“5G+数字孪生平台”

黄淮学院

 

 一、工作背景

(一)实施背景

黄淮学院是河南省内最早转型的应用技术大学，学校规模、办学理念、学科专业门类、在校师生人数对学校教育教学创新、校园安全、后勤服务和学校治理提出了较高的要求。当前国家正在实施《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022-2026年）》和“推进教育数字化”工作，河南省教育厅也在《河南省“十四五”教育信息化发展规划中》提出要求：逐步实现物理空间与信息空间的“数字孪生”。因此，依托5G、可视化、人工智能等新一代信息技术，构建数字孪生平台，开展教育教学领域多元化、个性化、情景化的应用，是满足这些要求的必然选择。

1.建设基础

黄淮学院于2014年到2022年先后建设了学校的校园GIS可视化平台基础平台，囊括了学校2.5D校园、全景校园和室内外矢量地图校园的建设，依托该基础平台已建成多个场景应用。此外，运营商现已在校建成5G宏站7个，5G网络室分已实现全覆盖，当前校园5G信号道路及室内覆盖良好，可实现校园网络跨校区跨空间的无感使用。

2.建设需求

全面落实《“虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022-2026年）”》、《河南省“十四五”教育信息化发展规划》等文件要求，探索通过5G、人工智能、大数据、云计算、物联网等新一代信息技术实现物理校园和虚拟空间的有机融合，提升学校智慧运行和现代化治理能力。

(二)拟解决的关键问题

1、智慧课堂教学高质量开展的问题。智慧教室设备较多，品牌型号相对复杂，课堂教学过程中可能存在智慧教室设备故障、设施设备条件不一致、教师或学生对环境不熟悉、以及误操作等问题，影响教师的教学效率和学生的学习效果，导致智慧课堂教学不能高质量开展。

2、课程资源共享和个性化学习的问题。学校课程管理面临许多问题，例如课程设置不合理、课程资源分配不均、课程共享程度不高等，导致跨专业、跨年级的课堂教学及其相关课堂资源利用率低，学生开展个性化学习得不到有效支撑。

3、学校科学发展与精准决策的问题。学校存在发展规划需进一步优化、发展资源分配不均衡、校园安全风险点多、安全事件时有发生等问题，导致学校高质量发展受限，绿色安全校园建设不全面，师生校园学习生活体验待提升。

 二、工作举措

(一)组织领导与协同推动

一是明确项目主管单位，在学校网络安全与信息化委员会指导下，推行5G+数字孪生平台建设工作，统筹协调孪生项目建设，实现管建分离，为项目后期可持续发展奠定良好基础。

二是在项目实施单位成立以科室牵头的项目实施工作组，同时推动与项目相关的学校二级单位明确分管信息化建设、数据共享及网络安全工作的领导和信息专员，确保项目建设任务落实和沟通顺畅。

(二)技术创新

本项目采用产学研深度结合开展技术创新，由学校提出具体需求并牵头开展关键技术研究，再通过合作企业进行5G网络环境建设和软件代码开发实现。本项目建设开发的“5G+数字孪生平台”充分结合学校实际情况，采用5G融合网络支持下的孪生校园建模技术，项目研究的关键技术创新点包括：

1、基于5G技术的数字孪生平台构建;

2、基于5G技术的三维漫游与实景视频融合;

3、基于5G融合网络的个性化课程资源分享与推荐。

(三)项目管理与实施

项目整体管理由信息化办公室负责统筹，涵盖项目建设需求调研、性能指标设计和方案论证。项目实施工作由校园数据服务科牵头，与合作企业、学校相关二级单位等共同工作，负责功能模块设计、实施工作协调、项目监控管理、项目验收组织等方面，确保项目整体建设效果达到预期目标。此外，孪生平台投入使用后还引入企业技术保障，由合作企业安排专人对平台进行7*12小时维护，保障了平台日常使用和稳定运行。

 三、工作成效

(一)实际应用效果

5G+数字孪生平台依托5G融合智能网络，打通实体校园与虚拟网络空间的连接，实现孪生校园服务的位置可视。平台通过解决校园设施设备管理、安全风险管控、发展规划决策、资源利用优化和校园环境体验等实际问题，进一步提升了学校教育教学和管理服务的效率，增强了校园安全，改善了决策质量，优化了资源利用，为师生提供了更好的校园环境和学习生活体验。其实际应用效果主要有以下几个方面。

