基于數字孿生技術的數字檔案館建設探析

王 靜/重慶市教育委員會

數字孿生（Digital Twin，DT）技術作為一項基礎性智能技術，近年來受到廣泛關注，Gartner公司連續三年（2017—2019）將數字孿生列為當年十大戰略科技發展趨勢之一[1][2][3]。應用數字孿生技術能夠有效解決數字檔案館建設中的相關問題，還能實現數字檔案館建設中行為決策最優化、加強服務平臺運行與維護、加強數字檔案資源管理與融合等。

1 數字孿生概述

1.1 數字孿生的概念

早在1969年，美國NASA在阿波羅項目實施過程中首次提出“孿生體（Twin）”概念，當時專門指制造兩個完全相同的空間飛行器[4]。2012年，NASA正式明確數字孿生體的定義：數字孿生體指充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數據，集成多學科、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體進行鏡像映射，反映物理實體行為、狀態或活動的全生命周期過程[5]。《數字孿生應用白皮書2020版》指出，數字孿生是具有數據連接的特定物理實體或過程的數字化表達，該數據連接可以保證物理狀態和虛擬狀態之間的同速率收斂，并提供物理實體或流程過程的整個生命周期的集成視圖，有助于優化整體性能。

1.2 數字孿生技術的特征

一是虛實融合。數字孿生體形成的虛擬模型與真實空間中的物理實體對應一致，是真實空間中物理實體的映射。數字孿生與虛擬現實、增強現實之間有較為密切的理論、技術與應用交叉性，并被認為是用于實現物理世界與信息空間智能互聯和交互融合的有效途徑[6]，通過虛實交互融合來進行數據、信息實時交互，以實映虛、以虛控實。

二是實時交互。交互能力是數字孿生有別于傳統信息化系統和數字應用的關鍵特性。數字孿生通過多種終端實現與物理世界的動態交互，依據定義模型和客體信息進行實時計算與分析，將結果反饋給客體，為客體執行操作提供參考信息，優化決策行為，更準確、及時、客觀把握客體狀態，增強耦合時效。

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，數字孿生技術所呈現的數字孿生體的形式也不同，模型表征與事實信息的匹配度越高，模型的確真性就越強[7]。因此，數字孿生技術在構建通用模型的基礎上，運用情境感知技術，依據需求提供各類數字孿生體。

四是診斷預測。基于物聯網的數據采集、大數據的處理及人工智能建模分析，對當前狀況實行評估，對過去發生的問題進行診斷，對產生的故障信息精準判決，并對未來趨勢實施預測，結合分析結果模擬各種可能性，提供更為全面的信息[8]。還可以根據不同形態的故障信息更新和豐富特征庫，實現自治化的智能診斷和預判。

2 數字孿生技術融入數字檔案館建設的優勢分析

數字檔案館建設既涉及現實管理也需要虛擬技術，其對檔案資源數字化的過程采用大量物理模型、傳感器、管理與運行數據，且需集成與之相對應的多學科、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建對應的模擬仿真體。可以看出數字孿生與數字檔案館建設存在技術關聯性，將數字孿生技術與檔案館事業轉型相結合具有重要意義[9]，可以為數字檔案館建設保駕護航。

2.1 提供技術支持

數字孿生技術可以為數字檔案館建設特別是為數字檔案館獲得最佳運行模式提供技術支撐。從純技術角度來看，數字檔案館建立在現代信息技術普遍應用的基礎上，利用數字化手段，將綜合檔案信息資源作為處理核心，對數字檔案信息資源實行管理，通過高速寬帶通信網絡設施相連接和提供利用，實現資源共享[10]。數字檔案館建設是一項綜合性工作，融合了多領域的技術研究與應用，而數字孿生涉及支撐系統的軟件架構技術、全集數據管理及安全技術、動態建模及模型驅動技術、高效計算與靶向服務技術、虛實融合的沉浸式體驗技術等，可以通過現實物理世界和虛擬信息空間之間的雙向、實時數據映射，實現檔案資源、虛擬檔案信息、數字孿生平臺之間的全過程、全業務、全因素、全數據的融合與集成。如河南省行政區域界線電子檔案庫利用Unity 3D多平臺三維虛擬現實開發技術，成功建立基于C/S模式的三維虛擬檔案庫，實現場景查看、信息查看、檔案管理等功能，這正是對數字孿生技術中虛實融合的沉浸式體驗技術、動態建模技術的應用[11]。

