高校圖書館資源建設(shè)的一劑良藥： 數(shù)字孿生技術(shù)

孫曉琳 黑慧慧 溫英英

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)在智慧圖書館建設(shè)中的應(yīng)用越來越廣泛?；诖?，現(xiàn)針對新疆理工學(xué)院圖書館的現(xiàn)狀與未來發(fā)展，在深入分析數(shù)字孿生技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合圖書館的資源建設(shè)模式，進一步概述數(shù)字孿生圖書館的理念，探索性地提出一種基于數(shù)字孿生五維框架模型的智慧圖書館建設(shè)模式，構(gòu)建五維數(shù)字孿生圖書館框架體系，并從該框架體系入手分析各部分之間的關(guān)系，重點探討數(shù)字孿生圖書館的決策模式，以期為新時代高校智慧化圖書館建設(shè)提供參考。

高校是培養(yǎng)時代新人的主陣地，圖書館智慧化建設(shè)可以幫助圖書館更好地發(fā)揮文化傳播與前沿科技共享的作用。目前，很多高校已經(jīng)完成了智慧圖書館建設(shè)，改變了傳統(tǒng)的閱讀服務(wù)模式，極大地促進了高校師生文化素養(yǎng)和知識水平的提高。但是也有一些高校圖書館存在資源浪費、文獻(xiàn)信息資源利用率低、師生參與度不高、管理模式混亂等問題。因此，全面落實圖書館智慧化建設(shè)至關(guān)重要。數(shù)字孿生技術(shù)作為一種新興技術(shù)，在產(chǎn)品全生命周期智慧化管理中發(fā)揮著重要作用，將圖書館資源建設(shè)與數(shù)字孿生技術(shù)有機融合能夠為讀者提供更舒適的閱讀體驗。

本文以新疆理工學(xué)院圖書館現(xiàn)階段的資源建設(shè)模式為研究對象，在分析現(xiàn)有圖書資源建設(shè)情況的基礎(chǔ)上，探索性地提出建設(shè)將物理實體與虛擬數(shù)據(jù)融合交互的數(shù)字孿生圖書館，解決館內(nèi)文獻(xiàn)資源利用率低、師生參與度低的問題，為新時代高校智慧圖書館資源建設(shè)提供參考。

數(shù)字孿生技術(shù)與數(shù)字孿生圖書館

數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)通過構(gòu)建物理空間與虛擬空間相結(jié)合的實時映射模型，集成了物理實體多維度、多物理量的特征數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)驅(qū)動的形式完成了物理空間的資源優(yōu)化配置，實現(xiàn)了與虛擬空間的實時交互，通過孿生模型的學(xué)習(xí)機制進行物理空間的智能決策。數(shù)字孿生最早由Michael Grieves教授在2003年講述產(chǎn)品全生命周期管理課程中提出，早期主要用于軍事和航空領(lǐng)域。隨著智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)也實現(xiàn)了飛躍。2016年，數(shù)字孿生技術(shù)被Gartner列為十大戰(zhàn)略性技術(shù)之一，應(yīng)用范圍逐步擴大；2017年，中國信通院提出的“以數(shù)字孿生技術(shù)推進智慧城市建設(shè)”的新觀念引起了社會各界的關(guān)注；2019年，中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院發(fā)布了《數(shù)字孿生白皮書（2019）》，指出數(shù)字孿生技術(shù)是通過大數(shù)據(jù)、云計算、機器學(xué)習(xí)與智能決策等技術(shù)，以數(shù)字化的方式描述、再現(xiàn)及模擬物理實體的一門交互性技術(shù)；2020年，國家發(fā)展改革委、中央網(wǎng)信辦印發(fā)的《關(guān)于推進“上云用數(shù)賦智”行動 培育新經(jīng)濟發(fā)展實施方案》中屢次提到數(shù)字孿生應(yīng)用的創(chuàng)新計劃，極大地促進了數(shù)字孿生技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用；2021年，中國信通院與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布了《工業(yè)數(shù)字孿生白皮書（2021）》，明確了數(shù)字孿生的意義、數(shù)字孿生的體系框架、數(shù)字孿生的關(guān)鍵發(fā)展技術(shù)及其在各行各業(yè)的應(yīng)用模式。綜上，數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展速度越來越快，其主要以數(shù)據(jù)和模型相互融合為核心，通過數(shù)字空間實時構(gòu)建物理對象的精準(zhǔn)化數(shù)字映射，實現(xiàn)對物理對象全生命周期的智能決策與控制。基于此，將數(shù)字孿生技術(shù)引入高校智慧圖書館建設(shè)能夠有效加強對圖書館全生命運行周期的智能分析與決策，對于智慧圖書館建設(shè)而言是一個新的方向。

