长城文化遗产数字孪生技术框架与应用研究*

桑 懿，赵 琳，孙 可，王 希，孟宪源

（1.燕山大学 艺术与设计学院，河北 秦皇岛066000；2.CITI University，Mongolia Ulaanbaatar 999097-15141）

数字孪生（digital twin）概念最初由Grieves M.W.教授于2003年在产品全生命周期管理课程（product lifecycle management，PLM）上提出；NASA在2012年发布的技术路线图中使用了“数字孪生”的表述；全球最具权威的IT研究与顾问咨询公司Gartner连续两年（2017、2018年）将数字孪生列为当年十大战略科技发展趋势之一，使这一概念受到广泛关注[1]。国内对数字孪生的研究在近几年关注度极高。在理论研究方面，陶飞等[2]于2017年针对数字孪生车间提出物理融合、模型融合、数据融合与服务融合四个关键性问题并阐述了相关技术路径；刘大同等[1]在2018年对数字孪生技术进行了文献综述与展望，总结了国内外近年对于数字孪生各方面的研究成果；北航数字孪生技术研究团队于2018年首次提出数字孪生五维模型概念[3]，得到了学术界的广泛关注，2019年所阐述的标准体系与十大应用领域[4]部分内容，被《2020数字孪生应用白皮书》《数字孪生》等多本行业白皮书、著作收录；在此基础上，秦晓珠等人[5]在针对桂滇黔地区汉传佛教文化遗产数字化建设研究的过程中，于2018年首次阐述了数字孪生技术在物质文化遗产数字化建设中的应用，让数字孪生研究走出了军事、制造与城市建设领域。在实践应用方面，国家高新级技术企业51WORLD于2020年发布“地球克隆计划4”，并在SuperAPI3.3.0、可视化编辑组件（WDT2.0）、实时云渲染平台（Cloud 5.0）与动态仿真转化器（DST1.0）等数字孪生城市模型底座与接口服务方面有了核心技术突破；2020年9月河南二里头考古遗址公园SA+MEC智慧云XR数字孪生平台正式上线，2021年2月北京海淀区数字孪生可视化平台正式运行，让数字孪生在文旅、城市管理等领域有了新的落地应用。

从数字孪生概念与发展历程来看，应用领域逐渐由航空航天、军事等领域向建模加工、设计制造等领域转移[6]。结合数字孪生概念与技术特征，可看出数字孪生与物质文化遗产数字化之间有许多共性特征，因此，数字孪生理论与技术可为长城国家文化公园数字化建设研究提供全新的理念、方法和应用场景。

1 数字孪生技术在长城国家文化公园建设中的价值体现

1.1 遗产数据价值——全生命周期数字化为长城保护与发展提供有力支撑

长城丰富的文化遗存具有极高的文化价值、历史价值[7]。但随着自然风蚀、历史战乱和近年来我国城市化的快速发展及对长城文化遗产认知的严重不足，导致长城防御体系受到了严重威胁[7]。在文献数据收集、现状数据采集的基础上，由长城防御体系历史阶段的建造复原、特殊历史节点的情景再现、长城现状的真实映射、未来发展的智能模拟所构成的全生命周期长城数字孪生体，将为专业研究、科普展示、环境监测、监控预警、保护开发等方面提供有力数据支持。

1.2 文化科技价值——推动新一代数字模拟技术在文化遗产数字化中的应用

我国是世界四大文明古国之一，有着几千年的悠久历史和灿烂的中华文明，也留存着众多优秀物质、非物质文化遗产。近年来，在国家大力推进科技创新产业发展和提倡文化遗产保护的背景下，我国物质遗产、非物质遗产的数字化研究与实践有了长足发展。虚拟仿真作为第一代数字化模拟技术，以建模为核心技术手段，配合3D打印技术和VR/AR/XR技术，能够对文化遗产进行虚实结合展示。数字孪生作为以全生命周期为核心特征的第二代数字化模拟技术，其核心技术手段是将虚拟仿真网络模型与物联网、互联网、区块链、人工智能等NEW IT技术进行高度融合，从而实现物理空间、虚拟空间和应用场景等维度的整体连接、闭环应用和运维决策，能够为文化遗产在数字化归档、保护、监测、展示及模拟开发等多类型应用场景中提供新方法和新工具。但由于该技术研究学科跨度大、专业壁垒多等因素，导致在物质文化遗产领域的研究与实践明显滞后于其他领域。因此，以长城文化遗产为载体进行数字孪生应用研究，对推动新一代数字模拟技术在文化遗产数字化建设中的应用有着较强的理论与现实意义。

