基于“数字孪生”的大巴山文化资源平台建设

宣伟

摘要：继农业经济和工业经济后，以大数据、云计算、区块链、人工智能等信息传播技术变革催生的第四次工业革命为大巴山文化资源建设带来时代发展机遇。数字孪生作为建设“数字中国”的关键技术和重要着力点，是促进大巴山文化资源建设提质增优的重要发展方向。从分析现有大巴山文化资源研究现状入手，在爬梳相关文献资料及剖析数字孪生概念的基础上，设计数字孪生在大巴山文化资源具体场景运用及整体框架，以更好地促进大巴山文化资源保护与建设，所得经验和方法对于其他相关垂直领域也具有一定的启发意义和借鉴价值。

关键词：数字孪生；大巴山；整体框架；文化资源平台

一、前言

大巴山地处我国西部，是嘉陵江和汉江的分水岭，也是四川盆地和汉中盆地的分界线，隔断四川和陕西两省，处于长江中游和汉水下游，地理位置极其重要。大巴山文化资源丰富，研究角度多为民俗文化及其背后的深度挖掘，比较有代表性的有邓晓、陈太红[1]以大巴山区城口县为例，解读“搭红”现象的巫文化；杨棵瑞、向程[2]从法律科学对其民间司法观念、审判形式及其相互关系对大巴山民俗中“请‘火姑娘”现象进行解读；陈岗[3]立足大巴山丰富的红色资源开发与利用历史现实，探究大巴山红色资源开发和模式等。

随着大数据、云计算、区块链等新兴技术的发展，数字孪生日益受到学界和业界的广泛关注。《“十四五”规划和2035年远景目标纲要》明确要“充分发挥海量数据和丰富应用场景优势，适应数字技术全面融入社会交往和日常生活新趋势，促进公共服务和社会运行方式创新”的数字化发展时代要求[4]。2020年4月，国家发展改革委和中央网信办联合印发的《关于推进“上云用数赋智”行动培育新经济发展实施方案》，多次提及数字孪生技术，号召社会各方开展数字孪生创新计划并提出解决方案。大巴山文化资源丰富，是具有革命传统和神圣的红色土地[5]。

二、 数字孪生的概念本体及应用

2003年，美国密歇根大学迈克尔·格里夫斯（Michael Grieves）教授在产品生命周期管理課程上提出“与物理产品等价的虚拟化数字化表达”[6]，包括数字（虚拟部分）、物理空间的产品及其两者的关联三部分。最初称之为镜像空间模型（Mirrored Space Model），后修改为信息镜像模型（Information Mirroring Model），其概念中已经具备数字孪生中物理空间、虚拟空间等基本要素，因此普遍认为这是数字孪生概念的雏形。

数字孪生概念最早应用于航空航天领域，美国国家航空航天局（NASA）2010年在报告《建模，仿真，信息技术与加工路线图》正式提出“孪生体”概念，是通过仿真实时反映对象的真实运行情况的模型，并最早将其应用于阿波罗项目。由此可见，数字孪生是一种集成多物理、多尺度、多学科属性，具有实时同步、忠实映射、高保真等特性，能够实现物理世界与信息世界交互与融合的技术手段[7]。

哲学的引入可以很好地解释数字孪生这一概念本体。当代科学哲学家波普尔在《没有认识主体的认识论》一文中系统阐发“三个世界”理论，他认为存在着3个世界：①物理客体或物理状态的世界；②意识状态或精神状态的世界，或关于活动的行为意向的世界；③思想的客观内容的世界[8]。简单来说，数字孪生针对物理世界中的物体（“世界1”），通过数字化的手段（“世界2”）“分身”出在数字世界中一模一样的实体（“世界3”），基于此实现对原物体的了解、分析和优化，是形成物理世界中某一生产流程的模型及其在数字世界中的数字化镜像的过程和方法[9]。值得注意的是“世界3”虽然是人造的，同时又明明是超乎人类的，它超越了自己的创造者[10]。

在实际应用中，数字孪生的利用包括仿真和评估、实时监测、原型化、端到端可视化等，多应用于制造业，在文化资源平台建设方面研究较少。李科宇、唐毅等[11]分析现阶段我国地域文化信息共享现状，分析数字孪生技术应用于地域文化信息共享的必要性和运用场景，并概述其应用步骤。