數(shù)字孿生圖書館

數(shù)字孿生技術(shù)與圖書館資源建設(shè)的結(jié)合有效促進了圖書館的智慧化發(fā)展[1]。青島大學(xué)圖書館呂豐華等基于數(shù)字孿生技術(shù)建立了虛擬文獻(xiàn)資源庫，在借閱服務(wù)中實現(xiàn)了精準(zhǔn)化決策[2]；鄭州大學(xué)趙藝揚從數(shù)字孿生圖書館的應(yīng)用價值與場景、運行機制及落地策略等方面研究了新型智慧圖書館的建設(shè)[3]；王家玲等基于數(shù)字孿生技術(shù)分析并構(gòu)建了圖書館的精準(zhǔn)服務(wù)體系，最大程度地實現(xiàn)了資源與讀者的精準(zhǔn)匹配[4]；馮川玉等從運行機制和服務(wù)模式方面闡述了數(shù)字孿生圖書館的發(fā)展方向[5]。綜合上述分析，數(shù)字孿生圖書館是以物理空間為基礎(chǔ)，通過各類傳感器采集實時數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理的虛擬空間圖書館模型，將物理空間與虛擬空間的數(shù)據(jù)進行融合處理，形成孿生數(shù)據(jù)，進而全面感知實體圖書館的運行狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)智慧分析、智慧決策、智慧管理和智慧服務(wù)，為使用者營造舒適的閱讀氛圍，滿足廣大用戶的個性化需求。

數(shù)字孿生圖書館框架

本文在北京航空航天大學(xué)陶飛等人研究的數(shù)字孿生五維模型基礎(chǔ)上建立了數(shù)字孿生圖書館五維框架模型[6]，如圖1所示。該框架模型主要由物理實體圖書館、虛擬實體圖書館、孿生數(shù)據(jù)、服務(wù)系統(tǒng)、交互連接等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)圖書館資源智慧化建設(shè)的虛實融合、實時交互、自主迭代、動態(tài)感知。

（作者自制）

物理實體是構(gòu)建數(shù)字孿生圖書館的基礎(chǔ)，通過對圖書資源、館員數(shù)據(jù)、借閱數(shù)據(jù)、環(huán)境設(shè)施等物理成分的分析，能夠明確系統(tǒng)組成，為構(gòu)建虛擬實體圖書館模型奠定基礎(chǔ)。虛擬實體是對圖書館物理實體模型的組成、功能、運行以及規(guī)范的數(shù)字化高保真鏡像映射，主要包括圖書館的幾何模型、行為邏輯、場景規(guī)則、物理模型等。感知建模是物理對象與虛擬對象實現(xiàn)實時交互的重要環(huán)節(jié)，是對物理圖書館運行情況多維度、多層次的精準(zhǔn)掌控。精確的建模與感知是保證圖書館模型穩(wěn)定運行的前提，可以利用智能化技術(shù)、多傳感融合技術(shù)進行數(shù)據(jù)采集與模型構(gòu)建。孿生數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生圖書館建設(shè)的基礎(chǔ)，涉及數(shù)據(jù)的表示、融合、分類、使用、維護以及存儲等方面。服務(wù)系統(tǒng)是數(shù)字孿生圖書館的終端管控平臺，通過深度學(xué)習(xí)相關(guān)理論算法對數(shù)字孿生數(shù)據(jù)進行預(yù)處理、特征分析、需求識別及需求預(yù)測，形成圖書館智慧分析、智慧決策、智慧管理、智慧服務(wù)的資源建設(shè)模式。交互連接促成了物理實體、虛擬實體、孿生數(shù)據(jù)、服務(wù)系統(tǒng)各部分之間的互聯(lián)互通，是整個數(shù)字孿生圖書館運行的大動脈。

