博物馆人工智能应用场景建设的尝试与思考——以上海博物馆为例

       2022年11月，美国OpenAI公司发布了一款基于超大规模人工智能模型的人机对话应用程序ChatGPT，能够学习和理解人类输入的文字信息，并根据上下文生成文字内容，回答人类提出的问题，在用户体验和回答问题质量上，远超一般的聊天机器人。2023年3月，该公司发布新作ChatGPT-4，其卓越的新性能和飞快的更新速度再次掀起波澜。

       随着人工智能技术应用范围越来越广、人们对人工智能技术的了解越来越深入，越来越多的学者认为，人类文明的发展将与科技的发展相融合。人工智能是人类文化进步的助力而非阻力，它解放了一部分人力工作，取代了机械化工作，大大提升了工作效率，节约了人力成本，让人们有更多的时间进行创作。

一、人工智能主要技术因素

       人工智能一词由约翰·麦卡锡提出。其主要技术因素包括三个方面：算法与算力、机器学习、大数据和云。算法与算力，通常是人把问题和相关约束、变量、条件等转化为公式提供给计算机，计算机按照算法求出答案，如人脸识别、物体识别、语音识别、模式识别等都离不开算法的支持，算法和算力是人工智能的基础；机器学习，通过机器学习，计算机能够不断进行自我“训练”，从而几乎达到以最优方法接近目标问题，深度学习的人工智能也拥有了“创作”能力；大数据和云，在移动互联时代，来自搜索引擎、电子商务、社交媒体、海量数据，为机器学习提供了燃料，人工智能离不开大数据的支持，通过云计算，又能将深度学习所需的复杂运算搬到云端。

       博物馆作为历史文化的储藏宝库，为民众提供了感受古今、品味千年的平台。随着人工智能在众多行业中的地位越来越突出，这项技术在世界各地的现代博物馆中也逐步得到应用，并在多个方面发挥出重要的作用。在此大背景下,一些具有前瞻性的博物馆已经开始应用人工智能技术进行业务研究和观众服务工作。  

       美国国家历史博物馆于2017年9月举办“国防创新：人工智能和网络安全挑战”展览，其特色是展示“首个专门设计的人工智能网络防御系统，保护关联性和脆弱性日益增加的设备免受黑客攻击”。在麻省理工学院博物馆举办的“机器人与超越”展览中，麻省理工学院邀请参观者参观该校人工智能实验室，了解麻省理工学院在医学、水下探索、娱乐等方面取得惊人进展的幕后故事。 

       2018年，国家文物局与百度合作“AI博物馆计划”，通过智能检索、智慧地图、图像识别、语音交互、AI教育等众多产品及技术，在国内多家博物馆分批次落地提升观众参与体验的内容输出。湖南博物院、南越王博物院和武汉自然博物馆等国内多家博物馆引进了AI机器人，可自动完成环境探索，提供导览服务。国家海洋博物馆将人工智能技术引入对外信息发表审核、增强现实大空间搭建等应用场景，其展厅导视大屏也基于AI技术，实现了会员个性化服务、人工智能问答等多样化功能。AI深度学习给博物馆带来了显著的附加价值，不仅可以帮助博物馆梳理识别海量资料，还可以创新传播形式与深度，多维度提升观众体验，前景十分广阔。

       上海博物馆曾经在董其昌数字人文项目中，利用博物馆所具有的高清图像数据，引入最新的机器学习技术，借助人工智能分析中国古代绘画的元素及特征，构成素材数据抓取和聚类的自动化模式。采用深度模型卷积网络CNN，通过多层次、不同尺度图像的卷积操作和pooling操作提取深度视觉特征，然后使用softmax进行对象分类。为了实现对象位置的识别，进行对象位置的回归计算。通过算法调优，机器学习基本稳定，初步提取了山、树、房、亭、矾头、船等数十类特征元素上千个，为进一步聚类分析、相似度匹配、特征发现、书画再创作、机器学习策展等应用提供了量化的依据和一定的基础，这也是目前中国书画研究中开创的新手段。

