华中科技大学网络与信息化办公室主任王士贤：构建数字孪生校园，促进教育升级

11月3日,腾讯数字生态大会智能教育专场在武汉举办。中国高等教育学会教育信息化分会常务理事、华中科技大学网络与信息化办公室主任王士贤出席本次会议,并发表《关于数字孪生校园的思考》主题演讲。

“十四五”期间,随着大数据、物联网、人工智能等新技术快速发展,高校将进入数字孪生校园建设新阶段。

王士贤提出,数字孪生校园是指运用物联网、大数据、人工智能、虚拟现实等信息技术,完整实现实体校园在虚拟世界的数字化表达,并为实体校园运行提供全场景式、沉浸式、交互式展现,与实体校园形成紧密闭环的运行与智能化决策的信息化生态系统。数字孪生校园是数字校园的深化和升级,传统数字校园虽然实现了数字化,但存在片面、割裂等问题,数字孪生校园更全面、更系统、更深入、更生动,是一个有机的整体。它也是智慧校园和智能校园的一种形态。

数字孪生校园的核心是数据,华中科技大学在“十三五”期间通过建设“十个一”工程,在人、空间、活动三个维度积累了丰富的数据,这些数据为将来建立数字孪生校园奠定了基础。

“数字孪生校园是通过信息技术,让实体校园和虚拟校园进行充分融合和交互,让系统更加人性化,更加智能,教育教学和科学研究的效能大幅提升,每个人的潜力都得到充分发挥!让信息化更好的造福教育、赋能教育,促进教育升级!”王士贤表示。

(中国高等教育学会教育信息化分会常务理事、华中科技大学网络与信息化办公室主任王士贤)

以下为王士贤演讲全文:

各位同仁,大家好!

今天很荣幸有机会和大家分享我对数字孪生校园的一些思考。

数字孪生的概念来自于数字化制造行业,指的是贯穿于产品规划、设计、制造、优化全生命周期的数字化仿真。最早起源于1969年美国NASA的一个在轨装配技术。到了2011年,Grieves教授等给出了一个比较完整的定义:数字孪生是一种三维模型,包括实体产品、虚拟产品以及二者间的连接,能对物理产品进行数字化描述,并有效地管控产品全生命周期的数据信息,进而优化物理产品的运行维护,是实现虚拟及物理系统(Cyber Physical System,CPS)的核心关键。数字孪生是在设计与执行之间形成紧密的闭环。

那么什么是数字孪生校园?参考数字孪生的概念,我试着给出一个定义:数字孪生校园是指运用物联网、大数据、人工智能、虚拟现实等信息技术,完整实现实体校园在虚拟世界的数字化表达,并为实体校园运行提供全场景式、沉浸式、交互式展现,与实体校园形成紧密闭环的运行与智能化决策的信息化生态系统。它是一个信息化的生态系统,而不是一个简单的仿真系统。

高校的信息化经历过很多阶段,从电子校园、网络校园、数字校园、智慧校园到智能校园,那么数字孪生校园应该属于什么阶段呢?我认为它是数字校园的深化与升级,它比传统的数字校园更系统、更全面、更深入、更生动。原来的数字校园是片面的、割裂的,数字孪生校园是一个有机的整体。

根据数字孪生的模型,我对数字孪生校园能力进行了分析,它的能力包括五个方面:定义、展现、交互、服务和进化。首先是定义,也就是基础,包括数据、系统、平台、云计算等;展现包括可视化、BIM、AR和VR等;交互包括AI、沉浸式、智能机器人;服务包括融合、微服务架构,服务于人,也服务于系统;进化是指迭代和升级的能力。

数字孪生校园和数字孪生之间有什么区别?我将数字孪生校园分为三个纬度:人、空间和活动。数字孪生主要是空间,而在校园则要复杂得多,涉及到人、空间和活动。人,包括教师、学生、管理者、服务者、校友、家长、合作者等校园利益相关者;空间,包括校园的建筑物、构筑物、水、电、网络、交通、监控等;活动,包括教学、科研、学习、创新、创业、管理和服务等。

数字孪生校园的核心应该是数据,我们应该需要哪些数据呢?华中科技大学在“十三五”期间建设了“十个一”工程:全校一张网、基础一平台、网站一个群、数据一个库、集成一总线,上网一个号、信息一个站、消息一通道、校园一张卡、办事一张表。其中很多是和腾讯合作的,例如,信息一个站,包括了PC端和移动端的门户,300多个移动应用和流程全部都是在企业微信中实现的。通过建设大量的应用,我们积累了很多的数据,这些数据为将来建立数字孪生校园奠定了基础。

