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先进技术集成促进可持续智能校园发展:近期研究综述

期刊:Advanced Engineering InformaticsDOI:10.1016/j.aei.2025.103412

本文档是一篇系统性综述论文(systematic review),属于类型b。以下是针对中国读者的学术报告内容:


《Integrating Advanced Technologies for Sustainable Smart Campus Development: A Comprehensive Survey of Recent Studies》学术报告

作者与发表信息
本综述由Menatalla Haggag(通讯作者)领衔,研究团队来自阿联酋沙迦大学(University of Sharjah)的多个院系——包括计算机科学系、建筑工程系和土木环境工程系,合作者还包括英国University of the West of Scotland的学者。论文于2025年发表在《Advanced Engineering Informatics》第66卷,文章编号103412。

研究主题
该综述系统性地评估了2020-2024年间智能校园(smart campus)领域的技术整合现状,重点关注物联网(IoT)、人工智能(AI)、数字孪生(DT)、区块链(BC)、大数据(BD)等先进技术如何促进校园的可持续发展。研究通过文献计量分析与分类法评估,揭示了当前研究缺口并提出未来发展方向。

主要观点与论据

1. 智能校园的技术架构演进
- 核心发现:智能校园已从孤立系统发展为融合Industry 4.0技术的”校园4.0”(Campus 4.0)生态。图1展示了从传统校园到集成IoT/AI/DT的智能基础设施的演化路径。
- 证据支持
- 早期框架(如2000年代的云计算移动学习架构)奠定基础[3-4]
- 现代系统通过数字孪生实现实时空间优化,使老化校园设施的能耗降低40-70%[7,55]
- 图2明确列出支撑校园4.0的7大核心技术:IoT、AI、BD、元宇宙(MV)、机器人(RB)、DT和BC

2. 物联网在智能校园中的核心作用
- 分层架构:图8展示的IoT基础设施包含传感器层(温湿度/光照/ occupancy传感器)、网关层(LoRa/WiFi/Zigbee)、边缘计算层与云平台。
- 应用案例
- 西班牙高校通过IoT监控实现HVAC系统节能56%[55]
- 智能储物系统(wifi locker)提升空间利用率[59]
- 疫情期边缘智能系统实现实时人员密度管控[61]
- 局限性:79%的研究存在传感器数据质量问题,且67%的案例依赖稳定网络连接[82]

3. 人工智能技术的突破性应用
- 方法演进:从早期浅层学习(如LBP人脸识别[83])发展到图卷积网络(GCN)分析学生课堂行为[99]。表3显示:
- LSTM模型在空间占用预测中达100%准确率[104]
- 强化学习(RL)优化能源存储效率至96.9%[89]
- 能效挑战:复杂AI模型(如YOLOv3)导致算力需求激增,需通过模型量化(quantization)平衡性能与功耗[111]

4. 新兴技术融合的潜在价值
- 数字孪生
- 台湾大学通过3D建模+IoT实现气候适应性校园[126]
- 伯明翰大学与西门子合作建立碳中和数字孪生实验室[127]
- 区块链
- 沙迦大学的BC-IoT框架提升学术记录安全性[66]
- DID/NFT技术实现资源去中心化共享[131]
- 元宇宙:AR导航系统减少寻路时间35%[114],但需解决VR设备眩晕问题

5. 可持续发展实践评估
图12显示节能措施分为”能源优化”与”绿色基建”两类:
- 光伏-物联网混合系统降低63.7%用电[67]
- 智能垃圾桶通过ML实现98.81%垃圾分类[88]
- 但仅有28%研究评估长期维护成本[139]

6. 现存挑战与未来方向
- 六大障碍
1. 技术整合复杂性(需跨学科协作)
2. 初始投资高昂(ROI周期>5年[23])
3. 数据隐私风险(GDPR合规性问题[81])
4. 标准化缺失(73%方案不可互操作[40])
5. 用户接受度(43%学生抵制行为监控[153])
6. 数字鸿沟(发展中国家部署困难[43])
- 未来框架:提出多维度创新框架(MIF-SC),强调:
- 弹性集成架构
- AI伦理委员会建设
- 动态投资评估模型

学术价值与实践意义
本研究通过系统分析122篇Scopus文献(图4筛选流程),首次建立智能校园技术的分类法(图5)。其价值体现在:
1. 理论层面:揭示IoT-AI-DT的技术协同机制,填补了多技术融合研究的空白(对比表1中29篇既往综述)
2. 方法论贡献:开发文献计量分析工具(图7),量化研究趋势——2022年为发表峰值(占31.1%),”IoT”为最高频关键词(出现428次)
3. 应用指导:为高校提供技术部署路线图,如:
- 初期优先IoT传感器网络建设
- 中期导入DT进行能耗模拟
- 长期发展元宇宙教学平台

亮点总结
1. 首创”技术-应用”二维分类法(图6),关联7类技术与6大应用领域
2. 验证深度学习在设施管理中的优越性(较传统方法提升15-40%精度[104])
3. 提出BC-NFT的新型学术凭证体系构想[134]

该研究不仅为学术界提供结构化知识体系,更通过35个案例分析(附录Table 10-13)为全球高校的数字化转型提供实证参考,尤其对中东、东南亚等快速城市化地区的智慧教育建设具有战略指导意义。


(注:实际报告中所有图表引用均与原文献对应,此处为适应格式要求简化处理。完整术语在首次出现时均保留英文原词,如”数字孪生(Digital Twin, DT)“)

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