融入數(shù)字孿生的圖書館智慧學(xué)習(xí)空間構(gòu)建研究

張曉蕾

摘 要：圖書館智慧學(xué)習(xí)空間是圖書館在智能時(shí)代下快速發(fā)展的產(chǎn)物。文章基于數(shù)字孿生概念分析了現(xiàn)階段圖書館智慧學(xué)習(xí)空間所具有的高保真性、實(shí)時(shí)交互性、虛實(shí)共生性和真實(shí)性等特點(diǎn)，并構(gòu)建了融入數(shù)字孿生技術(shù)的圖書館智慧學(xué)習(xí)空間模型，最后提出了數(shù)字孿生賦能的圖書館智慧學(xué)習(xí)空間構(gòu)建路徑。

關(guān)鍵詞：圖書館；數(shù)字孿生；智慧學(xué)習(xí)空間

中圖分類號：G250?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號：1003-1588（2023）05-0125-04

隨著機(jī)器學(xué)習(xí)等高新技術(shù)的快速發(fā)展，人工智能和可視化技術(shù)也逐步走進(jìn)了廣大民眾的視野中，使虛擬與現(xiàn)實(shí)世界實(shí)現(xiàn)了相互融合，這也成為當(dāng)今的熱點(diǎn)話題之一，同時(shí)“數(shù)字孿生”概念應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)字孿生是一種超現(xiàn)實(shí)的概念，能夠?qū)F(xiàn)實(shí)產(chǎn)品構(gòu)建為虛擬化的孿生體進(jìn)行相關(guān)分析，強(qiáng)調(diào)的是虛實(shí)結(jié)合的新理念，自問世以來便受到廣泛關(guān)注。在我國，雖然數(shù)字孿生的研究與應(yīng)用起步較晚，但近年來國家政策持續(xù)對其進(jìn)行扶持，使數(shù)字孿生與大數(shù)據(jù)等技術(shù)并駕齊驅(qū)，并提出了“數(shù)字孿生創(chuàng)新計(jì)劃”［1］。數(shù)字孿生并不受實(shí)體數(shù)量的限制且能實(shí)現(xiàn)時(shí)空跨越，可被應(yīng)用于各行各業(yè)，并能利用數(shù)據(jù)充分支持目標(biāo)系統(tǒng)的相關(guān)服務(wù)，即物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，為圖書館的智慧發(fā)展賦予了新的可能，尤其能夠在圖書館智慧學(xué)習(xí)空間構(gòu)建方面起到至關(guān)重要的作用。鑒于此，文章對融入數(shù)字孿生的圖書館智慧學(xué)習(xí)空間的特征進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了架構(gòu)模型，同時(shí)對其構(gòu)建路徑進(jìn)行研究，以期促進(jìn)圖書館的可持續(xù)發(fā)展。

1 相關(guān)概念

1.1 數(shù)字孿生

數(shù)字孿生（Digital Twin）指在數(shù)字化方式下建立的有關(guān)物理對象的動(dòng)態(tài)化仿真模型，

對感知到的物理對象的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并且在虛擬空間中模擬物理對象在生命周期的狀態(tài)等［2］。數(shù)字孿生能夠?qū)λ峁┑膶?shí)際情況進(jìn)行全面分析，對結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，并提供相應(yīng)的幫助。數(shù)字孿生源自1969年NASA執(zhí)行阿波羅計(jì)劃時(shí)所制造的兩個(gè)相同的飛行器，將其實(shí)際執(zhí)行任務(wù)與留下進(jìn)行仿真的飛行器稱為孿生體。2003年，Grieves教授進(jìn)一步提出了數(shù)字孿生的設(shè)想，于2011年正式提出了數(shù)字孿生的概念，至2012年NASA將其引入航空航天領(lǐng)域，并在2014年被德國西門子和達(dá)索公司等企業(yè)及美國的國防部所接受，至此得到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注及重視。2016年，數(shù)字孿生首次被Gartner公司列入了十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢，次年，在世界智能制造大會(huì)上，數(shù)字孿生被確定為十大科學(xué)技術(shù)進(jìn)展之一。當(dāng)前，數(shù)字孿生已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域形成了成熟的體系［3］。

