數字孿生圖書館：基于數字孿生技術的新型智慧圖書館建設

【摘要】 ?數字孿生技術是2020年的五大技術趨勢之一，它與智慧圖書館相結合催生數字孿生圖書館，是推進新型智慧圖書館建設的新思路。文章對數字孿生技術的定義、特征和技術架構予以介紹，分析數字孿生技術在智慧圖書館建設中的應用價值與場景，對數字孿生圖書館的內涵和運行機制進行描述，提出推進數字孿生圖書館落地的策略。

【關 ?鍵 ?詞】數字孿生;圖書館;智慧圖書館;運行機制

【作者單位】趙藝揚，鄭州大學新聞與傳播學院。

【基金項目】國家留學基金委資助（CSC NO.201807040020）。

【中圖分類號】G250.7【文獻標識碼】A 【DOI】10.16491/j.cnki.cn45-1216/g2.2020.10.024

建設智慧城市，是推進城市治理體系和治理能力現代化的重要舉措。作為智慧城市建設的重要組成部分，圖書館肩負著智慧城市信息處理中心的重任[1]，諸多圖書館也明確提出了智慧圖書館建設方案。德勤發(fā)布的《技術趨勢2020報告》中文版提出，2020年的五大技術趨勢之一為連接現實與數字世界的數字孿生技術。2017年，中國信通院首次提出“以數字孿生城市推進新型智慧城市建設”的創(chuàng)新理念。在2019年中國數博會上，“數字孿生城市”概念受到各界廣泛關注。數字孿生城市是城市信息化發(fā)展的高階階段，這一階段以物聯網、人工智能、虛擬現實、大數據等技術的綜合運用為主，形成與物理城市相對應的數字孿生城市，充分利用前期形成的城市全域大數據，為城市綜合決策、智能管理、全局優(yōu)化等提供支持。如果數字孿生技術與智慧城市結合可以形成新型智慧城市建設的創(chuàng)新理念，那么，數字孿生技術是否能應用于智慧圖書館建設，具體應該如何操作？本文將對此問題進行探討。

一、數字孿生概述

關于數字孿生還未有統(tǒng)一定義，國外研究機構包括德勤、埃森哲、密歇根大學等都對其進行過研究和界定，國內的專家學者如寧振波、趙敏、林詩萬、陶飛等也對其做過定義。本文選用中國電子信息產業(yè)發(fā)展研究院（賽迪集團）推出的《數字孿生白皮書（2019）》中對數字孿生的定義，即數字孿生是綜合運用感知、計算、建模等信息技術，通過軟件定義，對物理空間進行描述、診斷、預測、決策，進而實現物理空間與賽博空間的交互映射[2]。

數字孿生技術具有五大典型特征。一是數字驅動。數字孿生的本質是在比特的汪洋中重構原子運行軌道，以數據的流動實現物理世界的資源優(yōu)化。二是模型支撐。數字孿生的核心是面向物理實體和邏輯對象建立機理模型或數據驅動模型，形成物理空間在賽博空間的虛實交互。三是軟件定義。數字孿生的關鍵是將模型代碼化、標準化，以軟件的形式動態(tài)模擬或監(jiān)測物理空間的真實狀態(tài)、行為和規(guī)則。四是精準映射。數字孿生通過感知、建模、軟件等技術，實現物理空間在賽博空間的全面呈現、精準表達和動態(tài)監(jiān)測。五是智能決策。未來數字孿生將融合人工智能等技術，實現物理空間和賽博空間的虛實互動、輔助決策和持續(xù)優(yōu)化。

數字孿生的技術架構分為物理層、數據層、模型層和功能層。從應用視角來看，數字孿生主要應用于智能工廠、車聯網、智慧城市、智慧建筑、智慧醫(yī)療等應用場景;從功能視角來看，主要包括描述、診斷、預測、決策四個能力等級;從部署視角來看，主要包括設想、確定方案、試運行、產業(yè)化、效果后評價五個階段。

