數(shù)字孿生視閾下智慧圖書館業(yè)務(wù)融合研究

□許鑫 蘭昕蕾 鄧璐薌

圖書館是不斷生長(zhǎng)的有機(jī)體，從藏書樓到數(shù)字圖書館，再發(fā)展為智慧圖書館，圖書館隨所處環(huán)境的變化不斷更迭。在新技術(shù)支持下，智慧圖書館逐漸成為圖書館發(fā)展的新形態(tài)，呈現(xiàn)出高度的智慧性、數(shù)字化、泛在化等特征，圖書館的業(yè)務(wù)體系也逐漸從圍繞紙本資源展開向以知識(shí)資源為主轉(zhuǎn)變。在智慧圖書館理念驅(qū)動(dòng)下，業(yè)務(wù)的分解和重構(gòu)已成為圖書館日常管理的重要組成部分。圖書館通過對(duì)不同業(yè)務(wù)的調(diào)用和組合來提供創(chuàng)新服務(wù)，將業(yè)務(wù)封裝為不同模塊、不同面向的微服務(wù)來更好地服務(wù)用戶。但這種業(yè)務(wù)調(diào)用大多只是基于信息系統(tǒng)的整合、拼裝，業(yè)務(wù)整合主要側(cè)重于信息技術(shù)在實(shí)體空間上的優(yōu)化，沒有真正解決圖書館在實(shí)體與數(shù)字、現(xiàn)實(shí)與虛擬、線上與線下的業(yè)務(wù)融合，充其量只是作為數(shù)字圖書館或智能圖書館生硬的延伸，并未真正實(shí)現(xiàn)智慧圖書館的“全面感知、數(shù)據(jù)全覆蓋”，實(shí)體和虛擬空間的業(yè)務(wù)也未達(dá)到有機(jī)融合、協(xié)同創(chuàng)新的標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字孿生(Digital Twin)概念的出現(xiàn)及相關(guān)解決方案的誕生，模糊了現(xiàn)實(shí)與虛擬的界限。數(shù)字孿生利用數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)管理來支持目標(biāo)系統(tǒng)的相關(guān)服務(wù)，具有高效、智能、可持續(xù)的特點(diǎn)[1]，它是物聯(lián)網(wǎng)(The Internet of Things，IoT)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，賦予了圖書館創(chuàng)新的可能，尤其是在智慧圖書館業(yè)務(wù)融合方面起到了重要的作用。

1 基本概念與相關(guān)研究

1.1 數(shù)字孿生概念和應(yīng)用

數(shù)字孿生指連接物理和虛擬世界的生物(Living)或非生物(Non-living)的物理實(shí)體的數(shù)字復(fù)制品，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體和虛擬實(shí)體的連接及數(shù)據(jù)無縫傳輸，并允許物理實(shí)體與虛擬實(shí)體同時(shí)存在[2]。數(shù)字孿生概念起源于美國軍方在阿波羅計(jì)劃相關(guān)研究中提出的“孿生體”(Twin)概念，即制造兩個(gè)完全相同的太空飛行器，其中一個(gè)送入太空?qǐng)?zhí)行飛行任務(wù)，而另一個(gè)留在地球用于模擬執(zhí)行飛行任務(wù)的飛行器的各項(xiàng)數(shù)據(jù)及其狀態(tài)，后者被稱為孿生體。在數(shù)字孿生這一概念正式被提出前，2002年美國密歇根大學(xué)邁克爾·格里夫斯(Michael Grieves)教授在向行業(yè)介紹產(chǎn)品生命周期管理時(shí)，提出“與物理產(chǎn)品等價(jià)的虛擬數(shù)字化表達(dá)”的概念[3]，隨后經(jīng)過虛擬對(duì)應(yīng)物(Virtual Counterpart)[4]、鏡像空間模型(Mirrored Space Model)[5]、信息鏡像模型(Information Mirroring Model)[6]等概念的演變，最后發(fā)展為數(shù)字孿生。數(shù)字孿生解決方案主要通過收集某一物體的組成、運(yùn)作數(shù)據(jù)和對(duì)環(huán)境做出反應(yīng)的數(shù)據(jù)，以及物理世界中傳感器提供的數(shù)據(jù)，來分析和模擬現(xiàn)實(shí)世界，進(jìn)而對(duì)變化做出反應(yīng)，并加以改進(jìn)操作并增加價(jià)值[7]。

