基于数字孪生技术的数字档案馆建设探析

2021-11-26重庆市教育委员会

浙江档案 2021年7期

王静/重庆市教育委员会

数字孪生（Digital Twin，DT）技术作为一项基础性智能技术，近年来受到广泛关注，Gartner公司连续三年（2017—2019）将数字孪生列为当年十大战略科技发展趋势之一[1][2][3]。应用数字孪生技术能够有效解决数字档案馆建设中的相关问题，还能实现数字档案馆建设中行为决策最优化、加强服务平台运行与维护、加强数字档案资源管理与融合等。

1 数字孪生概述

1.1 数字孪生的概念

早在1969年，美国NASA在阿波罗项目实施过程中首次提出“孪生体（Twin）”概念，当时专门指制造两个完全相同的空间飞行器[4]。2012年，NASA正式明确数字孪生体的定义：数字孪生体指充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟信息空间中对物理实体进行镜像映射，反映物理实体行为、状态或活动的全生命周期过程[5]。《数字孪生应用白皮书2020版》指出，数字孪生是具有数据连接的特定物理实体或过程的数字化表达，该数据连接可以保证物理状态和虚拟状态之间的同速率收敛，并提供物理实体或流程过程的整个生命周期的集成视图，有助于优化整体性能。

1.2 数字孪生技术的特征

一是虚实融合。数字孪生体形成的虚拟模型与真实空间中的物理实体对应一致，是真实空间中物理实体的映射。数字孪生与虚拟现实、增强现实之间有较为密切的理论、技术与应用交叉性，并被认为是用于实现物理世界与信息空间智能互联和交互融合的有效途径[6]，通过虚实交互融合来进行数据、信息实时交互，以实映虚、以虚控实。

二是实时交互。交互能力是数字孪生有别于传统信息化系统和数字应用的关键特性。数字孪生通过多种终端实现与物理世界的动态交互，依据定义模型和客体信息进行实时计算与分析，将结果反馈给客体，为客体执行操作提供参考信息，优化决策行为，更准确、及时、客观把握客体状态，增强耦合时效。

三是模拟仿真。由于不同对象或同一孪生对象在不同阶段的需求各异，数字孪生技术所呈现的数字孪生体的形式也不同，模型表征与事实信息的匹配度越高，模型的确真性就越强[7]。因此，数字孪生技术在构建通用模型的基础上，运用情境感知技术，依据需求提供各类数字孪生体。

四是诊断预测。基于物联网的数据采集、大数据的处理及人工智能建模分析，对当前状况实行评估，对过去发生的问题进行诊断，对产生的故障信息精准判决，并对未来趋势实施预测，结合分析结果模拟各种可能性，提供更为全面的信息[8]。还可以根据不同形态的故障信息更新和丰富特征库，实现自治化的智能诊断和预判。

2 数字孪生技术融入数字档案馆建设的优势分析

数字档案馆建设既涉及现实管理也需要虚拟技术，其对档案资源数字化的过程采用大量物理模型、传感器、管理与运行数据，且需集成与之相对应的多学科、多尺度、多物理量、多概率的虚拟仿真过程，并在虚拟信息空间中构建对应的模拟仿真体。可以看出数字孪生与数字档案馆建设存在技术关联性，将数字孪生技术与档案馆事业转型相结合具有重要意义[9]，可以为数字档案馆建设保驾护航。

2.1 提供技术支持

数字孪生技术可以为数字档案馆建设特别是为数字档案馆获得最佳运行模式提供技术支撑。从纯技术角度来看，数字档案馆建立在现代信息技术普遍应用的基础上，利用数字化手段，将综合档案信息资源作为处理核心，对数字档案信息资源实行管理，通过高速宽带通信网络设施相连接和提供利用，实现资源共享[10]。数字档案馆建设是一项综合性工作，融合了多领域的技术研究与应用，而数字孪生涉及支撑系统的软件架构技术、全集数据管理及安全技术、动态建模及模型驱动技术、高效计算与靶向服务技术、虚实融合的沉浸式体验技术等，可以通过现实物理世界和虚拟信息空间之间的双向、实时数据映射，实现档案资源、虚拟档案信息、数字孪生平台之间的全过程、全业务、全因素、全数据的融合与集成。如河南省行政区域界线电子档案库利用Unity 3D多平台三维虚拟现实开发技术，成功建立基于C/S模式的三维虚拟档案库，实现场景查看、信息查看、档案管理等功能，这正是对数字孪生技术中虚实融合的沉浸式体验技术、动态建模技术的应用[11]。

