長城文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生技術(shù)框架與應(yīng)用研究*

桑 懿，趙 琳，孫 可，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.CITI University，Mongolia Ulaanbaatar 999097-15141）

數(shù)字孿生（digital twin）概念最初由Grieves M.W.教授于2003年在產(chǎn)品全生命周期管理課程（product lifecycle management，PLM）上提出；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；全球最具權(quán)威的IT研究與顧問咨詢公司Gartner連續(xù)兩年（2017、2018年）將數(shù)字孿生列為當年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢之一，使這一概念受到廣泛關(guān)注[1]。國內(nèi)對數(shù)字孿生的研究在近幾年關(guān)注度極高。在理論研究方面，陶飛等[2]于2017年針對數(shù)字孿生車間提出物理融合、模型融合、數(shù)據(jù)融合與服務(wù)融合四個關(guān)鍵性問題并闡述了相關(guān)技術(shù)路徑；劉大同等[1]在2018年對數(shù)字孿生技術(shù)進行了文獻綜述與展望，總結(jié)了國內(nèi)外近年對于數(shù)字孿生各方面的研究成果；北航數(shù)字孿生技術(shù)研究團隊于2018年首次提出數(shù)字孿生五維模型概念[3]，得到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，2019年所闡述的標準體系與十大應(yīng)用領(lǐng)域[4]部分內(nèi)容，被《2020數(shù)字孿生應(yīng)用白皮書》《數(shù)字孿生》等多本行業(yè)白皮書、著作收錄；在此基礎(chǔ)上，秦曉珠等人[5]在針對桂滇黔地區(qū)漢傳佛教文化遺產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)研究的過程中，于2018年首次闡述了數(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，讓數(shù)字孿生研究走出了軍事、制造與城市建設(shè)領(lǐng)域。在實踐應(yīng)用方面，國家高新級技術(shù)企業(yè)51WORLD于2020年發(fā)布“地球克隆計劃4”，并在SuperAPI3.3.0、可視化編輯組件（WDT2.0）、實時云渲染平臺（Cloud 5.0）與動態(tài)仿真轉(zhuǎn)化器（DST1.0）等數(shù)字孿生城市模型底座與接口服務(wù)方面有了核心技術(shù)突破；2020年9月河南二里頭考古遺址公園SA+MEC智慧云XR數(shù)字孿生平臺正式上線，2021年2月北京海淀區(qū)數(shù)字孿生可視化平臺正式運行，讓數(shù)字孿生在文旅、城市管理等領(lǐng)域有了新的落地應(yīng)用。

從數(shù)字孿生概念與發(fā)展歷程來看，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)計制造等領(lǐng)域轉(zhuǎn)移[6]。結(jié)合數(shù)字孿生概念與技術(shù)特征，可看出數(shù)字孿生與物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)字化之間有許多共性特征，因此，數(shù)字孿生理論與技術(shù)可為長城國家文化公園數(shù)字化建設(shè)研究提供全新的理念、方法和應(yīng)用場景。

1 數(shù)字孿生技術(shù)在長城國家文化公園建設(shè)中的價值體現(xiàn)

1.1 遺產(chǎn)數(shù)據(jù)價值——全生命周期數(shù)字化為長城保護與發(fā)展提供有力支撐

長城豐富的文化遺存具有極高的文化價值、歷史價值[7]。但隨著自然風(fēng)蝕、歷史戰(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)認知的嚴重不足，導(dǎo)致長城防御體系受到了嚴重威脅[7]。在文獻數(shù)據(jù)收集、現(xiàn)狀數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，由長城防御體系歷史階段的建造復(fù)原、特殊歷史節(jié)點的情景再現(xiàn)、長城現(xiàn)狀的真實映射、未來發(fā)展的智能模擬所構(gòu)成的全生命周期長城數(shù)字孿生體，將為專業(yè)研究、科普展示、環(huán)境監(jiān)測、監(jiān)控預(yù)警、保護開發(fā)等方面提供有力數(shù)據(jù)支持。

