基于數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)字檔案館建設(shè)探析

王 靜/重慶市教育委員會

數(shù)字孿生（Digital Twin，DT）技術(shù)作為一項(xiàng)基礎(chǔ)性智能技術(shù)，近年來受到廣泛關(guān)注，Gartner公司連續(xù)三年（2017—2019）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[1][2][3]。應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)能夠有效解決數(shù)字檔案館建設(shè)中的相關(guān)問題，還能實(shí)現(xiàn)數(shù)字檔案館建設(shè)中行為決策最優(yōu)化、加強(qiáng)服務(wù)平臺運(yùn)行與維護(hù)、加強(qiáng)數(shù)字檔案資源管理與融合等。

1 數(shù)字孿生概述

1.1 數(shù)字孿生的概念

早在1969年，美國NASA在阿波羅項(xiàng)目實(shí)施過程中首次提出“孿生體（Twin）”概念，當(dāng)時專門指制造兩個完全相同的空間飛行器[4]。2012年，NASA正式明確數(shù)字孿生體的定義：數(shù)字孿生體指充分利用物理模型、傳感器、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬信息空間中對物理實(shí)體進(jìn)行鏡像映射，反映物理實(shí)體行為、狀態(tài)或活動的全生命周期過程[5]?！稊?shù)字孿生應(yīng)用白皮書2020版》指出，數(shù)字孿生是具有數(shù)據(jù)連接的特定物理實(shí)體或過程的數(shù)字化表達(dá)，該數(shù)據(jù)連接可以保證物理狀態(tài)和虛擬狀態(tài)之間的同速率收斂，并提供物理實(shí)體或流程過程的整個生命周期的集成視圖，有助于優(yōu)化整體性能。

1.2 數(shù)字孿生技術(shù)的特征

一是虛實(shí)融合。數(shù)字孿生體形成的虛擬模型與真實(shí)空間中的物理實(shí)體對應(yīng)一致，是真實(shí)空間中物理實(shí)體的映射。數(shù)字孿生與虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)之間有較為密切的理論、技術(shù)與應(yīng)用交叉性，并被認(rèn)為是用于實(shí)現(xiàn)物理世界與信息空間智能互聯(lián)和交互融合的有效途徑[6]，通過虛實(shí)交互融合來進(jìn)行數(shù)據(jù)、信息實(shí)時交互，以實(shí)映虛、以虛控實(shí)。

二是實(shí)時交互。交互能力是數(shù)字孿生有別于傳統(tǒng)信息化系統(tǒng)和數(shù)字應(yīng)用的關(guān)鍵特性。數(shù)字孿生通過多種終端實(shí)現(xiàn)與物理世界的動態(tài)交互，依據(jù)定義模型和客體信息進(jìn)行實(shí)時計(jì)算與分析，將結(jié)果反饋給客體，為客體執(zhí)行操作提供參考信息，優(yōu)化決策行為，更準(zhǔn)確、及時、客觀把握客體狀態(tài)，增強(qiáng)耦合時效。

三是模擬仿真。由于不同對象或同一孿生對象在不同階段的需求各異，數(shù)字孿生技術(shù)所呈現(xiàn)的數(shù)字孿生體的形式也不同，模型表征與事實(shí)信息的匹配度越高，模型的確真性就越強(qiáng)[7]。因此，數(shù)字孿生技術(shù)在構(gòu)建通用模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用情境感知技術(shù)，依據(jù)需求提供各類數(shù)字孿生體。

四是診斷預(yù)測?；谖锫?lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)的處理及人工智能建模分析，對當(dāng)前狀況實(shí)行評估，對過去發(fā)生的問題進(jìn)行診斷，對產(chǎn)生的故障信息精準(zhǔn)判決，并對未來趨勢實(shí)施預(yù)測，結(jié)合分析結(jié)果模擬各種可能性，提供更為全面的信息[8]。還可以根據(jù)不同形態(tài)的故障信息更新和豐富特征庫，實(shí)現(xiàn)自治化的智能診斷和預(yù)判。