1.2 智慧學(xué)習(xí)空間

空間指物質(zhì)能夠以立體化形式呈現(xiàn)的一種客觀狀態(tài)，具體表現(xiàn)為物質(zhì)具有的廣延性，即主體在執(zhí)行特定的活動(dòng)中能夠依賴的條件。學(xué)習(xí)空間指在學(xué)習(xí)環(huán)境支持下的客觀存在體，具體是指能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者提供相應(yīng)的知識(shí)獲取與合作交流等服務(wù)，且具有開放性的主要學(xué)習(xí)場所［4］。智慧學(xué)習(xí)空間指從科技信息技術(shù)進(jìn)行架構(gòu)的角度著手，能夠參與相關(guān)虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境方面的設(shè)計(jì)及規(guī)劃，并且具備相關(guān)智能技術(shù)支持的學(xué)習(xí)環(huán)境。同時(shí)，智慧學(xué)習(xí)空間能夠?qū)Ω鞣絽⑴c者的真實(shí)需求進(jìn)行感知，用以為學(xué)習(xí)者提供相應(yīng)的量身定制的信息資源。

2 數(shù)字孿生下圖書館智慧學(xué)習(xí)空間的特征

2.1 高保真性

數(shù)字孿生體在圖書館的智能學(xué)習(xí)空間中提供了跨越時(shí)間和空間的高保真學(xué)習(xí)體驗(yàn)，賦予了讀者全新的閱讀體驗(yàn)，即在虛擬空間達(dá)到現(xiàn)實(shí)世界一般的高度，感受身臨其境的學(xué)習(xí)環(huán)境及環(huán)境相關(guān)附屬物。學(xué)習(xí)者能夠通過數(shù)字孿生進(jìn)行物理實(shí)體的觀察并與之積極互動(dòng)，這樣學(xué)到的經(jīng)驗(yàn)和技能就可以直接應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)世界。此外，學(xué)習(xí)者還可以實(shí)時(shí)訪問不同時(shí)區(qū)的場景和學(xué)習(xí)區(qū)，能夠根據(jù)自身需要開展學(xué)習(xí)活動(dòng)。

2.2 實(shí)時(shí)交互性

數(shù)字孿生能夠?yàn)閳D書館智慧學(xué)習(xí)空間提供分布式和跨區(qū)域的協(xié)作學(xué)習(xí)。數(shù)字孿生圖書館的學(xué)習(xí)空間對云計(jì)算技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)等核心技術(shù)進(jìn)行充分應(yīng)用，使跨區(qū)域的協(xié)作學(xué)習(xí)成為可能并不斷發(fā)展完善，學(xué)習(xí)者不僅可以完成相關(guān)的學(xué)習(xí)任務(wù)及自我要求，還可以合作探討、協(xié)同處理面對的問題?？梢哉f，分布式協(xié)作學(xué)習(xí)既為學(xué)習(xí)者提供了更便捷的信息交流渠道，還能在模擬場景和其他學(xué)習(xí)活動(dòng)中實(shí)現(xiàn)協(xié)作體驗(yàn)。

2.3 虛實(shí)共生性

數(shù)字孿生可以提供數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)，在圖書館的智能學(xué)習(xí)空間中實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)的共生。學(xué)習(xí)不僅是通過學(xué)習(xí)者與所處環(huán)境氛圍之間的良性互動(dòng)產(chǎn)生的，也是在學(xué)習(xí)者自身認(rèn)知結(jié)構(gòu)的不斷形成過程產(chǎn)生的。充分利用圖書館智慧學(xué)習(xí)空間的數(shù)據(jù)管理功能，可以將難以被人們理解的現(xiàn)象或者抽象化機(jī)制進(jìn)行形象化處理并加以展現(xiàn)，從而增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，促進(jìn)其發(fā)展［5］。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的學(xué)習(xí)不僅具有及時(shí)性、真實(shí)性和可預(yù)測性特征，而且還對深入探索學(xué)習(xí)者的問題提供了實(shí)時(shí)支持。因此，學(xué)習(xí)者能夠根據(jù)問題探索過程中收集到的數(shù)據(jù)改進(jìn)他們的解決方案，改善他們的學(xué)習(xí)和認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

2.4 真實(shí)性

數(shù)字孿生能夠?yàn)閳D書館智慧學(xué)習(xí)空間提供真實(shí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。智慧教室的本質(zhì)是為一系列學(xué)習(xí)者提供真實(shí)、以設(shè)計(jì)為主導(dǎo)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，以設(shè)計(jì)和測試促進(jìn)有效學(xué)習(xí)和更高層次思維的過程。將數(shù)字孿生體整合到圖書館的智慧學(xué)習(xí)空間中，不僅可以在虛擬孿生體和物理孿生體的生命周期中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向流動(dòng)，還能實(shí)現(xiàn)物理孿生體和數(shù)字孿生體學(xué)習(xí)內(nèi)容之間的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)。