1.2 文化科技價值——推動新一代數(shù)字模擬技術(shù)在文化遺產(chǎn)數(shù)字化中的應(yīng)用

我國是世界四大文明古國之一，有著幾千年的悠久歷史和燦爛的中華文明，也留存著眾多優(yōu)秀物質(zhì)、非物質(zhì)文化遺產(chǎn)。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數(shù)字化模擬技術(shù)，以建模為核心技術(shù)手段，配合3D打印技術(shù)和VR/AR/XR技術(shù)，能夠?qū)ξ幕z產(chǎn)進行虛實結(jié)合展示。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)，其核心技術(shù)手段是將虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)模型與物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、人工智能等NEW IT技術(shù)進行高度融合，從而實現(xiàn)物理空間、虛擬空間和應(yīng)用場景等維度的整體連接、閉環(huán)應(yīng)用和運維決策，能夠為文化遺產(chǎn)在數(shù)字化歸檔、保護、監(jiān)測、展示及模擬開發(fā)等多類型應(yīng)用場景中提供新方法和新工具。但由于該技術(shù)研究學(xué)科跨度大、專業(yè)壁壘多等因素，導(dǎo)致在物質(zhì)文化遺產(chǎn)領(lǐng)域的研究與實踐明顯滯后于其他領(lǐng)域。因此，以長城文化遺產(chǎn)為載體進行數(shù)字孿生應(yīng)用研究，對推動新一代數(shù)字模擬技術(shù)在文化遺產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)中的應(yīng)用有著較強的理論與現(xiàn)實意義。

2 長城數(shù)字孿生技術(shù)理論框架與內(nèi)容

2.1 長城文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生技術(shù)理論框架

長城數(shù)字孿生是以遺產(chǎn)數(shù)據(jù)價值、技術(shù)應(yīng)用價值、文化科技價值為導(dǎo)向，以長城文化遺產(chǎn)數(shù)字化歸檔、保護、可視化、管理與決策為主要目的，通過虛擬仿真技術(shù)與NEW IT技術(shù)的深度融合，對長城多類數(shù)據(jù)進行采集、傳輸、處理與運用，實現(xiàn)長城歷史的真實映射、長城現(xiàn)狀的實時映射和長城未來的模擬映射，從而反映長城文化遺產(chǎn)全生命周期過程并將其應(yīng)用于多種場景的一種協(xié)同融合技術(shù)。依據(jù)長城數(shù)字孿生概念和數(shù)字孿生五維模型理論[3]，長城數(shù)字孿生系統(tǒng)（GWDT）包含長城物理實體（GWPE）、長城虛擬實體（GWVE）、長城孿生應(yīng)用場景（GEAS）、長城數(shù)據(jù)中心（GWDC）、數(shù)據(jù)連接與處理（CN）構(gòu)成，如式（1）所示：

長城數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)以長城物理實體、長城虛擬實體、長城孿生應(yīng)用場景為三個主要端，利用多種服務(wù)接口和多種數(shù)據(jù)處理方式，將所產(chǎn)生的孿生數(shù)據(jù)進行安全、高效的雙向連接，從而使三端能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)運行、實時反饋。其技術(shù)理論框架，如圖1所示。

圖1 長城數(shù)字孿生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 長城文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生體各維度內(nèi)容與功能

2.2.1 長城數(shù)字孿生物理實體

長城物理實體（GWPE）是其孿生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，其功能在于采集長城真實、準確的數(shù)據(jù)信息和接收、執(zhí)行管理端的部署與決策，其內(nèi)容包含長城歷史與物聯(lián)設(shè)備。物質(zhì)文化遺產(chǎn)的孿生實體數(shù)據(jù)構(gòu)成有別于航空航天、機械設(shè)備等制造類和智慧城市、智慧港口等運管類，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[7]，其孿生實體數(shù)據(jù)構(gòu)成包含了歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀環(huán)境數(shù)據(jù)。就目前的技術(shù)條件而言，長城的歷史數(shù)據(jù)收集仍需在人工研究、整理、論證的基礎(chǔ)上，利用不同軟件輔助以完成多類別、多形式還原；長城的現(xiàn)狀環(huán)境數(shù)據(jù)則主要依托多類型物聯(lián)傳感器，以采集多種環(huán)境數(shù)據(jù)，用于虛擬實體的基礎(chǔ)建設(shè)及更新。除此之外，物聯(lián)設(shè)備還可用于接收、執(zhí)行管理平臺相關(guān)指令，如圖2所示。

