数字孪生技术在物质文化遗产数字化建设中的应用研究成果

8.2.1　共性理论与共性特征分析

通过数字孪生理论与技术在虚拟信息空间中构建一个与现实物理世界中的物质文化遗产完全一致的数字孪生体，则可在对该遗产做任何动作、破坏或损坏之前，模拟出可能发生的状况、问题或可能引起的后果，从而使具备唯一性、不可恢复性的物质文化遗产免于被错误行为、举止或动作损坏，达到良好的保护、开发、利用效果，同时，数字孪生体也可与虚拟/增强/混合现实进行紧密结合，叠加虚拟现实维度，提供复原再现、可视化展示与沉浸式体验功能，给遗产保护与开发利用增加了更多可行性，让遗产“活起来”，绽放全新生命力。

物质文化遗产数字孪生体作为数字孪生技术物质文化遗产数字化过程中最重要的应用之一，它是基于规划设计阶段产生的虚拟仿真模型，一旦构建成功就可实现它与物理实体之间的数据、信息交互，从而不断完善其数据模型的完整性、系统性、一致性、动态性、进化性和精确性。本节在对国内外相关研究成果归纳演绎之后，认为数字孪生与物质文化遗产数字化的共性理论体系与共性特征如图8-1所示。

图8-1　共性理论与共性特征分析图

事实上物质文化遗产数字孪生体系远远超出了其数字化、虚拟/增强/混合现实产品所涵盖的范畴，它不仅囊括了物质文化遗产所对应的几何、三维数字与虚拟现实模型，也包括了对应的功能、性能、技术和手段等方面的表达与描述，还包含了物质文化遗产数字化建设、管理与服务等相关全生命周期的形成状态和过程的表达与描述。此外，一方面，它是物质文化遗产三维重建与复原、虚实交融与人机互动、视觉导览、智能展示的拓展与延伸［136］，本质上提升了物质文化遗产单一数据源和数字化建设全生命周期过程中的数据、信息交互能力；另一方面，它也是物质文化遗产保护、传承、开发和利用价值链的数据中心，本质上丰富了各功能模块之间的数据、信息交互方式，提升了各模块间自主协作和解决问题的能力。

8.2.2　运行机制

根据上面的分析，可知数字孪生技术是实现现实物理世界与虚拟信息空间之间信息交互融合的有效手段与方法，物质文化遗产数字孪生体系能在大数据、物联网、虚拟/增强/混合现实等信息技术的驱动下，通过现实物理世界和虚拟信息空间之间的双向、实时数据映射与信息实时交互，实现物质文化遗产、虚拟文化遗产、数字孪生平台之间的全过程、全业务、全因素、全数据的融合与集成，在相应的文化遗产大数据驱动下，实现物质文化遗产数字化建设过程管理、数字化规划设计、数字化过程控制等物质文化遗产、虚拟文化遗产、数字孪生平台之间的迭代运转，从而在满足特定建设目标和规则的约束下，达到物质文化遗产保护、传承、开发和利用最佳的运行模式。因此，物质文化遗产数字孪生体系主要是由物质文化遗产、虚拟文化遗产（数字孪生体）、数字孪生平台和遗产大数据四部分所组成。

其运行机制如图8-2所示，物质文化遗产是现实物理世界中客观存在的物理实体或物理实体集合，主要负责接受数字孪生平台下达的数字化建设任务，并按照虚拟文化遗产模拟仿真后计算得出最佳执行策略，执行相应的数字化建设工作并完成建设任务。同时，该模块还需要具备较强的多源异构数据的智能实时感知能力，以及“用户—信息空间—物质文化遗产—网络环境”所涉及的人机物环境建设与融合能力［137］；虚拟文化遗产（数字孪生体）是物质文化遗产在信息虚拟空间内的完全数字化映射，主要用于对遗产数字化建设的规划设计、建设执行、任务过程等进行模拟仿真、评估、优化、分析、决策和预测，并对整个过程进行实时监测、预测和管控，从而对物质文化遗产保护、传承、开发和利用过程中面临的各种状况和突发情况产生最优化处理方案［85］。该模块主要需要包括要素（主要包括用户、信息空间、物质文化遗产、网络环境等生产要素进行描述的三维数字模型与虚拟仿真模型）、行为（主要包括对物质文化遗产数字化建设的各种特征进行描述的行为模型）、规则（主要包括依据数字化建设过程中的各种模拟仿真、评估、优化、分析、决策和预测等规则模型）三个方面；数字孪生平台主要是由物质文化遗产大数据驱动的各类数据、信息、服务、功能、业务与模块的集合，主要是对整个规划设计、执行过程的智能化管控进行有效协调和管理；物质文化遗产孪生大数据是三者在运行过程中所产生的各类数据以及三者融合后所产生衍生数据的集合，是整个数字孪生体系正常运转和数据、信息交互的主要驱动力。该模块主要提供全过程、全业务、全因素、全数据的数据融合与共享集成平台，并在融合和集成的基础上，不断对其自身数据、信息进行拓展与更新，从而实现各组成要素之间的交互、融合与驱动［68］。