數(shù)字孿生從工業(yè)延伸到其他領(lǐng)域是其發(fā)展的必然結(jié)果。近年來，數(shù)字孿生在理論和技術(shù)方面取得了巨大進(jìn)展，由航空航天、生產(chǎn)制造等領(lǐng)域向模擬仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/混合現(xiàn)實(shí)(Vitrual Reality/Augmented Reality/Mixed Reality，VR/AR/MR，以下簡(jiǎn)稱3R)等領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，在產(chǎn)品生命周期中的適用階段也逐漸由仿真建模向規(guī)劃、管理、運(yùn)維等其他階段延展，尤其在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和仿真數(shù)據(jù)處理兩方面具有強(qiáng)大的潛力和優(yōu)勢(shì)[8]。數(shù)字孿生源于仿真技術(shù)，但既區(qū)別于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design，CAD)，也區(qū)別于以傳感器為基礎(chǔ)構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，它更多的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在能夠很好地展現(xiàn)出完整的數(shù)字環(huán)境和過程狀態(tài)[9]。Gartner 2018年新興技術(shù)成熟度分析，數(shù)字孿生預(yù)計(jì)將在未來5-10年內(nèi)達(dá)到高峰期。當(dāng)前，數(shù)字孿生理念及技術(shù)已在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域形成了較為成熟的模型體系，如Oracle數(shù)字孿生業(yè)務(wù)體系，主要圍繞Oracle的物聯(lián)網(wǎng)云相關(guān)技術(shù)實(shí)施，具體分為虛擬孿生(Virtual Twin)、預(yù)測(cè)孿生(Predictive Twin)和投影孿生(Twin Projection)三個(gè)步驟，分別對(duì)應(yīng)構(gòu)建實(shí)體模型參數(shù)、實(shí)體未來狀態(tài)和行為建模、實(shí)體狀態(tài)和業(yè)務(wù)應(yīng)用預(yù)測(cè)性商業(yè)洞察[10]；以及微軟基于Azure云提供的數(shù)字孿生服務(wù)，可對(duì)企業(yè)能源、建筑、空間的占用和使用、設(shè)計(jì)和建造、用戶體驗(yàn)[11]進(jìn)行優(yōu)化，構(gòu)建最優(yōu)解決方案，提高整體運(yùn)營效率。

1.2 圖書館業(yè)務(wù)

隨著技術(shù)的發(fā)展和時(shí)代的變遷，圖書館逐漸從最初以藏為中心，到以流通為中心，直至如今的以知識(shí)交流為中心、以用戶為主導(dǎo)、全面智能化的第三代圖書館，建設(shè)目標(biāo)也遵循“傳統(tǒng)圖書館—數(shù)字圖書館—智慧圖書館”的趨勢(shì)進(jìn)行轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)圖書館的業(yè)務(wù)中心以印刷型文獻(xiàn)資源為主，業(yè)務(wù)主要圍繞文獻(xiàn)資源展開，包括采編、典藏、流通、借閱、參考咨詢等，本質(zhì)是基于實(shí)體文獻(xiàn)的業(yè)務(wù)體系。數(shù)字圖書館階段，信息技術(shù)的發(fā)展使圖書館工作方式發(fā)生了極大變化，引入計(jì)算機(jī)輔助的信息系統(tǒng)，代替了原本要人工重復(fù)進(jìn)行的工作。同時(shí)，紙質(zhì)資源的全面數(shù)字化進(jìn)一步推進(jìn)了業(yè)務(wù)變革、業(yè)務(wù)間相互融合優(yōu)化，但實(shí)質(zhì)上圖書館的業(yè)務(wù)重心和工作基本流程并未發(fā)生變化，只是由紙質(zhì)資源轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮淤Y源，業(yè)務(wù)間融合也只是基于系統(tǒng)的簡(jiǎn)單整合。目前大多數(shù)圖書館的主要業(yè)務(wù)大體分為六類，分別為資源建設(shè)、參考咨詢、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營、信息應(yīng)用、讀者服務(wù)及行政管理，并在業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上衍生出不同的職能部門。如今的圖書館在辦館理念、核心體系上發(fā)生重大改變，圖書館相關(guān)業(yè)務(wù)圍繞著信息流(數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng))和物質(zhì)流(圖書、用戶、空間)展開，兩種業(yè)務(wù)分別由不同部門負(fù)責(zé)。這樣的業(yè)務(wù)體系下，信息流與物質(zhì)流間進(jìn)行單向或淺層次交互，用戶、資源、服務(wù)相互割裂。因此，在當(dāng)下圖書館的業(yè)務(wù)實(shí)踐中，很難將用戶、資源與服務(wù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)“你中有我，我中有你”的深度融合。

1.3 智慧圖書館

智慧圖書館指以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的信息技術(shù)為基礎(chǔ)[12]，將此類信息技術(shù)應(yīng)用于圖書館的建設(shè)、業(yè)務(wù)、服務(wù)過程中，以達(dá)到用戶、資源、空間智能化的拓展和融合。智慧圖書館作為未來圖書館發(fā)展趨勢(shì)，以互聯(lián)、高效、便利為其建設(shè)宗旨，核心業(yè)務(wù)涉及資源、館員、用戶、空間、服務(wù)五個(gè)實(shí)體。在數(shù)字化環(huán)境下這五個(gè)實(shí)體間以技術(shù)手段進(jìn)行交互、聯(lián)系。雖然智慧圖書館概念已提出許久，但大多所謂“智慧圖書館”均停留在高級(jí)復(fù)合圖書館階段，從本質(zhì)上來說還未達(dá)到智慧水平，如在數(shù)字和實(shí)體圖書館之間仍存在明顯邊界，線上線下活動(dòng)割裂，線上獲得的數(shù)據(jù)無法合理應(yīng)用于線下實(shí)踐中，二者無法實(shí)現(xiàn)深度融合，圖書館未構(gòu)成一個(gè)泛在的智慧化服務(wù)環(huán)境，尚停留在發(fā)展的不完全階段。顯然，這樣的組織管理架構(gòu)和業(yè)務(wù)設(shè)置不符合智能、高效的智慧圖書館的服務(wù)理念。因此，在向智慧圖書館轉(zhuǎn)變的過程中，圖書館除了應(yīng)在資源、服務(wù)、技術(shù)等方面及時(shí)做出調(diào)整規(guī)劃，同時(shí)也應(yīng)注意業(yè)務(wù)的融合和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)物理數(shù)字、現(xiàn)實(shí)虛擬、線上線下的互聯(lián)共通。