2 數(shù)字孿生技術(shù)融入數(shù)字檔案館建設(shè)的優(yōu)勢分析

數(shù)字檔案館建設(shè)既涉及現(xiàn)實(shí)管理也需要虛擬技術(shù)，其對檔案資源數(shù)字化的過程采用大量物理模型、傳感器、管理與運(yùn)行數(shù)據(jù)，且需集成與之相對應(yīng)的多學(xué)科、多尺度、多物理量、多概率的虛擬仿真過程，并在虛擬信息空間中構(gòu)建對應(yīng)的模擬仿真體。可以看出數(shù)字孿生與數(shù)字檔案館建設(shè)存在技術(shù)關(guān)聯(lián)性，將數(shù)字孿生技術(shù)與檔案館事業(yè)轉(zhuǎn)型相結(jié)合具有重要意義[9]，可以為數(shù)字檔案館建設(shè)保駕護(hù)航。

2.1 提供技術(shù)支持

數(shù)字孿生技術(shù)可以為數(shù)字檔案館建設(shè)特別是為數(shù)字檔案館獲得最佳運(yùn)行模式提供技術(shù)支撐。從純技術(shù)角度來看，數(shù)字檔案館建立在現(xiàn)代信息技術(shù)普遍應(yīng)用的基礎(chǔ)上，利用數(shù)字化手段，將綜合檔案信息資源作為處理核心，對數(shù)字檔案信息資源實(shí)行管理，通過高速寬帶通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施相連接和提供利用，實(shí)現(xiàn)資源共享[10]。數(shù)字檔案館建設(shè)是一項(xiàng)綜合性工作，融合了多領(lǐng)域的技術(shù)研究與應(yīng)用，而數(shù)字孿生涉及支撐系統(tǒng)的軟件架構(gòu)技術(shù)、全集數(shù)據(jù)管理及安全技術(shù)、動態(tài)建模及模型驅(qū)動技術(shù)、高效計(jì)算與靶向服務(wù)技術(shù)、虛實(shí)融合的沉浸式體驗(yàn)技術(shù)等，可以通過現(xiàn)實(shí)物理世界和虛擬信息空間之間的雙向、實(shí)時數(shù)據(jù)映射，實(shí)現(xiàn)檔案資源、虛擬檔案信息、數(shù)字孿生平臺之間的全過程、全業(yè)務(wù)、全因素、全數(shù)據(jù)的融合與集成。如河南省行政區(qū)域界線電子檔案庫利用Unity 3D多平臺三維虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)技術(shù)，成功建立基于C/S模式的三維虛擬檔案庫，實(shí)現(xiàn)場景查看、信息查看、檔案管理等功能，這正是對數(shù)字孿生技術(shù)中虛實(shí)融合的沉浸式體驗(yàn)技術(shù)、動態(tài)建模技術(shù)的應(yīng)用[11]。

還能為數(shù)字檔案館創(chuàng)新服務(wù)提供技術(shù)支持。我國的檔案服務(wù)工作成績顯著，但數(shù)字檔案館的信息服務(wù)仍處于起步階段，數(shù)字檔案資源利用依然停留在基于目錄的簡單查詢，利用形式單一、服務(wù)渠道有限[12]。將數(shù)字孿生技術(shù)引入數(shù)字檔案館建設(shè)，一方面，利用虛實(shí)映射搭配觸覺互聯(lián)網(wǎng)理論與技術(shù)，能夠使檔案館提供多樣化的服務(wù)模式。山東省青島市檔案館基于互聯(lián)網(wǎng)籌建檔案3D虛擬展廳、構(gòu)建數(shù)字檔案館專題庫，借助虛實(shí)映射技術(shù)突破了時間限制，為用戶提供在線親臨檔案展廳的全新服務(wù)體驗(yàn)[13]。另一方面，在數(shù)字環(huán)境下，引入智能化服務(wù)手段，通過數(shù)字孿生體模擬用戶利用行為，在模擬仿真空間中納入用戶的感受和情感等，通過感官與腦電波等進(jìn)行生理性人機(jī)交互，從而形成物理、感官或情感記憶，并結(jié)合用戶畫像技術(shù)追蹤用戶偏好，進(jìn)一步提升服務(wù)水平。此外，在檔案資源、軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施及各類物理或虛擬資源中，使用嵌入式AI智能內(nèi)生軟硬件設(shè)施，構(gòu)建智能化網(wǎng)絡(luò)對數(shù)字檔案館運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全方位實(shí)時監(jiān)測、模擬，可以及時診斷和預(yù)測管理與服務(wù)過程，有針對性地提升服務(wù)質(zhì)量。