图8-2　运行机制图

8.2.3　实施方案

目前国内外关于数字孪生与文化遗产数字化融合理论、技术与应用系统性、规范性的研究成果还较少，下面从全生命周期管理视角的孪生大数据构成、实施方式、建设目标和主要功能四个方面对其应用进行分析，如图8-3所示。通过以上分析发现，作为核心的运行机制为数字孪生和物质文化遗产数字化融合研究提供了理论与技术支撑，同时也提供了业务与数据的驱动、交互、获取和整合能力，其目标是为后续遗产数据孪生体全生命周期管理与服务价值链提供保障，从而实现其对应的孪生大数据的全面获取、追溯与处理，对整个实施过程进行全方位监管，进而实现各个相应的功能模块，最终达到建设目标。

8.2.3.1　建设目标

根据物质文化遗产数字化建设实际需求与数字孪生技术特点，确定该体系建设目标主要分为三个部分：

（1）虚实交互融合，以实映虚，以虚控实［138］。一方面，数字孪生与物质文化遗产数字化建设融合的理念之一就是在虚拟信息空间中为遗产建立对应的数字孪生体，并采用虚拟/增强/混合现实、模拟仿真、数字建模、人机交互等技术来模拟仿真遗产所面的临未知状况与突发情况，来预测、决策和确定遗产未来的活动、行为和状态。另一方面，由于物质文化遗产所面临的环境、状态、行为、特性等是动态易变的，为保证其物理实体与数字孪生体高度一致，就需要通过虚实交互融合来不断进行数据、信息实时交互。

（2）物质文化遗产数字孪生体系全生命周期的智能化、数字化管理。智能化、数字化管理是物质文化遗产数字化建设的重要目标之一。物质文化遗产数字孪生体是从其数字化建设拓展和延伸而来，其目的就是实现从最初的遗产原始数据管理到数字化建模后模型数据乃至整个数字化全生命周期的数据管理、服务，使整个过程实现可调控、可预测和可智能处理，并能将物质文化遗产保护、传承、开发与利用需求全面融入早期数字化建设的规划设计阶段，形成能不断自动完善、自主优化的全生命周期的智能管理与服务体系。

图8-3　实施方案图

（3）人、机、物环境管理全价值链协作。物质文化遗产数字孪生体系管理与服务价值链上下游主体间、遗产彼此之间端到端的数据集成是“用户—信息空间—物质文化遗产—网络环境”所涉及的人、机、物环境深度融合的重要组成部分。而遗产数字孪生体作为该管理与服务价值链的核心，其主要目标就是实现相应的人、机、物环境管理的全价值链协作，从而实现价值链上下游的数据、信息集成与分享、孪生体之间的协作管理、服务与开发利用。

8.2.3.2　主要功能

围绕其建设目标及数字化建设需求，确定物质文化遗产数字孪生体系主要功能如下：

（1）模拟仿真、评估、优化、分析、决策和预测数字化建设过程，提出遗产保护与开发利用的最佳策略与方法。物质文化遗产数字孪生构建的主要功能之一就是模拟仿真、评估、优化和预测遗产数字化建设过程，监测、诊断、控制和维护其在现实物理世界中所面临的各种状况，尽可能地掌握遗产保护与开发利用中的状态、行为，解决任何可能对其造成伤害或损坏的问题，并为后续保护与开发利用提供依据，同时评估其保护、传承、开发和利用的各种成本，实时分析、评估其数字化建设的可靠性、系统性、精确性和适应性，对管理与服务过程加以科学、有效管控，并围绕问题提出最佳策略与方法。