2 智慧圖書館業(yè)務(wù)融合的數(shù)字孿生框架

數(shù)字孿生理念是基于物理系統(tǒng)建模和分布式實(shí)施過程數(shù)據(jù)，在預(yù)生產(chǎn)階段生成系統(tǒng)的權(quán)威數(shù)字設(shè)計(jì)[13]。因此，智慧圖書館可利用數(shù)字孿生理論解決其效率和邊界問題，并利用相關(guān)技術(shù)打通實(shí)體與數(shù)據(jù)信息的隔閡，構(gòu)造立體互聯(lián)、全面感知、智慧服務(wù)[14]的圖書館智慧生態(tài)環(huán)境。將數(shù)字孿生相關(guān)理論應(yīng)用于智慧圖書館的業(yè)務(wù)管理具有一定的可操作性，智慧圖書館可通過數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)，復(fù)制圖書館的物理世界，關(guān)聯(lián)數(shù)字世界和物理世界進(jìn)行深度業(yè)務(wù)融合，形成真正智慧的數(shù)據(jù)和知識(shí)生態(tài)體系。智慧圖書館也可充分利用數(shù)字孿生理念，將物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、軟件分析與空間網(wǎng)絡(luò)集成[11]，構(gòu)建生動(dòng)的、可隨實(shí)體圖書館的變化而實(shí)時(shí)更新的數(shù)字仿真模型。此外，數(shù)字孿生具有的可視、預(yù)測(cè)、可分析、可理解和易連接的特性為智慧圖書館賦予了新的內(nèi)涵和目標(biāo)。在圖書情報(bào)領(lǐng)域，數(shù)字孿生理論及其相關(guān)技術(shù)對(duì)智慧圖書館在數(shù)字人文、虛擬空間、館藏資源數(shù)字化等方面的探索和實(shí)踐具有巨大的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

2.1 智慧圖書館數(shù)字孿生模式

根據(jù)數(shù)字孿生理論，可將智慧圖書館按其空間形態(tài)劃分為三個(gè)部分(如圖1)。實(shí)體空間指線下空間，主要由到館用戶(人)，以及廣泛存在于館內(nèi)的各類感知、操作、交互設(shè)備(機(jī))和館內(nèi)的紙質(zhì)資源、智能書架書桌等固定資產(chǎn)(物)組成。虛擬空間對(duì)應(yīng)于圖書館的線上空間，是利用各類信息技術(shù)構(gòu)建的線上虛擬平臺(tái)，包含館內(nèi)已有的數(shù)字化知識(shí)資源和用于數(shù)據(jù)計(jì)算與空間實(shí)體仿真的模擬，可視為連接實(shí)體空間與對(duì)應(yīng)實(shí)體業(yè)務(wù)之間的“中介”。智慧圖書館業(yè)務(wù)則是根據(jù)虛擬空間反饋的結(jié)果，進(jìn)行業(yè)務(wù)上的調(diào)整和優(yōu)化，并將結(jié)果作用于實(shí)體空間?？梢哉f，三者間是相互繼承、相互協(xié)同的關(guān)系。

圖1 智慧圖書館數(shù)字孿生模式圖

依據(jù)上述空間劃分，可將智慧圖書館的整體業(yè)務(wù)模式按照功能劃分為感知、分析、模擬、實(shí)踐四個(gè)階段。感知階段將空間中各實(shí)體的屬性、特征、方法、行為等相關(guān)數(shù)據(jù)納入整個(gè)業(yè)務(wù)體系采集的范圍，有效利用傳感設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備、操作設(shè)備等裝置獲取用戶和空間的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，從用戶進(jìn)入圖書館就開始對(duì)應(yīng)的感知和數(shù)據(jù)收集工作。分析和模擬兩個(gè)階段主要是在虛擬平臺(tái)完成的中間過渡層，是數(shù)字孿生重要的支撐部分，對(duì)上一階段輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，一方面從數(shù)據(jù)中分析、挖掘出有價(jià)值的信息，進(jìn)行空間和業(yè)務(wù)優(yōu)化，另一方面基于接收到的數(shù)據(jù)構(gòu)建仿真模擬空間，對(duì)空間主體進(jìn)行軌跡、偏好、屬性等多方面的模擬，或?qū)I(yè)務(wù)流程實(shí)施映射，推演方案的可行性、評(píng)估能效，從而實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和個(gè)性化服務(wù)。實(shí)踐階段指對(duì)通過數(shù)字孿生仿真模擬的業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用。這樣的業(yè)務(wù)模式可以預(yù)先對(duì)館內(nèi)的決策、服務(wù)流程等方面進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，防止在規(guī)劃、測(cè)試、驗(yàn)證上花費(fèi)過多人財(cái)物力，以更低的成本、更快的速度、更優(yōu)的結(jié)果推動(dòng)智慧圖書館內(nèi)各項(xiàng)措施落地。

2.2 智慧圖書館數(shù)字孿生架構(gòu)