2.2 提供安全保障

一直以來，確保檔案實(shí)體與檔案信息絕對安全是檔案工作的重中之重。信息時代，數(shù)字檔案館建設(shè)面臨眾多安全威脅[14]，在數(shù)字檔案館建設(shè)過程中要特別注意檔案數(shù)據(jù)的安全和信息系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)平臺的安全[15]。數(shù)字孿生技術(shù)可以為數(shù)字檔案館建設(shè)各項(xiàng)工作提供安全保障。一方面，以數(shù)字孿生體系為基礎(chǔ)，對檔案數(shù)字化建設(shè)所涉及的檔案數(shù)據(jù)資源進(jìn)行管理，為構(gòu)建、優(yōu)化、改進(jìn)和監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支撐，將虛擬與物理數(shù)據(jù)相聯(lián)接，在孿生數(shù)字檔案館中進(jìn)行實(shí)時映射與雙向反映，對檔案信息數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測與預(yù)判，保障元數(shù)據(jù)不被影響、干擾或觸動，仿真出安全、可靠的數(shù)據(jù)存儲環(huán)境。另一方面，創(chuàng)建一個虛擬的數(shù)字檔案館環(huán)境，監(jiān)測、診斷、控制和維護(hù)其在現(xiàn)實(shí)物理世界中所面臨的各種狀況。浙江省公安廳數(shù)字檔案室架構(gòu)在政務(wù)內(nèi)網(wǎng)上的檔案信息管理系統(tǒng)、查詢系統(tǒng)實(shí)體機(jī)、虛擬機(jī)、小型機(jī)和阿里云存儲已經(jīng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用服務(wù)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)的雙機(jī)熱備與同城異地備份[16]，在此基礎(chǔ)上可以嵌入數(shù)字孿生技術(shù)搭建數(shù)字檔案室孿生空間，全方位保障系統(tǒng)平臺的安全。

3 數(shù)字孿生技術(shù)在數(shù)字檔案館建設(shè)中的應(yīng)用

數(shù)字檔案館建設(shè)經(jīng)歷著從資源主導(dǎo)向服務(wù)導(dǎo)向轉(zhuǎn)變[17]，而數(shù)字孿生技術(shù)可以為數(shù)字檔案館建設(shè)提供新的思路與方案。2010年國家檔案局印發(fā)的《數(shù)字檔案館建設(shè)指南》規(guī)定，數(shù)字檔案館建設(shè)步驟分為項(xiàng)目規(guī)劃與立項(xiàng)、項(xiàng)目招投標(biāo)、項(xiàng)目實(shí)施、運(yùn)行維護(hù)四大步驟，依據(jù)數(shù)字孿生技術(shù)的特點(diǎn)可以將其與數(shù)字檔案館的融合具體落實(shí)在各個階段。

3.1 數(shù)字孿生技術(shù)在項(xiàng)目規(guī)劃與立項(xiàng)階段應(yīng)用

項(xiàng)目規(guī)劃與立項(xiàng)階段是數(shù)字檔案館建設(shè)的起點(diǎn)，這一階段的規(guī)劃會影響整個項(xiàng)目后續(xù)階段建設(shè)情況，因此這一階段尤為重要。這一階段的主要工作是需求調(diào)研、規(guī)劃制定及項(xiàng)目決策。