圖2 長城物理實體的功能與內(nèi)容

2.2.2 長城數(shù)字孿生虛擬實體

長城虛擬實體（GWVE）是其孿生系統(tǒng)的模型基礎(chǔ)，其內(nèi)容包含了歷史仿真體、現(xiàn)狀仿真體和管理仿真體。就三部分各自功能而言，“歷史仿真體”用于還原長城歷史建造過程、長城歷史變化過程和再現(xiàn)長城重要歷史時空節(jié)點；“現(xiàn)狀仿真體”用于將長城的現(xiàn)狀進行1：1還原，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；“管理仿真體”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)境做出改變并呈現(xiàn)出來，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，如圖3所示。

圖3 長城虛擬實體的功能與內(nèi)容

2.2.3 長城數(shù)字孿生應(yīng)用場景

長城數(shù)字孿生應(yīng)用場景（GEAS）是其孿生系統(tǒng)的終端維度，其內(nèi)容包含了長城國家文化公園線上平臺與移動端、長城數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)管理平臺和長城國家文化公園場館數(shù)字展廳。就三部分各自功能而言，長城國家文化公園線上平臺與移動端將對長城文化、長城數(shù)據(jù)等內(nèi)容進行可視化展示、科普與宣傳，在豐富線上平臺內(nèi)容的基礎(chǔ)上，讓世界對長城有更加直觀的理解與認知；長城數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)管理平臺可對長城的社會數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)、政務(wù)數(shù)據(jù)進行有效管理，以用于相關(guān)歸口部門可視化管理，切實提高管理效率與質(zhì)量；在長城國家文化公園場館數(shù)字展廳建設(shè)中，通過對長城數(shù)字孿生體進行藝術(shù)創(chuàng)作、文創(chuàng)設(shè)計、藝術(shù)科技體驗等多類型交互內(nèi)容與場景設(shè)計，在展示長城文化的基礎(chǔ)上，豐富場館的體驗環(huán)節(jié)，傳遞長城文化和長城精神，如圖4所示。

圖4 長城孿生應(yīng)用場景的功能與內(nèi)容

2.2.4 長城數(shù)字孿生數(shù)據(jù)中心

長城數(shù)字孿生數(shù)據(jù)中心（GWDC）是長城數(shù)字孿生系統(tǒng)的計算核心，其內(nèi)容面向其他四個維度，包含了物理實體中的歷史文獻數(shù)據(jù)與實況數(shù)據(jù)、虛擬實體中的模型數(shù)據(jù)、服務(wù)場景中的分析與管理數(shù)據(jù)，以及連接傳輸過程中的算法數(shù)據(jù)與模型處理方法數(shù)據(jù)等。根據(jù)孿生數(shù)據(jù)相關(guān)標準[3]，長城數(shù)字孿生數(shù)據(jù)中心的主要功能在于將所收集到的多類數(shù)據(jù)進行分類、存儲、預(yù)處理、使用與維護和數(shù)據(jù)的測試，如圖5所示。

圖5 長城孿生數(shù)據(jù)中心的功能與內(nèi)容

2.2.5 長城數(shù)字孿生連接與處理

長城數(shù)字孿生的連接與處理（CN）是長城數(shù)字孿生系統(tǒng)的傳輸服務(wù)核心，通過孿生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可知其連接內(nèi)容由物理實體、虛擬實體、數(shù)據(jù)中心和應(yīng)用場景兩兩雙向構(gòu)成，其內(nèi)容分別為物理實體與數(shù)據(jù)中心的交互（CN－PD）、物理實體與虛擬實體的交互（CN－PV）、物理實體與應(yīng)用場景的交互（CN－PA），虛擬實體與數(shù)據(jù)中心的交互（CN－VD）、虛擬實體與應(yīng)用場景的交互（CN－VA）、應(yīng)用場景與數(shù)據(jù)中心的交互（CN－AD）。其功能有四類：第一，通過OPC-UA、MQTT、CoAP等協(xié)議規(guī)范實現(xiàn)上述四大維度的雙向數(shù)據(jù)傳輸與反饋；第二，實現(xiàn)對長城物理實體（GWPE）的運行優(yōu)化及調(diào)控；第三，實現(xiàn)對長城虛擬實體（GWVE）的動態(tài)仿真、指令傳遞、數(shù)據(jù)收發(fā)、消息同步；第四，實現(xiàn)孿生數(shù)據(jù)中心（GWDC）對孿生應(yīng)用場景（GWAS）運行優(yōu)化的支持，如圖6所示。