2 长城数字孪生技术理论框架与内容

2.1 长城文化遗产数字孪生技术理论框架

长城数字孪生是以遗产数据价值、技术应用价值、文化科技价值为导向，以长城文化遗产数字化归档、保护、可视化、管理与决策为主要目的，通过虚拟仿真技术与NEW IT技术的深度融合，对长城多类数据进行采集、传输、处理与运用，实现长城历史的真实映射、长城现状的实时映射和长城未来的模拟映射，从而反映长城文化遗产全生命周期过程并将其应用于多种场景的一种协同融合技术。依据长城数字孪生概念和数字孪生五维模型理论[3]，长城数字孪生系统（GWDT）包含长城物理实体（GWPE）、长城虚拟实体（GWVE）、长城孪生应用场景（GEAS）、长城数据中心（GWDC）、数据连接与处理（CN）构成，如式（1）所示：

长城数字孪生系统架构以长城物理实体、长城虚拟实体、长城孪生应用场景为三个主要端，利用多种服务接口和多种数据处理方式，将所产生的孪生数据进行安全、高效的双向连接，从而使三端能够实现闭环运行、实时反馈。其技术理论框架，如图1所示。

图1 长城数字孪生系统结构

2.2 长城文化遗产数字孪生体各维度内容与功能

2.2.1 长城数字孪生物理实体

长城物理实体（GWPE）是其孪生系统的数据基础，其功能在于采集长城真实、准确的数据信息和接收、执行管理端的部署与决策，其内容包含长城历史与物联设备。物质文化遗产的孪生实体数据构成有别于航空航天、机械设备等制造类和智慧城市、智慧港口等运管类，长城作为中国重要的物质文化遗产，是由不同历史时期修建的规模浩大的军事防御工程[7]，其孪生实体数据构成包含了历史数据和现状环境数据。就目前的技术条件而言，长城的历史数据收集仍需在人工研究、整理、论证的基础上，利用不同软件辅助以完成多类别、多形式还原；长城的现状环境数据则主要依托多类型物联传感器，以采集多种环境数据，用于虚拟实体的基础建设及更新。除此之外，物联设备还可用于接收、执行管理平台相关指令，如图2所示。

图2 长城物理实体的功能与内容

2.2.2 长城数字孪生虚拟实体

长城虚拟实体（GWVE）是其孪生系统的模型基础，其内容包含了历史仿真体、现状仿真体和管理仿真体。就三部分各自功能而言，“历史仿真体”用于还原长城历史建造过程、长城历史变化过程和再现长城重要历史时空节点；“现状仿真体”用于将长城的现状进行1：1还原，是对真实世界诸如气候、人流量、地质变化等变化情况的1：1还原，做到表里如一、全息镜像；“管理仿真体”包含了AI计算预测和人工设计变更，AI计算预测是计算机通过对真实物理世界的数据采集与运算来模拟的长城环境变化，人工设计变更可以通过人为数字模型再设计将长城及周边环境做出改变并呈现出来，其目的是通过数字环境的模拟“试错”，对长城环境保护性建设提供更加合理的对策，如图3所示。

