長城文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生體建設(shè)內(nèi)涵與路徑研究*

桑 懿 ，趙 琳 ，張俊談 ，王 希 ，孟憲源

（1.燕山大學(xué) 藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院，河北 秦皇島 066000；2.河北環(huán)境工程學(xué)院 生態(tài)學(xué)系，河北 秦皇島 066102；3.CITI University，Mongolia Ulaanbaatar 999097-15141）

1 國內(nèi)外數(shù)字孿生研究與長城文化遺產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)現(xiàn)狀

1.1 國外研究與建設(shè)現(xiàn)狀

在數(shù)字孿生理論與技術(shù)研究方面，其概念模型最早出現(xiàn)于2003 年，由Grieves M.W. 教授在產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出，被稱作“鏡像空間模型”；NASA在2012 年發(fā)布的技術(shù)路線圖中使用了“數(shù)字孿生”的表述[1]；全球最具權(quán)威的IT 研究與顧問咨詢公司Gart ner 連續(xù)兩年（2017、2018 年）將數(shù)字孿生列為當(dāng)年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢之一，使這一概念受到廣泛關(guān)注[2]。

在長城文化遺產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)方面，英國國家測繪局基于1920 年建立的航拍照片檔案，在1964 年繪制了哈德良長城專業(yè)地圖[3]；Small 闡述了2002 年英國NMP 通過分析27000 余張航拍照片進行數(shù)字測繪和檔案記錄的方法與過程[4]；Tony Wilmott 在“雙墻對話”中介紹了紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)團隊運用機載激光掃描技術(shù)對博得瓦德要塞進行考古論證的研究成果，并闡述了準(zhǔn)確生成3D 數(shù)據(jù)的運動恢復(fù)結(jié)構(gòu)技術(shù)[5]。

1.2 國內(nèi)研究與建設(shè)現(xiàn)狀

在數(shù)字孿生理論與技術(shù)研究方面，國內(nèi)對數(shù)字孿生的研究在近四年關(guān)注度極高。莊存波等總結(jié)了產(chǎn)品數(shù)字孿生體的內(nèi)涵[6]，闡述了其基本結(jié)構(gòu)和發(fā)展趨勢；陶飛等提出數(shù)字孿生五維模型、標(biāo)準(zhǔn)體系及十大應(yīng)用領(lǐng)域，其中涉及衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)、船舶、車輛、發(fā)電廠、飛機、復(fù)雜機電裝備、立體倉庫、醫(yī)療、制造車間、智慧城市，得到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[7]；秦曉珠等從技術(shù)構(gòu)架層面闡述了數(shù)字孿生技術(shù)在物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)中的應(yīng)用[8]。中國《數(shù)字孿生應(yīng)用白皮書2020 版》的發(fā)布，標(biāo)志著我國進入數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用研究行列。

在長城文化遺產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)方面，周曉陸在中國青山關(guān)長城學(xué)術(shù)研討會中提出長城數(shù)字化建設(shè)[9]；趙廣亮運用3S 技術(shù)與ARCGIS 平臺建立了八達嶺長城風(fēng)景林?jǐn)?shù)字化管理平臺[10]；張鷗等提出一種基于DEM 的長城遙感信息提取方法，并針對八達嶺長城進行測繪[11]；張玉坤團隊于2009 年使用無人機對明長城進行測繪，歷經(jīng)多年形成了4000km 的明長城全線圖像，并于2019 年基于GIS 建立了明長城防御體系基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫，該項目填補了明長城整體性理論研究與信息技術(shù)應(yīng)用的空白，產(chǎn)生了重要學(xué)術(shù)影響力[12]。在國家級信息平臺建設(shè)方面，長城資源保護管理信息系統(tǒng)于2016 年12 月上線，長城國家文化公園官方網(wǎng)站于2020 年 12 月 30 日上線。

1.3 國內(nèi)外研究評述

針對“數(shù)字孿生理論與技術(shù)”和“長城文化遺產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)”兩方面，綜合現(xiàn)有研究的優(yōu)勢與劣勢，分析如下：

第一，針對研究領(lǐng)域?，F(xiàn)有國內(nèi)外數(shù)字孿生研究在航空航天、機械制造等領(lǐng)域較多，在文化遺產(chǎn)等人文社科領(lǐng)域研究較少；同時，長城文化遺產(chǎn)數(shù)字建設(shè)也缺乏對數(shù)字孿生領(lǐng)域的研究與應(yīng)用。第二，針對研究層次。國內(nèi)外長城數(shù)字化建設(shè)在三維模型、平臺研發(fā)、AR/VR多端展示等單一層面研究較多，對集成“輕量建模、物聯(lián)通信、數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用服務(wù)”的閉環(huán)式綜合研究較少。第三，針對研究內(nèi)容。國內(nèi)外現(xiàn)有長城文化遺產(chǎn)數(shù)字化研究在“影像記錄、部分還原、考古論證”方面有了較大突破，但缺少針對歷史過程演變、未來建設(shè)模擬等“全生命周期”內(nèi)容研究。