圖6 長城孿生數(shù)據(jù)中心的功能與內(nèi)容

3 長城數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)要素

長城數(shù)字孿生體的技術(shù)架構(gòu)包含基于建模和測繪的仿真模型層、基于物聯(lián)網(wǎng)的傳感設(shè)備層、安全且高效的網(wǎng)絡(luò)傳輸層、可視化平臺層和多終端呈現(xiàn)層等，如圖7所示。

圖7 長城數(shù)字孿生的技術(shù)層級與要素內(nèi)容

3.1 基于建模和測繪的仿真模型層

虛擬仿真模型的建立是數(shù)字孿生技術(shù)的基礎(chǔ)層，根據(jù)長城數(shù)字孿生概念，長城的虛擬模型包含歷史和現(xiàn)狀兩部分。在歷史部分的仿真建模中，內(nèi)容和邊界是研發(fā)長城數(shù)字孿生仿真模型的首要問題。張玉坤等人[8]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。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?？梢钥闯觯€原整個長城防御體系所需構(gòu)建的模型場景量級，幾乎相當于一個小型城市，而這些數(shù)據(jù)的真實性、準確性則需研發(fā)團隊在制作過程中進行論證，保障對史實的高度還原。在長城現(xiàn)狀的虛擬仿真模型構(gòu)建中，以GIS模型信息為基礎(chǔ)，依托真正射影像（TDOM）和數(shù)字表面模型（DSM）及三維點云掃描等測繪方法得到模型數(shù)據(jù)，通過3D MAX、ProE、AutoCAD等軟件對長城及周邊環(huán)節(jié)進行綜合建模與模型優(yōu)化。最后，對所有模型進行集成與融合，通過模型校核、驗證和確認（VV&A）[9]來驗證長城虛擬模型的準確度和靈敏度。

3.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的傳感設(shè)備層

高精度傳感器數(shù)據(jù)的采集和傳輸是長城數(shù)組孿生體的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）基礎(chǔ)，多種傳感器的性能狀態(tài)影響了整個系統(tǒng)的運行，在快速、安全、準確的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架下，通過分布式傳感器采集環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)，地質(zhì)狀態(tài)數(shù)據(jù)，人流狀態(tài)數(shù)據(jù)，實時影像數(shù)據(jù)等多種物理量信息表征長城現(xiàn)實狀態(tài)。其中，環(huán)境狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集包括長城及周邊區(qū)域的氣候數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)與植物數(shù)據(jù)等；地質(zhì)狀態(tài)數(shù)據(jù)以地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警為主，對易發(fā)生泥石流、崩塌、滑坡的長城區(qū)域進行預(yù)警監(jiān)控管理；人流狀態(tài)數(shù)據(jù)可以采集長城山體段人流狀況，也可為特殊情況下?lián)岆U救災(zāi)提供準確數(shù)據(jù)支撐；實時影像數(shù)據(jù)可用于平臺端調(diào)取影像記錄。設(shè)備層由物聯(lián)網(wǎng)感知模塊的智能終端組成，包含如CoAP、MQTT、SDK、HTTP等多協(xié)議接入的設(shè)備協(xié)同和數(shù)據(jù)解析，通過協(xié)議適配、接口適配、插件適配等技術(shù)成為設(shè)備數(shù)據(jù)源。

3.3 網(wǎng)絡(luò)層傳輸

數(shù)據(jù)的實時傳輸和更新對長城數(shù)字孿生體至關(guān)重要，泛在高速、多網(wǎng)協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)通過4G、5G、NB-IoT、WLAN等多種網(wǎng)絡(luò)相互補充部署，實現(xiàn)基于虛擬化、云化技術(shù)的立體無縫覆蓋。其中，安全和效率是要面對的兩大核心問題。數(shù)字孿生體的建立依賴于真實世界的海量數(shù)據(jù)，長城及周邊環(huán)境具有重要的軍事戰(zhàn)略地位，必須保證網(wǎng)絡(luò)和信息的絕對安全，是網(wǎng)絡(luò)部署的第一要務(wù)。物理世界與數(shù)字世界的虛實之間需實現(xiàn)毫秒級響應(yīng)，以保障應(yīng)對突發(fā)事件的管理及應(yīng)急搶險的及時性、準確性。