在明確智慧圖書館業(yè)務(wù)融合的數(shù)字孿生模式后，就可規(guī)劃設(shè)計(jì)智慧圖書館的數(shù)字孿生架構(gòu)。該架構(gòu)主要包括規(guī)劃實(shí)體圖書館與數(shù)字孿生理念結(jié)合的具體業(yè)務(wù)、技術(shù)與設(shè)計(jì)方案。依據(jù)數(shù)字孿生的技術(shù)體系以及圖書館業(yè)務(wù)指標(biāo)劃分，依次為用戶體驗(yàn)層、孿生功能層、建模計(jì)算層和數(shù)據(jù)保障層[15]。每一功能業(yè)務(wù)層都是在下層的基礎(chǔ)上加以完善，是對(duì)下層功能的進(jìn)一步完善和擴(kuò)展。智慧圖書館的數(shù)字孿生架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 智慧圖書館數(shù)字孿生架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

數(shù)據(jù)保障層作為整個(gè)技術(shù)體系的基礎(chǔ)，支撐著智慧圖書館實(shí)體和孿生體的上層體系運(yùn)作，是開展后續(xù)功能業(yè)務(wù)的關(guān)鍵要素。它主要由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)傳輸反饋以及全生命周期數(shù)據(jù)管理[16]三部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)的收集和傳輸主要依靠高精度傳感器完成，大量分布在實(shí)體空間中的各類型高精度傳感器構(gòu)成了智慧圖書館數(shù)字孿生體的“感覺器官”，并通過分布式的傳感器持續(xù)不斷向?qū)\生體提供所需的數(shù)據(jù)、信息、方法和算法的最新狀態(tài)[17]。數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生體系運(yùn)作的基礎(chǔ)，不僅包含由傳感器采集到的實(shí)體空間的數(shù)據(jù)，還包含數(shù)字化資源、用戶等數(shù)據(jù)，這類隱藏的數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)體系的運(yùn)行同樣重要。

完成數(shù)據(jù)采集后，建模計(jì)算層是能夠利用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等方式進(jìn)行多物理尺度建模和一體化計(jì)算平臺(tái)構(gòu)建的保障。這一功能業(yè)務(wù)層承擔(dān)了孿生體的建模和計(jì)算功能，是模擬、仿真技術(shù)的重要優(yōu)化[18]。建模計(jì)算層的業(yè)務(wù)意義在于，它將成為跨越整個(gè)價(jià)值鏈的集成工程網(wǎng)絡(luò)，以更智能的方式連接智慧圖書館的各個(gè)部門和各項(xiàng)業(yè)務(wù)，關(guān)聯(lián)實(shí)體與虛擬空間，并為數(shù)據(jù)、知識(shí)產(chǎn)品、知識(shí)服務(wù)創(chuàng)造一個(gè)良性的圖書館生態(tài)系統(tǒng)。多物理尺度建模是在對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行概念解析和邏輯分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行建模，通過測(cè)試調(diào)試使構(gòu)建的模型能夠準(zhǔn)確、同步反映圖書館實(shí)體空間的一切變化。同時(shí)，在此基礎(chǔ)上完成的一體化計(jì)算平臺(tái)可以提供基于建模的一系列算法和技術(shù)支持，確保建模的精度與時(shí)效。

孿生功能層核心在于實(shí)時(shí)監(jiān)控和全周期管理。相較于數(shù)據(jù)保障層和建模計(jì)算層，孿生功能層更偏重于為智慧圖書館的實(shí)際運(yùn)營、使用、監(jiān)控、維護(hù)等方面提供相應(yīng)的功能支持，如社會(huì)效益評(píng)估、績(jī)效運(yùn)營評(píng)估、系統(tǒng)維護(hù)保障、服務(wù)過程監(jiān)控、輔助決策，以滿足圖書館的日常業(yè)務(wù)需要。在數(shù)字孿生體系運(yùn)作下，孿生功能層不斷記錄目標(biāo)圖書館的最新狀態(tài)，并展開針對(duì)圖書館自身的功能評(píng)估，這樣的機(jī)制能夠較好地降低圖書館的決策失誤、人力資源緊缺、系統(tǒng)維護(hù)困難等現(xiàn)實(shí)問題壓力。此外，它還可確認(rèn)不同的環(huán)境參數(shù)和用戶行為對(duì)圖書館整體的運(yùn)作、性能等產(chǎn)生的影響，從而控制圖書館的狀態(tài)和行為，甚至能夠根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)圖書館的人流流向、容納限度、設(shè)備故障等[19]。

用戶體驗(yàn)層通過虛擬數(shù)字集群、用戶交互界面、3D虛擬映射向圖書館用戶提供可視化的人機(jī)交互環(huán)境，使用戶獲得沉浸式體驗(yàn)，在圖書館向?qū)?、參考咨詢、技術(shù)體驗(yàn)等方面有著重要的意義。由于用戶體驗(yàn)層是與用戶直接接觸的功能業(yè)務(wù)層，要尤其注重用戶使用感和界面的友好設(shè)計(jì)。同時(shí)，該層也在不斷累積用戶的行為數(shù)據(jù)，可進(jìn)一步分析用戶偏好以及對(duì)某方面知識(shí)的訴求。

3 智慧圖書館業(yè)務(wù)融合的數(shù)字孿生規(guī)劃

對(duì)數(shù)字孿生視閾下智慧圖書館業(yè)務(wù)融合的規(guī)劃，可從規(guī)劃原則、規(guī)劃策略、運(yùn)行邏輯三部分分別論述。

3.1 規(guī)劃原則

根據(jù)智慧圖書館業(yè)務(wù)融合的數(shù)字孿生模式和架構(gòu)，數(shù)字孿生相關(guān)理論技術(shù)具體應(yīng)用于智慧圖書館業(yè)務(wù)實(shí)踐中，需要遵循以下三個(gè)原則：