數(shù)字孿生圖書館的決策模式

決策是數(shù)字孿生圖書館建設(shè)及運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如圖2所示。數(shù)字孿生圖書館基于數(shù)據(jù)驅(qū)動構(gòu)造了圖書館的屬性特征、行為規(guī)則，并預(yù)測了未來的資源部署，實現(xiàn)了對圖書館的運行維護、決策優(yōu)化及狀態(tài)監(jiān)測。決策模式的建立主要從圖書館物理孿生體、虛擬孿生體、孿生數(shù)據(jù)及人工智能系統(tǒng)入手。

（作者自制）

物理孿生體

物理孿生體由實體圖書館與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)組成，是整個圖書管理決策框架的最前層。實體圖書館建設(shè)決策包括紙質(zhì)資源的種類、桌椅的風(fēng)格、環(huán)境的舒適度、創(chuàng)客空間的便捷性等。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要通過圖書館門禁系統(tǒng)平臺、圖書館圖書借閱平臺、圖書館電子資源共享平臺及室內(nèi)安裝的各類傳感器來采集，包括實體圖書館的文獻(xiàn)資源量、學(xué)生借閱量、環(huán)境舒適度、館員調(diào)配數(shù)據(jù)、圖書破損數(shù)據(jù)、硬件狀態(tài)等參數(shù)。物理孿生體產(chǎn)生的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為虛擬圖書館的建設(shè)奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時虛擬孿生體與物理孿生體之間相互映射，不斷補充和完善孿生體數(shù)據(jù)。

虛擬孿生體

虛擬孿生體是物理孿生體的高保真鏡像映射模型，其本質(zhì)是圖書館物理實體的數(shù)字化形式。根據(jù)物理實體圖書館的運行狀況可以明確相應(yīng)虛擬圖書館的運行模式及發(fā)展規(guī)律。基于物理孿生體實時采集的數(shù)據(jù)，利用相關(guān)信息處理技術(shù)對真實圖書館運行狀況下虛擬模型的幾何形狀、圖書屬性、運行規(guī)律進行刻畫與建模，使虛擬孿生體具備多維度行為特征及運行機制，建立起物理圖書館與虛擬圖書館之間的實時映射關(guān)系，將各空間產(chǎn)生的圖書虛擬運行數(shù)據(jù)與實體運行數(shù)據(jù)深度融合，形成孿生數(shù)據(jù)，并對其進行儲存處理。

智能決策

孿生數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生圖書館作出智能決策的基礎(chǔ)，包括物理孿生體資源數(shù)據(jù)、虛擬孿生體資源數(shù)據(jù)、物理—虛擬融合數(shù)據(jù)、服務(wù)系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)，具有多源異構(gòu)、多時空維度、規(guī)模量巨大等特性。對以上圖書館資源進行采集、建模、清洗、關(guān)聯(lián)、聚類、融合、提取、識別等，可以真實反映智慧圖書館的運行狀態(tài)、行為規(guī)則等的演化過程與規(guī)律。