下面我从人、空间和活动三个维度展示我们已经积累的数据。

人,其中最重要的群体是学生,我们可以分析和展示学生的生源大洲分布、国家分布、国内省市分布,学生的性别、民族、院系、专业等相关的信息以及成绩、消费、奖学金、助学金、就业等数据,除了总体分析外,还为每个学生做了画像。通过建立学业预警模型,预测他下个学期可能哪门课程会挂科;利用学生的消费数据以及其他经济数据,通过建立经济困难指数模型,找出全校经济最困难的学生。当然对学生的大数据分析不是目的,目的是为了帮扶,把学业困难、经济困难、心理困难的学生找出来,对他们进行帮扶,帮助他们成长。在教师的数据方面,我们可以分析教师的学历结构、学位结构、职称分布、专业分布等,为了给老师们提供好服务,我们重点建设了“一张表”平台,解决了老师“填表多、填表繁”的问题,每年把教师的基本信息、教学、科研、社会等数据自动汇总,共有60多个数据子集、1000多个字段,通过“一张表”平台,老师们可以很方便分析自己的成绩是什么?短板是什么?学院也可以通过横向和纵向对比,分析学院的发展态势以及优势劣势。

在空间方面,我们绘制了校园的实景地图,把所有的建筑物进行数字化,细化到了每一栋楼的每一个房间,每一个房间的编号、面积、使用人、使用属性等,还对部分房间做了3D建模。对校园所有的AP进行定位,可以观察和分析AP的运行情况、覆盖情况;根据学校常住人口的数据做了人口的热力图;把学校的监控、消防设施在系统上也进行了标注,并且和监控系统联动;学校所有的乔木也进入了系统,可以查看每一棵树木的树龄、属性等信息。

活动,首先是IT活动,包括校园网用户星光图、网络安全态势感知图等网络数据;数据中心的运行情况及其配置、健康度、异常情况、应用繁忙情况;数据交换的数量、质量、异常情况等;统一身份认证系统的访问终端、来源、登录异常等数据;全校400多个网站的访问、内容更新、安全等数据;网上办事大厅300多项流程办理类型、办理时间、办理地点以及服务评价等;全校所有自助服务终端的位置、打印数量、所属部门、使用情况等数据。教学活动的数据主要包括教学运行中的今日课程数、上课学生人次数、授课教师数、教师使用情况等,课程平台的电子资源统计数据,学生的学习、创新创业、出国留学、就业等数据;超算平台展示的是教师使用超算平台计算的课题、提交的作业、取得科研成果情况等。

“十三五”期间,我们积累了大量的数据,那么我们如何去构建数字孪生校园呢?我觉得它有两个层次:第一个基本的层次就是,现实世界在虚拟世界的映射,这个是比较简单的,就是可视化。高级阶段应该做到:一是数据全贯通,不仅仅物联网数据,还要有业务数据和互联网数据,全量数据进行贯通;二是表现形式应该是交互式和沉浸式,包含人机对话、指挥控制功能,是学校的智慧大脑;第三它是智能化的,包括告警、关联、预测、学习、进化、迭代等功能。

在数字孪生校园构建方面,我们和腾讯公司一起利用RayData做了一些探索,在数字孪生校园平台中,从全球的视角,可以很方便分析查看学校生源的国际分布情况、国际科研合作、国际交流等情况;在国内视角,可以很方便的分析国内生源地、学生构成等信息;当进入到学校整体视角上,可以实时展示学校大门的车流量、人流量、异常车辆、异常人员信息等;校园内可看到监控内容、车辆交通信息、拥堵预警、超速车辆统计等等;打开每个建筑时,可以看到建筑的分层信息,教学楼的某个教室的上课画面、授课教师的能力分析,主要包括基本信息、教学能力、科研能力、所授课程的难度指数、学生评价等,他的课程教学效果如何?是否需要进行教学方法辅导?他发表论文情况如何?科研上是否遇到了瓶颈?是否需要帮助等等;可以看到在这个课堂上看到有哪些学生有学业困难、经济困难、心理困难,是否得到了帮扶?教师和学生在课堂上进行交互时,根据学生回答问题内容,向学生推荐相应的学习课程、论文、创业资讯、就业资讯等等信息。

总之,数字孪生校园是让校园的人、空间和活动通过信息技术进行了充分融合,更加人性化、智能化,教育教学和科学研究效能大幅提升,每个人的潜力都得到充分发挥!让信息技术更好地造福教育、赋能教育,促进教育升级!让我们共同期待这个美好的未来!

谢谢大家!