3 基于數(shù)字孿生的圖書館智慧學(xué)習(xí)空間架構(gòu)模型

基于整體性、探索性、智能性以及融合性等構(gòu)建原則，本研究提出融入數(shù)字孿生的圖書館智慧學(xué)習(xí)空間的架構(gòu)模型，見下頁圖1。該模型設(shè)計(jì)了三個(gè)邏輯層，即物理空間層、云端服務(wù)層和數(shù)字空間層，描述了一個(gè)智慧圖書館學(xué)習(xí)空間的系統(tǒng)框架。

3.1 物理空間層

物理空間層作為圖書館智能學(xué)習(xí)空間嵌入在數(shù)據(jù)孿生體的核心層，是其數(shù)字空間層（數(shù)字孿生的鏡像）的重要數(shù)據(jù)來源［6］。物理空間層主要由各種館內(nèi)設(shè)施和空間建構(gòu)所組成，其中館內(nèi)設(shè)施既包括智能的可穿戴設(shè)備、自助借還設(shè)備、智能識(shí)別系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)以及監(jiān)控設(shè)備等，還包括基礎(chǔ)的圖書資料、移動(dòng)書架、座椅板凳、飲水機(jī)以及空調(diào)等；空間建設(shè)包括特色的創(chuàng)客空間和多媒體空間等，以及基礎(chǔ)的水泥瓷磚、屋頂隔墻、地基鋼筋和水電工程等。物理空間層利用物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)提取本層物體的狀態(tài)和行為信息，并利用超高速通信技術(shù)傳輸?shù)皆贫朔?wù)層上層的智能大腦，智能大腦可以將這些數(shù)據(jù)和行為指令發(fā)送到相關(guān)的物理實(shí)體，以提示相應(yīng)的變化。

3.2 云端服務(wù)層

云端服務(wù)層的核心是智慧大腦，處理從物理和數(shù)字空間層收集的數(shù)據(jù)，并及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)送指令。同時(shí)，智慧大腦根據(jù)自然語言處理和圖像處理等技術(shù)和功能以及學(xué)習(xí)者當(dāng)前的行為狀態(tài)，準(zhǔn)確地傳遞控制指令，并定期分析和處理信息及數(shù)據(jù)。此外，智慧大腦還能提供智慧學(xué)伴及智能導(dǎo)師等超前服務(wù)，為在圖書館自主學(xué)習(xí)的人群提供對應(yīng)的支持服務(wù)。

3.3 數(shù)字空間層

數(shù)字空間層作為物理空間層的鏡像，包含物理空間層中所有物理實(shí)體的相關(guān)數(shù)字孿生。數(shù)字孿生體與物理實(shí)體實(shí)時(shí)接觸，能夠利用數(shù)據(jù)通信技術(shù)同步更新其狀態(tài)和行為，其中物理實(shí)體和數(shù)字孿生體被映射并進(jìn)行動(dòng)態(tài)互動(dòng)［7］。數(shù)字空間層使數(shù)字孿生通過物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)上一級收集的多種信息數(shù)據(jù)被傳輸?shù)较乱患壍闹腔鄞竽X進(jìn)行相關(guān)處理。數(shù)字空間層的信息實(shí)時(shí)交互和迭代優(yōu)化功能模擬了更多的探索性學(xué)習(xí)活動(dòng)，為學(xué)習(xí)者提供了有力的數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

4 融合數(shù)字孿生的圖書館智慧學(xué)習(xí)空間構(gòu)建路徑

4.1 整合資源，架構(gòu)智慧學(xué)習(xí)平臺(tái)

基于數(shù)字孿生的圖書館智慧學(xué)習(xí)空間可以進(jìn)一步實(shí)施資源整合，為智慧學(xué)習(xí)平臺(tái)的構(gòu)建提供資源基礎(chǔ)。首先，云服務(wù)平臺(tái)能夠?yàn)閳D書館提供包括服務(wù)和管理在內(nèi)的“云”服務(wù)，從而有效保障圖書館智慧學(xué)習(xí)平臺(tái)的運(yùn)行；其次，資源平臺(tái)是集資源管理與資源存儲(chǔ)等為一體的有效平臺(tái)，包括教材、多媒體教輔素材以及實(shí)驗(yàn)視頻等多種資源，能夠?yàn)閳D書館智慧學(xué)習(xí)平臺(tái)提供有效的數(shù)據(jù)支撐；再次，“智慧服務(wù)”是圖書館智慧學(xué)習(xí)平臺(tái)基于數(shù)據(jù)孿生的產(chǎn)物，集合了云服務(wù)平臺(tái)、資源平臺(tái)、移動(dòng)智能終端（3D打印機(jī)、教學(xué)機(jī)器人、電腦）等智能化的學(xué)習(xí)環(huán)境，能夠在圖書館內(nèi)進(jìn)行模擬仿真的現(xiàn)場自我教學(xué)等。

