基于“數字孿生”的大巴山文化資源平臺建設

摘要：繼農業經濟和工業經濟后，以大數據、云計算、區塊鏈、人工智能等信息傳播技術變革催生的第四次工業革命為大巴山文化資源建設帶來時代發展機遇。數字孿生作為建設“數字中國”的關鍵技術和重要著力點，是促進大巴山文化資源建設提質增優的重要發展方向。從分析現有大巴山文化資源研究現狀入手，在爬梳相關文獻資料及剖析數字孿生概念的基礎上，設計數字孿生在大巴山文化資源具體場景運用及整體框架，以更好地促進大巴山文化資源保護與建設，所得經驗和方法對于其他相關垂直領域也具有一定的啟發意義和借鑒價值。

關鍵詞：數字孿生；大巴山；整體框架；文化資源平臺

一、前言

大巴山地處我國西部，是嘉陵江和漢江的分水嶺，也是四川盆地和漢中盆地的分界線，隔斷四川和陜西兩省，處于長江中游和漢水下游，地理位置極其重要。大巴山文化資源豐富，研究角度多為民俗文化及其背后的深度挖掘，比較有代表性的有鄧曉、陳太紅[1]以大巴山區城口縣為例，解讀“搭紅”現象的巫文化；楊棵瑞、向程[2]從法律科學對其民間司法觀念、審判形式及其相互關系對大巴山民俗中“請‘火’姑娘”現象進行解讀；陳崗[3]立足大巴山豐富的紅色資源開發與利用歷史現實，探究大巴山紅色資源開發和模式等。

隨著大數據、云計算、區塊鏈等新興技術的發展，數字孿生日益受到學界和業界的廣泛關注。《“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要》明確要“充分發揮海量數據和豐富應用場景優勢，適應數字技術全面融入社會交往和日常生活新趨勢，促進公共服務和社會運行方式創新”的數字化發展時代要求[4]。2020年4月，國家發展改革委和中央網信辦聯合印發的《關于推進“上云用數賦智”行動培育新經濟發展實施方案》，多次提及數字孿生技術，號召社會各方開展數字孿生創新計劃并提出解決方案。大巴山文化資源豐富，是具有革命傳統和神圣的紅色土地[5]。

二、 數字孿生的概念本體及應用

2003年，美國密歇根大學邁克爾·格里夫斯（Michael Grieves）教授在產品生命周期管理課程上提出“與物理產品等價的虛擬化數字化表達”[6]，包括數字（虛擬部分）、物理空間的產品及其兩者的關聯三部分。最初稱之為鏡像空間模型（Mirrored Space Model），后修改為信息鏡像模型（Information Mirroring Model），其概念中已經具備數字孿生中物理空間、虛擬空間等基本要素，因此普遍認為這是數字孿生概念的雛形。

數字孿生概念最早應用于航空航天領域，美國國家航空航天局（NASA）2010年在報告《建模，仿真，信息技術與加工路線圖》正式提出“孿生體”概念，是通過仿真實時反映對象的真實運行情況的模型，并最早將其應用于阿波羅項目。由此可見，數字孿生是一種集成多物理、多尺度、多學科屬性，具有實時同步、忠實映射、高保真等特性，能夠實現物理世界與信息世界交互與融合的技術手段[7]。

哲學的引入可以很好地解釋數字孿生這一概念本體。當代科學哲學家波普爾在《沒有認識主體的認識論》一文中系統闡發“三個世界”理論，他認為存在著3個世界：①物理客體或物理狀態的世界；②意識狀態或精神狀態的世界，或關于活動的行為意向的世界；③思想的客觀內容的世界[8]。簡單來說，數字孿生針對物理世界中的物體（“世界1”），通過數字化的手段（“世界2”）“分身”出在數字世界中一模一樣的實體（“世界3”），基于此實現對原物體的了解、分析和優化，是形成物理世界中某一生產流程的模型及其在數字世界中的數字化鏡像的過程和方法[9]。值得注意的是“世界3”雖然是人造的，同時又明明是超乎人類的，它超越了自己的創造者[10]。

在實際應用中，數字孿生的利用包括仿真和評估、實時監測、原型化、端到端可視化等，多應用于制造業，在文化資源平臺建設方面研究較少。李科宇、唐毅等[11]分析現階段我國地域文化信息共享現狀，分析數字孿生技術應用于地域文化信息共享的必要性和運用場景，并概述其應用步驟。

三、 基于數字孿生的大巴山文化資源平臺建設

數字孿生的文化資源平臺構建可以分為特定的垂直領域及通用領域，不難看出基于數字孿生的大巴山文化資源平臺屬于前者，需要戰略業務方法中的產品生命周期管理理論（Product Life-Cycle Management，PLM）的介入和指導，它能夠從產品生命周期的角度實現產品信息的透明化和產品價值的最大化，但是在具體運用過程中，帶來的數據碎片化、孤島化等問題同樣需要概念設計、細節設計和虛擬驗證予以解決。

