基于数字孪生的博物馆智能运行中心构建探析_马玉静.pdf

006MUSEUM博物院双月刊 2022年第6期 总第36期基于数字孪生的博物馆智能运行中心构建探析*Study on the Construction of Museum Intelligent Operation Center Based on Digital Twin马玉静Ma Yujing（中国国家博物馆，北京，100006）（National Museum of China,Beijing,100006)内容提要：随着智慧博物馆建设的推进，通过数据采集、分析、理解、判断，从而形成决策的智能运行模式成为博物馆发展趋势。数字孪生技术作为推动智慧博物馆建设的创新模式和转型路径，亦是必然选择。本文介绍了博物馆藏品、展览、观众、场馆等主要实体数字孪生模型的构建，阐述了以透彻感知、泛在互联、智慧融合为特征的博物馆物理空间、信息空间同生共存、虚实融合的智能运行中心体系架构，深入剖析了其在综合运营态势、藏品全景感知、观展情景研判、观众服务分析、安防设备监测主题业务场景中发挥的数据分析、辅助决策、协同联动作用，并对当前存在问题进行了总结和思考。关键词：数字孪生 智能 体系架构 业务场景Abstract:With the advancement of smart museum construction,it has become the development trend of the museum to form an intelligent operation mode of decision-making through data collection,analysis,understanding and judgment.As an innovative mode and transformation path to promote the construction of smart museum,digital twin technology is also an inevitable choice.This paper introduces the construction of digital twin models of main entities such as museum collections,exhibitions,audiences and buildings.Then,it expounds the intelligent operation center system architecture of museum physical space,information space coexistence and virtual real integration,which is characterized by thorough perception,ubiquitous interconnection and intelligent integration.In addition,it deeply analyzes its comprehensive operation situation,collection panoramic perception,exhibition analysis and judgment,audience service analysis,security equipment monitoring,which developing data analysis,auxiliary decision-making and collaborative linkage in the theme business scenario,then thinking and summarizing the current problems.Key Words:Digital twin;intelligence;architecture;business scenario 本文系国家重点研发计划“智慧博物馆关键技术研发和示范”项目（项目批准号：2019YFC152110）、“古文字与中华文明传承发展工程”规划项目（项目批准号：G1811）阶段性成果。007专 题数字孪生通过对物理世界的人、事、物等所有要素数字化，在网络空间再造一个与之对应的“虚拟世界”，形成物理维度上的实体世界和信息维度上的数字世界同生共存、虚实交融的格局1。数字孪生作为一种创新模式和转型路径，是博物馆发展的必然选择。物质实体终究是要消亡的，而数字孪生体在信息空间却可以长久保存，且可以在时间和空间上无限延展。数字孪生技术进一步促进实体物理空间、人类社会空间、信息网络空间交汇融合，推动“透彻感知、泛在互联、智慧融合”的智慧博物馆建设发展2。通过摄像头、扫描仪、传感器等源源不断产生数据，建立起藏品、展览、空间、设备、观众等各主体在信息空间的数据模型映射；借助物联网、Wi-Fi、5G等泛在互联网络，基于分布式计算的云平台，实现数据模型在信息空间的高效传输与存储；搭建博物馆智能运行中心，运用大数据、人工智能、机器学习等新一代信息技术手段，实现数据采集融合、治理管控、挖掘分析等，使数据在信息空间大规模、高精度地仿真推演计算成为可能，从而在信息空间构建一个与实体博物馆数字孪生的平行博物馆3，实现相关事件的模拟推演和未来趋势预测，指导实体博物馆的科学、有效、可持续运行，最终实现智慧博物馆自主学习和迭代提升。一、数字孪生2003年，美国密歇根大学的格里夫斯（Grieves）教授在产品全生命周期管理课程上，初步提出数字孪生的构想。直到2010年，“数字孪生”一词在美国国家航空和航天局（NASA）的技术报告中被正式提出，并被定义为“集成了多物理量、多尺度、多概率的系统或飞行器仿真过程”4。此后，数字孪生技术引起广泛关注。2016年，全球最具权威的IT研究与咨询的高德纳咨询公司将数字孪生列为十大战略科技发展趋势之一。