還能為數字檔案館創新服務提供技術支持。我國的檔案服務工作成績顯著，但數字檔案館的信息服務仍處于起步階段，數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、服務渠道有限[12]。將數字孿生技術引入數字檔案館建設，一方面，利用虛實映射搭配觸覺互聯網理論與技術，能夠使檔案館提供多樣化的服務模式。山東省青島市檔案館基于互聯網籌建檔案3D虛擬展廳、構建數字檔案館專題庫，借助虛實映射技術突破了時間限制，為用戶提供在線親臨檔案展廳的全新服務體驗[13]。另一方面，在數字環境下，引入智能化服務手段，通過數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行生理性人機交互，從而形成物理、感官或情感記憶，并結合用戶畫像技術追蹤用戶偏好，進一步提升服務水平。此外，在檔案資源、軟硬件基礎設施及各類物理或虛擬資源中，使用嵌入式AI智能內生軟硬件設施，構建智能化網絡對數字檔案館運行狀態進行全方位實時監測、模擬，可以及時診斷和預測管理與服務過程，有針對性地提升服務質量。

2.2 提供安全保障

一直以來，確保檔案實體與檔案信息絕對安全是檔案工作的重中之重。信息時代，數字檔案館建設面臨眾多安全威脅[14]，在數字檔案館建設過程中要特別注意檔案數據的安全和信息系統及網絡平臺的安全[15]。數字孿生技術可以為數字檔案館建設各項工作提供安全保障。一方面，以數字孿生體系為基礎，對檔案數字化建設所涉及的檔案數據資源進行管理，為構建、優化、改進和監測提供數據支撐，將虛擬與物理數據相聯接，在孿生數字檔案館中進行實時映射與雙向反映，對檔案信息數據進行監測與預判，保障元數據不被影響、干擾或觸動，仿真出安全、可靠的數據存儲環境。另一方面，創建一個虛擬的數字檔案館環境，監測、診斷、控制和維護其在現實物理世界中所面臨的各種狀況。浙江省公安廳數字檔案室架構在政務內網上的檔案信息管理系統、查詢系統實體機、虛擬機、小型機和阿里云存儲已經實現應用服務、數據庫服務的雙機熱備與同城異地備份[16]，在此基礎上可以嵌入數字孿生技術搭建數字檔案室孿生空間，全方位保障系統平臺的安全。

3 數字孿生技術在數字檔案館建設中的應用

數字檔案館建設經歷著從資源主導向服務導向轉變[17]，而數字孿生技術可以為數字檔案館建設提供新的思路與方案。2010年國家檔案局印發的《數字檔案館建設指南》規定，數字檔案館建設步驟分為項目規劃與立項、項目招投標、項目實施、運行維護四大步驟，依據數字孿生技術的特點可以將其與數字檔案館的融合具體落實在各個階段。

3.1 數字孿生技術在項目規劃與立項階段應用

項目規劃與立項階段是數字檔案館建設的起點，這一階段的規劃會影響整個項目后續階段建設情況，因此這一階段尤為重要。這一階段的主要工作是需求調研、規劃制定及項目決策。

3.1.1 數字孿生在需求調研中的應用。需求推動數字檔案館的設計和創新，決定數字檔案館的結構、配置、功能。第一，業務需求分析。數字檔案館的數字孿生體是從其數字化建設拓展和延伸而來的，其業務需求就是實現從最初的檔案原始數據管理到數字化建模后模型數據乃至整個數字化全生命周期的數據管理、服務，通過構建基于數字孿生的服務系統，形成能不斷優化的全生命周期的智能管理與服務體系。第二，用戶需求分析。理清用戶需求與配置的關系，是數字檔案館不斷更迭長遠發展的需要。需求來自用戶的意愿，配置體現于建設，這種對應關系可以在虛擬空間中得到映射[18]。通過建立數字孿生體，記錄用戶需求信息，如規劃階段調研到的初始需求、服務過程用戶反饋的新增需求，形成需求與配置的關系表，依照具體需求設計數字檔案館的具體模塊。

3.1.2 數字孿生在規劃制定時的應用。當業務需求分析和確定后，即進入項目規劃階段。檔案館需充分征求各業務部門、相關專家及社會公眾的意見，立足立檔單位電子文件產生現狀和國內外數字檔案館建設經驗，圍繞數字化建設需求對數字檔案館的功能構建進行細化，形成功能模塊設計方案。功能模塊方案的規劃設計是將建設概念轉化為數據的過程，數字孿生體可為不同設計版本形成對照表，對后續的研發提供參考。數量龐大的規劃數據往往分布在不同設計部門或同一部門不同設計人員手中，基于數字孿生體的三維數字化方式可以對多方案進行比選和分析，實現多部門信息溝通聯動、審批協調一致，保障數字檔案館規劃建設的實時與高效。

3.1.3 數字孿生在項目決策中的應用。在項目規劃與立項階段建立初始數字孿生體，可以及時檢測研發進展，為官方決策提供數據支持。若數據能夠借助于各種各樣的工具在分析的基礎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化知識組織輸出，實現“數據+解決方案”的“一站式”服務。數字孿生體實時更新數據庫，決策主體可以及時查詢規劃信息，實時分析、評估數字化建設的可靠性、系統性、精確性和適應性，明確決策行為。數字孿生技術輔助實現規劃協同編制、數據實時共享，多種規化數據集成可視化，提高協同規劃的決策水平和效率。