數字孿生因其與自動化系統聯系緊密，因此常被認為是人工智能的典型代表。值得一提的是人工智能技術與數字孿生仍然有一定的區別，例如虛擬仿真技術雖然也是對于其他系統的“模仿”，它與基于主體建模、機器學習一樣，都缺乏孿生功能；自治系統主要從已獲取的結果中學習，缺乏必要的自學習。由此可見，在建設大巴山文化資源平臺時需要趨利避害，引入系統論，運用系統化思維全面考慮使用的技術，使得文化資源平臺更緊密地貼合社會實際，更好地滿足社會大眾的文化需求和知識服務需要。

（一）數字孿生國際標準

大巴山文化資源平臺建設首先要選取合適的數字孿生國際標準，業界有ISO23247、IPC2551、ISO/IECJTC1/SC41，其中較為成熟的是ISO23247[12]，它將數字孿生系統分從下至上為四層，最底層描述“待孿生”且已經存在的客觀實體；第二層為傳輸層，搜集各部分狀態變化情況，并及時做出調整；第三層為數字孿生層，對第二層傳輸的數據進行處理法分析并更行迭代模型；第四層為用戶層，搜集用戶信息，提升用戶使用幸福感。需要系統化、整體性考慮每一層的內部構建及要素布置。數字孿生具備五大驅動要素，即需要為虛擬對象“映射”在物理世界中的“實體”系統化、科學性配備傳感器、數據、集成、分析和促動器，以及持續迭代的應用程序。

（二）文化資源平臺整體框架

在打造文化資源平臺前，需要考慮數字孿生的實際花費、可用資源、建設方案，如果規模較小，難以滿足用戶的實際需求。反之，過大規模帶來的傳感器布局復雜、傳感器信號收集成本高昂等也是需要考慮的現實問題。此外，基于數字孿生的大巴山文化資源平臺建設依賴于多種技術的綜合運用和全面發展，尤其是在客觀實體與“孿生體”之間的交互，這需要物聯網技術（IoT）、云計算、邊緣計算、人工智能和大數據技術等。參考《工業設備數字孿生白皮書》中數字孿生技術應用的典型案例，選取ISO23247數字孿生國際標準，擬將文化資源平臺整體框架劃分為基礎設施層、建模計算層、功能層、沉浸式體驗層四個層次，各層之間相互支持，高效運作，能夠有效提升健壯性。

1.基礎設施層

作為最早被用來描述信息化領域的專業術語，基礎設施分為經濟性基礎設施和社會性基礎設施兩類，麥格勞-希爾公司《經濟百科全書》（1982年版）將其定義為能對社會產出水平或生產效率帶來直接或間接的經濟項目，包括交通運輸、電力、通訊、金融、教育和衛生設施，以及組織有序的政府和政治體制。該層以大巴山文化資源為中心，分為服務設施與傳感器、數據存儲和處理中心兩部分，主要任務為數據的采集與分析。

作為資源平臺建設的先決性關鍵步驟，面對海量的大巴山文化資源，以大巴山著名紅色景點川陜革命根據點博物館為例，通過無人機航拍、GPS定位等感知關鍵點，布置相應的傳感器來獲取更加準確、專業的數據，而數據正是整個文化資源平臺的基礎，后通過高快帶光纖技術傳輸至數據存儲和處理中心，利用云計算的相關設備和理論，如可以“云—邊—端”的統一管控下沉從而實現“端到端”的云服務，并通過邊緣計算、大數據、深度學習算法形成“云網融合”。

2.建模計算層

在基礎設施層傳輸的數據的基礎上，該層利用機器學習技術和人工智能等技術進行深度挖掘，當下大部分的建模是在同一個垂直領域開展，在后期再進行模型的融合和補償，但因為不同模型之間的差異性較大，因此說明性和深度融合的能力往往較弱。其中需要利用的關鍵性技術主要有多領域、多尺度融合建模，這就依賴于高敏感度的傳感器等基礎設施。同此外，一體化的計算平臺對于高效處理大巴山數據具有一定的輔助作用。

3.功能層

針對用戶的實際需求展開調研，前期運用的田野調查、半結構化訪談、問卷調查、扎根理論、網絡民族志等質性研究方法得出的相關結論對于功能層的設計尤為重要。基于其他相關文化資源平臺，功能層將根據實際系統的表征進行調整優化，完成系統評估和系統集群與輔助決策等任務。如對于使用大巴山文化資源平臺的用戶群進行畫像，收集用戶行為和多模態信息，對于用戶行為進行大數據分析，準確高效推送相關大巴山文化資源相關信息，并與購物、休閑旅游等平臺進行深度融合，同時也可以與其他相關的數字文化資源平臺建立鏈接實現“云共享”，更好滿足用戶的多層次、多樣化文化服務需求。