图3 长城虚拟实体的功能与内容

2.2.3 长城数字孪生应用场景

长城数字孪生应用场景（GEAS）是其孪生系统的终端维度，其内容包含了长城国家文化公园线上平台与移动端、长城数字孪生网络管理平台和长城国家文化公园场馆数字展厅。就三部分各自功能而言，长城国家文化公园线上平台与移动端将对长城文化、长城数据等内容进行可视化展示、科普与宣传，在丰富线上平台内容的基础上，让世界对长城有更加直观的理解与认知；长城数字孪生网络管理平台可对长城的社会数据、运行数据、政务数据进行有效管理，以用于相关归口部门可视化管理，切实提高管理效率与质量；在长城国家文化公园场馆数字展厅建设中，通过对长城数字孪生体进行艺术创作、文创设计、艺术科技体验等多类型交互内容与场景设计，在展示长城文化的基础上，丰富场馆的体验环节，传递长城文化和长城精神，如图4所示。

图4 长城孪生应用场景的功能与内容

2.2.4 长城数字孪生数据中心

长城数字孪生数据中心（GWDC）是长城数字孪生系统的计算核心，其内容面向其他四个维度，包含了物理实体中的历史文献数据与实况数据、虚拟实体中的模型数据、服务场景中的分析与管理数据，以及连接传输过程中的算法数据与模型处理方法数据等。根据孪生数据相关标准[3]，长城数字孪生数据中心的主要功能在于将所收集到的多类数据进行分类、存储、预处理、使用与维护和数据的测试，如图5所示。

图5 长城孪生数据中心的功能与内容

2.2.5 长城数字孪生连接与处理

长城数字孪生的连接与处理（CN）是长城数字孪生系统的传输服务核心，通过孪生系统结构，可知其连接内容由物理实体、虚拟实体、数据中心和应用场景两两双向构成，其内容分别为物理实体与数据中心的交互（CN－PD）、物理实体与虚拟实体的交互（CN－PV）、物理实体与应用场景的交互（CN－PA），虚拟实体与数据中心的交互（CN－VD）、虚拟实体与应用场景的交互（CN－VA）、应用场景与数据中心的交互（CN－AD）。其功能有四类：第一，通过OPC-UA、MQTT、CoAP等协议规范实现上述四大维度的双向数据传输与反馈；第二，实现对长城物理实体（GWPE）的运行优化及调控；第三，实现对长城虚拟实体（GWVE）的动态仿真、指令传递、数据收发、消息同步；第四，实现孪生数据中心（GWDC）对孪生应用场景（GWAS）运行优化的支持，如图6所示。

图6 长城孪生数据中心的功能与内容

3 长城数字孪生关键技术要素

长城数字孪生体的技术架构包含基于建模和测绘的仿真模型层、基于物联网的传感设备层、安全且高效的网络传输层、可视化平台层和多终端呈现层等，如图7所示。

图7 长城数字孪生的技术层级与要素内容

3.1 基于建模和测绘的仿真模型层

虚拟仿真模型的建立是数字孪生技术的基础层，根据长城数字孪生概念，长城的虚拟模型包含历史和现状两部分。在历史部分的仿真建模中，内容和边界是研发长城数字孪生仿真模型的首要问题。张玉坤等人[8]在对明长城文化遗产数据库建设中提到长城文化遗产中的有形遗产，包含了长城本体建筑、军事聚落、公共建筑、相关遗迹遗存以及其中所蕴含的所有工具器物。其中，本体建筑包含长城的墙体、敌台、墙台、烽火台、墩台与战台；军事聚落包括长城防御体系中的镇城、路城、卫城、所城、堡城、关城、驿站与哨所；公共建筑包含接署官邸、仓储草场、庙宇祠堂、学校书院、牌坊与楼台；遗迹遗存包含水窑、居住址、烟灶、火池及其他遗存。可以看出，还原整个长城防御体系所需构建的模型场景量级，几乎相当于一个小型城市，而这些数据的真实性、准确性则需研发团队在制作过程中进行论证，保障对史实的高度还原。在长城现状的虚拟仿真模型构建中，以GIS模型信息为基础，依托真正射影像（TDOM）和数字表面模型（DSM）及三维点云扫描等测绘方法得到模型数据，通过3D MAX、ProE、AutoCAD等软件对长城及周边环节进行综合建模与模型优化。最后，对所有模型进行集成与融合，通过模型校核、验证和确认（VV&A）[9]来验证长城虚拟模型的准确度和灵敏度。

