數(shù)字孿生技術(shù)助力未來數(shù)字孿生圖書館應(yīng)用探索*

吳銀燕 汪英姿

（常州大學(xué)圖書館，江蘇 常州 213164）

1 引言

近年來，人工智能、云計(jì)算、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)推動(dòng)全球經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，極大地改變了人們的生活。數(shù)字孿生作為一項(xiàng)嶄新的前沿技術(shù)，也逐漸滲透到各行各業(yè)。數(shù)字孿生技術(shù)是利用物理模型、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)對實(shí)體裝備進(jìn)行實(shí)時(shí)、高精度模擬仿真的過程，將作為一種工具運(yùn)用到多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域[1]。

圖書館作為公共文化服務(wù)機(jī)構(gòu)，運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)可以讓圖書館在虛擬空間中建立高度仿真模型，在虛實(shí)結(jié)合中提高圖書館的服務(wù)效能。同時(shí)，可以將圖書館的資源和知識(shí)轉(zhuǎn)換為更豐富的形式，提高讀者的閱覽興趣，增強(qiáng)讀者對圖書館的黏性。此外，數(shù)字孿生技術(shù)的運(yùn)用將有助于圖書館與其他領(lǐng)域的相互融合，做到圖書館與時(shí)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)同頻發(fā)展。

2 數(shù)字孿生技術(shù)及其特征

2.1 數(shù)字孿生技術(shù)的起源和發(fā)展

2011年3月，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室在演講中首次提出數(shù)字孿生（DigitalTwin）的概念[1]，隨后美國通用電氣公司向美國國防部提出數(shù)字孿生技術(shù)，并將此技術(shù)用于航空飛行器的維護(hù)。在虛擬數(shù)字空間中建立實(shí)體飛機(jī)模型，利用傳感器等技術(shù)同步飛機(jī)的真實(shí)飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而評估飛機(jī)性能，決定能否正常飛行。

2015年，世界各國開始陸續(xù)提出制造業(yè)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型策略，構(gòu)建物理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物理工廠與信息化虛擬工廠的相互融合，實(shí)現(xiàn)智能制造。數(shù)字孿生技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)實(shí)體工作與虛擬環(huán)境交互的工具，被中外學(xué)術(shù)界和企業(yè)家高度關(guān)注。隨后，有學(xué)者提出數(shù)字孿生城市概念，通過建立數(shù)字孿生城市模型輔助實(shí)體城市的規(guī)劃發(fā)展。從此，數(shù)字孿生技術(shù)開始風(fēng)靡全球互聯(lián)網(wǎng)界和產(chǎn)業(yè)界。

2.2 數(shù)字孿生技術(shù)的內(nèi)涵特征

數(shù)字孿生作為一項(xiàng)前沿科學(xué)技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者對其特征和內(nèi)涵的認(rèn)識(shí)還存在差異。筆者從概念來分析，認(rèn)為其特征主要體現(xiàn)在虛擬仿真、實(shí)時(shí)交互和科學(xué)預(yù)見3個(gè)方面。

（1）虛擬仿真。數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)質(zhì)上是構(gòu)建一個(gè)與物理實(shí)體完全一樣的高度仿真的虛擬數(shù)字孿生體，其所有結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)都是參照物理實(shí)體構(gòu)建，與物理實(shí)體高度一致。數(shù)字孿生體與物理實(shí)體之間實(shí)行數(shù)據(jù)交換和傳遞[2]。

（2）實(shí)時(shí)交互。數(shù)字孿生體通過模擬物理實(shí)體在不同場景下的全生命周期過程，實(shí)現(xiàn)對物理實(shí)體的高精度仿真。在這個(gè)過程中，數(shù)字孿生體與物理實(shí)體之間通過網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞。實(shí)體的運(yùn)行數(shù)據(jù)同步映射到虛擬數(shù)字孿生體，虛擬數(shù)字孿生體通過人工智能、大數(shù)據(jù)、機(jī)器算法等技術(shù)模擬實(shí)體的運(yùn)行過程，同時(shí)將數(shù)據(jù)信息反饋給物理實(shí)體[3]。

