、实验室与宿舍等空间资源的全生命周期管理，构建以三维可视化为载体、以物联感知为神经脉络、以大数据分析为决策支撑的“一体化数字空间”。通过实现“人、物、设备、系统”全要素连接，平台将逐步建成集指挥、管理、服务功能于一体的校园运营指挥管理中心，推动治理模式从分散化、经验型向协同化、数据驱动型转变。

　　来源：《中国教育网络》2025年10月刊

　　作者：田小萍皇甫大鹏卢小清李春晓（北京师范大学信息网络中心）

　　责编：余秀

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