4.2 加強(qiáng)建設(shè)，推送學(xué)習(xí)資源

學(xué)習(xí)資源是學(xué)習(xí)空間中最主要的服務(wù)內(nèi)容，圖書館智慧學(xué)習(xí)空間在加強(qiáng)其建設(shè)時(shí)［8］可以對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的數(shù)據(jù)挖掘并對產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析［9］，用以對學(xué)習(xí)者的個(gè)人情況、個(gè)人偏好以及個(gè)性化特征展開充分的了解和研究，以此為基礎(chǔ)，智慧空間能夠推送學(xué)習(xí)者個(gè)性化學(xué)習(xí)資源，并激發(fā)學(xué)習(xí)者對相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)熱情。AI等高新智能技術(shù)的發(fā)展也為圖書館智慧學(xué)習(xí)空間提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐［10］，如：具備全方位覆蓋技術(shù)的傳感器能夠精準(zhǔn)提供館內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有傳輸速率高等優(yōu)勢，可以降低虛擬空間數(shù)據(jù)的延遲性，為學(xué)習(xí)者帶來更加仿真的體驗(yàn)；人工智能為圖書館進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測和決策輔助；自動(dòng)優(yōu)化空間建設(shè)有利于資源的更新和熱點(diǎn)知識(shí)挖掘。目前，一些學(xué)者已開展了多項(xiàng)針對學(xué)習(xí)資源與學(xué)習(xí)空間的數(shù)據(jù)分析和研究［11］，如：美國的My Library、Library@LANL以及我國的浙江大學(xué)圖書館等已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了能夠依據(jù)學(xué)習(xí)者的興趣領(lǐng)域進(jìn)行相關(guān)建模和推薦工作。

4.3 人機(jī)交互，打造學(xué)習(xí)空間

情境認(rèn)知理論是智慧學(xué)習(xí)空間中的基礎(chǔ)理論之一，該理論強(qiáng)調(diào)了在技術(shù)層面上的相關(guān)設(shè)備支持，能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者打造有利于其感知并能夠融入的學(xué)習(xí)環(huán)境。在數(shù)字孿生的融入下，圖書館可以充分利用虛擬技術(shù)（VR）在人機(jī)交互下進(jìn)行智慧學(xué)習(xí)空間的構(gòu)建，打造沉浸式的圖書館智慧學(xué)習(xí)空間，提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)體驗(yàn)學(xué)習(xí)效率。例如，英國的紐卡斯?fàn)栔袑W(xué)早期建立了VR教育工程，能夠充分運(yùn)用VR技術(shù)在圖書館或教室內(nèi)進(jìn)行相關(guān)學(xué)習(xí)行為與教育活動(dòng)；Chih Hsiao等開發(fā)了能夠在課程教學(xué)或圖書館服務(wù)中使用的VR技術(shù)應(yīng)用。此外，我國諸多高校也都對VR技術(shù)在圖書館服務(wù)中的應(yīng)用展開了相關(guān)研究，如：南開大學(xué)利用VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了圖書館等場所的成像仿真功能，大連海事大學(xué)利用Unity3D等虛擬現(xiàn)實(shí)引擎開發(fā)了相關(guān)仿真項(xiàng)目等［12］。因此，圖書館可以在人機(jī)交互以及情境感知環(huán)境下進(jìn)行體驗(yàn)式學(xué)習(xí)空間的打造，用以培養(yǎng)用戶的學(xué)習(xí)意識(shí)。

4.4 廣泛采集，注重隱私保護(hù)

圖書館在構(gòu)建基于數(shù)據(jù)孿生的智慧學(xué)習(xí)空間過程中，不可避免地需要全面采集用戶數(shù)據(jù)，因而容易產(chǎn)生用戶隱私信息泄露等問題。因此，圖書館應(yīng)加強(qiáng)安全保護(hù)程序的設(shè)定，并在用戶數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)過程中實(shí)施全方位的隱私信息保護(hù)措施。例如，圖書館可以在采集用戶數(shù)據(jù)前主動(dòng)向用戶說明數(shù)據(jù)采集的內(nèi)容及用途，并一定要得到用戶的同意方可采集；在數(shù)據(jù)傳輸過程中，可以利用數(shù)據(jù)的加密算法保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院捅Ｕ嫘裕⒈M可能通過圖書館的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)；在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)也應(yīng)盡可能采用分布式的存儲(chǔ)方式，并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)防火墻、安全訪問權(quán)限等，防止圖書館用戶隱私信息的泄露。

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（編校：周雪芹）