二、數字孿生技術應用于智慧圖書館建設的價值與場景

1.數字孿生技術在智慧圖書館建設中的應用價值

數字孿生技術將圖書館物理空間與虛擬空間有機銜接，全面感知圖書館物理環(huán)境，建立了智能舒適的閱讀和學習環(huán)境，實現了二維三維一體、虛實一體的圖書館精細化管理，為圖書館實現實時交互、精準服務和滿足用戶個性化需求提供了可能。

由于數字孿生技術通過模型與用戶交互，因此網絡形態(tài)的知識需要轉化為用戶可以理解和接受的可視化形態(tài)。未來，圖書館空間和系統(tǒng)都擁有智慧化的特征，通過主動感知和動態(tài)監(jiān)測形成對某一用戶、資源或服務的深度洞察。數字孿生技術加持下的智慧圖書館進入了圖書館信息化發(fā)展的高階階段。微觀上，數字孿生技術下的智慧圖書館會形成了用戶—用戶孿生體、用戶孿生體自演化、用戶—物孿生體、物孿生體自演化四種形式，使用戶與其孿生體、群體孿生體、空間或系統(tǒng)孿生體之間形成數據交換與群智協作[3]，從而使圖書館的資源、服務、空間和活動以具象化的形式來滿足用戶的個性化需求，幫助圖書館改進資源和服務，幫助用戶改善和提升自身，以更好地獲取知識。中觀上，圖書館物理空間中的所有功能和設施將被激活并構建孿生畫像，為用戶提供自適應個性化空間，同時與社會各領域進行連接，使圖書館成為重要的知識管理和服務平臺。宏觀上，數字孿生技術下的智慧圖書館與數字孿生校園、數字孿生城市等進行連接，成為未來數字孿生時代的重要組成部分。

2.數字孿生技術在智慧圖書館中的應用場景

數字孿生技術在智慧圖書館中的可應用領域繁多，正處于無限設想階段，筆者無法窮盡，只能做簡單的場景劃分與描述。首先，圖書館可以通過數字孿生體即數字孿生模型來對圖書館資源進行優(yōu)化配置，提升圖書館設備的使用效率。如通過數字孿生體對物理圖書館的空間利用進行合理分配，對物理圖書館的軟硬件設施進行全生命周期監(jiān)測與管理以及定期檢測，及時排除故障，保障設備的正常運轉。其次，數字孿生體可以作為物理圖書館的可視化工具，助力圖書館創(chuàng)客空間建設。如用戶可以通過VR、AR等技術進入沉浸式的可視化場景，在高仿真環(huán)境下對知識進行自由探索、應用與創(chuàng)造，滿足其個性化需求。再次，通過館員孿生體建設更好地為用戶服務，以最快的速度和最低的成本解決用戶在檢索和閱讀過程中出現的各種問題。此外，館員孿生體還可以實現圖書館在線學習功能，與用戶實時互動，為用戶提供個性化的知識體系。最后，可建立圖書館能耗系統(tǒng)的數字孿生體，對圖書館能耗進行精細化和可視化管理，以及建立館員、用戶、空間與系統(tǒng)的能耗關聯，輔助建設綠色圖書館。

三、數字孿生圖書館的運行機制

1.數字孿生圖書館的內涵

數字孿生圖書館是指綜合運用感知、計算、建模等信息技術，通過軟件定義以及對圖書館物理實體空間進行描述、診斷、預測、決策，進而在虛擬信息空間中構建與物理圖書館實體完全映射的數字孿生模型，以在“人—機—物—環(huán)境”智能交互融合環(huán)境中實現數字孿生模型—物理實體實時雙向映射的一種新型智慧圖書館。

