數(shù)字孿生賦能的智慧圖書館虛擬閱讀空間構(gòu)建研究

摘要：數(shù)字孿生技術(shù)為智慧圖書館空間的構(gòu)建提供了全新的視野。文章闡述了數(shù)字孿生技術(shù)相關(guān)概念及內(nèi)涵，分析了數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動的智慧圖書館閱讀空間變革。重點從邊緣端孿生空間、霧端孿生空間和智慧圖書館生態(tài)系統(tǒng)三個層級構(gòu)建了基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧圖書館虛擬閱讀空間應(yīng)用模型

并提出優(yōu)化策略。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；智慧圖書館；虛擬閱讀空間

中圖分類號：G203.6"" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.13897/j.cnki.hbkjty.2023.0037

在人工智能和信息技術(shù)的推動下，圖書館主動探索新技術(shù)的融入與應(yīng)用，打造出利用大數(shù)據(jù)、云計算和AI技術(shù)構(gòu)建的虛擬閱讀空間，為用戶提供資源獲取、信息共享、互動交流等服務(wù)。

近年來，智慧圖書館虛擬空間的開發(fā)是學(xué)者們關(guān)注的熱點領(lǐng)域，新技術(shù)融入于智慧圖書館服務(wù)的研究層出不窮。朱藝雯指出，智慧圖書館要堅持以人為本，提升用戶的閱讀體驗，提高智慧管理和服務(wù)成效［1］。王家玲提出了基于5G技術(shù)的圖書館導(dǎo)航服務(wù)、智慧場館、機器人服務(wù)等應(yīng)用［2］。樊孟松提出將全息投影技術(shù)應(yīng)用于智慧圖書館虛擬閱讀空間的構(gòu)建，形成沉浸式的閱讀推廣模式［3］。寧波圖書館結(jié)合VR技術(shù)的優(yōu)勢，在開展圖書館虛擬空間服務(wù)過程中，通過用戶調(diào)查、主題篩選、自制VR等方式，提升圖書館服務(wù)質(zhì)量。

探究新技術(shù)與智慧圖書館的融合是當(dāng)前的研究趨勢，構(gòu)建智慧圖書館虛擬閱讀空間是數(shù)字時代背景下的必然要求。本文聚焦于數(shù)字孿生技術(shù)，探究數(shù)字孿生技術(shù)為虛擬閱讀空間構(gòu)建帶來的機遇。

1 相關(guān)概念闡述

1.1 數(shù)字孿生的內(nèi)涵與特征

數(shù)字孿生（Digital Twins，簡稱DT）又被稱為數(shù)字鏡像。美國國家航天局認(rèn)為數(shù)字孿生是通過物理模型和傳感器數(shù)據(jù)構(gòu)建完整映射的虛擬模型，以此反映實體全生命周期［2］。隨著生物識別與傳感技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生的內(nèi)涵得到豐富，數(shù)字孿生不僅能夠通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)來獲取機械體信息，還可以通過人像或者情緒識別來獲取生物體的信息［1］。因此，數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)模擬實體，能夠在數(shù)據(jù)的驅(qū)動下創(chuàng)建仿真模型?？梢哉f，數(shù)字孿生是一種面向復(fù)雜系統(tǒng)的可視化管理工具，為實體對象提供智能化的服務(wù)方案。

在長期的實踐中可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)字孿生具有以下幾點突出的特征：第一，虛實共生。數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于實體的數(shù)字化映射，即將實體原型表現(xiàn)為數(shù)字模型，虛擬空間與實體空間保持同步動態(tài)更新。通過數(shù)字線程技術(shù)，數(shù)字孿生能夠完成數(shù)據(jù)的雙向自行流動，完成虛實高效協(xié)同和智能決策的循環(huán)迭代，進(jìn)而形成虛實共生的形態(tài)。第二，虛擬仿真。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的今天，數(shù)據(jù)傳輸與云計算分布式實時渲染技術(shù)日臻成熟，支撐數(shù)字孿生擁有更多的應(yīng)用場景，也使數(shù)字孿生構(gòu)建的虛擬空間更加細(xì)致且多樣化，在完成特定目標(biāo)任務(wù)時，模型表征與事實信息的匹配度越高，模型的精準(zhǔn)性就越強，數(shù)字孿生能夠根據(jù)實體對象的不同發(fā)展階段，提供不同的數(shù)字孿生體。第三，深度洞察。數(shù)字孿生構(gòu)建的虛擬實體具備對知識、技能自主學(xué)習(xí)的能力［4］，在先進(jìn)技術(shù)驅(qū)動下，共生知識空間被開發(fā)出來，任何事物都可以孿生。傳統(tǒng)行業(yè)可以依據(jù)機械體信息和生物體信息構(gòu)建虛擬化身，并借助人工智能的訓(xùn)練進(jìn)行自主學(xué)習(xí)與深度洞察，與自然人交互學(xué)習(xí)，進(jìn)而滿足人們的特定需求。