还能为数字档案馆创新服务提供技术支持。我国的档案服务工作成绩显著，但数字档案馆的信息服务仍处于起步阶段，数字档案资源利用依然停留在基于目录的简单查询，利用形式单一、服务渠道有限[12]。将数字孪生技术引入数字档案馆建设，一方面，利用虚实映射搭配触觉互联网理论与技术，能够使档案馆提供多样化的服务模式。山东省青岛市档案馆基于互联网筹建档案3D虚拟展厅、构建数字档案馆专题库，借助虚实映射技术突破了时间限制，为用户提供在线亲临档案展厅的全新服务体验[13]。另一方面，在数字环境下，引入智能化服务手段，通过数字孪生体模拟用户利用行为，在模拟仿真空间中纳入用户的感受和情感等，通过感官与脑电波等进行生理性人机交互，从而形成物理、感官或情感记忆，并结合用户画像技术追踪用户偏好，进一步提升服务水平。此外，在档案资源、软硬件基础设施及各类物理或虚拟资源中，使用嵌入式AI智能内生软硬件设施，构建智能化网络对数字档案馆运行状态进行全方位实时监测、模拟，可以及时诊断和预测管理与服务过程，有针对性地提升服务质量。

2.2 提供安全保障

一直以来，确保档案实体与档案信息绝对安全是档案工作的重中之重。信息时代，数字档案馆建设面临众多安全威胁[14]，在数字档案馆建设过程中要特别注意档案数据的安全和信息系统及网络平台的安全[15]。数字孪生技术可以为数字档案馆建设各项工作提供安全保障。一方面，以数字孪生体系为基础，对档案数字化建设所涉及的档案数据资源进行管理，为构建、优化、改进和监测提供数据支撑，将虚拟与物理数据相联接，在孪生数字档案馆中进行实时映射与双向反映，对档案信息数据进行监测与预判，保障元数据不被影响、干扰或触动，仿真出安全、可靠的数据存储环境。另一方面，创建一个虚拟的数字档案馆环境，监测、诊断、控制和维护其在现实物理世界中所面临的各种状况。浙江省公安厅数字档案室架构在政务内网上的档案信息管理系统、查询系统实体机、虚拟机、小型机和阿里云存储已经实现应用服务、数据库服务的双机热备与同城异地备份[16]，在此基础上可以嵌入数字孪生技术搭建数字档案室孪生空间，全方位保障系统平台的安全。

3 数字孪生技术在数字档案馆建设中的应用

数字档案馆建设经历着从资源主导向服务导向转变[17]，而数字孪生技术可以为数字档案馆建设提供新的思路与方案。2010年国家档案局印发的《数字档案馆建设指南》规定，数字档案馆建设步骤分为项目规划与立项、项目招投标、项目实施、运行维护四大步骤，依据数字孪生技术的特点可以将其与数字档案馆的融合具体落实在各个阶段。

3.1 数字孪生技术在项目规划与立项阶段应用

项目规划与立项阶段是数字档案馆建设的起点，这一阶段的规划会影响整个项目后续阶段建设情况，因此这一阶段尤为重要。这一阶段的主要工作是需求调研、规划制定及项目决策。

3.1.1 数字孪生在需求调研中的应用。需求推动数字档案馆的设计和创新，决定数字档案馆的结构、配置、功能。第一，业务需求分析。数字档案馆的数字孪生体是从其数字化建设拓展和延伸而来的，其业务需求就是实现从最初的档案原始数据管理到数字化建模后模型数据乃至整个数字化全生命周期的数据管理、服务，通过构建基于数字孪生的服务系统，形成能不断优化的全生命周期的智能管理与服务体系。第二，用户需求分析。理清用户需求与配置的关系，是数字档案馆不断更迭长远发展的需要。需求来自用户的意愿，配置体现于建设，这种对应关系可以在虚拟空间中得到映射[18]。通过建立数字孪生体，记录用户需求信息，如规划阶段调研到的初始需求、服务过程用户反馈的新增需求，形成需求与配置的关系表，依照具体需求设计数字档案馆的具体模块。

3.1.2 数字孪生在规划制定时的应用。当业务需求分析和确定后，即进入项目规划阶段。档案馆需充分征求各业务部门、相关专家及社会公众的意见，立足立档单位电子文件产生现状和国内外数字档案馆建设经验，围绕数字化建设需求对数字档案馆的功能构建进行细化，形成功能模块设计方案。功能模块方案的规划设计是将建设概念转化为数据的过程，数字孪生体可为不同设计版本形成对照表，对后续的研发提供参考。数量庞大的规划数据往往分布在不同设计部门或同一部门不同设计人员手中，基于数字孪生体的三维数字化方式可以对多方案进行比选和分析，实现多部门信息沟通联动、审批协调一致，保障数字档案馆规划建设的实时与高效。