數字孿生圖書館是數字孿生技術在圖書館層面的應用，通過數字孿生模型可以在網絡虛擬信息空間中完全映射出物理圖書館內部的復雜生態(tài)系統(tǒng)，呈現真實的運行狀況，診斷運行問題，預測運行軌跡，調整運行方向，從而實現物理圖書館與虛擬圖書館之間的實時雙向映射和動態(tài)交互反饋，并在物聯網、大數據、云計算、區(qū)塊鏈、人工智能、空間通信、全息智能交互、多感官混合現實等信息技術支持下，實現圖書館全要素虛擬化與數字化、服務狀況可視化與實時化、管理決策智能化與協同化，從而形成物理圖書館與虛擬圖書館之間的協同交互、同生共存、虛實交融的發(fā)展新模式。

2.數字孿生圖書館的運行機制

數字孿生圖書館的運行主要依靠物理圖書館、虛擬圖書館、數字孿生系統(tǒng)與圖書館孿生大數據四部分，如圖1所示。

（1）物理圖書館是現實世界中圖書館的實體集合，包含圖書館、資源與用戶等，主要負責接收數字孿生體系所下達的各類數字化執(zhí)行任務，并按照圖書館數字孿生模型模擬仿真后計算出最佳執(zhí)行策略，執(zhí)行相應實體的建設、管理與服務任務，需具備較強的多源異構數據智能傳感互聯和實時交互感知能力，以及“人—機—物—環(huán)境”要素建設與融合能力。

（2）虛擬圖書館是圖書館物理實體在虛擬信息空間中的數字化映射，其實質是圖書館所有資源與過程的數字模型集合。該模型包括對人、機、物、環(huán)境等數字化、模型化的生產要素模型，對建設、管理和服務行為的時序性、并發(fā)性、相關性進行映射的行為模型，以及依據圖書館復雜的運行與發(fā)展規(guī)律建立的執(zhí)行、優(yōu)化、預測、溯源、評估等規(guī)則模型。

（3）數字孿生系統(tǒng)是圖書館孿生大數據驅動下各類數據、服務、應用、業(yè)務、模塊與規(guī)則的系統(tǒng)功能集合，主要負責整個體系的執(zhí)行部署、規(guī)劃設計、執(zhí)行監(jiān)控的智能化管控與協調。

（4）圖書館孿生大數據是驅動數字孿生圖書館正常運行的主要驅動力，主要由物理圖書館大數據、虛擬圖書館大數據、數字孿生系統(tǒng)大數據以及三者融合產生的大數據等組成[4]。

數字孿生技術是實現物理圖書館與虛擬圖書館之間信息融合的一種有效方法，從三個方面拓展了圖書館的未來發(fā)展模式：（1）采用數字化、智能化技術與方法在物理圖書館之外構建了一個物理特征、內容特性、性質屬性、業(yè)務邏輯與運行機理完全一致的數字孿生模型——虛擬圖書館;（2）引入虛擬圖書館，使所有資源、用戶、管理、服務與過程等要素都可在其中呈現，使物理圖書館與虛擬圖書館能夠有效實現實時映射與交互;（3）客觀直接地實現了虛實交融、協同交互、同生共存的先進理念與執(zhí)行策略。

四、推進數字孿生圖書館落地的策略

1. 頂層設計

世界主要發(fā)達國家已經將數字孿生技術作為國家數字化轉型的新抓手，我國也先后提出“雄安新區(qū)數字城市”“杭州數字大腦”等建設目標。美國的特斯拉、福特，日本的豐田、本田，德國的西門子以及中國的百度、華為、騰訊、阿里巴巴等公司先后將數字孿生提升到企業(yè)戰(zhàn)略高度的位置，可見其重要性。我國要做好數字孿生技術發(fā)展規(guī)劃和設計，不僅要持續(xù)出臺一系列優(yōu)惠政策和措施，從財稅和融資等各方面加大對數字孿生技術產業(yè)的支持力度，扶持龍頭企業(yè)，樹立示范項目，推動數字孿生技術的普及;還要組織專家團隊、科研院所、骨干企業(yè)進行集體攻關，不斷完善技術，爭取掌握核心技術，優(yōu)化生產工藝，努力降低生產和使用成本[5]。