2 數(shù)字孿生對于長城國家文化公園建設(shè)的意義

2.1 理論意義——補足我國長城文化遺產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)理論體系

長城的意義主要表現(xiàn)為促進了中華民族的發(fā)展，長城的歷史文化價值主要體現(xiàn)在對人類文明的貢獻[13]，因此長城豐富的文化遺存具有極高的文化價值、歷史價值。但隨著自然風(fēng)蝕、數(shù)次戰(zhàn)亂和近年來我國城市化的快速發(fā)展及對長城文化遺產(chǎn)認(rèn)知的嚴(yán)重不足，導(dǎo)致長城防御體系受到了嚴(yán)重威脅。根據(jù)2009 國家文物局長城資源調(diào)查和認(rèn)定成果顯示，僅有8.2%的明長城人工墻體保存較好，近四分之三的墻體保存狀況較差，甚至遺跡不存[14]。

長城數(shù)字孿生體可對其歷史建造過程、重要歷史時空、實時現(xiàn)狀進行數(shù)字化分級復(fù)原，為長城的保護、修復(fù)、展示等層面提供可靠的數(shù)字資源和有力的數(shù)據(jù)支撐；同時，通過海量數(shù)據(jù)對長城及周邊環(huán)境進行AI計算，為長城未來建設(shè)提供可視化智能模擬。因此，長城文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生體建設(shè)既是對數(shù)字孿生技術(shù)在文化遺產(chǎn)領(lǐng)域的新探索，也是對現(xiàn)有長城文化遺產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)理論體系的創(chuàng)新性補充。

2.2 現(xiàn)實意義——全面助力長城國家文化公園多類型數(shù)字化建設(shè)

2019 年7 月24 日，中央全面深化改革委員會第九次會議審議通過了《長城、大運河、長征國家文化公園建設(shè)方案》；2020 年12 月20 日，長城國家文化公園建設(shè)推進會在秦皇島召開，會上中宣部副部長，文化和旅游部黨組書記、部長胡和平指出，要扎實推進保護傳承、研究發(fā)掘、環(huán)境配套、文旅融合、數(shù)字再現(xiàn)等五大工程[15]；作為長城國家文化公園建設(shè)數(shù)字再現(xiàn)工程的一項重要內(nèi)容，長城國家文化公園官方網(wǎng)站（changcheng.ctnews.com.cn）于2020 年12 月30 日正式上線。目前，線上網(wǎng)站中共有“新聞動態(tài)”“長城保護”“精彩影像”等11 個板塊，但遺憾的是對于長城防御體系和當(dāng)下環(huán)境的記錄與展示方式仍未突破傳統(tǒng)“圖片+文字”的形式。因此，研發(fā)可接入現(xiàn)有網(wǎng)站的數(shù)字孿生平臺，將多類型長城數(shù)字化模型進行統(tǒng)一管理、多端展示，對長城國家文化公園線上網(wǎng)站、線下展廳建設(shè)均有著重要的現(xiàn)實意義。

3 長城數(shù)字孿生體全生命周期內(nèi)涵研究

3.1 虛擬仿真與數(shù)字孿生的關(guān)系

虛擬仿真是以將實物模型轉(zhuǎn)化成軟件的方式來模擬物理世界的一種模擬技術(shù)，通過三維高仿真度建模反映物理世界的特性和參數(shù)。數(shù)字孿生是在虛擬仿真的基礎(chǔ)上，通過實測、仿真和數(shù)據(jù)分析來實時感知、診斷、預(yù)測物理實體對象的狀態(tài)，通過優(yōu)化和指令來調(diào)控物理實體對象的行為，并通過相關(guān)數(shù)字模型間的相互學(xué)習(xí)來進化自身，同時改進利益相關(guān)方在物理實體對象生命周期內(nèi)的決策[16]。可以說，虛擬仿真是實現(xiàn)數(shù)字孿生的諸多關(guān)鍵技術(shù)中的一部分，除此之外，數(shù)字孿生體的形成還需要傳感器、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析、驅(qū)動器與云平臺等多種物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