1、数字孪生校园沉浸漫游

孪生校园漫游以真实校园场景为原型，利用5G融合网络，实现了三维建模技术和艺术化展现手段的完美融合，生动复刻校园全要素场景，可以满足学生和家长进入大学校园自由探索的需求，提供多视角切换的虚拟漫游，路径规划、沿线飞行、仿真导航、智能搜索及快捷导览服务，让学生与家长足不出户，就能身临其境地访问校园。

图1 孪生校园导览

图2 首页展开

图3 孪生校园导航

2、可视化课程智能推荐

利用数字孪生技术，收集学生的个人信息、学习成绩、学习经历等数据，构建学生学习数据模型。通过分析这些数据并依托孪生位置服务，为学生提供个性化的课程推荐建议。可以提供课程智能搜索、周边课程推荐，课程资源分享，从而优化了课程资源的分配和调度，提高课程资源的利用效率，让学生能更加直观和灵活地选择学习内容与学习方式，帮助学生更好地规划课程学习。

 

图4 基于位置的智能学习推荐

3、孪生数据可视化在线编辑

平台构建了可视化孪生在线编辑器，为物理校园与虚拟校园的同步一致提供了有力保障。通过5G网络传输，提供了高效的孪生数据在线编辑手段，确保了孪生校园与真实校园数据的一致性。当校园物理空间及相关物体发生变化时，学校管理人员可以通过该编辑自主修改和调整虚拟孪生空间，为学校的动态发展变化提供基础保障。

图5 室内图层编辑

图6 楼层基础属性编辑

4、数字孪生与实景三维视频融合

依托5G融合网络高速率、低延迟的特性，实时将“动态画面”融合到三维虚拟场景，同步展现真实时空，在真实世界和虚拟世界中架起一座穿越桥梁。通过实景视频融合的“增强虚拟环境”，极大改善了用户的交互体验，帮助师生沉浸式熟悉校园环境，显著提升校园学习生活体验。此外，通过孪生校园视频融合和物联感知，还实现了对校园环境的逼真模拟和实时监控，能够及时发现校园异常情况并采取相应措施，提高了校园的安全性，保护了师生的人身及财产安全，同时也帮助学校科学规划、改进校园布局、优化交通流动、提升景观设计等，以及为学校扩建、改造和维护提供决策依据和场景模拟。

图7 数字孪生与实景三维视频融合首页

图8 数字孪生与实景三维视频融合室内

5、数字孪生智慧校园IOC

利用数字孪生技术，构建虚拟校园室内外环境，尤其是智慧教室环境，包括大屏设备、活动桌椅、录播及中控设施等。师生可以在虚拟智慧室中进行教学操作，观察设备反应，分析教学数据。这样既能解决实际智慧教学过程中的设备故障和条件不一致问题，又能帮助师生熟悉智慧教学环境，提高师生实际使用智慧教室设备设施的能力，提升智慧课堂教学效果和学习效率，同时也为智慧教学环境建设及其运维管理的决策提供高精度数据支撑。

图9 孪生校园IOC

图10 孪生校园IOC实时视频

6、校园多级三维模型构建

依托5G融合网络的高速数据传输，构建了庞大的校园空间建模数据库，实现了从校园区域级空间数据还原建模到室内房间级建模再到房间设备级建模与精细化动态呈现，真实地还原校园不同维度的空间结构信息，为学校的管理服务和发展规划提供了精准的空间数据支持。

图4 区域级孪生建模

      

图5 建筑建模、室建模、设备建模

(二)用户体验

1、孪生物联感知一张图

通过孪生IOC平台和IOC设备模型的建设，实现了学校实时监控和校园设备设施感知的一张图管理，使学校资源调配、设备维护和安全管理得到有效提升，为师生提供了更好的学习和工作环境。

2、孪生视频实景融合

通过孪生建模与实景视频的有机融合，在孪生模型中还原了实时视频画面，不仅让监控视频融入孪生校园虚拟仿真的环境中，而且通过多路监控视频的拼接融合，扩大了单路画面覆盖范围有限的问题，从而实现跨视频设备的画面联动，为校园安全管理分析提供更加直观有效的技术手段和方法。

