我国水下文物遗产数字孪生系统构建的必要性和可行性,本文是生系统方面有关论文例文跟孪生和可行性和遗产类论文例文.
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摘 要：我国历史文化悠久,古代多通过海路与世界各国进行社会经济交流,因此在我国水下留存了大量的水下文物遗产,蕴含了珍贵的历史信息.为了能更好的研究、保护和利用水下文物遗产,在信息时代和“一带一路”思想的大背景下,本文提出了构建我国水下文物遗产数字孪生系统的构想,并对此构想的必要性和可行性做了分析.
关键词：水下文物遗产 数字孪生 必要性 可行性
数字孪生［1］（Digital Twin）的概念最早是在2003年Grieves教授在美国密歇根大学的产品全生命周期管理课程上提出.后来,美国国家安全局（NASA）将数字孪生的概念引入到航天飞行器的训练、健康维护等问题中.数字孪生的理念是把现实世界的人、物、事等要素进行数字化处理,在虚拟环境中构建出物理对象的数字仿真体,复现实体对象的数字化形态,两种相互同步状态,二者能够及时地掌握彼此的动态变化并做出实时响应,因此通过数字孪生体可以模拟实体对象在现实环境中的行为发展趋势.
最早将数字孪生技术应用于日常生产生活中的是工业领域［2］.随着物联技术的不断发展,数字孪生体的仿真过程的精确化,应用范围逐渐扩大.著名美国电动车及能源公司特斯拉,就为所生产和销售的每一辆电动汽车都建立数字孪生模型,并且在公司数据库中储存了相对应的模型数据,便于日后在测试中排查故障,为客户提供更优质的服务.
数字孪生是一项新兴的数字化技术,但在文物遗产保护领域,鲜有与数字孪生系统的相关研究.本文从我国水下文物遗产保护所面临的困境作为切入点,发现引入数字孪生可以有效改善我国水下文物遗产保护所面临的瓶颈,进而从保护、展示我国水下文物遗产的需要以及我国历史文化传承的需要三方面分析了构建水下文物遗产数字孪生系统的必要性,并从技术、政策和经验三方面阐述了构建的可行性.
一、我国水下文物遗产保护面临的困境
(一)海洋侵蚀严重
海洋环境十分复杂.海水是电解质溶液即强腐蚀介质,任何一种物质长期浸泡在海水中,都会受到不同程度的腐蚀.而那些深藏于海水中近百年甚至千年的文物,其受损程度更是难以想象.除了海水,海洋生物对水下文物的影响也十分明显.如藤壶、牡蛎、贻贝和盘管虫等,这些水下生物一旦在文物表面固着,一生都不会再离开［3］.除了生物本身固着,它们分泌的酸性腐蚀物质也会导致文物表面污损或本体受到侵害.除此之外,全球性气候变暖引起的海平面上升、海底地震等海洋灾害；以现代能源污染为主的海洋污染、海洋沉积都是水下文物的巨大威胁.正是由于水底环境的复杂性,水下文物的保护工作比陆地文物保护工作更加艰难.
(二)非法盗捞屡禁不止
水下文物同地面文物一样,其本身极具文化、艺术价值,除此之外还会受国内外文物*热潮、投资热潮的影响,引来一些被高额利润驱使的不法分子、当地渔民的盗掘、盗捞、倒卖,在金钱和利益的诱惑下文物盗采的不法行为日益猖獗.2011年,在西沙群岛水下文化遗产保护状况巡查和文物执法督查工作中,发现西沙48处水下文化遗存中,26处遗存的盗捞面积超过50%,有些沉船遗址中心区域甚至已被洗劫一空.这些盗捞水下文物的不法分子眼中只有利益,盗采过程粗暴、野蛮,除了大量宝贵文物被掠夺,水下文物遗存也遭受了不可逆的破坏.令人痛心的是,被考古工作者发现的水下文物,仍有被盗捞者盗窃的危险.如海南省文物局局长王亦平透露：“西沙群岛北礁13号遗物点,在2010年调查时曾经发现有3块碇石,当时由于原址保存的需要,考古队仅采集了1块,今年对其复查时发现其余两块碇石已经不见.”水下文物遗产的流失现象严重,如何守住那些水下遗存也是当今政府和考古工作者亟待解决的问题.
