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数字孪生在校园网络建设中的应用实践

2024-02-21 中国教育网络

　　数字孪生是指通过数字建模及物联网技术将物理对象、系统或过程与其在虚拟环境中精确复制相结合的概念。数字孪生初期是指实体、虚拟产品间的链接。

　　数字孪生技术在各领域都有较为广泛的应用场景，如智慧校园、工业制造、城市规划、医疗保健、能源管理等。在制造业中，数字孪生可以帮助企业优化生产过程，提高生产效率和质量；通过数字孪生，企业可以实时监测设备状态，预测设备故障，并进行优化调整，以提高生产线的运行效率和产品质量；通过数字孪生，可以更好地理解和管理实体对象，优化其性能和效果，提升工作效率和用户体验。

　　近年来，科技的不断创新深刻影响着教育领域，校园作为提供教育服务的核心场所，也被赋予了“智能”的概念。数字孪生技术应用于智慧校园领域已经有了数字孪生智慧校园模型设计与探索。在智慧校园的建设中，校园网是所有基础设施及业务服务建设的基础。数字孪生在校园网络建设应用的探索和实践，对提高网络利用率，减少能源消耗，实现校园建设的可持续发展具有重要意义。

网络架构的关键组件

图1 数字孪生校园网络架构

　　图1为数字孪生校园网络架构。数字孪生在校园网络建设应用中获取数据的架构通常包括以下关键组件和流程。

　　数据采集层

　　网络设备：校园网络中的交换机、路由器、防火墙等网络设备通过管理协议（如SNMP、NetFlow）或设备日志生成的数据提供了有关网络设备状态和性能信息。

　　传感器和监测设备：部署在校园网络中的传感器和监测设备可以实时收集有关温度、湿度、能源消耗等环境和基础设施信息。

　　云服务接口：如果校园网络使用云服务，通过云提供商的API或监控工具可以获取云资源的性能和状态数据。

　　用户反馈和调查：通过用户反馈、调查表和问题报告，可以获取有关用户体验和需求的数据。

　　数据传输层

　　从数据源到数据处理和存储的传输层，通常使用网络协议和安全性措施确保数据的安全和完整性。

　　数据可通过网络传输到数据处理和存储系统，也可通过本地数据传输通道传输。

　　数据处理和存储层

　　数据处理：在这一层，数据进行预处理、清洗、转换和聚合，以确保数据的准确性和一致性。同时包括数据的时序处理，以支持实时监控和历史数据分析。

　　存储：处理后的数据存储在数据库、数据仓库或大数据存储系统中，以供后续分析和查询使用。常用的数据库包括关系型数据库（如MySQL、PostgreSQL）和时序数据库（如InfluxDB、Prometheus）。

　　数据分析和可视化层

　　数据分析：使用专业的数据分析工具和算法，对存储在系统数据库中的数据进行实时分析，以从数据中提取有用的见解，如性能趋势、异常检测、容量规划等。

　　可视化：将分析结果以可视化方式呈现，如仪表板、报表、图表等，帮助网络管理员更好地理解网络状况和性能。

　　数字孪生模型

　　创建和维护数字孪生模型，该模型反映了校园网络的物理和逻辑结构，包括设备、拓扑、连接和性能参数。数字孪生模型与实际网络数据关联，可以用于模拟和规划网络变更性能优化。

网络建设的数据流分析

　　数字孪生在校园网络建设中的数据流向涉及数据采集、传输、存储和处理，以及模型构建、仿真和结果展示等环节。通过这些数据流向，数字孪生系统可以提供准确的网络模拟和分析，支持校园网络的优化和管理工作。数据流向在数字孪生中是一个循环过程，校园网络的实际运行数据被反馈到数字孪生模型中，以便不断优化模型和策略。图2为数字孪生校园网络建设流程，各环节具体内容如下。

图2 数字孪生校园网络建设流程

　　数据采集。数据采集是使用数字孪生进行校园网络建设及管理的第一步。需要将校园网络中各个节点和设备的数据进行采集。这些数据包括设备状态、网络流量、带宽利用率、连接质量等信息。数据采集可以通过传感器、监测设备、网络流量分析工具等方式进行。