3.1.3 数字孪生在项目决策中的应用。在项目规划与立项阶段建立初始数字孪生体，可以及时检测研发进展，为官方决策提供数据支持。若数据能够借助于各种各样的工具在分析的基础之上为我们提供正确的决策，它就是资源[19]。通过提供孪生仿真分布式资源的精细化知识组织输出，实现“数据+解决方案”的“一站式”服务。数字孪生体实时更新数据库，决策主体可以及时查询规划信息，实时分析、评估数字化建设的可靠性、系统性、精确性和适应性，明确决策行为。数字孪生技术辅助实现规划协同编制、数据实时共享，多种规化数据集成可视化，提高协同规划的决策水平和效率。

3.2 数字孪生技术在项目实施阶段应用

3.2.1 档案资源收集层面应用。档案信息的采集主要包括两部分，一是纸载体档案，通过扫描仪或数码相机进行图像处理、OCR识别，压缩转换为数字档案。二是系统产生收集到的的电子文件，直接存储在档案管理系统中。从信息采集的途径与来源来看，主要包括档案数字化建设与对应的数字孪生体系建设所涉及的各类数据，如物理实体关联数据、数字孪生体系建设、管理与服务数据、过程监控数据、运行状态数据、孪生体运行检测数据、建设进度数据、状态预测与决策数据、逆向过程推演数据等[20]。运用数字孪生技术可以无缝衔接虚拟空间和物理空间，对具体数字资源的变化进行全生命周期管理，及时导出孪生数据，建立对应的信息获取、采集机制、渠道与平台等，为后续工作提供数据参考。

3.2.2 档案资源保管层面应用。数字孪生用于虚拟表达、描述真实存在的一个或多个特定设施的数字复制品，并以此进行真实环境、条件和状态的模拟仿真测试。数字档案馆中存储的海量数字资源是数字档案馆的基础和核心，数字孪生体数据来源于现实物理世界中客观存在的档案实体及系统中存储的电子信息。数据源来源简单且具有系统性的特征，是档案资源所处的物理世界与虚拟空间之间数据与信息双向交互的唯一依据，其涉及的所有模型、状态、行为、数据等都是可以追溯的。数字孪生体仿真原有系统，为数字资源开辟虚拟的存储空间，提升数字档案馆应对自然灾害或突发状况的能力，强化其功能体系。

3.2.3 档案利用服务层面应用。数字档案馆建设的最终落脚点在通过各种网络平台提供公共档案馆信息服务和共享利用，数字孪生拟实化的“人—机—物—环境”智能融合与协作能有效提高服务水平。一方面，提供个性化服务。以用户需求为导向，对海量数字档案资源、用户数据实行实时管理和有效分析，在孪生数字档案馆中模拟用户利用行为，进而为用户提供适配的个性化、精准化服务。另一方面，提供智能化服务。虚拟的孪生数字档案馆是对现实情境的高度仿真，通过沉浸式可视化场景为用户提供虚拟体验。同时，用户还可以通过虚拟孪生体、模拟工具等增强利用创意，协助系统设计人员完善网端数据，实现对虚拟孪生体的优化与升级。

3.3 数字孪生技术在运行维护阶段应用

项目验收后，应适时调整、明确数字档案馆各功能模块的管理职责，形成以技术为保障的管理机制。这一阶段主要是为前面几个阶段提供相关业务运行与服务执行任务，实现数字档案馆孪生体的运行管理与维护工作。

3.3.1 数字档案馆数字孪生体业务运行管理。在项目实施阶段，数字档案馆的数字孪生体是整个档案馆协同研发的内容，在项目运行过程中，设计的档案业务模块被逐一制造，相应的数字孪生体也在同步成长。实施过程中将业务管理概念模型分化为多个模块，被运行的物理模块都将映射到虚拟空间中，通过虚拟空间收集、存储模块运行数据信息，将数据传送给系统管理人员[21]。这样能够为数字档案馆本体提供优化方案，协助数字档案馆各模块的管理，提升资源配置效率，完善空间治理结构。

3.3.2 数字档案馆数字孪生体系维护优化。维护优化是保障数字档案馆项目成功长期运行和正常使用所进行的系统维护和定期检查，包括针对数字孪生体进行升级、更新、改造等。数字档案馆项目自身具有一定的特殊性，需要在较长时间内继续投入技术与保障来维护和优化。用户使用系统以后，相应的系统运行与数字孪生体将进行维护与优化[22]。数字孪生体空间在维护阶段将发挥重要的作用，数字档案馆系统内各个模块将运行数据信息发送到对应的数字孪生体空间，空间根据数据自动过滤后形成新的需求清单，从而优化原有模块功能，及时完成功能更新。同时，虚拟仿真空间与实体系统始终保持一致，虚拟平台与系统平台对接，对数字档案馆内的软硬件环境进行全生命周期的建模和管理[23]，实时掌控数字档案馆的运行状态，对风险信息进行预警，保障软硬件设备的正常运转；也能方便且精确地获取用户对系统的认可程度、接受程度、使用偏好等具有深度价值的服务信息，不断完善数字档案馆管理及服务。