三、上海博物馆人工智能试点应用场景建设

      上海博物馆人工智能试点场景结合AI、大数据、物联网等先进技术，以实际需求为牵引，着重围绕场馆的智能管理、游客的智能服务、智能辅助文物修复等方向，开展“4平台＋6 应用”建设，即物联网能力平台、AI能力平台、大数据平台、 BIM＋FM平台，6个应用场景包括场馆信息可视化展示、智慧机房管理、在线博物馆、智能导览、智能辅助文物修复和智慧客流分析。总体架构包含基础层、数据层、能力层和应用层（图1）。基础层充分复用集约化建设的信息化基础设施，包括存储设备、网络设备、安全设备、物联网感知设备等，提供统一基础设施支撑；数据层存储有结构化数据和非结构化数据，主要包括票务数据、视频数据、客流量数据、文物藏品数据、物联网感知数据等；能力层包括AI能力平台、大数据能力平台、BIM＋FM平台、基础支撑平台等，是对AI技术、大数据技术、BIM等各项先进信息化技术的封装和组合，为上层应用层提供智能化服务能力；应用层包括智能导览系统、预约系统、智慧管理系统等，向博物馆的运营管理人员提供日常运营管理平台。

图1 上海博物馆智慧场馆应用建设总体架构图

       该试点应用场景主要尝试实现以下几个功能：一是通过可视化的大屏，统一展示智慧运营状态，把整个博物馆的多个业务系统的运营态势、预警状态、未来趋势等集中呈现（图2）；二是通过虚拟现实导览丰富观众体验，增强游客的参与感；三是通过智能辅助文物修复，为修复专家提供文物残缺部分图像，提高修复的准确性、可靠性；四是通过智慧客流分析，提升场馆整体营运能力和服务质量。

图2 场馆信息可视化展示平台

       智慧机房管理通过接入温湿度、门磁、电流电压等相关传感器，实时获取机房运行状态，接入报警数据对环境参数超限的点位进行预警、报警，自动定位报警区域，并查看该区域环境的设备，提醒现场管理人员查看设备运行参数，介入设备调控，从而发现风险点位并进行处理，完成整套闭环（图3）。

图3 智慧机房监管平台

       在线博物馆使用三维虚幻引擎技术构建虚拟博物馆（图4），通过三维建模、UV贴图、法线贴图、虚拟场景构建、实时布料动画、脚本程序设计等手段，实现自动游览和交互漫游，丰富互动体验。

图4 在线虚拟博物馆

      智能导览结合MR混合现实与AI技术，为游客提供全新的导览体验（图5），体验式导览模式是基于对“物件”的一种引导性的导览方法，由浅入深，以释放观众的想象力和创造力为目的，通过某一“物件”来解读作品和展览。

图5 博物馆智能导览

       智能辅助文物修复利用数字技术和人工智能技术等辅助文物修复工作，通过AR＋SLAM空间定位方式，在不增加额外工作量的情况下，利用数字扫描技术和人工智能辅助文物修复师更快地了解出土文物中各类破片的三维空间位置，并提供直观可视的引导方案，生成数据拟合的猜想文物胚胎，指引修复人员的具体操作，进而提升文物修复的速度和准确率（图6）。

图6 智能辅助文物修复

       智慧客流分析通过网络实名制预约方便观众提前规划行程，简化线下办票、登记手续，优化入馆体验，同时，分时预约可以有效地分散客流，提升场馆整体运营能力和服务质量（图7）。

图7 智慧客流分析

       数据收集整理和分析为后续场馆运营提供数据指导，在疫情防控常态化的新要求下，一方面用数字哨兵或场所码抓好疫情防控工作，另一方面用预约方式控制和分散客流，为观众带来舒适的观展体验。

四、经验与启示

       上海博物馆智慧场馆场景建设，在2022年10月被评为国家人工智能创新应用先导区“智赋百景”。目前，上海博物馆正在筹建东馆，在人工智能智慧场馆试点建设中，面临的困难、积累的经验、经历的教训、显现的不足，均将在新馆的建设中不断改进和优化，也能为博物馆同行提供借鉴和参考。无论是人工智能技术，还是今后可能出现的其他新技术，对于博物馆业务发展，我们应该思考如下几个问题。

1. 敢用新技术、慎用新技术与适用新技术

       如今，社会发展迅速，新技术发展迭代日新月异，无论是人工智能、元宇宙还是数字孪生等，既要敢于尝试，又不能过于夸大技术，需要尊重技术创新到成熟应用的客观规律。

      上海博物馆2018年建设了国内首个、全面基于数据的博物馆数字化管理平台，为上海博物馆的管理从“经验驱动”到“数据驱动”做出初步尝试和框架结构的建构，也是“智慧上博”建设的一个重要组成部分。然而，管理平台也有其局限性，如采集终端非全覆盖、系统互联尚未完善、数据分析模型欠缺等，但只有大胆尝试，迈出第一步，才能发现诸多的问题和不足，才能在日后的建设中不断优化、提升。