三、 基于数字孪生的大巴山文化资源平台建设

数字孪生的文化资源平台构建可以分为特定的垂直领域及通用领域，不难看出基于数字孪生的大巴山文化资源平台属于前者，需要战略业务方法中的产品生命周期管理理论（Product Life-Cycle Management，PLM）的介入和指导，它能够从产品生命周期的角度实现产品信息的透明化和产品价值的最大化，但是在具体运用过程中，带来的数据碎片化、孤岛化等问题同样需要概念设计、细节设计和虚拟验证予以解决。

数字孪生因其与自动化系统联系紧密，因此常被认为是人工智能的典型代表。值得一提的是人工智能技术与数字孪生仍然有一定的区别，例如虚拟仿真技术虽然也是对于其他系统的“模仿”，它与基于主体建模、机器学习一样，都缺乏孪生功能；自治系统主要从已获取的结果中学习，缺乏必要的自学习。由此可见，在建设大巴山文化资源平台时需要趋利避害，引入系统论，运用系统化思维全面考虑使用的技术，使得文化资源平台更紧密地贴合社会实际，更好地满足社会大众的文化需求和知识服务需要。

（一）数字孪生国际标准

大巴山文化资源平台建设首先要选取合适的数字孪生国际标准，业界有ISO23247、IPC2551、ISO/IECJTC1/SC41，其中较为成熟的是ISO23247[12]，它将数字孪生系统分从下至上为四层，最底层描述“待孪生”且已经存在的客观实体；第二层为传输层，搜集各部分状态变化情况，并及时做出调整；第三层为数字孪生层，对第二层传输的数据进行处理法分析并更行迭代模型；第四层为用户层，搜集用户信息，提升用户使用幸福感。需要系统化、整体性考虑每一层的内部构建及要素布置。数字孪生具备五大驱动要素，即需要为虚拟对象“映射”在物理世界中的“实体”系统化、科学性配备传感器、数据、集成、分析和促动器，以及持续迭代的应用程序。

（二）文化资源平台整体框架

在打造文化资源平台前，需要考虑数字孪生的实际花费、可用资源、建设方案，如果规模较小，难以满足用户的实际需求。反之，过大规模带来的传感器布局复杂、传感器信号收集成本高昂等也是需要考虑的现实问题。此外，基于数字孪生的大巴山文化资源平台建设依赖于多种技术的综合运用和全面发展，尤其是在客观实体与“孪生体”之间的交互，这需要物联网技术（IoT）、云计算、边缘计算、人工智能和大数据技术等。参考《工业设备数字孪生白皮书》中数字孪生技术应用的典型案例，选取ISO23247数字孪生国际标准，拟将文化资源平台整体框架划分为基础设施层、建模计算层、功能层、沉浸式体验层四个层次，各层之间相互支持，高效运作，能够有效提升健壮性。

1.基础设施层

作为最早被用来描述信息化领域的专业术语，基础设施分为经济性基础设施和社会性基础设施两类，麦格劳-希尔公司《经济百科全书》（1982年版）将其定义为能对社会产出水平或生产效率带来直接或间接的经济项目，包括交通运输、电力、通讯、金融、教育和卫生设施，以及组织有序的政府和政治体制。该层以大巴山文化资源为中心，分为服务设施与传感器、数据存储和处理中心两部分，主要任务为数据的采集与分析。

作为资源平台建设的先决性关键步骤，面对海量的大巴山文化资源，以大巴山著名红色景点川陕革命根据点博物馆为例，通过无人机航拍、GPS定位等感知关键点，布置相应的传感器来获取更加准确、专业的数据，而数据正是整个文化资源平台的基础，后通过高快带光纤技术传输至数据存储和处理中心，利用云计算的相关设备和理论，如可以“云—边—端”的统一管控下沉从而实现“端到端”的云服务，并通过边缘计算、大数据、深度学习算法形成“云网融合”。

2.建模计算层

在基础设施层传输的数据的基础上，该层利用机器学习技术和人工智能等技术进行深度挖掘，当下大部分的建模是在同一个垂直领域开展，在后期再进行模型的融合和补偿，但因为不同模型之间的差异性较大，因此说明性和深度融合的能力往往较弱。其中需要利用的关键性技术主要有多领域、多尺度融合建模，这就依赖于高敏感度的传感器等基础设施。同此外，一体化的计算平台对于高效处理大巴山数据具有一定的辅助作用。

