11月3日,騰訊數字生態大會智能教育專場在武漢舉辦。中國高等教育學會教育信息化分會常務理事、華中科技大學網絡與信息化辦公室主任王士賢出席本次會議,并發表《關于數字孿生校園的思考》主題演講。

王士賢提出,數字孿生校園是指運用物聯網、大數據、人工智能、虛擬現實等信息技術,完整實現實體校園在虛擬世界的數字化表達,并為實體校園運行提供全場景式、沉浸式、交互式展現,與實體校園形成緊密閉環的運行與智能化決策的信息化生態系統。數字孿生校園是數字校園的深化和升級,傳統數字校園雖然實現了數字化,但存在片面、割裂等問題,數字孿生校園更全面、更系統、更深入、更生動,是一個有機的整體。它也是智慧校園和智能校園的一種形態。

數字孿生校園的核心是數據,華中科技大學在人、空間、活動三個維度積累了豐富的數據,這些數據為將來建立數字孿生校園奠定了基礎。

“數字孿生校園是通過信息技術,讓實體校園和虛擬校園進行充分融合和交互,讓系統更加人性化,更加智能,教育教學和科學研究的效能大幅提升,每個人的潛力都得到充分發揮!讓信息化更好的造福教育、賦能教育,促進教育升級!”王士賢表示。

(中國高等教育學會教育信息化分會常務理事、華中科技大學網絡與信息化辦公室主任 王士賢)

以下為王士賢演講全文:

各位同仁,大家好!

今天很榮幸有機會和大家分享我對數字孿生校園的一些思考。

數字孿生的概念來自于數字化制造行業,指的是貫穿于產品規劃、設計、制造、優化全生命周期的數字化仿真。最早起源于1969年美國NASA的一個在軌裝配技術。到了2011年,Grieves教授等給出了一個比較完整的定義:數字孿生是一種三維模型,包括實體產品、虛擬產品以及二者間的連接,能對物理產品進行數字化描述,并有效地管控產品全生命周期的數據信息,進而優化物理產品的運行維護,是實現虛擬及物理系統(Cyber Physical System,CPS)的核心關鍵。數字孿生是在設計與執行之間形成緊密的閉環。

那么什么是數字孿生校園?參考數字孿生的概念,我試著給出一個定義:數字孿生校園是指運用物聯網、大數據、人工智能、虛擬現實等信息技術,完整實現實體校園在虛擬世界的數字化表達,并為實體校園運行提供全場景式、沉浸式、交互式展現,與實體校園形成緊密閉環的運行與智能化決策的信息化生態系統。它是一個信息化的生態系統,而不是一個簡單的仿真系統。

高校的信息化經歷過很多階段,從電子校園、網絡校園、數字校園、智慧校園到智能校園,那么數字孿生校園應該屬于什么階段呢?我認為它是數字校園的深化與升級,它比傳統的數字校園更系統、更全面、更深入、更生動。原來的數字校園是片面的、割裂的,數字孿生校園是一個有機的整體。

根據數字孿生的模型,我對數字孿生校園能力進行了分析,它的能力包括五個方面:定義、展現、交互、服務和進化。首先是定義,也就是基礎,包括數據、系統、平臺、云計算等;展現包括可視化、BIM、AR和VR等;交互包括AI、沉浸式、智能機器人;服務包括融合、微服務架構,服務于人,也服務于系統;進化是指迭代和升級的能力。

數字孿生校園和數字孿生之間有什么區別?我將數字孿生校園分為三個緯度:人、空間和活動。數字孿生主要是空間,而在校園則要復雜得多,涉及到人、空間和活動。人,包括教師、學生、管理者、服務者、校友、家長、合作者等校園利益相關者;空間,包括校園的建筑物、構筑物、水、電、網絡、交通、監控等;活動,包括教學、科研、學習、創新、創業、管理和服務等。

數字孿生校園的核心應該是數據,我們應該需要哪些數據呢?華中科技大學建設了“十個一”工程:全校一張網、基礎一平臺、網站一個群、數據一個庫、集成一總線,上網一個號、信息一個站、消息一通道、校園一張卡、辦事一張表。其中很多是和騰訊合作的,例如,信息一個站,包括了PC端和移動端的門戶,300多個移動應用和流程全部都是在企業微信中實現的。通過建設大量的應用,我們積累了很多的數據,這些數據為將來建立數字孿生校園奠定了基礎。