4.沉浸式體驗層

該層主要目的就是提供良好的人機交互體驗。隨著計算機信息技術的迅猛發展，時空智能的應用領域逐漸拓寬，甚至可構建完整的虛擬空間，未來的“人機界限”會逐漸模糊。作為新一代人工智能典型代表，元宇宙是在數字技術集合式爆發的驅動背景下孕育而生，是Web1.0至Web2.0再到Web3.0時代的技術演化趨勢的具體表現。元宇宙是全球性的、沉浸式環境，時空限制會逐步消解。清華大學沈陽教授團隊發布的《元宇宙發展研究報告2.0版》中，認為元宇宙是整合多種新技術產生的下一代互聯網應用和社會形態，基于拓展現實技術和數字孿生實現時空拓展性，在社交系統、生產系統、經濟系統上虛實共生，每個用戶可進行世界編輯、內容生產和數字資產自所用，是三維化的互聯網。在可預見的未來，用戶將通過各種“腦機接口”設備，可在“大巴山”創造個人的“數字分身”進行全息式、沉浸式深度體驗，可以為用戶帶來良好的用戶體驗。但同時值得注意的是不同地區差異化的網絡基礎設施條件、高昂的“腦機接口”設備、高度沉浸式體驗帶來的“成癮化”傾向等問題也同樣值得社會廣泛關注。

四、 結語

作為第四次工業革命的典型和關鍵性技術，數字孿生的快速發展為大巴山文化資源建設帶來了機遇與挑戰。它實現大巴山這一客觀物理實體在虛擬空間的全要素映射、實時交互與動態反應等任務，基于此建設而成的大巴山文化資源平臺實現了數字孿生高效賦能大巴山資源建設，在大巴山文化的數字化存儲、孿生體建構、三維展示與有效傳播等方面做出初步探索，對于促進大巴山數字化轉型和智能化升級也具有一定的促進作用。

作為建設“數字中國”的重要支撐和關鍵技術，數字孿生不僅僅在大巴山文化資源保護發揮著重要作用。事實上，在區域文化資源建設與保護、促進鄉村振興、非遺文化傳承、傳統文化保護、考古及文物修復等方面的重要性也日益凸顯，亟須有關領域專家學者積極開展跨學科合作及多學科發展，充分利用好“數字孿生”等新興技術，不斷增強中華文明傳播力和影響力，堅守中華文化立場，講好中國故事、傳播好中國聲音，展現可信、可愛、可敬的中國形象，推動中華文化更好走向世界。

參考文獻

[1]鄧曉，陳太紅.環三峽地區民間“搭紅”現象的巫文化解讀——以大巴山區城口縣為例[J].重慶師范大學學報（社會科學版），2017（06）：44-49.

[2]楊棵瑞，向程.民間司法公正視野下的民俗特征及其意義研究——大巴山民俗“請‘火’姑娘”中的法文化解讀[J].四川民族學院學報，2017，26（06）：54-59.

[3]陳崗.開發紅色教育資源 創新大學生德育教育模式——基于大巴山紅色資源的思考[J].社科縱橫，2011，26（11）：28-30.

[4]中華人民共和國中央人民政府.中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要[EB/OL].（2021-03-13）[2022-10-17].http： / /www. gov.cn /xinwen / 2021-03 /13 /content_5592681.htm．

[5]林超，溫賢美.川陜革命根據地史[M].成都：四川省社會科學院出版社，1988.

[6]APPISO.Digital twin：manufacturig excellence through virtual factory replication[EB/OL].（2014-05-06）[2022-10-17].http：//www.apriso.com.

[7]陶飛，劉蔚然，劉檢華，等.數字孿生及其應用探索[J].計算機集成制造系統，2018，24（01）：1-18.

[8]卡爾.波普爾.客觀知識——一個進化論的研究[M].舒煒光，卓如飛，周柏喬，等，譯.上海：上海譯文出版社，1987.

[9]德勤.工業4.0與數字孿生，制造業如虎添翼[EB/OL].（2018-02-04）[2022-10-17].

https：//www.sohu.com/a/220928658_680938.

[10]謝先江，張國驥.波普爾科學哲學核心思想及情報學應用再探[J].圖書館，2006（01）：35-38.

[11]李科宇，唐毅，李婧珉.基于數字孿生的地域文化信息共享應用研究[J].蘭臺世界，2022（08）：114-117.

[12]ISO.ISO/DIS 23247-1 Automation systems and integration—Digital Twin framework for manufacturing—Part 1：Overview and general principles[EB/OL].（2021-10）[2022-10-17].https：//www.iso.org/standard/75066.html.

基金項目：四川省哲學社會科學重點研究基地四川革命老區發展研究中心2022年度項目資助“‘數字孿生’賦能大巴山文化資源建設研究”（項目編號：SLQ2022SD-37）研究成果