3.1.1 數(shù)字孿生在需求調(diào)研中的應(yīng)用。需求推動數(shù)字檔案館的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新，決定數(shù)字檔案館的結(jié)構(gòu)、配置、功能。第一，業(yè)務(wù)需求分析。數(shù)字檔案館的數(shù)字孿生體是從其數(shù)字化建設(shè)拓展和延伸而來的，其業(yè)務(wù)需求就是實(shí)現(xiàn)從最初的檔案原始數(shù)據(jù)管理到數(shù)字化建模后模型數(shù)據(jù)乃至整個數(shù)字化全生命周期的數(shù)據(jù)管理、服務(wù)，通過構(gòu)建基于數(shù)字孿生的服務(wù)系統(tǒng)，形成能不斷優(yōu)化的全生命周期的智能管理與服務(wù)體系。第二，用戶需求分析。理清用戶需求與配置的關(guān)系，是數(shù)字檔案館不斷更迭長遠(yuǎn)發(fā)展的需要。需求來自用戶的意愿，配置體現(xiàn)于建設(shè)，這種對應(yīng)關(guān)系可以在虛擬空間中得到映射[18]。通過建立數(shù)字孿生體，記錄用戶需求信息，如規(guī)劃階段調(diào)研到的初始需求、服務(wù)過程用戶反饋的新增需求，形成需求與配置的關(guān)系表，依照具體需求設(shè)計(jì)數(shù)字檔案館的具體模塊。

3.1.2 數(shù)字孿生在規(guī)劃制定時的應(yīng)用。當(dāng)業(yè)務(wù)需求分析和確定后，即進(jìn)入項(xiàng)目規(guī)劃階段。檔案館需充分征求各業(yè)務(wù)部門、相關(guān)專家及社會公眾的意見，立足立檔單位電子文件產(chǎn)生現(xiàn)狀和國內(nèi)外數(shù)字檔案館建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，圍繞數(shù)字化建設(shè)需求對數(shù)字檔案館的功能構(gòu)建進(jìn)行細(xì)化，形成功能模塊設(shè)計(jì)方案。功能模塊方案的規(guī)劃設(shè)計(jì)是將建設(shè)概念轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)的過程，數(shù)字孿生體可為不同設(shè)計(jì)版本形成對照表，對后續(xù)的研發(fā)提供參考。數(shù)量龐大的規(guī)劃數(shù)據(jù)往往分布在不同設(shè)計(jì)部門或同一部門不同設(shè)計(jì)人員手中，基于數(shù)字孿生體的三維數(shù)字化方式可以對多方案進(jìn)行比選和分析，實(shí)現(xiàn)多部門信息溝通聯(lián)動、審批協(xié)調(diào)一致，保障數(shù)字檔案館規(guī)劃建設(shè)的實(shí)時與高效。

3.1.3 數(shù)字孿生在項(xiàng)目決策中的應(yīng)用。在項(xiàng)目規(guī)劃與立項(xiàng)階段建立初始數(shù)字孿生體，可以及時檢測研發(fā)進(jìn)展，為官方?jīng)Q策提供數(shù)據(jù)支持。若數(shù)據(jù)能夠借助于各種各樣的工具在分析的基礎(chǔ)之上為我們提供正確的決策，它就是資源[19]。通過提供孿生仿真分布式資源的精細(xì)化知識組織輸出，實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)+解決方案”的“一站式”服務(wù)。數(shù)字孿生體實(shí)時更新數(shù)據(jù)庫，決策主體可以及時查詢規(guī)劃信息，實(shí)時分析、評估數(shù)字化建設(shè)的可靠性、系統(tǒng)性、精確性和適應(yīng)性，明確決策行為。數(shù)字孿生技術(shù)輔助實(shí)現(xiàn)規(guī)劃協(xié)同編制、數(shù)據(jù)實(shí)時共享，多種規(guī)化數(shù)據(jù)集成可視化，提高協(xié)同規(guī)劃的決策水平和效率。