3.2 數字孿生技術在項目實施階段應用

3.2.1 檔案資源收集層面應用。檔案信息的采集主要包括兩部分，一是紙載體檔案，通過掃描儀或數碼相機進行圖像處理、OCR識別，壓縮轉換為數字檔案。二是系統產生收集到的的電子文件，直接存儲在檔案管理系統中。從信息采集的途徑與來源來看，主要包括檔案數字化建設與對應的數字孿生體系建設所涉及的各類數據，如物理實體關聯數據、數字孿生體系建設、管理與服務數據、過程監控數據、運行狀態數據、孿生體運行檢測數據、建設進度數據、狀態預測與決策數據、逆向過程推演數據等[20]。運用數字孿生技術可以無縫銜接虛擬空間和物理空間，對具體數字資源的變化進行全生命周期管理，及時導出孿生數據，建立對應的信息獲取、采集機制、渠道與平臺等，為后續工作提供數據參考。

3.2.2 檔案資源保管層面應用。數字孿生用于虛擬表達、描述真實存在的一個或多個特定設施的數字復制品，并以此進行真實環境、條件和狀態的模擬仿真測試。數字檔案館中存儲的海量數字資源是數字檔案館的基礎和核心，數字孿生體數據來源于現實物理世界中客觀存在的檔案實體及系統中存儲的電子信息。數據源來源簡單且具有系統性的特征，是檔案資源所處的物理世界與虛擬空間之間數據與信息雙向交互的唯一依據，其涉及的所有模型、狀態、行為、數據等都是可以追溯的。數字孿生體仿真原有系統，為數字資源開辟虛擬的存儲空間，提升數字檔案館應對自然災害或突發狀況的能力，強化其功能體系。

3.2.3 檔案利用服務層面應用。數字檔案館建設的最終落腳點在通過各種網絡平臺提供公共檔案館信息服務和共享利用，數字孿生擬實化的“人—機—物—環境”智能融合與協作能有效提高服務水平。一方面，提供個性化服務。以用戶需求為導向，對海量數字檔案資源、用戶數據實行實時管理和有效分析，在孿生數字檔案館中模擬用戶利用行為，進而為用戶提供適配的個性化、精準化服務。另一方面，提供智能化服務。虛擬的孿生數字檔案館是對現實情境的高度仿真，通過沉浸式可視化場景為用戶提供虛擬體驗。同時，用戶還可以通過虛擬孿生體、模擬工具等增強利用創意，協助系統設計人員完善網端數據，實現對虛擬孿生體的優化與升級。

3.3 數字孿生技術在運行維護階段應用

項目驗收后，應適時調整、明確數字檔案館各功能模塊的管理職責，形成以技術為保障的管理機制。這一階段主要是為前面幾個階段提供相關業務運行與服務執行任務，實現數字檔案館孿生體的運行管理與維護工作。

3.3.1 數字檔案館數字孿生體業務運行管理。在項目實施階段，數字檔案館的數字孿生體是整個檔案館協同研發的內容，在項目運行過程中，設計的檔案業務模塊被逐一制造，相應的數字孿生體也在同步成長。實施過程中將業務管理概念模型分化為多個模塊，被運行的物理模塊都將映射到虛擬空間中，通過虛擬空間收集、存儲模塊運行數據信息，將數據傳送給系統管理人員[21]。這樣能夠為數字檔案館本體提供優化方案，協助數字檔案館各模塊的管理，提升資源配置效率，完善空間治理結構。

3.3.2 數字檔案館數字孿生體系維護優化。維護優化是保障數字檔案館項目成功長期運行和正常使用所進行的系統維護和定期檢查，包括針對數字孿生體進行升級、更新、改造等。數字檔案館項目自身具有一定的特殊性，需要在較長時間內繼續投入技術與保障來維護和優化。用戶使用系統以后，相應的系統運行與數字孿生體將進行維護與優化[22]。數字孿生體空間在維護階段將發揮重要的作用，數字檔案館系統內各個模塊將運行數據信息發送到對應的數字孿生體空間，空間根據數據自動過濾后形成新的需求清單，從而優化原有模塊功能，及時完成功能更新。同時，虛擬仿真空間與實體系統始終保持一致，虛擬平臺與系統平臺對接，對數字檔案館內的軟硬件環境進行全生命周期的建模和管理[23]，實時掌控數字檔案館的運行狀態，對風險信息進行預警，保障軟硬件設備的正常運轉；也能方便且精確地獲取用戶對系統的認可程度、接受程度、使用偏好等具有深度價值的服務信息，不斷完善數字檔案館管理及服務。

4 結語

數字孿生技術與虛擬現實、云計算、大數據、物聯網等技術有自然交叉融合性[24]，數字檔案館的建設也離不開這些技術作為支撐，將數字孿生技術嵌入數字檔案館構建的每一階段，融合相關理念與思想，為數字檔案館建設注入新的血液，有助于推動數字檔案館科學、長效發展。