下面我從人、空間和活動三個維度展示我們已經積累的數據。

人,其中最重要的群體是學生,我們可以分析和展示學生的生源大洲分布、國家分布、國內省市分布,學生的性別、民族、院系、專業等相關的信息以及成績、消費、獎學金、助學金、就業等數據,除了總體分析外,還為每個學生做了畫像。通過建立學業預警模型,預測他下個學期可能哪門課程會掛科;利用學生的消費數據以及其他經濟數據,通過建立經濟困難指數模型,找出全校經濟最困難的學生。當然對學生的大數據分析不是目的,目的是為了幫扶,把學業困難、經濟困難、心理困難的學生找出來,對他們進行幫扶,幫助他們成長。在教師的數據方面,我們可以分析教師的學歷結構、學位結構、職稱分布、專業分布等,為了給老師們提供好服務,我們重點建設了“一張表”平臺,解決了老師“填表多、填表繁”的問題,每年把教師的基本信息、教學、科研、社會等數據自動匯總,共有60多個數據子集、1000多個字段,通過“一張表”平臺,老師們可以很方便分析自己的成績是什么?短板是什么?學院也可以通過橫向和縱向對比,分析學院的發展態勢以及優勢劣勢。

在空間方面,我們繪制了校園的實景地圖,把所有的建筑物進行數字化,細化到了每一棟樓的每一個房間,每一個房間的編號、面積、使用人、使用屬性等,還對部分房間做了3D建模。對校園所有的AP進行定位,可以觀察和分析AP的運行情況、覆蓋情況;根據學校常住人口的數據做了人口的熱力圖;把學校的監控、消防設施在系統上也進行了標注,并且和監控系統聯動;學校所有的喬木也進入了系統,可以查看每一棵樹木的樹齡、屬性等信息。

活動,首先是IT活動,包括校園網用戶星光圖、網絡安全態勢感知圖等網絡數據;數據中心的運行情況及其配置、健康度、異常情況、應用繁忙情況;數據交換的數量、質量、異常情況等;統一身份認證系統的訪問終端、來源、登錄異常等數據;全校400多個網站的訪問、內容更新、安全等數據;網上辦事大廳300多項流程辦理類型、辦理時間、辦理地點以及服務評價等;全校所有自助服務終端的位置、打印數量、所屬部門、使用情況等數據。教學活動的數據主要包括教學 運行中的今日課程數、上課學生人次數、授課教師數、教師使用情況等,課程平臺的電子資源統計數據,學生的學習、創新創業、出國留學、就業等數據;超算平臺展示的是教師使用超算平臺計算的課題、提交的作業、取得科研成果情況等。

“我們積累了大量的數據,那么我們如何去構建數字孿生校園呢?我覺得它有兩個層次:第一個基本的層次就是,現實世界在虛擬世界的映射,這個是比較簡單的,就是可視化。高級階段應該做到:一是數據全貫通,不僅僅物聯網數據,還要有業務數據和互聯網數據,全量數據進行貫通;二是表現形式應該是交互式和沉浸式,包含人機對話、指揮控制功能,是學校的智慧大腦;第三它是智能化的,包括告警、關聯、預測、學習、進化、迭代等功能。

在數字孿生校園構建方面,我們和騰訊公司一起利用RayData做了一些探索,在數字孿生校園平臺中,從全球的視角,可以很方便分析查看學校生源的國際分布情況、國際科研合作、國際交流等情況;在國內視角,可以很方便的分析國內生源地、學生構成等信息;當進入到學校整體視角上,可以實時展示學校大門的車流量、人流量、異常車輛、異常人員信息等;校園內可看到監控內容、車輛交通信息、擁堵預警、超速車輛統計等等;打開每個建筑時,可以看到建筑的分層信息,教學樓的某個教室的上課畫面、授課教師的能力分析,主要包括基本信息、教學能力、科研能力、所授課程的難度指數、學生評價等,他的課程教學效果如何?是否需要進行教學方法輔導?他發表論文情況如何?科研上是否遇到了瓶頸?是否需要幫助等等;可以看到在這個課堂上看到有哪些學生有學業困難、經濟困難、心理困難,是否得到了幫扶?教師和學生在課堂上進行交互時,根據學生回答問題內容,向學生推薦相應的學習課程、論文、創業資訊、就業資訊等等信息。

總之,數字孿生校園是讓校園的人、空間和活動通過信息技術進行了充分融合,更加人性化、智能化,教育教學和科學研究效能大幅提升,每個人的潛力都得到充分發揮!讓信息技術更好地造福教育、賦能教育,促進教育升級!讓我們共同期待這個美好的未來!

謝謝大家!