1数字孪生技术概述数字孪生技术是一种物理空间与虚拟空间的虚实交融、智能操控的映射关系，通过在实体世界以及数字虚拟空间中，记录、仿真、预测对象全生命周期的运行轨迹，实现系统内信息资源、物质资源的最优化配置[1]。数字孪生智慧校园是基于校园管理和教育教学需求，结合技术发展的趋势而提出的一种概念。随着信息技术的快速发展，数字化转型已经成为许多高校的重要战略方向。数字孪生智慧校园旨在将虚拟现实、物联网、大数据分析等先进技术与校园管理相结合，创建一个以数字孪生技术为核心的智慧校园平台。借助数字孪生技术重构全时、全域智慧校园，构建高等校园数字信息模型，实现高等学校校园安全风险事件智能识别与预警，可以达到高等学校校园安全风险事件精准适度管控[2]。智慧校园的核心是通过借助先进的数字化技术，构建一个高效、安全、智能的校园管理和教育教学平台，数字孪生智慧校园满足校园数字化转型需求，将数字孪生技术设计应用于各场景中，为智慧校园管理带来无限可能[3]。智慧校园可以开展校园态势、校园资源、校园安防管理等，提升校园管理水平和教学质量，为学生和老师创造更好的学习和工作环境。本文在数字孪生智慧校园基础上，重点分析校园安防应用。2关键技术简介数字孪生智慧校园技术包括虚幻引擎5三维应用开发和物联网等先进技术。虚幻引擎5是一种先进的三维应用引擎，可以提供图形渲染和物理模拟功能，创建逼真的三维场景和交互体验。借助虚幻引擎5，通过数字孪生虚拟技术可以构建一个精确、可视化的校园数字孪生系统。BIM是一种基于三维模型的数字化建筑设计和管理方法，提供了建筑或工程项目的详细三维模型和相关数据，数字孪生可以利用相关数据进行实时监测、仿真和预测。通过结合BIM模型与传感器数据和实际运行数据，可以创建一个数字孪生模型。基于数字孪生的设计，不同专业可在数字孪生协同平台并行开展研究工作，进行建筑、结构和机电等模型的设计，克服了传统设计模式中周期长、需要按照专业先后顺序依次完成模型搭建的缺点，缩减周期[4]。数字孪生智慧校园安防应用依赖物联网技术，通过物联网将各种传感器、设备和物体连接到互联网，实现对校园内的监测、控制和数据采集。物联网技术能够将校园中的各类设备和资源进行互联互通，实现智能化的校园管理和服务。数字孪生智慧校园还可能涉及人工智能（AI）、云计算等技术的应用。人工智能可以用于校园安防监控图像识别、行为分析等方面。云计算提供了高效的数据存储和计算能力，支持数字孪生系统的建设和运行。3数字孪生在校园安防应用的现状与挑战目前，数字孪生在校园安防应用中面临的问题主要包括传统安防系统存在数据碎片化，不利于实时监控和综合分析；安防设备数量庞大，涉及监控摄像头、门禁系统、报警设备等，管理维护工作量大；安全事件的处理和响应速度有限，无法实现快速预警和处置等。不同安防设备和系统之间的数据格式和接口不一致，导致数据整合和共享困难；数字孪生需要收集大量的校园数据，但如何保护个人隐私和数据安全是重要的挑战；数字孪生技术在校园安防领域的应用还处于起步阶段，技术成熟度和成本仍然是一个挑战；数字孪生技术需要专业人员进行操作和维护，需要进行相关人员的培训和适应。各大研究机构及企业推出了各自的数字孪生理念，但实例化的应用尚未实现，对复杂装备数字孪生的定义及关键技术尚不明确，尤其是在复杂装备状态评估与预测领域，缺乏相应体系支撑和关键技术引导[5]。解决方案主要为建立统一的数据标准和接口，实现不同安防设备和系统之间的数据互联互通；采取隐私保护措施，例如数据加密、权限控制等，确保个人隐私和数据安全；加大对数字孪生技术在校园安防领域的研发和投入，提高技术成熟度，降低成本；开展相关人员的培训和技能提升，使其能够熟练操作和维护数字孪生系统。数字孪生在校园安防的应用需要解决数据融合、高效处理、隐私保护和兼容性等问题。通过数据标准化、人工智能技术、大数据分析和云计算等解决方案，可以实现校园安防的智能化、实时化和精细化管理，提升校园的安全性和管理效率。4基于数字孪生技术的安防应用技术架构数字孪生校园安防应用技术架构如图1所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.02.019.F001图1数字孪生校园安防应用技术架构4.1服务网关服务网关是应用的入口，负责处理所有进入和离开系统的请求。服务网关充当了系统的门户，提供路由、安全认证、流量控制等功能，并统一管理和保护后端服务，提高系统的安全性和扩展性。4.2发现调配中心控制调配器：控制调配器是核心组件之一，用于管理和控制数字孪生场景的调配。接收前端请求动态调配数字孪生场景，确保用户能够获得所需的实时数据和操作体验。