近年來，在國家大力推進科技創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)發(fā)展和提倡文化遺產(chǎn)保護的背景下，我國物質(zhì)遺產(chǎn)、非物質(zhì)遺產(chǎn)的數(shù)字化研究與實踐有了長足發(fā)展。虛擬仿真作為第一代以高還原度三維模型為核心技術(shù)特征的數(shù)字化模擬技術(shù)，從運用3D Max、Unity 等軟件的人工建模，到運用掃描點云數(shù)據(jù)生成模型的智能建模；從運用3D打印成型技術(shù)的實物展示，到運用VR／AR／XR 技術(shù)的虛擬展示，不同的理念、技術(shù)造就了不同的應(yīng)用場景與交互方式。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和萬物互聯(lián)時代的到來，數(shù)字孿生作為以全生命周期為核心特征的第二代數(shù)字化模擬技術(shù)，高度融合虛擬仿真與物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、人工智能等新一代電子信息技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域逐漸由航空航天、軍事等領(lǐng)域向建模加工、設(shè)計制造、智慧城市管理等領(lǐng)域轉(zhuǎn)移。數(shù)字孿生將以前瞻性的理念和技術(shù)優(yōu)勢，為文化遺產(chǎn)在數(shù)字化保護、監(jiān)測、模擬開發(fā)及展示等多類型應(yīng)用場景中提供新方法和新工具。

3.2 長城數(shù)字孿生體全生命周期內(nèi)涵

就全生命周期而言，航空航天、機械生產(chǎn)、智慧城市管理等領(lǐng)域中的數(shù)字孿生體是在物理實體模擬過程中進行迭代更新，其生命周期的起點是物理實體的現(xiàn)狀。物質(zhì)文化遺產(chǎn)則有別于前者。長城作為中國重要的物質(zhì)文化遺產(chǎn)，是由不同歷史時期修建的規(guī)模浩大的軍事防御工程[13]，故長城數(shù)字孿生體在孿生結(jié)構(gòu)上應(yīng)由歷史、現(xiàn)狀與未來三部分構(gòu)成（見圖1）。

圖1 長城數(shù)字孿生體全生命周期孿生結(jié)構(gòu)

第一部分是對長城防御體系的回溯孿生。通過大量文獻的查閱、論證，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)與人工智能算法模擬技術(shù)，真實還原長城防御體系的建造過程和在不同歷史時期的變化過程，其目的是將長城防御體系的建造史、戰(zhàn)爭史進行梳理和數(shù)字化保存。第二部分是對長城及周邊環(huán)境現(xiàn)狀的孿生管理。在BIM、GIS 等模型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過多類型分布式傳感設(shè)備的應(yīng)用和安全、高速的網(wǎng)絡(luò)傳輸，其目的是將長城的現(xiàn)狀的1：1 還原，不僅是視覺上的1：1 還原，而且是對真實世界諸如氣候、人流量、地質(zhì)變化等變化情況的1：1 還原，做到表里如一、全息鏡像。第三部分是長城的未來發(fā)展孿生。包含了AI 計算預(yù)測和人工設(shè)計變更，AI 計算預(yù)測是計算機通過對真實物理世界的數(shù)據(jù)采集與運算來模擬的長城環(huán)境變化，人工設(shè)計變更可以通過人為數(shù)字模型再設(shè)計將長城及周邊環(huán)境作出改變并呈現(xiàn)，其目的是通過數(shù)字環(huán)境的模擬“試錯”，對長城環(huán)境保護性建設(shè)提供更加合理的對策。

因此，長城數(shù)字孿生體是在網(wǎng)絡(luò)空間再造一個與之對應(yīng)的“虛擬長城”，形成物理維度上的實體長城和信息維度（歷史信息、現(xiàn)狀信息）上的數(shù)字長城同生共存、虛實交融的格局，通過多類型傳感器實時反饋到數(shù)字世界，實現(xiàn)智能化、一致化、完整化的可視化映射與模擬。

4 長城數(shù)字孿生體建設(shè)的研究路徑與內(nèi)容

長城數(shù)字孿生體的建設(shè)路徑由三部分構(gòu)成，分別為文獻與數(shù)據(jù)研究、框架與關(guān)鍵技術(shù)研究、可視化終端與應(yīng)用研究，其結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖2 所示。