3.2 數(shù)字孿生技術(shù)在項(xiàng)目實(shí)施階段應(yīng)用

3.2.1 檔案資源收集層面應(yīng)用。檔案信息的采集主要包括兩部分，一是紙載體檔案，通過掃描儀或數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行圖像處理、OCR識別，壓縮轉(zhuǎn)換為數(shù)字檔案。二是系統(tǒng)產(chǎn)生收集到的的電子文件，直接存儲在檔案管理系統(tǒng)中。從信息采集的途徑與來源來看，主要包括檔案數(shù)字化建設(shè)與對應(yīng)的數(shù)字孿生體系建設(shè)所涉及的各類數(shù)據(jù)，如物理實(shí)體關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生體系建設(shè)、管理與服務(wù)數(shù)據(jù)、過程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、孿生體運(yùn)行檢測數(shù)據(jù)、建設(shè)進(jìn)度數(shù)據(jù)、狀態(tài)預(yù)測與決策數(shù)據(jù)、逆向過程推演數(shù)據(jù)等[20]。運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)可以無縫銜接虛擬空間和物理空間，對具體數(shù)字資源的變化進(jìn)行全生命周期管理，及時導(dǎo)出孿生數(shù)據(jù)，建立對應(yīng)的信息獲取、采集機(jī)制、渠道與平臺等，為后續(xù)工作提供數(shù)據(jù)參考。

3.2.2 檔案資源保管層面應(yīng)用。數(shù)字孿生用于虛擬表達(dá)、描述真實(shí)存在的一個或多個特定設(shè)施的數(shù)字復(fù)制品，并以此進(jìn)行真實(shí)環(huán)境、條件和狀態(tài)的模擬仿真測試。數(shù)字檔案館中存儲的海量數(shù)字資源是數(shù)字檔案館的基礎(chǔ)和核心，數(shù)字孿生體數(shù)據(jù)來源于現(xiàn)實(shí)物理世界中客觀存在的檔案實(shí)體及系統(tǒng)中存儲的電子信息。數(shù)據(jù)源來源簡單且具有系統(tǒng)性的特征，是檔案資源所處的物理世界與虛擬空間之間數(shù)據(jù)與信息雙向交互的唯一依據(jù)，其涉及的所有模型、狀態(tài)、行為、數(shù)據(jù)等都是可以追溯的。數(shù)字孿生體仿真原有系統(tǒng)，為數(shù)字資源開辟虛擬的存儲空間，提升數(shù)字檔案館應(yīng)對自然災(zāi)害或突發(fā)狀況的能力，強(qiáng)化其功能體系。

3.2.3 檔案利用服務(wù)層面應(yīng)用。數(shù)字檔案館建設(shè)的最終落腳點(diǎn)在通過各種網(wǎng)絡(luò)平臺提供公共檔案館信息服務(wù)和共享利用，數(shù)字孿生擬實(shí)化的“人—機(jī)—物—環(huán)境”智能融合與協(xié)作能有效提高服務(wù)水平。一方面，提供個性化服務(wù)。以用戶需求為導(dǎo)向，對海量數(shù)字檔案資源、用戶數(shù)據(jù)實(shí)行實(shí)時管理和有效分析，在孿生數(shù)字檔案館中模擬用戶利用行為，進(jìn)而為用戶提供適配的個性化、精準(zhǔn)化服務(wù)。另一方面，提供智能化服務(wù)。虛擬的孿生數(shù)字檔案館是對現(xiàn)實(shí)情境的高度仿真，通過沉浸式可視化場景為用戶提供虛擬體驗(yàn)。同時，用戶還可以通過虛擬孿生體、模擬工具等增強(qiáng)利用創(chuàng)意，協(xié)助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員完善網(wǎng)端數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對虛擬孿生體的優(yōu)化與升級。