信令服务：信令服务是数字孪生架构中的通信协议，用于实现数字孪生场景中不同组件之间的通信和数据交换。4.3前端页面框架数字孪生场景调配器：数字孪生场景调配器是前端页面框架的一个组件，用于提供用户友好的界面，使用户能够轻松浏览和选择不同的数字孪生场景并进行调配。数字孪生管理调试器：数字孪生管理调试器是前端页面框架的另一个组件，提供丰富的功能，如实时监控、数据分析、故障排查等，帮助用户更好地管理和优化数字孪生场景。数字孪生展示器：数字孪生展示器用于展示数字孪生场景的实时数据和模拟情景，通过可视化方式将数字孪生场景进行呈现，使用户能够直观了解场景的状态和变化。4.4业务服务基础服务：基础服务提供项目中常用的基础功能，例如用户认证、权限管理等，为其他组件提供支持和便利，确保系统的正常运行。物联网对接服务：物联网对接服务用于与物联网设备进行通信和数据交互，通过与物联网设备的对接，实现对校园内各种设备的监控、控制和数据采集。4.5场景数据服务场景数据服务是用于处理数字孪生场景数据的组件，其中包括数据事件分发器。数据事件分发器负责将场景数据实时分发给相关组件，以保持数字孪生场景的同步和准确性。4.6RedisRedis是一种高性能的内存数据库，常用于缓存和数据存储。在该技术架构中，Redis被应用于列表和队列等数据结构，以提高数据读写速度和系统的响应性能。4.7PostgreSQLPostgreSQL是一种开源关系型数据库管理系统，被用于存储数据表、游戏和设备等数据，提供了稳定可靠的数据存储和查询功能，支持复杂的数据操作和分析。4.8底层引擎底层引擎是项目中的核心组件，包括多个游戏引擎，如game 1、game 2。引擎负责处理数字孪生场景的模拟、计算和渲染，提供真实感和交互性。4.9桥接器桥接器用于连接不同组件的中间件，实现组件间的数据传输和协作。在该技术架构中，桥接器被用于连接game引擎和其他组件，以确保数据的有效传递和系统的正常运行。5校园数字孪生安防应用校园数字孪生安防应用中，监控设备与报警设备等物联设备均依靠物联网，实时监控和预警系统也是数字孪生在校园安防中的一项重要应用[6]，可以利用高清摄像头、传感器网络和数字孪生技术，实现对校园内各个区域和场景的监测和预警。传感器可以检测温度、湿度等环境参数，摄像头可以捕捉到实时的图像和视频，通过物联网的传输和应用，将数据与数字孪生模型整合和分析。数字孪生模型是校园的虚拟副本，包含校园的地理布局、建筑结构和设施信息。通过与实时数据对比分析，可以识别出异常事件，如入侵、火灾、拥堵等，用于校园突发应急处置应用。一旦发现异常事件，可以立即发出警报并通知相关人员。通过数字孪生技术的支持，可以远程定位安全问题并采取措施，实时监控、预警、响应校园内的安全事件，避免虚警和误报，提高校园安防保障能力。智能门禁系统是数字孪生在校园安防中的另一项重要应用，该系统利用数字孪生技术和身份认证技术，实现对校园门禁的智能管控。通过数字孪生技术将校园的物理布局和门禁设施建模成虚拟副本，提供准确的校园地理信息和门禁设施状态。系统使用身份认证技术对进入校园的人员进行身份识别，通过与数字孪生模型的比对，快速准确地验证身份并自动化控制门禁权限，同时自动记录进出门禁设施的人员信息，可用于安全审计和事后调查。通过建立数字孪生模型及使用数据分析技术，可以预测和优化校园的安全措施，提高校园的安全性。基于数字孪生模型构建校园的各个区域、建筑物、出入口等校园地理信息和安全设施状态，可以分析历史数据，如安全事件、事故记录、人员流动等，通过数字孪生模型的模拟和评估技术，预测不同安全措施的效果，优化校园的布置和使用。数字孪生校园安防火灾模拟处理流程如图2所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.02.019.F002图2数字孪生校园安防火灾模拟处理流程例如，模拟火灾的发生和蔓延，通过数字孪生模型和数据收集分析，可以评估不同监控设备的布置和覆盖范围。系统可以分析校园内的热点区域、高风险区域和易受攻击区域，并提出最佳的监控设备布置方案，最大限度地提高监控效果和安全覆盖范围，模拟和评估突发事件的应急措施，帮助提供最佳的应急响应方案，提高应对突发事件的能力。6结语数字孪生因其巨大发展潜力与反映物理实体的能力，可以在多方面投入应用，在校园安防领域具有广阔的未来发展前景。数字孪生在园区管理方面具有许多潜在的好处，对未来教育模式的探索和创新具有很高的研究价值，融合数字孪生技术可提高校园安全稳定性，优化校园管理，提高校园服务质量，促进校园可持续发展。