（3）在員工對(duì)“社會(huì)文化的發(fā)展”滿意度評(píng)價(jià)中，本文依據(jù)文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)出如下二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)：企業(yè)公益慈善(U331)、企業(yè)推動(dòng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展(U332)、企業(yè)社區(qū)共建(U333)。

(1)能夠映射真實(shí)的空間情況。根據(jù)系統(tǒng)論，圖書館主體是智慧圖書館業(yè)務(wù)融合研究的基本點(diǎn)，其包括用戶及與系統(tǒng)相關(guān)的所有物質(zhì)載體。因此，對(duì)真實(shí)空間的準(zhǔn)確映射成為整個(gè)融合體系規(guī)劃的重點(diǎn)，要求對(duì)實(shí)體空間的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)內(nèi)容進(jìn)行完全映射。靜態(tài)內(nèi)容包括圖書館的紙質(zhì)資源、電子資源、固定資產(chǎn)、區(qū)域分布、樓層設(shè)置等靜態(tài)數(shù)據(jù)要素。動(dòng)態(tài)內(nèi)容則指包括用戶行為、移動(dòng)軌跡、能源消耗、資源增補(bǔ)、交互等實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流。數(shù)字孿生技術(shù)要求使用多維度展示方法，對(duì)實(shí)體空間進(jìn)行可視化展現(xiàn)，使實(shí)時(shí)監(jiān)控空間和服務(wù)成為業(yè)務(wù)優(yōu)化的基礎(chǔ)。

(2)以數(shù)據(jù)要素流為中心。數(shù)字孿生視角下的智慧圖書館是以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的，借助數(shù)據(jù)保障層和建模計(jì)算層來實(shí)現(xiàn)智慧圖書館業(yè)務(wù)融合，完成實(shí)體空間和虛擬空間的一體化和資源共通。這要求在智慧圖書館業(yè)務(wù)融合的規(guī)劃中對(duì)孿生體有完整、全面的認(rèn)知，進(jìn)而依賴于數(shù)據(jù)的交互與反饋。數(shù)字孿生根據(jù)各類傳感設(shè)備收集實(shí)體空間的信息，再通過終端設(shè)備以可視化的形式呈現(xiàn)出來，從而使數(shù)字孿生體系下的智慧圖書館實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)融合。對(duì)于映射模型和業(yè)務(wù)服務(wù)來說，無論是靜態(tài)數(shù)據(jù)要素還是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)流，都可以為業(yè)務(wù)的整體體系以及相應(yīng)人員提供信息參考和決策支持。

(3)空間優(yōu)勢(shì)推進(jìn)業(yè)務(wù)整合優(yōu)化。相較其他理論指導(dǎo)的智慧圖書館，數(shù)字孿生體系下的智慧圖書館在空間感知、空間變化、空間管理方面更具優(yōu)勢(shì)。它通過在實(shí)體空間配置傳感設(shè)備以達(dá)到對(duì)空間的監(jiān)控、管理功能，并將分析計(jì)算的結(jié)果傳遞給對(duì)應(yīng)的接收設(shè)備，使智慧圖書館在智能感知、反饋、分析以及業(yè)務(wù)的輔助決策等方面有所提升。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行業(yè)務(wù)整合的深度優(yōu)化，可進(jìn)一步加強(qiáng)薄弱空間領(lǐng)域的業(yè)務(wù)服務(wù)能力。也可借助數(shù)字孿生的認(rèn)知機(jī)制和仿真推演的特性假設(shè)業(yè)務(wù)場(chǎng)景，在預(yù)判狀態(tài)后進(jìn)行業(yè)務(wù)體系的調(diào)整和迭代，與業(yè)務(wù)深度融合，將空間優(yōu)勢(shì)最大化。

3.2 規(guī)劃策略

在當(dāng)下圖書館的架構(gòu)體系建設(shè)中，通常將實(shí)體圖書館的主要業(yè)務(wù)部門根據(jù)業(yè)務(wù)功能簡(jiǎn)化成六部分，分別為資源建設(shè)部、參考咨詢部、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營部、信息應(yīng)用部、讀者服務(wù)部和辦公室，包含了實(shí)體圖書館提供的大部分服務(wù)和管理內(nèi)容。這些內(nèi)容與智慧圖書館產(chǎn)生的虛擬、線上業(yè)務(wù)有所關(guān)聯(lián)，但關(guān)聯(lián)不深，存在明顯割裂。根據(jù)數(shù)字孿生理念構(gòu)建的智慧圖書館體系的核心思想是實(shí)現(xiàn)實(shí)體與虛擬空間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和交換，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的深度融合，以更好地實(shí)現(xiàn)圖書館業(yè)務(wù)的智慧互聯(lián)。考慮到目前圖書館部門設(shè)置和部門的功能定位有關(guān)，即與具體的業(yè)務(wù)開展相關(guān)，因此，可以依據(jù)現(xiàn)有圖書館業(yè)務(wù)的功能架構(gòu)映射至智慧圖書館的數(shù)字孿生體系中，得到智慧圖書館業(yè)務(wù)整體框架。