3.4 可視化平臺層

可視化智能平臺是長城數(shù)字孿生體的“展示窗口”和“管理中心”。通過加載全域全量的數(shù)據(jù)資源構(gòu)建多維數(shù)據(jù)空間，利用GIS系統(tǒng)實現(xiàn)長城及周邊環(huán)境從地下到地上的地理信息數(shù)字化、利用BIM和CIM模型構(gòu)建長城及周邊環(huán)境的三維數(shù)據(jù)空間畫像。在平臺的基礎(chǔ)上，長城數(shù)字孿生體將呈現(xiàn)全域智能終端信息反饋、環(huán)境保護與決策效果實施的功能。其中，模型的超型量化處理影響平臺運行速度，模型的效果渲染影響展示的最終效果。同時，可視化效果要結(jié)合長城精神和長城文化符號，在科學(xué)性、可讀性的基礎(chǔ)上，具有一定的藝術(shù)價值。

3.5 多終端呈現(xiàn)層

通過對上述系統(tǒng)的各個孿生子系統(tǒng)進行多領(lǐng)域、多尺度的狀態(tài)監(jiān)測和評估，將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)附加到各個子系統(tǒng)部件中，在復(fù)現(xiàn)實體系統(tǒng)的同時，將數(shù)字分析結(jié)果以虛擬映射的方式疊加到所創(chuàng)造的數(shù)字孿生系統(tǒng)中，從視覺、聽覺、觸覺等多方面提供沉浸式的體驗，從而實現(xiàn)人機互動。如在長城文化遺產(chǎn)的展示、科普、宣傳等方面，借助可穿戴式設(shè)備讓體驗者處于虛擬環(huán)境當中，深刻感受長城文化的魅力；線上平臺和移動端可利用增強現(xiàn)實技術(shù)，通過虛實結(jié)合達到趣味展示與交互的目的；在長城文化遺產(chǎn)的數(shù)字藝術(shù)創(chuàng)作方面，可利用相關(guān)技術(shù)和長城虛擬模型進行藝術(shù)與科技的綜合感官交互藝術(shù)創(chuàng)作。

4 結(jié)束語

數(shù)字孿生技術(shù)作為我國長城文化數(shù)字化建設(shè)先進性、前瞻性的典型代表，對于長城本體的保護、長城文化的展示、長城精神的傳遞、長城及周邊環(huán)境治理決策的模擬等起到了至關(guān)重要的作用。同時，長城數(shù)字孿生系統(tǒng)的真實數(shù)據(jù)、多維可視、反饋模擬對于長城國家文化公園線上與線下建設(shè)有著重要的現(xiàn)實意義。

長城數(shù)字孿生各部分內(nèi)容與功能是其遺產(chǎn)數(shù)據(jù)價值、技術(shù)應(yīng)用價值、文化科技價值及自身概念內(nèi)涵的直接表現(xiàn)，反映了物質(zhì)文化遺產(chǎn)全生命周期建設(shè)的特殊性、綜合性、技術(shù)性，其中涉及了歷史與民族學(xué)研究、地質(zhì)與環(huán)境研究、物聯(lián)網(wǎng)與計算機圖形學(xué)研究、環(huán)境設(shè)計研究、科學(xué)圖像可視化研究等多種學(xué)科專業(yè)的交叉融合。長城數(shù)字孿生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含了長城物理實體、長城虛擬實體、長城孿生應(yīng)用場景等維度，通過孿生數(shù)據(jù)中心和雙向傳輸與處理，形成其結(jié)構(gòu)的閉環(huán)運行和信息實時反饋；其關(guān)鍵技術(shù)包含了模型層、設(shè)備層、傳輸層、平臺層與多端展示層等相關(guān)核心要素。綜合上述研究內(nèi)容，形成長城數(shù)字孿生的理論框架與技術(shù)框架搭建。