長城文化遺產數字孿生體建設內涵與路徑研究*

桑 懿 ，趙 琳 ，張俊談 ，王 希 ，孟憲源

（1.燕山大學 藝術與設計學院，河北 秦皇島 066000；2.河北環境工程學院 生態學系，河北 秦皇島 066102；3.CITI University，Mongolia Ulaanbaatar 999097-15141）

1 國內外數字孿生研究與長城文化遺產數字化建設現狀

1.1 國外研究與建設現狀

在數字孿生理論與技術研究方面，其概念模型最早出現于2003 年，由Grieves M.W. 教授在產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 年發布的技術路線圖中使用了“數字孿生”的表述[1]；全球最具權威的IT 研究與顧問咨詢公司Gart ner 連續兩年（2017、2018 年）將數字孿生列為當年十大戰略科技發展趨勢之一，使這一概念受到廣泛關注[2]。

在長城文化遺產數字化建設方面，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”中介紹了紐卡斯爾大學團隊運用機載激光掃描技術對博得瓦德要塞進行考古論證的研究成果，并闡述了準確生成3D 數據的運動恢復結構技術[5]。

1.2 國內研究與建設現狀

在數字孿生理論與技術研究方面，國內對數字孿生的研究在近四年關注度極高。莊存波等總結了產品數字孿生體的內涵[6]，闡述了其基本結構和發展趨勢；陶飛等提出數字孿生五維模型、標準體系及十大應用領域，其中涉及衛星通信網絡、船舶、車輛、發電廠、飛機、復雜機電裝備、立體倉庫、醫療、制造車間、智慧城市，得到了學術界的廣泛關注[7]；秦曉珠等從技術構架層面闡述了數字孿生技術在物質文化遺產數字化建設中的應用[8]。中國《數字孿生應用白皮書2020 版》的發布，標志著我國進入數字孿生技術的應用研究行列。

在長城文化遺產數字化建設方面，周曉陸在中國青山關長城學術研討會中提出長城數字化建設[9]；趙廣亮運用3S 技術與ARCGIS 平臺建立了八達嶺長城風景林數字化管理平臺[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信息數據庫，該項目填補了明長城整體性理論研究與信息技術應用的空白，產生了重要學術影響力[12]。在國家級信息平臺建設方面，長城資源保護管理信息系統于2016 年12 月上線，長城國家文化公園官方網站于2020 年 12 月 30 日上線。

1.3 國內外研究評述

針對“數字孿生理論與技術”和“長城文化遺產數字化建設”兩方面，綜合現有研究的優勢與劣勢，分析如下：

第一，針對研究領域?，F有國內外數字孿生研究在航空航天、機械制造等領域較多，在文化遺產等人文社科領域研究較少；同時，長城文化遺產數字建設也缺乏對數字孿生領域的研究與應用。第二，針對研究層次。國內外長城數字化建設在三維模型、平臺研發、AR/VR多端展示等單一層面研究較多，對集成“輕量建模、物聯通信、數據處理、應用服務”的閉環式綜合研究較少。第三，針對研究內容。國內外現有長城文化遺產數字化研究在“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、未來建設模擬等“全生命周期”內容研究。

2 數字孿生對于長城國家文化公園建設的意義

2.1 理論意義——補足我國長城文化遺產數字化建設理論體系

長城的意義主要表現為促進了中華民族的發展，長城的歷史文化價值主要體現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。但隨著自然風蝕、數次戰亂和近年來我國城市化的快速發展及對長城文化遺產認知的嚴重不足，導致長城防御體系受到了嚴重威脅。根據2009 國家文物局長城資源調查和認定成果顯示，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]。

長城數字孿生體可對其歷史建造過程、重要歷史時空、實時現狀進行數字化分級復原，為長城的保護、修復、展示等層面提供可靠的數字資源和有力的數據支撐；同時，通過海量數據對長城及周邊環境進行AI計算，為長城未來建設提供可視化智能模擬。因此，長城文化遺產數字孿生體建設既是對數字孿生技術在文化遺產領域的新探索，也是對現有長城文化遺產數字化建設理論體系的創新性補充。

2.2 現實意義——全面助力長城國家文化公園多類型數字化建設

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方案》；2020 年12 月20 日，長城國家文化公園建設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、研究發掘、環境配套、文旅融合、數字再現等五大工程[15]；作為長城國家文化公園建設數字再現工程的一項重要內容，長城國家文化公園官方網站（changcheng.ctnews.com.cn）于2020 年12 月30 日正式上線。目前，線上網站中共有“新聞動態”“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下環境的記錄與展示方式仍未突破傳統“圖片+文字”的形式。因此，研發可接入現有網站的數字孿生平臺，將多類型長城數字化模型進行統一管理、多端展示，對長城國家文化公園線上網站、線下展廳建設均有著重要的現實意義。

3 長城數字孿生體全生命周期內涵研究

3.1 虛擬仿真與數字孿生的關系

虛擬仿真是以將實物模型轉化成軟件的方式來模擬物理世界的一種模擬技術，通過三維高仿真度建模反映物理世界的特性和參數。數字孿生是在虛擬仿真的基礎上，通過實測、仿真和數據分析來實時感知、診斷、預測物理實體對象的狀態，通過優化和指令來調控物理實體對象的行為，并通過相關數字模型間的相互學習來進化自身，同時改進利益相關方在物理實體對象生命周期內的決策[16]?？梢哉f，虛擬仿真是實現數字孿生的諸多關鍵技術中的一部分，除此之外，數字孿生體的形成還需要傳感器、數據傳輸、數據分析、驅動器與云平臺等多種物聯網、互聯網技術。