數(shù)字孿生視閾下智慧圖書館業(yè)務(wù)功能整體框架如圖3所示，實(shí)體圖書館的資源建設(shè)部對(duì)應(yīng)于智慧圖書館的數(shù)據(jù)保障層，主要功能是基于傳感器采集實(shí)體圖書館的各項(xiàng)數(shù)據(jù)支撐整個(gè)體系的運(yùn)行，例如流量、定位、運(yùn)維、能源消耗等數(shù)據(jù)；辦公室現(xiàn)有的業(yè)務(wù)功能經(jīng)擴(kuò)展和延伸，與智慧圖書館的建模計(jì)算層對(duì)接，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步加工，模擬仿真圖書館空間，映射物理實(shí)體運(yùn)行周期全過程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理、監(jiān)視、部署、分析等處理過程；參考咨詢部、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營部、信息應(yīng)用部經(jīng)網(wǎng)絡(luò)化形成孿生功能層，是整個(gè)體系的核心部分，提供評(píng)估、優(yōu)化、分析、決策服務(wù)；讀者服務(wù)部的可視化對(duì)應(yīng)于用戶體驗(yàn)層，用戶通過可視化直觀感受圖書館整體空間格局，進(jìn)行各種創(chuàng)新體驗(yàn)。此外，實(shí)體圖書館利用傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)收集用戶流量、用戶定位、能源消耗、空間占用等數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸交換至數(shù)字孿生智慧圖書館。同時(shí)，數(shù)字孿生體系也將處理好的信息及時(shí)交互反饋給實(shí)體圖書館，以支撐其各種動(dòng)態(tài)的可視化服務(wù)。整個(gè)數(shù)字孿生體系并非恒定的靜態(tài)模型，而是一個(gè)會(huì)根據(jù)傳感器接收到的數(shù)據(jù)，隨著環(huán)境、行為、外部因素不斷變化的動(dòng)態(tài)模型[20]，是一個(gè)與智慧圖書館的發(fā)展相適應(yīng)的有機(jī)生態(tài)體系。同時(shí)，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新、信息的實(shí)時(shí)交互反饋也正是數(shù)字孿生思維下智慧圖書館業(yè)務(wù)融合的關(guān)鍵所在。

圖3 智慧圖書館業(yè)務(wù)功能整體框架示意圖

3.3 運(yùn)行邏輯

根據(jù)微軟Azure云服務(wù)所提供的成熟的數(shù)字孿生方案和實(shí)踐案例，再結(jié)合智慧圖書館的現(xiàn)實(shí)需要，可以歸納出數(shù)字孿生視閾下智慧圖書館實(shí)際運(yùn)行的三個(gè)場(chǎng)景，分別是以空間管理為主的管理場(chǎng)景、智能規(guī)劃與科學(xué)評(píng)估為主的評(píng)估場(chǎng)景以及以人機(jī)交互為核心的服務(wù)場(chǎng)景，分別對(duì)應(yīng)實(shí)體和虛擬空間中的建筑/空間、資源/數(shù)據(jù)、用戶/知識(shí)，在整個(gè)體系的作用下平穩(wěn)運(yùn)行，具體如圖4所示。

圖4 智慧圖書館數(shù)字孿生運(yùn)行邏輯圖

(1)管理場(chǎng)景：圖書館的空間服務(wù)大多為線下服務(wù)，為用戶提供實(shí)體空間的支持，因此可以物聯(lián)網(wǎng)為平臺(tái)、各種生物識(shí)別和傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合3D圖像與BIM系統(tǒng)，真實(shí)映射數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)空間運(yùn)維管理。以為用戶提供舒適的學(xué)習(xí)、閱讀環(huán)境為宗旨，將空間通過技術(shù)手段可視化、模塊化、智能化，進(jìn)行空間管理的一體化監(jiān)控，將線下的空間管理業(yè)務(wù)與線上的BIM系統(tǒng)融合，提高空間運(yùn)營的整體效率。通過建立數(shù)字孿生體系，在統(tǒng)一化的操作平臺(tái)，對(duì)來自高精度傳感器設(shè)備捕獲的行為數(shù)據(jù)及流通管理方面產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，將圖書館運(yùn)行過程中涉及到的用戶、實(shí)體、資源、活動(dòng)、渠道等要素通過動(dòng)態(tài)建模實(shí)現(xiàn)仿真映射，在此基礎(chǔ)上再根據(jù)咨詢服務(wù)、活動(dòng)渠道等建立對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)模型，通過模型與數(shù)據(jù)的交互關(guān)聯(lián)，構(gòu)造智慧圖書館數(shù)字孿生管理模式。當(dāng)智慧圖書館數(shù)字孿生體系感知到管理活動(dòng)或用戶行為發(fā)生改變，均會(huì)依據(jù)建立的映射模型與實(shí)體之間的關(guān)系快速感知變化場(chǎng)景，為用戶或活動(dòng)的下一環(huán)節(jié)提供聯(lián)想方案，觸發(fā)設(shè)定好的關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)活動(dòng)，以更好地從運(yùn)營者角度審視圖書館業(yè)務(wù)模式及用戶行為。