（2）协调虚拟信息空间对物理实体进行镜像映射的过程，监测遗产行为、状态与活动全生命周期过程，推动遗产保护与开发利用创新。通过该实施方案，在物质文化遗产数字孪生体系全生命周期各阶段，将遗产数字化、遗产建设、管理与服务等各方面的数据映射到相应数字孪生体中，并在此基础上，以遗产数字孪生体为主要数据来源，全程监控其对应的行为、状态、活动与特征等变化，进而实现其全生命周期管理与服务过程的高效协同，最终实现遗产在虚拟信息空间与现实物理世界之间的有效映射与实时交互［139］，并为其全生命周期各环节所涉及的设计者、管理者、研究者、操作者、服务者和用户等提供科学、统一的数据访问、信息交互、模型构建和业务管理接口。

（3）遗产数据化建设所涉及的数据资源，以此为遗产数字孪生体系管理与服务的构建、优化、改进和监测提供数据支撑。遗产数字化建设必然会产生大量数据与信息资源，这些数据记录了整个遗产数字孪生体系建设、管理与服务的所有过程，客观反映了遗产物理实体和孪生体的行为、状态、活动与特征。而遗产孪生体也客观记录着遗产数字化过程的产生、发展与灭亡全过程，从而为它的管理与服务的构建、优化、改进和监测提供数据支撑，并能随时提供其在不同历史阶段中的所有数据、信息和模型，在任何时间、地点、阶段和环境中都能提供相应的信息检索与可视化展示功能。

8.2.3.3　孪生大数据构成

数字孪生在物质文化遗产数字化建设过程中应用必然会产生大量数据，这些数据具有规模大、类型繁多、价值密度低、增长速度快、时效性要求高等大数据特性。遗产孪生大数据的数据构成主要包括遗产数字化建设数据、遗产数字孪生体设计数据、遗产数字孪生体制造数据、遗产数字孪生体管理与服务数据、遗产数字孪生服务创新与回收数据五大类。各类型数据的构成主要包括：

（1）遗产数字化建设数据，主要包括数字化建设模型、数字化设计清单、建设过程数据与信息等。

（2）遗产孪生体设计数据，主要包括数字孪生模型、孪生体功能模型、设计过程数据与信息等。

（3）遗产孪生体制造数据，主要包括孪生体制造数据、过程监管数据、业务流运转数据、数字化状态数据、孪生体进度数据等。

（4）遗产孪生体管理与服务数据，主要包括遗产实体管理数据、孪生体管理数据、体系管理数据、孪生体服务数据、过程监管数据、平台升级数据等。

（5）遗产数字孪生服务创新与回收数据，主要包括管理创新数据、服务创新数据、服务更新数据、业务回收数据等。同时，需要特别强调的是，遗产数字孪生体并不是一成不变的静态模型，而是随着环境、条件或行为等外来因素的影响而不断变化的动态模型，并会随着遗产数字化建设、管理与服务过程的演进而不断变化［140］。

8.2.3.4　实施方式

由图8-3可看出，数字孪生在物质文化遗产数字化建设应用的具体实施过程中，主要分为以下五个步骤：

（1）遗产数字化建设方案设计与对应数字孪生体方案设计阶段。该阶段主要应用于规划设计具体的遗产数字化建设、相应数字孪生体构建的具体业务、技术与设计方案。需要构建出与遗产物理实体相对应的三维数字模型、标注、描述、表达、组织、分析与处理的数字孪生模型，同时还包括与之相对应的各物质、虚拟实体之间的关联关系、过程属性、数据与信息，且遗产的虚拟实体与物理实体之间的关系、属性、数据与信息等是完全对应的。

（2）遗产数字孪生体系与孪生模型设计定义阶段。该阶段主要在上一阶段的基础上，实现遗产数字孪生体系、孪生模型与关联关系等的设计、制造与执行。具体的实施内容包括：遗产三维数字模型重建与复原、遗产数字孪生体系过程建模、关联关系模型建模、基于三维数字模型的组合装配设计、数字孪生体系模拟仿真与验证、遗产数字孪生关联知识库建设、虚实交融与人机交互体系建设、视觉导览与智能展示体系建设等，进而为下一阶段提供相关的数据、信息与知识支撑。

（3）遗产数字化及数字孪生体设计信息采集阶段。这一阶段在前面基础上，实现遗产数字孪生体系的管理与服务过程相关数据、信息与知识的获取工作，并建立对应的信息获取、采集机制、渠道与平台等。从信息采集的途径与来源来看，主要包括遗产数字化建设与对应的数字孪生体系建设所涉及的各类数据、信息与知识，如物理实体关联数据、数字孪生体系建设、管理与服务数据、过程监控数据、运行状态数据、孪生体运行检测数据、建设进度数据、状态预测与决策数据、逆向过程推演数据等。