（3）科學(xué)預(yù)見。通過高精度模擬物理實(shí)體，在虛擬仿真世界中構(gòu)建數(shù)字孿生體，對物理實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)預(yù)見，便于對實(shí)體進(jìn)行預(yù)判與不斷修正。當(dāng)在產(chǎn)品制造過程中出現(xiàn)問題時(shí)，可以基于數(shù)字孿生體對生產(chǎn)流程進(jìn)行分析調(diào)整，然后基于優(yōu)化后的生產(chǎn)策略進(jìn)行下一步生產(chǎn)。

3 建設(shè)數(shù)字孿生圖書館的內(nèi)涵分析

3.1 建設(shè)數(shù)字孿生圖書館的必要性

2022年7月9日，首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)與社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社聯(lián)合發(fā)布《京津冀藍(lán)皮書：京津冀發(fā)展報(bào)告（2022）——數(shù)字經(jīng)濟(jì)助推區(qū)域協(xié)同發(fā)展》，報(bào)告中顯示，數(shù)字城市建設(shè)是京津冀地區(qū)發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)的有力支撐[4]。河北雄安新區(qū)數(shù)字孿生城市建設(shè)已如火如荼展開，首個(gè)市場化項(xiàng)目——中國電信智慧城市產(chǎn)業(yè)園建設(shè)項(xiàng)目（一階段）率先封頂[5]。數(shù)字孿生城市的發(fā)展，離不開公共數(shù)字文化服務(wù)機(jī)構(gòu)的建設(shè)，圖書館作為公共文化的建設(shè)和服務(wù)機(jī)構(gòu)，理應(yīng)融入數(shù)字孿生城市的建設(shè)和發(fā)展進(jìn)程中。數(shù)字孿生技術(shù)是建設(shè)未來數(shù)字孿生圖書館的新興手段之一，它將支持未來圖書館走向可持續(xù)發(fā)展。

從社會(huì)與城市長遠(yuǎn)規(guī)劃與發(fā)展的角度看，高新技術(shù)的融入和全面參與，必將使城市的規(guī)劃建設(shè)融入良性的綠色生態(tài)建設(shè)發(fā)展環(huán)境中，建立起持續(xù)更新和優(yōu)化的創(chuàng)新服務(wù)知識(shí)體系。同時(shí)，數(shù)字孿生城市的建設(shè)和發(fā)展將帶動(dòng)未來圖書館走向高速發(fā)展的快車道。

3.2 建設(shè)數(shù)字孿生圖書館的內(nèi)涵分析

構(gòu)建數(shù)字孿生圖書館，是實(shí)現(xiàn)實(shí)體圖書館在虛擬世界里的高度模擬仿真，是將數(shù)字孿生的理念、技術(shù)與圖書館空間、資源、服務(wù)、管理進(jìn)行全方位、全過程的溝通和交融[6]。具體見圖1。

圖1 實(shí)體圖書館與數(shù)字孿生圖書館數(shù)據(jù)交互

數(shù)字孿生圖書館最大的亮點(diǎn)是它與實(shí)體圖書館完全同步，同步規(guī)劃、同步建設(shè)。此外，圖書館物理實(shí)體映射到虛擬仿真世界中，孿生圖書館依照實(shí)體圖書館的運(yùn)行狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新、實(shí)時(shí)交互，全面直觀地反映整個(gè)圖書館的服務(wù)和管理流程。

數(shù)字孿生圖書館是與實(shí)體圖書館完全一致的高仿真模型，能夠科學(xué)預(yù)見圖書館的運(yùn)行規(guī)律和發(fā)展趨勢。通過實(shí)時(shí)獲取實(shí)體圖書館的全過程、全空間數(shù)據(jù)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)、人工智能等算法和技術(shù)獲取和分析實(shí)體圖書館的狀態(tài)、規(guī)律，數(shù)字孿生模型可以模擬實(shí)體圖書館運(yùn)行狀態(tài)，分析和發(fā)現(xiàn)問題，提出解決辦法，從而調(diào)整實(shí)體圖書館的服務(wù)和管理策略，映射到孿生圖書館，再進(jìn)行模擬運(yùn)行，直到狀態(tài)穩(wěn)定[7]。