　　数据传输。采集到的数据需要通过网络传输到数字孪生系统中，如通过互联网、局域网或无线网络将数据从采集点传输到数字孪生系统的服务器或云平台。

　　数据存储和处理。数字孪生系统需要将外部系统或传感器传入到系统中的数据进行存储和处理。这些数据存储在系统的数据库中，以供后续的模型构建、分析和仿真使用。数据处理包括数据清洗、预处理、特征提取等操作，以确保数据的可靠性、准确性和一致性，从而满足数字孪生的应用需求。

　　数字孪生模型创建。在数字孪生系统的校园网络模块建设中，采集到的数据被用来创建虚拟模型，包括校园网络的拓扑、设备配置和网络性能参数等。数字孪生模型可以采用多种建模技术，如网络拓扑图、物理模拟等。

　　模拟与仿真。一旦创建了数字孪生模型，可以用来模拟校园网络的运行情况，包括模拟网络设备之间的通信、流量传输、设备故障等情况，识别潜在问题，评估网络性能，并测试新的网络策略。

　　数据分析。在数字孪生建设校园网络中模拟运行期间，生成大量的数据，包括性能数据、安全事件等。这些数据可以用来分析，以识别性能瓶颈、网络安全威胁、资源利用率等问题。数据分析通常需要使用数据分析工具和算法来提取有用的信息。

　　决策支持。分析结果用来支持决策制定。校园网络管理员可以根据数字孪生模型的数据和分析结果，制定网络优化策略、安全措施、设备升级计划等。

　　实际应用。基于数字孪生的模拟和分析结果，校园网络管理员可以定制多种改进措施，包括网络设备的配置修改、安全补丁的应用、带宽分配的调整等。这些改进将影响实际的校园网络性能和安全性。

网络建设的应用分析

　　数字孪生是一个强大的工具，可以帮助校园网络管理员更好地规划、设计、维护和优化网络基础设施，在校园网络的性能、可靠性、安全性及可维护性上具有较大的实用价值。通过模拟和虚拟化，可以提供更好的教育和培训机会，对于智慧城市的实现也起着至关重要的作用。以下为数字孪生在校园网络建设中的具体应用。

　　网络规划和设计。通过数字孪生技术，可以对校园网络进行虚拟建模和仿真，包括网络设备、布线、拓扑结构等，以便进行网络规划和设计。使用数字孪生创建校园网络的虚拟模型，可以预测网络性能、优化网络拓扑、提高网络容量等。

　　网络运维和管理。数字孪生技术可以实时监测和管理校园网络的运行状态和性能。通过与实际网络的数据同步，实时获取网络设备的运行情况、流量负载、故障信息等，帮助网络管理员及时发现并解决问题。

　　网络优化和升级。通过模拟不同的网络配置和策略，数字孪生可以帮助校园网络管理员优化网络性能。管理员测试不同的带宽分配、服务质量策略和路由方案，找到最佳的网络设置，评估网络性能和容量、瓶颈和改进空间，并进行网络优化和升级，以提供更好的网络服务和用户体验。

　　故障诊断和维护。当校园网络发生故障时，数字孪生技术可以帮助快速定位故障源，进行故障模拟和分析。管理员可以在虚拟环境中测试不同的故障场景，找出问题的根本原因，并在现实网络中进行修复。通过与实际网络的对比，更准确地确定故障的位置和原因，加快故障修复的速度。

　　安全性评估。通过数字孪生，可以模拟网络攻击和安全威胁，通过在虚拟环境中模拟各种网络攻击和安全漏洞，可以评估校园网络的安全性，有助于发现潜在的漏洞并采取相应的安全措施，以确保网络的安全性和可靠性。

　　教育和培训。数字孪生还可以用于网络教育和培训，终端用户可以根据自己的需求和进度进行学习。此外，数字孪生还可以提供即时反馈和评估，帮助用户及时发现和纠正错误。学生和网络管理员可以在虚拟环境中进行实际操作和练习，以提高网络管理和维护能力。