       当然，也要慎用、适用新技术。新的技术，在安全、效果、经费、管理等方面会有诸多的不确定性。博物馆使用新的技术，需要做好深入细致的调研，做好各方面的评估和论证，毕竟，博物馆并不是一个需要技术走在最前沿的领域，实用和有助于业务发展才是根本。

2. 业务需求为导向与技术辅助为定位

       从人工智能试点场景建设经验来看，紧密围绕需求开展的新技术应用，无论是从其落地效果，还是新技术的“存活时间”，都是不言而喻的。

       博物馆业务发展一般分为三个方面：内部管理与运营、业务研究与拓展、观众服务与教育。博物馆新技术的应用需要紧密结合这三个方面努力创新和不断提升。新技术的使用要成为长久的、富有意义的应用，笔者认为应该从以下两个方面去考虑：一是能够解决现有的痛点问题；二是能够促进业务工作在精细化方面有所深入、效率方面有所提升、多样性方面有所拓展。

3. 顶层设计与长远规划相结合

       随着新技术的不断涌现，智慧博物馆的建设日益多元化，各博物馆根据自身条件、环境与能力，选择新技术以及对新技术应用的程度和水平也逐步出现差异。智慧博物馆建设曾明确提出，全面透彻的感知、宽带泛在的互联、智能融合的应用是新型博物馆形态的三大特征。因此，如果新技术在这三个方面能为博物馆的发展带来新的突破和发展，则可以纳入应用范围。

       作为博物馆的运营者、管理者，切不能盲目地跟风使用，而是要斟酌新技术应用是否符合业务发展的顶层设计，是否会与已有发展产生矛盾和冲突，是否会引起连锁反应，是否需要多方协作配合等。若要做到新技术的引入助力博物馆健康、稳定、高质量发展，就应该尽早量身打造适合自身发展的新时代智慧博物馆顶层设计，形成能够逐步实现的中长远规划。

       我们不能预料将有何种新技术出现，但是当新技术出现后我们能够判断其是否符合博物馆发展规律和要求。此外，我们还应该在已有的感知、互联和融合应用基础上，充分考虑新技术感知何物、怎样互联、能否融合等问题。对于新技术，不能为了使用而使用。

五、人工智能在个性化导览应用的聚焦与展望       

现有的导览形式已经比较丰富，但基本还是以普适功能为主，个性化导览较为缺乏，不能满足观众的个性化参观需求。个性化导览是体现博物馆服务水平的一个较为重要的因素，人工智能技术的引入有助于个性化导览的开发。上海博物馆人工智能试点场景建设经验表明，多维度数据、互通性系统以及适用性设备与技术将是个性化导览的三个重要组成部分。

1. 多维度数据

       最简单的导览，仅需要静态的场馆信息、展品图像和文字介绍即可；稍微复杂一点的导览，通过WIFI和蓝牙等技术抓取观众位置信息，再结合场馆信息进行路线引导；随着预约参观逐步推广并被观众接受，通过无感的获取观众年龄、性别、来源地等信息，再辅以主动询问获取观众喜爱文物类别、参观时长等信息，则可以结合展品类别、场馆分布，为观众打造一条个性化的专属参观路线；如若再能结合场馆客流分布、拥挤状态等，让这条专属参观路线像实时导航一样，避开聚集的客流，合理分散观众参观线路，既能提升观众的观展体验，又能减轻运营压力，减少运营突发状况。

2. 互通性系统

       如今博物馆或多或少拥有参观预约系统、藏品信息管理系统、导览系统、客流分析统计系统等，但由于各自业务方向不同，一般情况下参观预约属于开放运营部门，导览属于教育传播部门，客流分析统计属于安全保卫部门，各个系统彼此相互孤立、各自运行。在智慧博物馆建设中，作为博物馆的运营者、管理者，系统性地让现有的技术、现有的业务串联起来，形成合力，促使观众服务更加个性化，并让个性化的服务反馈不断推进博物馆事业高质量发展，是非常有意义的尝试和突破。

3. 适用性设备与技术

       要使个性化导览的触角尽可能地延伸服务于每一位观众，无论是终端设备还是服务平台，都应该全面考虑。当前，绝大部分观众配有智能手机，将观众个人手机作为终端设备，覆盖的服务对象将最大化，再辅以现场租赁设备，可以将需求对象全覆盖。至于服务平台，分完整内容和轻量内容展示两块，App作为功能全面的平台载体，可为观众提供更为详细、多样化的体验效果，但轻量化的如小程序、H5等平台，更容易被大部分观众接受和使用。

       个性化导览将让博物馆服务更加精准、更加智慧、更加专业。