(三)水下文化遗产保护工作难度大
我国历史文化悠久,古代主要通过水路与世界各国进行社会经济交流,且十分频繁,因此在我国水下留下了大量的水下文物遗产,蕴含了相当珍贵的历史信息,然而水下文物遗产的传承和保护工作却难以展开.就保护工作方面而言,受到水下文物遗产存在位置以及一些不可抗拒的自然因素和人为因素的影响,水下文物遗产更易受到难以复原的破坏.此外考古工作者在对水下文物遗产进行就地保护或发掘性保护工作的过程中常受不可测因素的影响,保护工作难以进行,甚至在水下工作时会有遭遇生命危险可能.就传承工作而言,这些深藏水底的文化瑰宝,对大众而言遥远而无法触及,更不用说去深入了解这些文化瑰宝的内涵.例如那些“沉睡”在南海之下的瑰宝,见证了中华民族世代在南海的活动,是南海边疆问题的重要历史佐证.然而这样重要的水下文物遗产,知道和了解的人甚少,难以激发民众的自觉保护意识,亦难以起到唤起民族凝聚的作用.
二、我国水下文物遗产数字孪生系统构建的必要性
(一)保护我国水下文物遗产本体的现实需要
随着轻潜水技术以及其他水下探测、打捞技术的出现和发展,我国水下文物遗产遭到盗采、盗捞、抢掠的情况愈演愈烈,水下文物的保护工作遭到了前所未有的挑战.为了保护水下文物,我国很多水下考古都属于抢救性发掘,而打捞上来的水下文物,会因离开水体受到新一波的腐蚀,难以保持原貌.遇到此种情况时,若采用了数字孪生,则可留下这些文物的“第一手”样貌,对水下文物遗产的研究的有重要意义.除了非法盗捞,一些合法的经济活动亦对水下文物遗产造成影响.如涉海建设、水产生产作业等.虽然政府对水下文物遗产保护意识有所提高,多处沿海地区提出在涉海工程建设前期,需要给出水下文物原址保护或发掘打捞的合理原则的要求.但在实际实施过程中仍然难以避免出现的失误,而致使水下文物受到破坏.若使用数字孪生系统则可基于现实情况的参数,预测保护或打捞程序对水下文物影响,从而有针对性的解决经济建设中的保护问题.由此可见构建数字孪生系统对保护水下文物的有重要的现实作用.
(二)展示我国水下文物遗产的切实需要
数字孪生构建“虚拟水下文化遗产”,是一种全新的数字化技术.水下文化遗产的数字孪生体,可以向人们再现更加逼真、灵动、鲜活的水下遗迹,即使游客不进入实际的水下遗址场景,也可以欣赏到整个水下遗址的全貌,包括遗址、建筑、房屋甚至是散落其中的工艺品.这样就避免了由于水下文化遗址的特殊地理位置,人们无法深入水下参观的窘境.我国的白鹤梁题刻博物馆——世界上唯一一座水下博物馆,负责博物馆设计方案的葛修润教授曾在采访中提到“白鹤梁博物馆一共耗资2亿元人民币,如果有其它办法可以替代,那一定不会修水下博物馆”.并且葛教授认为并非所有的水下文物都适合建水下博物馆.那么水下文物的展示势必要以其它方式呈现,构建水下文物遗产数字孪生系统正是解决这一问题的科技途径.它可以让人们不受时间、地点、财力、体力等条件限制,去了解文物遗产,目睹其真容,使我国的水下文物遗产,真正成为家喻户晓文化遗产.
(三)传承我国历史文化的长远需要
我国的水下文物遗产既是我国重要的海洋资源,也是我国历史文化遗产的重要组成部分,更是弘扬和传承中华优秀文化、维护国家主权的重要载体.那么就要求文化遗产保护工作者除了研究、保护、利用水下文物遗产,同时也应当传承我国“水下文化”.从传承文化这个方向而言,在此过程中引入数字孪生有以下几点益处.首先,有助于水下文物遗产的保存.利用数字孪生虚拟的水下文化遗物的数字孪生体可以保存其本来面貌,假如将来的其本体不幸遭到毁坏,数字孪生体依然能够使其以数字化形式永久性的保存、展示甚至复刻,挽救濒临灭绝的人类文明.其次有助于水下文物遗产的研究.有了水下文物遗产的数字孪生系统,研究学者们即使不接触其本体,也能对文物的纹理、形状、表面特、内部结构、历史等特征进行探究.例如发现工艺失传的木制品,木匠可以通过研究数字孪生体,找回失传的工艺,同时也是找回国家失落的文化.其三,有助于维护我国国家主权.近年来一些有不法之心的国家蓄意破坏我国南海水下文化遗存,想以此销毁历史上中国在南海活动的证据,妄图侵犯我国南海主权.这种情况下将数字孪生引入我国水下文物遗产的保护和传承就更显紧迫,具有唯一性的文物数字孪生体将是打破这一阴谋的有力证据.