2. 技術操作

要立足于圖書館系統(tǒng)本身，物理圖書館中運行成熟的管理系統(tǒng)，負責設施的管理、資源的管理、人員的管理和業(yè)務的運轉，將這些管理系統(tǒng)進行實景三維建模，建立與之對應的信息模型，并將已經成熟運行的管理系統(tǒng)疊加到信息模型上，以信息模型集成各類數據對管理系統(tǒng)進行重塑，實現從二維到三維、從平面到立體、從靜態(tài)到動態(tài)的升級，使管理更加可視化、精細化、智能化。越來越多的圖書館管理系統(tǒng)與三維信息模型進行嫁接，可以實現管理能力的快速升級。

3. 人才培養(yǎng)

專業(yè)人才是創(chuàng)新的主力軍，是行業(yè)發(fā)展的決定性力量。數字孿生技術涉及物聯網、大數據、云計算、區(qū)塊鏈、人工智能等眾多新技術。隨著數字孿生城市、數字孿生醫(yī)療、數字孿生農業(yè)等建設的加速，各行各業(yè)對數字孿生技術人才的需求缺口加大，培養(yǎng)和儲備數字孿生技術人才顯得刻不容緩。

國家層面，要加大對數字孿生技術人才的培養(yǎng)力度，打造多層次、多類型的專業(yè)人才隊伍體系。首先，要在高等學校、職業(yè)學院中開設數字孿生技術專業(yè)，通過相關教學與實踐對人才進行系統(tǒng)化培養(yǎng)。其次，要建立國家、地方各級數字孿生科研中心、實訓基地，鼓勵社會各界學者、科研人員、企業(yè)開展應用研究和技術攻關，在實踐中培養(yǎng)實用型人才。再次，要推動國際交流與合作，與國際接軌，培養(yǎng)高層次人才。

圖書館層面，要加快自身數字孿生技術人才隊伍建設。首先，要與科研單位、軟件公司、設備供應商進行緊密合作，通過相關產品和服務的使用培訓提升館員技能，使其盡快發(fā)展成為數字孿生技術的實用型人才。其次，要加強與各類型圖書館、檔案館、文化館、科技館、博物館等文化機構的交流合作，關注行業(yè)內數字孿生技術應用的成功案例，積極組織相關人員進行實地觀摩和學習。再次，要積極引進具有數字孿生技術背景的高層次人才到圖書館工作。

圖書館的每次變革都伴隨新技術的驅動：計算機技術、互聯網技術和移動信息技術推動了數字圖書館、移動圖書館的發(fā)展，物聯網、大數據技術、云計算、人工智能、機器學習、區(qū)塊鏈等技術推動了智慧圖書館的出現與發(fā)展，數字孿生技術的出現將智慧圖書館推向更高階的信息化階段。圖書館應抓住技術變革的重要機遇，積極探索，勇于實踐，以數字孿生技術為突破口和支點，通過與圖書館各項業(yè)務的深度融合，加速推進數字孿生圖書館的落地，以推動智慧圖書館向數字孿生圖書館的轉型升級。

|參考文獻|

[1] 任娟莉，王若鴻. 5G布局下圖書館多場景VR服務構建[J]. 出版廣角，2019（18）：70-73.

[2] 賽迪：2019年數字孿生白皮書 [EB/OL]. （2020-01-15）[2020-03-24]. http：//www. 199it. com/archives/988856. html .

[3] 孔繁超. 基于數字孿生技術的智慧圖書館空間重構研究[J]. 情報理論與實踐，2020（2）：21-31.

[4] 秦曉珠，張興旺. 數字孿生技術在物質文化遺產數字化建設中的應用[J]. 情報資料工作，2018（2）：103—111.

[5] 武洪興. 基于物聯網的智慧圖書館應用構想[J]. 圖書館工作與研究，2020（3）：85-91.