人工智能系統(tǒng)是保障數(shù)字孿生圖書館決策的大動脈，是物理實體數(shù)據(jù)、虛擬實體數(shù)據(jù)、孿生數(shù)據(jù)實時交互的主陣地，也是預(yù)測未來圖書館資源建設(shè)模式的中樞神經(jīng)系統(tǒng)。人工智能系統(tǒng)主要利用深度學(xué)習(xí)算法中循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）與長短時記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）相結(jié)合的模型，對圖書資源采購以及圖書館的智慧化建設(shè)進行分析預(yù)測并作出合理決策，使數(shù)字孿生技術(shù)與圖書館環(huán)境緊密交融，最終形成信息深度融合的群智決策模式。

服務(wù)及管理

由圖2可知，通過人機交互促使物理孿生與虛擬孿生相互影響，利用人工智能系統(tǒng)中的深度學(xué)習(xí)算法進行數(shù)據(jù)的特征提取與智能化分析，在圖書館管理與服務(wù)中能夠很好地執(zhí)行圖書采編、文獻(xiàn)定制、人員調(diào)配、特色應(yīng)用等決策。在圖書館個性化服務(wù)方面，通過數(shù)字孿生系統(tǒng)，圖書館可以精確了解師生對環(huán)境、設(shè)施、圖書資料、管理制度等方面的意見，更好地服務(wù)師生、學(xué)校和社會；同時數(shù)字孿生系統(tǒng)可以為圖書館智慧化建設(shè)積累更多有建設(shè)性的建議。在圖書館智慧化管理方面，數(shù)字孿生圖書館將不斷進行大數(shù)據(jù)融合，通過可視化界面持續(xù)反饋目前圖書館的運營狀況，從師生入館開始至離館，全過程、全方位地進行數(shù)據(jù)分析，可以合理配置圖書館館員，調(diào)整環(huán)境溫濕度、光線強度、書庫資源、桌椅布置等，有效解決傳統(tǒng)管理中出現(xiàn)的資源配置混亂、環(huán)境設(shè)施差、服務(wù)不到位等問題。

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的圖書資源建設(shè)模式已經(jīng)不能滿足當(dāng)前學(xué)生的知識獲取需求，而數(shù)字孿生技術(shù)與圖書館資源建設(shè)模式的有機融合可以更好地滿足新時期大學(xué)生對新技術(shù)、新知識、新目標(biāo)的個性化需求，同時解決文獻(xiàn)信息資源利用率低、管理模式混亂等問題。本文以新疆理工學(xué)院圖書館目前的建設(shè)模式為出發(fā)點，提出了數(shù)字孿生圖書館五維框架模型，從各維度分析了圖書館智慧化建設(shè)的要點以及各部分的關(guān)系；同時以深度學(xué)習(xí)理論為核心，搭建了基于數(shù)字孿生技術(shù)的深度學(xué)習(xí)圖書館智慧決策框架，為今后新型智慧圖書館的建設(shè)及智慧校園的建設(shè)提供了一定的參考。

（作者單位：新疆理工學(xué)院圖書館）

[1]周耀.區(qū)塊鏈技術(shù)在智慧圖書館中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代情報，2019，39（04）：94-102.

[2]呂豐華，姜繼紅，王秀麗，等.數(shù)字孿生技術(shù)在圖書館借閱服務(wù)中的應(yīng)用[J].青島大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2022，35（03）：58-63.

[3]趙藝揚.數(shù)字孿生圖書館：基于數(shù)字孿生技術(shù)的新型智慧圖書館建設(shè)[J].出版廣角，2020（10）：79-81.

[4]王家玲，王偉赟.基于數(shù)字孿生技術(shù)的圖書館精準(zhǔn)服務(wù)研究[J].新世紀(jì)圖書館，2022（06）：49-53.

[5]馮川玉，趙文萱.數(shù)字孿生圖書館的運行機制與服務(wù)模式研究[J].大學(xué)圖書情報學(xué)刊，2022，40（03）：8-13.

[6]陶飛，劉蔚然，張萌，等.數(shù)字孿生五維模型及十大領(lǐng)域應(yīng)用[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2019，25（01）：1-18.