圖2 長城數(shù)字孿生體建設(shè)研究路徑

4.1 多類型長城文化遺產(chǎn)的文獻與數(shù)據(jù)研究

通過對物質(zhì)與非物質(zhì)文化遺產(chǎn)進行文獻整理、分析，可論證長城的建造過程、變化過程和重要歷史時空數(shù)據(jù)，是長城文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生體建設(shè)的技術(shù)數(shù)據(jù)研究。長城物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)據(jù)研究包含對不同歷史時期長城本體建筑、軍事聚落、公共建筑、遺跡遺存等文獻數(shù)據(jù)內(nèi)容，長城非物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)據(jù)研究包含不同歷史時期長城防御編制、民俗文化、重大歷史事件等文獻數(shù)據(jù)內(nèi)容。張玉坤等在對明長城文化遺產(chǎn)數(shù)據(jù)庫建設(shè)中提到長城文化遺產(chǎn)中的有形遺產(chǎn)包含了長城本體建筑、軍事聚落、公共建筑、相關(guān)遺跡遺存以及其中所蘊含的所有工具器物[12]。其中，本體建筑包含長城的墻體、敵臺、墻臺、烽火臺、墩臺與戰(zhàn)臺；軍事聚落包括長城防御體系中的鎮(zhèn)城、路城、衛(wèi)城、所城、堡城、關(guān)城、驛站與哨所；公共建筑包含接署官邸、倉儲草場、廟宇祠堂、學(xué)校書院、牌坊與樓臺；遺跡遺存包含水窯、居住址、煙灶、火池及其他遺存。

4.2 長城數(shù)字孿生框架與關(guān)鍵技術(shù)研究

第一，長城數(shù)字孿生系統(tǒng)理論框架研究。研究數(shù)字孿生技術(shù)在物質(zhì)與非物質(zhì)文化遺產(chǎn)中的應(yīng)用策略，提出對長城文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生的理論概念、建設(shè)內(nèi)涵與技術(shù)框架及各部分內(nèi)容與功能。第二，長城輕量化虛擬實體庫構(gòu)建研究。研究不同精度級別的長城虛擬實體構(gòu)建方法，并以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)長城虛擬實體庫的構(gòu)建。其中包含不同歷史階段建造復(fù)原、特殊歷史節(jié)點情景再現(xiàn)、現(xiàn)狀環(huán)境真實映射、未來發(fā)展模型底座。第三，多類型傳感器在數(shù)據(jù)互動層中的應(yīng)用研究。研究不同類型分布式傳感器的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與感知獲取方式，研究基于Firefly 的數(shù)字域和物理域之間的近實時數(shù)據(jù)流動方法，并以此為基礎(chǔ)對長城及周邊環(huán)境實時數(shù)據(jù)獲取方法與路徑進行研究。第四，長城多類數(shù)據(jù)的傳輸、處理方法研究。對長城文化遺產(chǎn)、地理地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟以及人文環(huán)境等類型數(shù)據(jù)的傳輸方法進行研究，其中包含了通信協(xié)議、數(shù)據(jù)融合、接口服務(wù)等研究內(nèi)容。

4.3 長城文化遺產(chǎn)可視化與數(shù)字孿生多終端應(yīng)用研究

長城文化遺產(chǎn)可視化由三維數(shù)字可視化、信息與數(shù)據(jù)可視化等內(nèi)容構(gòu)成。前者主要針對長城虛擬實體，后者主要針對系統(tǒng)關(guān)聯(lián)、功能交互、界面體驗、結(jié)構(gòu)導(dǎo)航、媒介傳播與技術(shù)美學(xué)等方面的信息與數(shù)據(jù)進行可視化設(shè)計。同時，在長城精神與文化符號研究基礎(chǔ)上，針對長城文化遺產(chǎn)在國家文化公園線上平臺、線下展廳、各管理平臺等多終端場景的應(yīng)用方式與內(nèi)容進行研究，探索文化、藝術(shù)與科技的多維互動方法。

5 結(jié)束語

長城數(shù)字孿生體建設(shè)研究是前瞻數(shù)字技術(shù)在文化遺產(chǎn)保護與傳承領(lǐng)域的創(chuàng)新性研究，對我國長城國家文化公園數(shù)字化建設(shè)具有重要意義。

針對整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，長城數(shù)字孿生體的建立包含了五大維度。分別是由長城物質(zhì)、非物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)成的長城物理實體維度；由多類型、多級別長城虛擬仿真模型構(gòu)成的長城虛擬實體維度；由多終端應(yīng)用服務(wù)場景構(gòu)成的長城孿生體應(yīng)用維度；由數(shù)據(jù)連接與處理構(gòu)成的孿生體通信連接維度；由核心數(shù)據(jù)中心構(gòu)成的孿生平臺維度。

針對研究的創(chuàng)新之處，從研究視角而言，可為長城文化遺產(chǎn)數(shù)字化歸檔、應(yīng)用與決策提供全生命周期可視化服務(wù)，為長城國家文化公園數(shù)字化建設(shè)提供新視野、新路徑；從研究內(nèi)容而言，針對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀短板，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)特點，創(chuàng)新性提出對長城物理實體、虛擬實體、孿生體應(yīng)用場景三端的閉環(huán)應(yīng)用進行綜合研究，同時為藝術(shù)與科技的結(jié)合提供新的研究方向與落腳點。