3.3 數(shù)字孿生技術(shù)在運(yùn)行維護(hù)階段應(yīng)用

項(xiàng)目驗(yàn)收后，應(yīng)適時調(diào)整、明確數(shù)字檔案館各功能模塊的管理職責(zé)，形成以技術(shù)為保障的管理機(jī)制。這一階段主要是為前面幾個階段提供相關(guān)業(yè)務(wù)運(yùn)行與服務(wù)執(zhí)行任務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字檔案館孿生體的運(yùn)行管理與維護(hù)工作。

3.3.1 數(shù)字檔案館數(shù)字孿生體業(yè)務(wù)運(yùn)行管理。在項(xiàng)目實(shí)施階段，數(shù)字檔案館的數(shù)字孿生體是整個檔案館協(xié)同研發(fā)的內(nèi)容，在項(xiàng)目運(yùn)行過程中，設(shè)計(jì)的檔案業(yè)務(wù)模塊被逐一制造，相應(yīng)的數(shù)字孿生體也在同步成長。實(shí)施過程中將業(yè)務(wù)管理概念模型分化為多個模塊，被運(yùn)行的物理模塊都將映射到虛擬空間中，通過虛擬空間收集、存儲模塊運(yùn)行數(shù)據(jù)信息，將數(shù)據(jù)傳送給系統(tǒng)管理人員[21]。這樣能夠?yàn)閿?shù)字檔案館本體提供優(yōu)化方案，協(xié)助數(shù)字檔案館各模塊的管理，提升資源配置效率，完善空間治理結(jié)構(gòu)。

3.3.2 數(shù)字檔案館數(shù)字孿生體系維護(hù)優(yōu)化。維護(hù)優(yōu)化是保障數(shù)字檔案館項(xiàng)目成功長期運(yùn)行和正常使用所進(jìn)行的系統(tǒng)維護(hù)和定期檢查，包括針對數(shù)字孿生體進(jìn)行升級、更新、改造等。數(shù)字檔案館項(xiàng)目自身具有一定的特殊性，需要在較長時間內(nèi)繼續(xù)投入技術(shù)與保障來維護(hù)和優(yōu)化。用戶使用系統(tǒng)以后，相應(yīng)的系統(tǒng)運(yùn)行與數(shù)字孿生體將進(jìn)行維護(hù)與優(yōu)化[22]。數(shù)字孿生體空間在維護(hù)階段將發(fā)揮重要的作用，數(shù)字檔案館系統(tǒng)內(nèi)各個模塊將運(yùn)行數(shù)據(jù)信息發(fā)送到對應(yīng)的數(shù)字孿生體空間，空間根據(jù)數(shù)據(jù)自動過濾后形成新的需求清單，從而優(yōu)化原有模塊功能，及時完成功能更新。同時，虛擬仿真空間與實(shí)體系統(tǒng)始終保持一致，虛擬平臺與系統(tǒng)平臺對接，對數(shù)字檔案館內(nèi)的軟硬件環(huán)境進(jìn)行全生命周期的建模和管理[23]，實(shí)時掌控?cái)?shù)字檔案館的運(yùn)行狀態(tài)，對風(fēng)險信息進(jìn)行預(yù)警，保障軟硬件設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；也能方便且精確地獲取用戶對系統(tǒng)的認(rèn)可程度、接受程度、使用偏好等具有深度價值的服務(wù)信息，不斷完善數(shù)字檔案館管理及服務(wù)。

4 結(jié)語

數(shù)字孿生技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)有自然交叉融合性[24]，數(shù)字檔案館的建設(shè)也離不開這些技術(shù)作為支撐，將數(shù)字孿生技術(shù)嵌入數(shù)字檔案館構(gòu)建的每一階段，融合相關(guān)理念與思想，為數(shù)字檔案館建設(shè)注入新的血液，有助于推動數(shù)字檔案館科學(xué)、長效發(fā)展。