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

隨著信息技術的發展和萬物互聯時代的到來，數字孿生作為以全生命周期為核心特征的第二代數字化模擬技術，高度融合虛擬仿真與物聯網、互聯網、區塊鏈、人工智能等新一代電子信息技術，其應用領域逐漸由航空航天、軍事等領域向建模加工、設計制造、智慧城市管理等領域轉移。數字孿生將以前瞻性的理念和技術優勢，為文化遺產在數字化保護、監測、模擬開發及展示等多類型應用場景中提供新方法和新工具。

3.2 長城數字孿生體全生命周期內涵

就全生命周期而言，航空航天、機械生產、智慧城市管理等領域中的數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狀。物質文化遺產則有別于前者。長城作為中國重要的物質文化遺產，是由不同歷史時期修建的規模浩大的軍事防御工程[13]，故長城數字孿生體在孿生結構上應由歷史、現狀與未來三部分構成（見圖1）。

圖1 長城數字孿生體全生命周期孿生結構

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，結合虛擬仿真技術與人工智能算法模擬技術，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、戰爭史進行梳理和數字化保存。第二部分是對長城及周邊環境現狀的孿生管理。在BIM、GIS 等模型數據的基礎上，通過多類型分布式傳感設備的應用和安全、高速的網絡傳輸，其目的是將長城的現狀的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展孿生。包含了AI 計算預測和人工設計變更，AI 計算預測是計算機通過對真實物理世界的數據采集與運算來模擬的長城環境變化，人工設計變更可以通過人為數字模型再設計將長城及周邊環境作出改變并呈現，其目的是通過數字環境的模擬“試錯”，對長城環境保護性建設提供更加合理的對策。

因此，長城數字孿生體是在網絡空間再造一個與之對應的“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、現狀信息）上的數字長城同生共存、虛實交融的格局，通過多類型傳感器實時反饋到數字世界，實現智能化、一致化、完整化的可視化映射與模擬。

4 長城數字孿生體建設的研究路徑與內容

長城數字孿生體的建設路徑由三部分構成，分別為文獻與數據研究、框架與關鍵技術研究、可視化終端與應用研究，其結構關系如圖2 所示。

圖2 長城數字孿生體建設研究路徑

4.1 多類型長城文化遺產的文獻與數據研究

通過對物質與非物質文化遺產進行文獻整理、分析，可論證長城的建造過程、變化過程和重要歷史時空數據，是長城文化遺產數字孿生體建設的技術數據研究。長城物質文化遺產數據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、遺跡遺存等文獻數據內容，長城非物質文化遺產數據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據內容。張玉坤等在對明長城文化遺產數據庫建設中提到長城文化遺產中的有形遺產包含了長城本體建筑、軍事聚落、公共建筑、相關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、墩臺與戰臺；軍事聚落包括長城防御體系中的鎮城、路城、衛城、所城、堡城、關城、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 長城數字孿生框架與關鍵技術研究

第一，長城數字孿生系統理論框架研究。研究數字孿生技術在物質與非物質文化遺產中的應用策略，提出對長城文化遺產數字孿生的理論概念、建設內涵與技術框架及各部分內容與功能。第二，長城輕量化虛擬實體庫構建研究。研究不同精度級別的長城虛擬實體構建方法，并以此為基礎實現長城虛擬實體庫的構建。其中包含不同歷史階段建造復原、特殊歷史節點情景再現、現狀環境真實映射、未來發展模型底座。第三，多類型傳感器在數據互動層中的應用研究。研究不同類型分布式傳感器的網絡架構與感知獲取方式，研究基于Firefly 的數字域和物理域之間的近實時數據流動方法，并以此為基礎對長城及周邊環境實時數據獲取方法與路徑進行研究。第四，長城多類數據的傳輸、處理方法研究。對長城文化遺產、地理地質、生態環境、社會經濟以及人文環境等類型數據的傳輸方法進行研究，其中包含了通信協議、數據融合、接口服務等研究內容。

4.3 長城文化遺產可視化與數字孿生多終端應用研究

長城文化遺產可視化由三維數字可視化、信息與數據可視化等內容構成。前者主要針對長城虛擬實體，后者主要針對系統關聯、功能交互、界面體驗、結構導航、媒介傳播與技術美學等方面的信息與數據進行可視化設計。同時，在長城精神與文化符號研究基礎上，針對長城文化遺產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用方式與內容進行研究，探索文化、藝術與科技的多維互動方法。

5 結束語

長城數字孿生體建設研究是前瞻數字技術在文化遺產保護與傳承領域的創新性研究，對我國長城國家文化公園數字化建設具有重要意義。

針對整體系統結構，長城數字孿生體的建立包含了五大維度。分別是由長城物質、非物質文化遺產數據構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成的長城虛擬實體維度；由多終端應用服務場景構成的長城孿生體應用維度；由數據連接與處理構成的孿生體通信連接維度；由核心數據中心構成的孿生平臺維度。

針對研究的創新之處，從研究視角而言，可為長城文化遺產數字化歸檔、應用與決策提供全生命周期可視化服務，為長城國家文化公園數字化建設提供新視野、新路徑；從研究內容而言，針對國內外研究現狀短板，結合數字孿生技術特點，創新性提出對長城物理實體、虛擬實體、孿生體應用場景三端的閉環應用進行綜合研究，同時為藝術與科技的結合提供新的研究方向與落腳點。