数字孪生在文化遗产数字化建设中的应用研究

摘要：以数字孪生赋能文化遗产数字化建设，探究以其连通性以促进文化遗产智能化、数字化管理，提高文化遗产保护效率与质量;以同质化促进受众对文化遗产的情感交互体验趋同，充分挖掘其艺术魅力与文化内涵;以模块化促进文化遗产数字化生态建设，促进文化遗产的社会经济属性建设与协同管理机制发展，最终形成最具普遍化的文化遗产价值传播生态系统。

关键词：数字孪生;连通性;同质化;模块化

一、引言

文化遗产的整体性和延承性特点反映了人类的经验、认知、智慧、情感与操守，体现了真实而不断发展的文化价值。但文化遗产的脆弱性特点也导致其在现代化的推进过程中备受冲击，这是当代社会发展中极具普遍性的问题。近年来，随着大数据、物联网、虚拟/增强/混合现实等智能化、个性化技术的飞速发展，促使人类步入数智融合（BD+AI）时代[1]。在数智融合驱动下，数字世界为服务物理世界而存在，数字孪生技术（Digital Twin）的兴起，为实现文化遗产全生命周期管理（ Product Lifecycle Management）、保护与开发利用提供了一种新型解决方案，数字孪生应用于文化遗产数字化逐渐成为我国哲学社会科学研究领域的热点课题之一。

在物质文化遗产方面，2020年，中国文化遗产研究院就曾组织对布达拉宫进行精细化测绘，为其建立数字孪生数据库和可视化管理系统。该可视化管理系统同时与消防系统对接，实现报警跳转、逃生路径规划等功能，这对布达拉宫的预防性保护意义重大，为文化遗产的持续性保护策略提供了依据[2]。

2020年11月，故宫博物院副院长王跃工在世界VR产业大会云峰会上表示，故宫将结合文化遗产保护和服务大众的顶层设计，全面推动一座真正意义数字故宫的建设。未来的数字故宫便是一个故宫数字孪生体雏形[3]。

浙江大学文化遗产研究院与云冈石窟研究院联合对云冈石窟第十二窟进行高保真三维数字化数据采集，采用融合三维激光扫描（Terrestrial Laser Scanning）与摄影测量（Photogrammetry Technology）的方案，对十二窟进行三维激光扫描，拍摄55680张照片，历时3个月构建三维模型，并在上海宝龙美术馆完成国内首个1：1可拆卸3D打印数字化石窟展览[4]。清华大学清城睿现数字科技研究院采用数字孪生结合全息数控影像、联动720度环幕、空间定位声场等数字技术向公众呈现了北京中轴线与城市生活关系，向公众传递了北京中轴线文化遗产价值[5]。卡奥斯COSMOPla采用基于同步定位与建图技术 （Simultaneous Localization And Mapping）的移动式三维扫描空间探测技术及数字孪生技术重建三星堆遗址三维场景，开发了具有实景化管理界面，与发掘现场的温湿度、二氧化碳、PM2.5等信息对接、可视、可管、可用的三星堆数字孪生云平台考古数据资产管理系统[6]。

在非物质文化遗产方面，2021年“文化和自然遗产日”，影谱科技运用智能影像和数字孪生技术对贵州苗族蜡染工艺进行直观展示，通过对外形、材质、特征、说明、内部形态等在内的多维度信息进行数字化解构，对蜡染工艺的应用场景、生产过程进行多维可视化展示和数字化表达，让贵州苗族蜡染工艺的展示突破物理界限，带来新科技视角下的非遗传承与发展模式[7]。

二、数字孪生简析

数字孪生是指利用计算机技术，将物理环境、架空环境进行可视化、仿真化、交互性模拟呈现，是数字化的虚拟仿真（Virtual Simulation）结果。其概念最早于1991年由耶鲁大学的David Gelernter提出[8]。2002年，密歇根大学的Michael Grieves率先将数字孪生概念应用于制造业并命名为“信息镜像模型”（Information Mirroring Model）。2010年， NASA先进材料和制造领域专家John Vickers在技术路线图报告中首次将其称为“数字孪生”[9]。