數(shù)字孿生圖書館管理系統(tǒng)采用多種先進(jìn)技術(shù)建立智能顯示屏，將實(shí)體圖書館的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)按類別顯示在屏幕上，便于圖書館員直觀地觀察和分析各種學(xué)術(shù)資源、服務(wù)空間、推廣活動(dòng)的使用和參與情況，為實(shí)體圖書館建設(shè)提供參考和反饋。

4 數(shù)字孿生技術(shù)助力未來數(shù)字孿生圖書館發(fā)展路徑

圖書館館舍空間建設(shè)、讀者、服務(wù)活動(dòng)、館藏資源和人力資源是保障圖書館運(yùn)行和發(fā)展的幾個(gè)必不可少的因素。筆者將從4個(gè)方面探討數(shù)字孿生技術(shù)助力未來數(shù)字孿生圖書館的發(fā)展路徑，具體框架見圖2。

圖2 數(shù)字孿生圖書館框架

4.1 圖書館數(shù)字孿生空間

利用三維建模技術(shù)建立與圖書館物理空間完全一致的虛擬圖書館仿真模型[8]。實(shí)體圖書館中的書庫、書架、圖書、自助借還機(jī)、書目展覽、數(shù)據(jù)庫推介、閱覽室、學(xué)習(xí)空間、桌椅、辦公區(qū)等都在圖書館孿生空間中一比一呈現(xiàn)。在虛擬的圖書館孿生空間里，讀者可以整體感知圖書館的結(jié)構(gòu)布局、館藏分布情況，便于讀者直觀地了解和認(rèn)識(shí)圖書館。另外，在數(shù)字孿生圖書館里，可以運(yùn)用美學(xué)思維，結(jié)合館員的經(jīng)驗(yàn)和智慧，實(shí)時(shí)調(diào)整自助借還機(jī)、展覽以及各種硬件設(shè)施的擺放位置和方式，為實(shí)體圖書館進(jìn)行布局調(diào)整提供參考。

為便于新書上架，可在虛擬圖書館空間里統(tǒng)計(jì)新書的數(shù)量，預(yù)估其所占空間，模擬其所需書架分布，實(shí)體圖書館即可參照數(shù)字孿生圖書館中的排架進(jìn)行新書上架，減輕調(diào)庫工作量。另外，對于“黨建知識(shí)”專題書展這一類活動(dòng)，可以在孿生圖書館里建立虛擬的黨建知識(shí)專題書架，從各個(gè)書庫抽調(diào)相關(guān)的圖書，按類別擺放，設(shè)立專門的Logo，從而為實(shí)體圖書館設(shè)立專題書展提供參考模型。

在實(shí)體圖書館管理系統(tǒng)里，分時(shí)間、分時(shí)段統(tǒng)計(jì)圖書館入館人數(shù)、閱覽座位使用人數(shù)，映射到數(shù)字孿生圖書館中，在數(shù)字孿生圖書館中利用相關(guān)算法預(yù)估實(shí)體圖書館的人流量和入座率，便于實(shí)時(shí)調(diào)整借閱室開放數(shù)量和時(shí)間段?？荚囍芮跋?、考研階段、周末、寒暑假期間，可以借助數(shù)字孿生圖書館中分析的結(jié)果，調(diào)整閱覽室開放時(shí)間。

4.2 讀者孿生體

運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，不僅可以構(gòu)建虛擬圖書館，模擬圖書館不同的應(yīng)用場景，還可以構(gòu)建讀者孿生體。從圖書館管理系統(tǒng)中調(diào)取讀者的姓名、年齡、專業(yè)、年級(jí)、常用的檢索關(guān)鍵詞、借閱書目、借閱時(shí)間、借閱時(shí)長、常用數(shù)據(jù)庫、期刊瀏覽、論文下載等信息，構(gòu)建讀者孿生體。通過模擬讀者在圖書館的各種需求，在虛擬圖書館中實(shí)時(shí)呈現(xiàn)，挖掘讀者在不同場景下的各種隱性需求，做到預(yù)見性、針對性服務(wù)，為圖書館精準(zhǔn)推送服務(wù)奠定基礎(chǔ)，滿足讀者的個(gè)性化需求，打造讀者專屬的個(gè)人圖書館空間[9]。