(3)服務(wù)場(chǎng)景：圖書館資源眾多，雖資源建設(shè)的重點(diǎn)已轉(zhuǎn)向數(shù)字資源，但其資源呈現(xiàn)形式仍有較大局限性，尤其是特藏圖書和珍貴展覽品通常僅能通過電子版或照片在網(wǎng)上進(jìn)行閱覽，難以反映資源在色彩、裝幀、制版等方面的特色。因此，可借助數(shù)字孿生體系下智慧圖書館的智能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)特藏和珍貴展覽品的3D立體呈現(xiàn)，以及知識(shí)資源間關(guān)聯(lián)的立體展現(xiàn)。相比線上資源的不可見和不可觸摸，用戶更傾向于多元的資源呈現(xiàn)方式，多元形式也將為智慧圖書館的發(fā)展帶來新變化。此外，還可改進(jìn)用戶接入方式，通過多種方式識(shí)別用戶身份，如借書卡、人臉識(shí)別、Wifi驗(yàn)證等。圖書館也可聯(lián)合政府征信、微信或支付寶等APP對(duì)用戶進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集，進(jìn)一步了解用戶偏好，融合多系統(tǒng)完善用戶畫像。同時(shí)，需注意在個(gè)性化推薦時(shí)避免出現(xiàn)或減少信息回音室(Echo Chamber)和過濾氣泡(Filter Bubble)的問題[21]。因此，圖書館還應(yīng)在個(gè)性化推薦的基礎(chǔ)上合理引導(dǎo)用戶獲取正確、多樣的信息，塑造系統(tǒng)全面的知識(shí)服務(wù)。

4 智慧圖書館業(yè)務(wù)融合的關(guān)鍵技術(shù)

通過以上研究發(fā)現(xiàn)，數(shù)字孿生理念為智慧圖書館業(yè)務(wù)融合提供了理論和技術(shù)上的支持，數(shù)據(jù)交互為核心的設(shè)計(jì)思想為智慧業(yè)務(wù)的融合和優(yōu)化提供了持續(xù)保障，使圖書館整體在數(shù)據(jù)感知、計(jì)算、分析、處理上實(shí)現(xiàn)智慧化。目前，國內(nèi)外關(guān)于數(shù)字孿生在圖書館中應(yīng)用的相關(guān)研究較少，下文根據(jù)數(shù)字孿生在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的案例，對(duì)其實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，由宏觀至微觀層次主要包括以下四方面。

4.1 敏捷高效的軟件架構(gòu)技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)下的體系模式是對(duì)實(shí)體空間的完全映射，對(duì)軟件架構(gòu)的要求高，同時(shí)這也是支撐整個(gè)智慧圖書館業(yè)務(wù)融合系統(tǒng)的基礎(chǔ)。軟件架構(gòu)的構(gòu)建和選擇需要綜合考慮模型、數(shù)據(jù)、空間、業(yè)務(wù)的真實(shí)需求。考慮到在感知層面要管理數(shù)以千計(jì)的傳感設(shè)備，敏捷高效是數(shù)字孿生智慧圖書館整體架構(gòu)的基本要求?；诖诵枨螅蛇x擇開放性好、兼容性強(qiáng)的架構(gòu)，尤其是要將數(shù)據(jù)相關(guān)服務(wù)、接口標(biāo)準(zhǔn)制定納入衡量的范圍。因此，可選用在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)具有應(yīng)用前景的Serverless架構(gòu)，該架構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)的C/S架構(gòu)模式，是基于FaaS(Function as a Service，函數(shù)即服務(wù))架構(gòu)形成多個(gè)相互獨(dú)立的組件，并以API向外提供服務(wù)。在編寫函數(shù)后直接部署，不用關(guān)心服務(wù)器后續(xù)操作。這種架構(gòu)依附于第三方提供的云服務(wù)平臺(tái)，具有低成本、快速計(jì)算、安全高效等特點(diǎn)，尤其是擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)能兼容很多智慧圖書館已有的服務(wù)架構(gòu)。Serverless架構(gòu)讓圖書館無需過多考慮設(shè)備資源、服務(wù)器優(yōu)化問題，能更好地將關(guān)注重心放在自身業(yè)務(wù)邏輯上。

4.2 高效計(jì)算與處理技術(shù)

智慧圖書館數(shù)字孿生體系采用數(shù)據(jù)/模型的系統(tǒng)工程思想，其核心是數(shù)據(jù)與仿真模型?？蛇\(yùn)用高性能計(jì)算能力和全生命周期數(shù)據(jù)管理，結(jié)合挖掘技術(shù)、知識(shí)圖譜等一系列輔助數(shù)據(jù)分析技術(shù)，完整實(shí)現(xiàn)整套評(píng)估業(yè)務(wù)。高性能的計(jì)算能力可依靠構(gòu)建云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)分布式、并發(fā)處理數(shù)據(jù)[22]，以提供一個(gè)快速、高效、智能的數(shù)據(jù)分析處理平臺(tái)。邊緣計(jì)算的新型數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[23]和多源異構(gòu)加速算法是未來發(fā)展的兩大方向，可緩解云計(jì)算的能耗、計(jì)算負(fù)載的問題。而全生命周期數(shù)據(jù)管理是智慧圖書館數(shù)字孿生體系中重要的支撐環(huán)節(jié)。全生命周期數(shù)據(jù)在類型和數(shù)據(jù)量方面對(duì)服務(wù)器的分布架構(gòu)、冗余存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)提取效率提出了更高的要求。目前已有多家云服務(wù)提供商，如國外亞馬遜AWS(Amazon Web Services)云服務(wù)IoT平臺(tái)使用的Lambda，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流處理，構(gòu)建能更好地進(jìn)行IoT設(shè)備數(shù)據(jù)遙測(cè)與分析的后端；國內(nèi)中國移動(dòng)OneNET提供NB-IoT和MQTT物聯(lián)網(wǎng)套件架構(gòu)服務(wù)，可為圖書館提供“終端—平臺(tái)—應(yīng)用”的整體解決方案。

4.3 多維度空間仿真技術(shù)