我们可以给数字孪生概念做一个简单描述，数字孪生是一种数字化技术，是物理世界数据信息在虚拟世界的镜像映射，通过这一数字镜像，可以虚拟仿真物理世界的实体行为、状态或活动的全生命周期过程。2017年，美国Gartner公司将数字孪生技术列入当年十大战略技术趋势之一，认为它具有巨大的颠覆性潜力，未来3至5年内将会有数以亿件的物理实体以数字孪生状态呈现[10]。

三、数字孪生与文化遗产数字化建设融合

文化遗产数字化的主要工作包括数字化方案设计与构建，这其中，数据采集（Data Acquisition）占据前期建设最大的成本比重。而随着当下计算能力的指数级增长，计算成本显著下降，边际成本明显降低等因素为数字孪生广泛应用于文化遗产数字化建设提供了可能，数字孪生应用于文化遗产数字化建设，具有几个明显的优势。

1 以連通性促进智能化、数字化管理

为文化遗产提供智能化、数字化管理是数字化建设的主要目标。

作为数字孪生主要技术特征，连通性（Connectivity）可以通过物联网（Internet of Things）和传感器技术（Sensor Technology），在文化遗产与数字孪生数据之间构建实时链接，实现孪生数据与物理实体之间的信息交互，为文化遗产的管理、维护、开发提供数据模型参考，并对整个过程进行实时监测、预测和管控。该孪生数据模型同时也能评估其保护、传承、开发等行为实施的各种成本，实时分析、评估各种管理策略的可靠性、系统性、精确性和适应性，为开发和利用过程中面临的各种状况和突发事件提供最优化的处理策略，促进管理与服务过程的高效协同，实现文化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，最终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。

2 以同质化促进情感体验趋同

数字孪生展示的虚拟数字内容，是物理信息的同质化（Homogenization）结果。

在数字孪生中，文化遗产以数字形式储存和传输，其数据具有完整性、系统性、一致性、精确性、动态性和进化性，为用户带来体验趋同感。信息的同质化可以使其脱离物理存在而进行虚拟展示、传播，可为文化遗产全生命周期各个环节所涉及到的设计者、管理者、研究者甚至普通大众用户等提供其在不同历史阶段中的数据、信息和模型接口。这种在任何时间、地点、阶段和环境中都能向用户提供相应信息检索的功能，使研究不再受限于物理位置与时间，大大的减少了研究成本，减少对文化遗产的消耗，极大的避免了不可预料风险。

同质化，也为文化遗产的传播展示提供了更多可行性。文化遗产的符号性特点决定了其可以通过声、光、电、图像等视听语言来表现。而数字化建设中形成的大量具有可复制性的模型信息可以推动文化资源流动，为文化遗产资源的异地重构与利用提供便利。近些年来，文化遗产资源还常与虚拟现实、增强现实或全息技术结合，提供各种可视化互动体验，增加文化遗产资源的传递性，衍生出更多新兴文化资源，给文化遗产保护传承与开发利用增加了更多的可行性。

3 以模块化促进遗产数字化生态建设

在制造业中，模块化（Modularity）可以描述为产品和生产模块的设计与定制[11]。通过使用数字孪生技术，制造商可以看到哪些组件模块导致设备性能不佳，并用更合适的组件模块替换以改进制造过程。

一方面，就本地文化遗产而言，数字孪生数据模型是其进行保护、传承和拓展等实施模块的数据管理中心。通过各功能模块之间的数据信息交互，提升了各模块间自主协作和解决问题能力。另一方面，就整个文化遗产数字化体系而言，当一处遗产数字化建设工作完成时，其对应的数字孪生数据体系所涉及的智能管理、三维模型、开发数据都将形成模块化内容。这些模块化内容可以通过互联网信息调取，代入到其他文化遗产的数字化建设中，为其他文化遗产的数字化建设提供参考借鉴。同时，模块化还可以结合大数据（Big Data），对不同领域、区域的文化遗产模块进行多维度的数据分析对比，追溯文化遗产发展源流，为各种研究提供数据支撑。而结合虚拟仿真，则可以为文化遗产特别是物质文化遗产的维护维修、升级更新、改造优化以及三维数字重建复原等工作提供科学样本。