針對新生，圖書館可以在管理系統(tǒng)中提取同一專業(yè)高年級(jí)讀者的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，結(jié)合其借閱歷史、檢索關(guān)鍵詞、下載論文、所學(xué)專業(yè)等信息，預(yù)估新生可能感興趣的圖書、期刊、論文、數(shù)據(jù)庫，在入學(xué)之初推送給相關(guān)讀者，為他們未來的大學(xué)學(xué)習(xí)提供參考和借鑒。對于新入職的教職工，可以根據(jù)其研究方向、發(fā)表論文、研究課題等關(guān)鍵信息，推送與其專業(yè)相關(guān)的學(xué)術(shù)資源，做到有針對性服務(wù)。

4.3 數(shù)字孿生資源

館藏資源是圖書館的核心要素。構(gòu)建數(shù)字孿生資源首先需要將圖書館的紙質(zhì)資源數(shù)字化，在虛擬孿生圖書館中呈現(xiàn)數(shù)字化資源。在實(shí)體圖書館中構(gòu)建資源畫像，建立資源元數(shù)據(jù)。在圖書館管理系統(tǒng)中對所有數(shù)字資源進(jìn)行標(biāo)引，建立資源元數(shù)據(jù)要素，包括資源所屬專業(yè)類別、資源類型、用戶群體、瀏覽次數(shù)、下載次數(shù)、用戶評價(jià)等信息[10]。在孿生圖書館中映射數(shù)字孿生資源，運(yùn)用機(jī)器算法將數(shù)字孿生資源的元數(shù)據(jù)要素與讀者孿生體的屬性進(jìn)行匹配，為資源尋找目標(biāo)用戶，將實(shí)用的資源推送給有需求的讀者，方便讀者使用圖書館資源，提高圖書館資源利用率。具體如圖3所示。

圖3 圖書館資源與讀者匹配

一些珍貴的古籍文獻(xiàn)對庋藏和借閱的要求比較高，運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)生成數(shù)字孿生資源，可將原始文獻(xiàn)在虛擬世界中真實(shí)再現(xiàn)，方便讀者閱覽，減少借閱過程中對古籍文獻(xiàn)造成的損害。

4.4 數(shù)字孿生服務(wù)活動(dòng)

圖書館是公共文化服務(wù)機(jī)構(gòu)，服務(wù)是圖書館的立足之本。近年來，中國圖書館學(xué)會(huì)聯(lián)合全國各級(jí)公共圖書館在全國范圍內(nèi)大力開展全民閱讀推廣活動(dòng)。今后可借鑒雄安新區(qū)數(shù)字孿生城市建設(shè)思路[11]，運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)建設(shè)數(shù)字孿生圖書館，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，解決各地區(qū)、各級(jí)圖書館之間數(shù)據(jù)不互通的問題，避免“信息孤島”。

將實(shí)體圖書館的服務(wù)活動(dòng)在數(shù)字孿生城市或數(shù)字孿生圖書館中完整呈現(xiàn)，生成圖書館數(shù)字孿生服務(wù)活動(dòng)，根據(jù)實(shí)體圖書館中的活動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，開通讀者評價(jià)反饋渠道，在數(shù)字孿生服務(wù)活動(dòng)中對活動(dòng)方案進(jìn)行調(diào)整，在虛擬世界里打造圖書館服務(wù)活動(dòng)品牌，從而完美呈現(xiàn)在實(shí)體圖書館活動(dòng)中，推動(dòng)閱讀推廣活動(dòng)取得滿意的效果。

5 結(jié)語

新技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字孿生城市的出現(xiàn)必將帶動(dòng)數(shù)字孿生圖書館的發(fā)展。圖書館作為公共文化服務(wù)機(jī)構(gòu)，也必將迎來新的發(fā)展機(jī)遇。在數(shù)字孿生城市和數(shù)字孿生圖書館建設(shè)中，建設(shè)經(jīng)費(fèi)和科技是影響數(shù)字孿生技術(shù)運(yùn)用的關(guān)鍵因素。圖書館要把握時(shí)代發(fā)展大潮，著力打造集文化與休閑旅游于一體的高吸引力的未來圖書館，為文化強(qiáng)國貢獻(xiàn)圖書館人的力量。