（4）遗产数字孪生体系业务与服务执行阶段。这一阶段主要是为前面几个阶段提供相关业务执行与服务执行任务，从而实现遗产数字孪生体系的建设、管理与服务工作。相关业务内容主要包括遗产数字孪生体系的管理与服务、维护与维修、升级与更新、改造与优化等。

（5）遗产数字孪生服务与业务回收与创新信息获取阶段。这一阶段主要用于处理遗产数字化建设与对应数字孪生体系的后续管理与处理、服务创新工作。当遗产数字化建设工作完成或取消时，与之对应的数据孪生体系所涉及的体系、模型、数据、信息与知识等都将作为历史数据进行有序保存，从而为其他相关研究，或对该遗产进行进一步的保护、传承、开发与利用、或同类型遗产的数字化建设、保护、开发与利用的具体分析、预测和决策，以及对应的同类型遗产数字孪生体系与模型建设等提供参考借鉴。

结合以上分析，可认为物质文化遗产数字孪生体系建设的实现方法具备以下几点特征：

（1）该体系建设是面向其全生命周期的，数据来源于现实物理世界中客观存在的物质文化遗产，数据源具备单一性、一致性与系统性等特征，且它是遗产所处的物理世界与虚拟空间之间的数据与信息双向交互的唯一依据。(www.chuimin.cn)

（2）该体系中涉及的所有模型、状态、行为、活动、数据、信息与知识都是可以追溯的。

（3）该体系可在任何时间、地点实现遗产物理实体与虚拟实体之间的双向交互，进而实现对遗产物理实体状态、行为与活动的实时监测、跟踪、预测、分析和决策。

8.2.4　关键技术

根据以上分析，依据其运行机制与实施方案所展示的主要系统构成，可认为物质文化遗产数字孪生体系构建的关键技术主要包括五个方面：

（1）物质文化遗产“人（用户）—机（信息空间）—物（物质文化遗产）—环境（网络环境）”的融合交互技术。主要包括：

①网络环境中的遗产多源、多尺度、异构关联数据、信息、服务、接口标准和协议的制定与相关数据获取、采集技术；

②遗产多源、异构、多模态关联数据的融合与处理技术；

③遗产高精度三维数字化几何数据测量、获取、建模、处理与分析技术；

④遗产多源、异构、多模态数据传输与存储技术；

⑤遗产智能感知技术与相应的物联、传感网络装配技术；

⑥遗产大数据存储与展示技术；

⑦遗产所处的人机物环境智能监控和优化管理技术等。

（2）遗产数字孪生体（虚拟文化遗产）建模、模拟仿真与匹配技术。主要包括：

①遗产数字孪生体建模技术，如遗产几何数据获取、建模、纹理获取与预处理、纹理与光线映射等多维度、多尺度三维数据建模与仿真技术；

②遗产多维度、多尺度、高精度模型数据集成与融合技术；

③数字孪生体内涵特征、运行机制与模型融合技术；

④遗产数字孪生体设计/制造/渲染/生产过程的模拟仿真、运行、优化与验证技术；

⑤遗产虚拟/增强/混合现实应用技术等。

（3）遗产数字孪生体数据管理与处理技术。主要包括：

①多尺度、多维度、多类型、多结构和多粒度数据的清洗、过滤、处理与分析技术；

②多源异构遗产大数据融合与数据追溯技术；

③遗产大数据迭代优化与驱动技术；

④遗产数字孪生体虚拟交互融合与协作技术；

⑤遗产数字孪生体虚拟双向交互映射技术；

⑥遗产大数据处理、分析与应用评价技术等。

（4）遗产数字孪生体系业务运行技术。主要包括：

①遗产数字孪生体系机制构建、服务组合与优化技术；

②遗产数字孪生体系协同管理技术；

③资源动态调度与业务自适应技术；

④业务组织、服务管理与过程监管等技术；

⑤遗产数字孪生体系运行标准、技术规范、接口定义和服务定义技术；

⑥业务过载与服务调控技术等。

（5）遗产数据孪生体系管理与服务技术。主要包括：

①遗产数据孪生体系智能管理与资源精准协作技术；

②管理与服务质量实时控制与优化决策技术；

③遗产数据孪生体系运行能耗管理、分析与预测技术；

④管理与服务精准管控、智能跟踪、匹配技术；

⑤管理与服务协同分析、运行优化技术；

⑥服务更新与业务流回收技术；

⑦遗产数据孪生体系运行负载均衡与性能优化技术等。