在未来，随着5G技术的进一步发展，如果能实现文化遗产数字化建设的物联网化、实现物理空间与数字空间的实时互动响应，则将进一步促进文化遗产的社会经济属性建设与协同管理机制发展，让更多的机构、组织、普通受众参与到文化遗产的建设与传播中，最终形成最具普遍化的文化遗产传播生态系统。

四、结语

文化遗产是我国历史文化的重要组成部分，当前针对数字孪生在文化遗产数字化建设中的应用尚处于探索阶段，仍有诸多技术难题亟待攻克。数字孪生技术已被多个项目案例证明，其可以为当前文化遗产的数字化保护、传承、开发、利用提供新的理念与工具。但数字孪生与文化遗产保护开发的深度智能融合协作，还需要更多的社会资源支持。本文对数字孪生技术在文化遗产数字化建设中的融合进行了初步理论研究，以期为提升数字孪生技术在文化遗产数字化建设中的应用与实践，提供有益借鉴。

参考文献：

[1]郑思思，陈卫东，徐铷忆，袁凡，褚乐阳.数智融合：数据驱动下教与学的演进与未来趋向——兼论图形化数据智能赋能教育的新形态[J].远程教育杂志，2020，38（04）：27-37.

[2]孙亚慧.数字孪生：测绘布达拉宫[EB/OL].《人民日报海外版》（2020年11月02日 第11版）https：//new.qq.com/omn/20201102/20201102A016TC00.html，2020-11-02/2021-10-06.

[3]宋祎林.发改委多次提到的“数字孪生”黑科技，将如何赋能文旅产业[EB/OL].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1708871973552423811&wfr=spider&for=pc， 2021-08-23/2021-10-08.

[4]李君娜.云冈“第12窟”带千年记忆来沪[EB/OL].http：//gov.eastday.com/renda/dfzw/zxgg/u1ai6269756.html，2020-12-28/2021-10-08.

[5]杨思.数字化“孪生”赋能文化遗产[EB/OL].http：//www.xinhuanet.com/info/2021-03/01/c_139774374.html，2021-03-01/2021-10-04.

[6]上海市松江区人民政府.卡奥斯COSMOPlat数字技术赋能三星堆文物发掘工作——“松江智造”为智慧考古插上数字翅膀[EB/OL].https：//www.songjiang.gov.cn/xwzx/001001/20210625/a4f47960-eeb7-4ee8-a50f-780617f7da62.html，2021-06-25/2021-10-04.

[7]环球网资讯.智能影像和数字孪生加持，影谱科技助力非遗数字化传承[EB/OL].https：//www.163.com/dy/article/GC4G8AG70514R9OJ.html， 2021-06-10/2021-10-02.

[8]Larson Ray R.Mirror Worlds： Or the Day Software Puts the Universe in A Shoe Box… How It Will Happen and What It Will Mean （Book Review）[J].College & Research Libraries，1992 53（4）：369-370.

[9]Bob Piasicik，John Vickers.et al，Technology Area 12： Materials， Structures， Mechanical Systems， and Manufacturing Road Map， NASA Office of the Chief Technologist，2010.

[10]Kasey Panetta.Gartners Top 10 Technology Trends 2017[EB/OL]. https：//www.gartner.com/smarterwithgartner/gartners-top-10-technology-trends-2017.2016-10-18/2021-10-06.

[11]Roland Rosen et al.About The Importance of Autonomy and Digital Twins for the Future of Manufacturing[J].IFAC PapersOnLine，2015，48（3）：567-572.

基金项目： 2021年度教育教学改革研究与实践项目“线上线下混合式教学学习效果评价体系的研究与实践”（JXNLJG202131）;广东省外语艺术职业学院2021年校级课题“数字化‘孪生’赋能中华优秀传统文化教学的未来图景研究”（2021G10）

作者简介：周婕（1985-），女，广东汕头人，广东省外语艺术职业学院讲师，硕士研究生，研究方向為虚拟现实开发、数字媒体艺术、产教融合。