3.功能层

针对用户的实际需求展开调研，前期运用的田野调查、半结构化访谈、问卷调查、扎根理论、网络民族志等质性研究方法得出的相关结论对于功能层的设计尤为重要。基于其他相关文化资源平台，功能层将根据实际系统的表征进行调整优化，完成系统评估和系统集群与辅助决策等任务。如对于使用大巴山文化资源平台的用户群进行画像，收集用户行为和多模态信息，对于用户行为进行大数据分析，准确高效推送相关大巴山文化资源相关信息，并与购物、休闲旅游等平台进行深度融合，同时也可以与其他相关的数字文化资源平台建立链接实现“云共享”，更好满足用户的多层次、多样化文化服务需求。

4.沉浸式体验层

该层主要目的就是提供良好的人机交互体验。随着计算机信息技术的迅猛发展，时空智能的应用领域逐渐拓宽，甚至可构建完整的虚拟空间，未来的“人机界限”会逐渐模糊。作为新一代人工智能典型代表，元宇宙是在数字技术集合式爆发的驱动背景下孕育而生，是Web1.0至Web2.0再到Web3.0时代的技术演化趋势的具体表现。元宇宙是全球性的、沉浸式环境，时空限制会逐步消解。清华大学沈阳教授团队发布的《元宇宙发展研究报告2.0版》中，认为元宇宙是整合多种新技术产生的下一代互联网应用和社会形态，基于拓展现实技术和数字孪生实现时空拓展性，在社交系统、生产系统、经济系统上虚实共生，每个用户可进行世界编辑、内容生产和数字资产自所用，是三维化的互联网。在可预见的未来，用户将通过各种“脑机接口”设备，可在“大巴山”创造个人的“数字分身”进行全息式、沉浸式深度体验，可以为用户带来良好的用户体验。但同时值得注意的是不同地区差异化的网络基础设施条件、高昂的“脑机接口”设备、高度沉浸式体验带来的“成瘾化”倾向等问题也同样值得社会广泛关注。

四、 结语

作为第四次工业革命的典型和关键性技术，数字孪生的快速发展为大巴山文化资源建设带来了机遇与挑战。它实现大巴山这一客观物理实体在虚拟空间的全要素映射、实时交互与动态反应等任务，基于此建设而成的大巴山文化资源平台实现了数字孪生高效赋能大巴山资源建设，在大巴山文化的数字化存储、孪生体建构、三维展示与有效传播等方面做出初步探索，对于促进大巴山数字化转型和智能化升级也具有一定的促进作用。

作为建设“数字中国”的重要支撑和关键技术，数字孪生不仅仅在大巴山文化资源保护发挥着重要作用。事实上，在区域文化资源建设与保护、促进乡村振兴、非遗文化传承、传统文化保护、考古及文物修复等方面的重要性也日益凸显，亟须有关领域专家学者积极开展跨学科合作及多学科发展，充分利用好“数字孪生”等新兴技术，不断增强中华文明传播力和影响力，坚守中华文化立场，讲好中国故事、传播好中国声音，展现可信、可爱、可敬的中国形象，推动中华文化更好走向世界。

参考文献

[1]邓晓，陈太红.环三峡地区民间“搭红”现象的巫文化解读——以大巴山区城口县为例[J].重庆师范大学学报（社会科学版），2017（06）：44-49.

[2]杨棵瑞，向程.民间司法公正视野下的民俗特征及其意义研究——大巴山民俗“请‘火姑娘”中的法文化解读[J].四川民族学院学报，2017，26（06）：54-59.

[3]陈岗.开发红色教育资源 创新大学生德育教育模式——基于大巴山红色资源的思考[J].社科纵横，2011，26（11）：28-30.

[4]中华人民共和国中央人民政府.中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要[EB/OL].（2021-03-13）[2022-10-17].http： / /www. gov.cn /xinwen / 2021-03 /13 /content_5592681.htm．

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[11]李科宇，唐毅，李婧珉.基于数字孪生的地域文化信息共享应用研究[J].兰台世界，2022（08）：114-117.

[12]ISO.ISO/DIS 23247-1 Automation systems and integration—Digital Twin framework for manufacturing—Part 1：Overview and general principles[EB/OL].（2021-10）[2022-10-17].https：//www.iso.org/standard/75066.html.

基金项目：四川省哲学社会科学重点研究基地四川革命老区发展研究中心2022年度项目资助“‘数字孪生赋能大巴山文化资源建设研究”（项目编号：SLQ2022SD-37）研究成果