目前，有关数字孪生的定义并未统一，北京航空航天大学陶飞教授认为，数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，为物理实体增加或扩展新的能力5。数字孪生参考模型由三部分构成：物理空间的物理实体、信息空间的虚拟实体、虚实之间的连接数据和信息。其作为一种充分利用模型、数据、网络智能并集成多学科的技术，能精准反映对应实体的全生命周期过程，具有虚实融合、实时呈现、辅助决策等特点，并在智能制造、工程建设和其他学科分析等领域都有较为深入的应用。近年来，随着物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的发展，数字孪生得到越来越广泛的应用。2020年4月，国家发展和改革委员会、中央网信办印发关于推进“上云用数赋智”行动 培育新经济发展实施方案，多次提及数字孪生技术，并鼓励开展数字孪生创新计划。因此，数字孪生作为智慧博物馆建设的创新模式和转型路径成为必然选择。二、基于数字孪生的实体数据模型构建物理空间与信息空间的深度融合是智慧博物馆建设的关键，博物馆物理实体在信息空间中的数据模型是指“对应的数字孪生体以及数字化全生命周期的数据管理”6，主要指利用扫描仪、传感器、摄像头等感知设备从空间、时间、功能等对物理实体进行采集、监测，使藏品、展览、观众、场馆等各个要素由实体形态向数字形态映射，并以模型、影像、全景等数据形态形成全生命周期的数据管理。（一）藏品博物馆文物数字化工作从20世纪80年代启动，经过信息化、数字化、智慧化等发展阶段，已经基本完成文物本体信息、影像信息、管理保护信息等的数据采集著录。博物馆通过高清拍摄、三维扫描等方式，获取藏品微米级的空间几何信息和千万级超高像素的纹理信息，形成真实高度还原的数字孪生体，实现藏品实物形态向数字形态的精准映射；利用有效的信息化管理手段，实现考古报告、藏品档案、研究分析成果等纸质档案电子化，构008MUSEUM博物院双月刊 2022年第6期 总第36期建起文物考古、征藏、研究、展陈、教育、传播等多维度、全生命周期的数据管理；利用各类传感器实现藏品空间感知，温湿度、光照、菌落等物理环境变化感知，从而在数字孪生空间与实体物理空间的协同联动实现藏品的预防性保护；利用射频识别（RFID）等物联网技术，在藏品出入库盘点、定位识别查找等核心管理环节，实现科学规范实时动态应用，形成藏品流程可追溯、安全有保障的智慧管理新模式。（二）展览展览是博物馆研究成果体现，是教育、传播的载体。新冠肺炎疫情以来，信息空间的虚拟展览得到快速发展。目前展览数据在信息空间的体现有两种方式，一是博物馆线下实体展览的复制。通常利用拍照、测量、三维扫描等数字孪生方式获得数据，利用计算机数字影像技术在虚拟网络空间再现展览，观众可以按照设定好的参观路线图，以交互的方式身临其境在虚拟空间里漫游，观看展品、展板、文字说明等，甚至可以360度旋转观看文物细节。二是博物馆线上策划的展览展示。由于数字资源的可分解、重构，数字空间和时间的无限延伸等特性，可充分利用馆内馆外、国内国外等文物数字资源，在线上虚拟空间完成展览主题策划、数字展品展示、学术内容探讨、观众在线互动等多种功能的展览。线上展览的成功进一步推动线下展览的举办，如浙江省博物馆推出的云展览“丽人行中国古代女性图像”，在广受好评的同时开始启动线下展览的筹备举办，使信息空间和物理空间以双向交互的方式协同联动，重新构建观众与文物、展览、博物馆观众相互之间的 关系。（三）观众观众是博物馆教育、传播服务的对象，在信息空间的数据模型体现为个性特征、心理期望、参观喜好等特质，即观众画像，一般通过静态属性数据和动态行为数据，结合定性和定量共同描述。由于观众参观博物馆的分散性、流动性和无组织性，博物馆想要为观众提供精细的个性化服务，就需要进行分众化研究，为个体进行数据模型构建和画像研究。通过注册、预约等采集诸如年龄、性别、教育程度、职业、地区等人口统计学数据；通过Wi-Fi、蓝牙、地磁、惯导等，融合室内定位技术，采集观众在展厅的行为轨迹、留驻时长；通过社交媒体获取观众浏览、点赞、分享、评论、互动等数据，借助多维度数据的采集融合、挖掘分析，可以为观众构建画像7，便于博物馆了解观众需求，以个性化的方式为观众提供精准服务，从而形成博物馆与观众理解之间的最佳互动模式。（四）场馆博物馆场馆是藏品存放、展示，观众参观活动的重要场所，是“人、物、空间”运营场景中管理难度最大的区域。为便于实时掌控博物馆空间运行状态，利用建筑信息模型（BIM）、地理信息系统（GIS）等数字孪生技术，整合场馆内外11数字孪生，从多维多尺度构建与真实场馆精准映射的数字孪生模型，可以在虚拟空间实时监测公共空间利用情况，辅助引导规划空间利用；通过电梯、空调、给排水等设施设备的精细建模，可以在虚拟空间对场馆设备运行情况进行实时监测，一旦出现故障，可及时发出报警信息，自动派单进行维修处理；基于场馆模型，融合高清摄像头、人脸识别等视频数据，可实时监测展厅人流拥挤程度，及时做出人员疏导等安全方案。除此之外，智慧博物馆建设过程中，孪生数据越来越复杂多样，呈现出规模海量、来源多样、格式繁杂、采集实时等特征。由于分布式计算、大数据挖掘分析等技术的不断发展，基于博物馆私有云平台，针对博物馆藏品、展览、观众等核心业务数据，财务、资产、办公等行政管理数据，楼宇、设备、安防等运维保障数据，进行实体、流程、服务和管理全生命周期的数据管理，如对各类数据资源进行元数据及本体层次标引，基于语义本体提炼各种实体关联，基于实体及其关联图谱搭建数字孪生场景等。通过对各业务环节的数据进行汇聚、治理、管控，深度挖掘分析，以及数字化重构，实现物理空间的无序涌现到虚拟空间的有序收敛。009专 题三、博物馆智能运行中心构建博物馆是一个以藏品、观众等为核心的关联融合、动态演化的有机生命体，各数据模型并非孤立发挥作用。随着智慧博物馆建设的推进，随时随地获取数据和信息的能力越来越强，通过数据分析、理解、判断而形成决