數(shù)字孿生要求對(duì)實(shí)體空間的所有物體進(jìn)行仿真模擬，這一過程需要?jiǎng)討B(tài)更新、快速映射，主要運(yùn)用到多尺度、多領(lǐng)域動(dòng)態(tài)建模和數(shù)據(jù)精準(zhǔn)采集和感知相關(guān)技術(shù)，其中建模的內(nèi)容包括實(shí)體空間與虛擬空間的虛實(shí)映射配置建模和多維度復(fù)雜時(shí)空域下的數(shù)據(jù)建模[24]。多領(lǐng)域建模具體可分為機(jī)器建模(Machine Modelling)、虛擬傳感器建模(Modelling of Virtual Sensors)、定義可更新的建模參數(shù)(Definition of Updatable Modelling Parameters)三部分[25]，和普通建模技術(shù)的不同在于，其注重發(fā)掘重要的業(yè)務(wù)領(lǐng)域概念，能夠很好地反映業(yè)務(wù)領(lǐng)域概念之間的關(guān)系。這類技術(shù)要求用于采集數(shù)據(jù)的傳感器擁有絕對(duì)的高精度，以確?；趥鞲衅鞯臄?shù)據(jù)模型的實(shí)時(shí)更新。目前，傳感器技術(shù)的精度和及時(shí)性受到環(huán)境條件和網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備的限制，相信未來隨著loT等技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)男阅軙?huì)有很大提升。通過讀取高精度傳感器或監(jiān)控系統(tǒng)的各類事實(shí)數(shù)據(jù)，構(gòu)建遠(yuǎn)程化的預(yù)測(cè)監(jiān)控仿真模型，使用人工智能實(shí)現(xiàn)趨勢(shì)預(yù)測(cè)，并基于結(jié)果進(jìn)行業(yè)務(wù)調(diào)整和優(yōu)化，減少因業(yè)務(wù)流程不合理而造成的用戶粘性下降甚至流失。

4.4 虛實(shí)結(jié)合的沉浸式交互技術(shù)

數(shù)字孿生依據(jù)不斷累積的歷史數(shù)據(jù)和全過程采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)孿生體與實(shí)體間的更新和映射，通過集成圖形、音頻和現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體對(duì)象，運(yùn)用3R、全息投影等交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)可視化和數(shù)字孿生的交互，為數(shù)字孿生數(shù)據(jù)提供了直觀和準(zhǔn)確的可視化保障[26]。數(shù)字孿生與3R結(jié)合的應(yīng)用框架可分為三個(gè)層面：實(shí)體空間層、虛擬空間層及3R應(yīng)用層[27]，其中實(shí)體空間層主要是建立數(shù)字化的物理對(duì)象模型、執(zhí)行模塊和物聯(lián)網(wǎng)體系，涉及到RFID、智能儀表、無線網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)技術(shù)；虛擬空間層通過數(shù)字孿生體系的相關(guān)數(shù)據(jù)構(gòu)建虛擬空間，為3R全功能、全流程交互應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐；3R應(yīng)用層主要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用交互，通過外圍設(shè)備(移動(dòng)顯示器、數(shù)據(jù)手套、跟蹤器、頭盔、手環(huán)等)將虛擬三維模型投射到實(shí)體空間中，實(shí)現(xiàn)用戶的交互體驗(yàn)，如VR通過音視頻內(nèi)容給用戶帶來沉浸式體驗(yàn)感，用戶不需實(shí)地訪問圖書館、圖書館線下活動(dòng)場(chǎng)所，就能身臨其境體驗(yàn)各類活動(dòng)帶來的豐富場(chǎng)景體驗(yàn)，AR側(cè)重于服務(wù)到館用戶，突出虛擬數(shù)字化信息與真實(shí)世界環(huán)境的無縫融合，在線下圖書館中體驗(yàn)虛擬信息個(gè)性化服務(wù)，如感觀觸碰的沉浸式交互可廣泛應(yīng)用于可視化館藏查詢、圖書館導(dǎo)覽、沉浸式閱讀、虛擬參考咨詢、閱讀輔助等業(yè)務(wù)領(lǐng)域，將圖書館的業(yè)務(wù)范圍由館內(nèi)延伸至用戶可能存在的任何地方，實(shí)現(xiàn)圖書館的智慧業(yè)務(wù)泛在化。

5 展望

數(shù)字孿生為延伸圖書館實(shí)體空間的功能性、泛在化提供了新的可能，通過數(shù)字孿生技術(shù)可以在虛擬空間中構(gòu)建一個(gè)與實(shí)體圖書館互為鏡像的虛擬智慧圖書館，對(duì)圖書館出現(xiàn)的任何情況，如業(yè)務(wù)流程、流量監(jiān)控等各項(xiàng)運(yùn)營活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控和管理，可以在一定程度上解決當(dāng)下智慧圖書館存在的業(yè)務(wù)分割、線上線下活動(dòng)割裂等問題。此外，智慧圖書館也可與3R技術(shù)結(jié)合，疊加虛擬現(xiàn)實(shí)維度，提供可視化展示與沉浸式功能體驗(yàn)，將圖書館的空間、知識(shí)、用戶緊密結(jié)合起來。借助數(shù)字孿生技術(shù)，圖書館可在一定程度上提升其社會(huì)效益和影響力，進(jìn)一步完善其社會(huì)公共文化服務(wù)體系，為智慧圖書館帶來更多的機(jī)遇和可能。