三、我国水下文物遗产数字孪生系统构建可行性
(一)科学技术的发展提供了技术支持
数字孪生主要涉及到的技术有系统仿真技术包括三维图像技术、增强现实技术（AR技术）、虚拟现实技术（VR技术）、虚拟制造技术等,数字孪生还与计算机的发展以及大数据发展有密切关联.近年来,高性能计算、分布式计算以及大规模计算机技术的迅猛发展,以及多种智能优化算法的涌现为数字孪生应用在水下文物遗产上提供了基础的技术支持.大数据、互联网、移动互联网、云存储等新兴通讯技术的普及为水下文物遗产的数据采集、传输、分析、预测提供了快速通道.三维图像技术的发展使得水下文物实体对象与其存在的真实环境得以以数字化的形式反映出来.此外随着AR/VR技术不断进步,考古工作者通过类似“GEAR VR头显”的装备,能对数字化后的水下文物遗产进行深入“解剖”.科技的发展使得数字孪生所需的技术的逐渐成熟,为构建我国水下文物遗产数字孪生系统提供了强劲技术支撑.
(二)国家的政策思想提供了政策保障
2010年国家海洋局与国家文物局签署了《关于合作开展水下文化遗产保护工作的框架协议》,将水下文化遗产保护列为海洋文化建设的重要内容之一,意味着水下文化遗产的保护与利用日益引起我国政府关注.2017年2月国家文物局印发的《国家文物事业发展“十三五”规划》第一点就是加强不可移动文物保护,特别对水下文化遗产的保护做了强调.其中包括开展西沙群岛、南沙群岛及沿海重点海域水下文化遗产调查和水下考古发掘保护项目,推进南海I号、丹东I号等考古发掘和保护展示项目,实施海上丝绸之路文物保护工程［4］.2017年9月,国家文物局水下文化遗产保护中心主办的首届“一带一路”沿线国家水下考古培训班正式开班,预示我国开始加大水下考古专业人才队伍建设培养力度.综上种种,可以发现,近年来我国水下文物遗产保护已从单纯水下抢救性考古发掘,发展到全方位的水下文物保护.此外还有、国家发展改革委、财政部、国家文物局联合提出《关于推动文化文物单位文化创意产品开发的若干意见》,科技部、、国家文物局联合印发的《国家“十三五”文化遗产保护与公共文化服务科技创新规划》.国家文物局、国家发展和改革委员会、科学技术部、、财政部联合发布《“互联网+中华文明”三年行动计划》,均是构建我国水下文物遗产数字孪生系统强有力的政策保障.
(三)文物遗产数字化保护的成功提供了经验保障
清华大学建筑学院郭黛姮教授的数字圆明园研究,使用虚拟复原技术,成功“复活”圆明园32个景区、270年间的面貌,当将近6成的被“复原”的圆明园展示于众的时候,众人为之惊叹.郭教授及其团队还实现了圆明园研究成果的应用转换,研发了“虚拟现实”的圆明园移动导览系统和圆明园虚拟游园系统,以及具有海量数据,集定位、导航、位置识别、音频讲解等于一体的圆明园移动导览产品和高清沉浸式体验产品.这为水下文物遗产数字孪生系统的构建提供了理论经验及应用发展方向的指向.此外青岛市通过3D打印技术等比例复制了云冈石窟3号窟,构建了第3窟的高保真彩色三维模型,此模型复制了文物本体的所有细节,可以为参观者提供惟妙惟肖、身临其境的艺术体验.前人的成功经验显示,水下文物遗产数字孪生研究作为文物遗产数字化保护的新理念是有效可行的.
四、结语
在当今全球化和信息化的时代,借助数字孪生系统保护、传承、利用我国水下文物遗产,是水下文物生存的需求,是人民对民族文化保护的渴求,也是维护我国领海主权的诉求.在发展“一带一路”的国家战略背景下,构建我国水下文物遗产数字孪生系统具有重要的理论与现实意义,为探索社会、经济、文化和科技融合发展的文物保护提供新思路.
参考文献：
［1］GRIEVES M. Digital twin: manufacturing excellence through virtual factory replication［R］.Melbourne:U.S.Florida Institute of Technology,2014.
［2］陶飞,张萌,等.数字孪生车间——一种未来车间运行新模式［J］.计算机集成制造系统,2017（01）.
［3］金涛.海洋条件下的水下文物埋藏环境概述［J］.文物保护与考古科学,2017,29（01）.
［4］国家文物局.国家文物事业发展“十三五”规划［Z］.国家文物局,2017-2.
作者简介：王佳（1988-）,女,广西桂林人,硕士,广西师范学院旅游学院,教师,研究方向：文化遗产保护与开发.
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