　　虚拟导览和参观。数字孪生的虚拟参观可以让用户远程参观无法亲自到达的地方，例如远程公司、实验室、工厂等。学生家长可以通过数字孪生校园进行虚拟导览和参观，了解校园的布局、设施和资源。

　　新设备和技术的部署。新技术的应用是数字孪生实现的关键。例如，可以利用物联网技术将各种设备连接到云平台，实现设备之间的数据共享和协同工作；可以利用大数据分析技术对海量数据进行处理和挖掘，提取有价值的信息；可以利用人工智能技术实现自动化的数据分析和决策支持。这些新技术的应用提供更强大的能力和效果。学校在引入新设备或新技术到校园网络中之前，可以使用数字孪生来模拟其效果和影响。这有助于预测网络扩展或升级的需求，以满足未来的增长和技术要求。

　　资源管理。数字孪生可以用于监测和管理网络资源的使用情况，通过实时监测、优化和模拟来提高资源利用效率和可持续性。这有助于优化资源分配，确保网络运行在最佳状态下，降低成本，从而实现资源的合理分配和优化利用。

网络建设成效

　　数字孪生可以实现智能化的校园网络管理，包括能源使用、安全监控、设备维护等。在校园网络扩展或升级时，数字孪生可以帮助学校模拟新网络设计的影响，以便做出更明智的决策。这有助于避免不必要的成本和时间浪费。通过与实际网络系统的连接，数字孪生可以实时获取各种网络设备的状态数据，基于这些数据，可以实现网络故障的自动检测和诊断，提前预警并采取相应的措施。另外，数字孪生可以支持校园网络的可持续发展。随着学校规模的扩大和网络需求的增加，校园网络建设面临着巨大挑战。数字孪生可以通过模拟和优化技术，帮助学校评估不同网络方案的可行性和效果，选择最优解决方案。

　　数字孪生建设校园网络系统可以将校园布局、校园环境、校园建筑、教学楼宇室内结构、校园设备资产分布、网络设备点位等进行全面数字化模型构建，通过对仿真结果进行展示和反馈，一方面可以对校园资产统计、校园态势分析，更重要的应用是如图3所展示的，可以通过选择想要查看的建筑或区域，直观了解该楼层所拥有的网络设备。通过可视化界面、报告、图表等形式呈现给网络管理员、决策者或其他相关人员，并获取网络设备编号、当前运行状态、端口速度、无线类型等数据来帮助其理解网络状况、做出决策和采取相应的行动。

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图3 数字孪生校园网络场景

　　数字孪生在校园网络中的应用，实现了对网络资源的智能调配和优化、提高网络利用率、减少能源消耗的目标，实现校园网络建设的可持续发展。

展望未来

　　随着物联网、大数据和人工智能等技术的快速发展，数字孪生在校园网络建设中的应用将会越来越重要。本文面向校园网络创新的、高效的智能管理需求，以校园建筑、校园资产、校园点位、校园物联等基础数字孪生内容，开展了校园网数字孪生应用架构的实践，实现了校园网数字孪生运行状态的可视化、智能检测，满足校园数字化信息化管理要求，为智能化、精益化运维应用奠定基础。

　　尽管数字孪生技术在校园网络建设中的应用还处于初级阶段，大多数高校信息化部门的职责定位为网络、信息系统的实施，但随着技术的进步和实践的积累，其应用前景仍然非常广阔。未来，数字孪生有望在校园网络建设中发挥更大的作用，提升网络的效率、安全性和可靠性，提供创新型的教育教学基础、开展虚拟实验课程设置等，发挥数字化网络底座的根基作用。

　　基金项目：2021年辽宁省教育厅项目（2021JYT29）。2023年《中国教育网络》7月刊《数字孪生智慧校园建设模型与探索》一文同为本基金项目。

　　来源：《中国教育网络》2023年11月刊

　　作者：李富宇、张洋洋（大连外国语大学信息技术中心）

　　责编：陈永杰

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