3、孪生沉浸式漫游

通过真实还原的校园三维孪生模型，让用户足不出户就能通过数字孪生校园平台漫游校园场景。无论是历史校园环境、当下校园环境，还是未来校园环境，都可以一一呈现，让用户不再受到时空的限制，从而最大限度地满足了用户对校园环境感知的需求，为用户带来了前所未有的逼真体验。

(三)规模效益

5G+数字孪生平台的建设，构造了一个全面辅助学校管理工作，监测学校日常运行状况，满足师生多元化需求的数字化平台，实现了孪生数据、空间数据、业务数据等各类非结构化数据的有机关联、密切整合，形成校园全维度的数据沉淀，其规模效益如下。

1、提高管理效率。通过5G+数字孪生平台，学校可以全面监测校园日常运行状况，实时掌握校园各项动态数据，提高管理效率。此外，平台还可以辅助学校管理工作，帮助管理人员更好地了解校园情况，做出更加科学、合理的决策。

2、增强校园安全。平台可以实时监测校园的安全状况，及时发现和解决潜在的安全问题，增强校园安全。此外，平台还可以为校园应急管理提供有力支持，帮助学校更好地应对突发事件。

3、促进数字化转型。平台建设是学校数字化转型的重要组成部分，可以有效促进学校业务数字化转型和师生数字素养的提高，有助于学校更好地适应数字化时代的发展趋势，提升学校竞争力。

4、提升用户体验。平台可以提供智能化、沉浸式的校园服务，让学生和教职工在校园生活中享受到更便捷、高效、舒适的体验。这将有助于增强学校的吸引力和竞争力，提高用户满意度。

5、推动教育创新。平台可为教育教学创新提供环境和资源支持，通过提供智能化的教学服务和个性化的学习体验，推动教育教学模式的创新和变革，培养更多高素质人才。

(四)应用数据

本次项目建设构建了高仿真虚拟校园场景，实现了覆盖全校区域的孪生模型库及空间位置数据库，在校园场景还原、虚拟漫游、定位导航等方面的服务体验获得明显提升。数字孪生平台访问量超10000人次，每日服务100+智慧课堂教学，智能课程推荐覆盖20000+学生，对接整合8000余个物联终端设备，接入20余类业务数据。实现了多媒体教室、智慧教室、智慧实验室等教学设备及关联网络设备的统一集中管控和智能运维，形成面向校园人员管理、安防管理以及车辆超速、人员异常轨迹，人员聚集热力图等决策和指挥数据的孪生呈现，有效提升学校现代化治理能力。

 四、工作经验

(一)工作经验

构建数字孪生平台要深入理解国家和省市相关数字化转型文件的精神要求，积极开展数据治理和业务数字化转型工作，由基础到场景、从浅入深地进行数字孪生平台构建与管理应用的创新建设，面向不同对象、不同业务场景与不同用户群体进行赋能，并从以下几个方面开展工作，推动项目效益持久发挥。

1、建立全面的技术创新团队。在实施5G+数字孪生平台项目时，建立一个具备各方面专业知识和技能的跨部门团队是非常关键的。这个团队应包括技术专家、UI设计师和运营商技术专家等，以确保项目在技术创新、数据分析和用户体验等方面得到充分考虑,不断优化和改进平台的使用体验。

2、优化实施流程和数据质量。在项目初期，应建立有效的数实施流程和管理机制，对学校的物理校园空间数据进行全面勘测，开展高精度的虚拟校园空间建模还原工作，确保模型数据的准确性、完整性和可靠性，力争模型效果达到影视级，并保证数据能够及时更新和被平台正确利用。

3、注重用户需求和反馈。在开发和优化孪生平台功能时，及时收集用户的反馈和需求，进行用户体验测试和用户调研，以确保平台能够准确满足用户需求，进一步提升用户体验。

4、持续创新和升级。在平台运营过程中，不断推动技术创新和功能升级。探索新技术应用，改进方案，确保数字孪生平台高效服务学校教育教学与管理服务工作，并紧密关注数字孪生的最新趋势和技术发展动态，及时对平台进行调整和更新。

(二)改进举措

继续加强5G融合网络建设，提升传输速率和覆盖范围，并通过数字孪生技术构建虚拟教师模型，模拟优秀教师的教学方法和技巧，为其他教师提供参考，提升学校整体教学质量。此外，利用数字孪生技术建立学校发展模型，模拟学校发展过程和发展趋势，提供个性化的学校发展指导和学校发展评估，提升学校竞争力。