3.2 基于物联网的传感设备层

高精度传感器数据的采集和传输是长城数组孪生体的物联网（IoT）基础，多种传感器的性能状态影响了整个系统的运行，在快速、安全、准确的网络构架下，通过分布式传感器采集环境状态数据，地质状态数据，人流状态数据，实时影像数据等多种物理量信息表征长城现实状态。其中，环境状态的数据采集包括长城及周边区域的气候数据、水文数据与植物数据等；地质状态数据以地质灾害预警为主，对易发生泥石流、崩塌、滑坡的长城区域进行预警监控管理；人流状态数据可以采集长城山体段人流状况，也可为特殊情况下抢险救灾提供准确数据支撑；实时影像数据可用于平台端调取影像记录。设备层由物联网感知模块的智能终端组成，包含如CoAP、MQTT、SDK、HTTP等多协议接入的设备协同和数据解析，通过协议适配、接口适配、插件适配等技术成为设备数据源。

3.3 网络层传输

数据的实时传输和更新对长城数字孪生体至关重要，泛在高速、多网协同的网络接入服务通过4G、5G、NB-IoT、WLAN等多种网络相互补充部署，实现基于虚拟化、云化技术的立体无缝覆盖。其中，安全和效率是要面对的两大核心问题。数字孪生体的建立依赖于真实世界的海量数据，长城及周边环境具有重要的军事战略地位，必须保证网络和信息的绝对安全，是网络部署的第一要务。物理世界与数字世界的虚实之间需实现毫秒级响应，以保障应对突发事件的管理及应急抢险的及时性、准确性。

3.4 可视化平台层

可视化智能平台是长城数字孪生体的“展示窗口”和“管理中心”。通过加载全域全量的数据资源构建多维数据空间，利用GIS系统实现长城及周边环境从地下到地上的地理信息数字化、利用BIM和CIM模型构建长城及周边环境的三维数据空间画像。在平台的基础上，长城数字孪生体将呈现全域智能终端信息反馈、环境保护与决策效果实施的功能。其中，模型的超型量化处理影响平台运行速度，模型的效果渲染影响展示的最终效果。同时，可视化效果要结合长城精神和长城文化符号，在科学性、可读性的基础上，具有一定的艺术价值。

3.5 多终端呈现层

通过对上述系统的各个孪生子系统进行多领域、多尺度的状态监测和评估，将产生的数据附加到各个子系统部件中，在复现实体系统的同时，将数字分析结果以虚拟映射的方式叠加到所创造的数字孪生系统中，从视觉、听觉、触觉等多方面提供沉浸式的体验，从而实现人机互动。如在长城文化遗产的展示、科普、宣传等方面，借助可穿戴式设备让体验者处于虚拟环境当中，深刻感受长城文化的魅力；线上平台和移动端可利用增强现实技术，通过虚实结合达到趣味展示与交互的目的；在长城文化遗产的数字艺术创作方面，可利用相关技术和长城虚拟模型进行艺术与科技的综合感官交互艺术创作。

4 结束语

数字孪生技术作为我国长城文化数字化建设先进性、前瞻性的典型代表，对于长城本体的保护、长城文化的展示、长城精神的传递、长城及周边环境治理决策的模拟等起到了至关重要的作用。同时，长城数字孪生系统的真实数据、多维可视、反馈模拟对于长城国家文化公园线上与线下建设有着重要的现实意义。

长城数字孪生各部分内容与功能是其遗产数据价值、技术应用价值、文化科技价值及自身概念内涵的直接表现，反映了物质文化遗产全生命周期建设的特殊性、综合性、技术性，其中涉及了历史与民族学研究、地质与环境研究、物联网与计算机图形学研究、环境设计研究、科学图像可视化研究等多种学科专业的交叉融合。长城数字孪生系统结构包含了长城物理实体、长城虚拟实体、长城孪生应用场景等维度，通过孪生数据中心和双向传输与处理，形成其结构的闭环运行和信息实时反馈；其关键技术包含了模型层、设备层、传输层、平台层与多端展示层等相关核心要素。综合上述研究内容，形成长城数字孪生的理论框架与技术框架搭建。