1.2 虛擬閱讀空間概述

智慧圖書館虛擬閱讀空間是一種通過利用大數(shù)據(jù)、云計算、AI技術(shù)等各種先進(jìn)技術(shù)所構(gòu)建而成的集數(shù)字閱讀資源獲取與利用、信息共享、數(shù)字閱讀、交流學(xué)習(xí)、應(yīng)用創(chuàng)新等服務(wù)于一體的圖書館服務(wù)空間［3］。

從數(shù)字技術(shù)角度來看，智慧圖書館虛擬閱讀空間充分利用信息與通訊技術(shù)能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程資源獲取和服務(wù)獲?。粡母兄慕嵌葋砜?，智慧圖書館虛擬閱讀空間能夠把任何知識有機結(jié)合起來，將用戶群體、資源、圖書館空間、圖書館服務(wù)串聯(lián)，形成深刻的感知，使用戶能夠得到更加精準(zhǔn)和貼心的服務(wù)［5］。因此，智慧圖書館虛擬閱讀空間是一種數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的服務(wù)模式，是數(shù)字技術(shù)發(fā)展的時代產(chǎn)物。

智慧圖書館虛擬閱讀空間具有知識共享性、服務(wù)高效性和使用便利性的特點。第一，知識共享性。智慧圖書館虛擬閱讀空間具有數(shù)字化、智能化的基本屬性，能夠通過網(wǎng)絡(luò)將獨立的信息資源、用戶和圖書館進(jìn)行互聯(lián)，將所有的信息進(jìn)行深度挖掘和有機整合，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)連接與知識共享。實際上，知識共享正是虛擬空間服務(wù)內(nèi)容之一，智慧圖書館虛擬閱讀空間為用戶提供全方位和一體化的服務(wù)，使用戶能夠在使用圖書館功能時節(jié)省更多的時間，獲取更加精準(zhǔn)的資源。第二，服務(wù)高效性。與傳統(tǒng)圖書館相比，智慧圖書館虛擬閱讀空間在資源構(gòu)建、信息服務(wù)等方面是以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，能夠高效便捷整合大量數(shù)據(jù)源。同時，智慧圖書館虛擬閱讀空間運用了智能技術(shù)，使空間服務(wù)和場景構(gòu)建能夠適應(yīng)數(shù)字化時代發(fā)展趨勢，高負(fù)荷運載的信息量能夠被智慧圖書館處理得井然有序，這就大大提高了圖書館的服務(wù)效率。第三，使用便利性。智慧圖書館虛擬閱讀空間突破了物理條件的限制，人們可以在任意場合任意時間享受到智慧圖書館的數(shù)字化資源與虛擬場景服務(wù)，不僅使用戶對圖書館的使用更加便利，也可以為館員在智能化和自主化的基礎(chǔ)上實現(xiàn)便捷且高效的管理［6］。

2 數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動的智慧圖書館閱讀空間變革

數(shù)字孿生技術(shù)通過對人、機、物、環(huán)境的數(shù)字映射，能夠降低圖書館的能耗，驅(qū)動智慧圖書館精細(xì)化、可視化管理。數(shù)字孿生技術(shù)促使圖書館虛擬閱讀空間與物理空間映射交互，在此過程中不斷迭代優(yōu)化，使智慧圖書館呈現(xiàn)出以下幾點變革：

2.1 技術(shù)賦能，打破傳統(tǒng)條件限制

空間的缺乏是當(dāng)前圖書館發(fā)展面臨的重要問題。隨著時代的發(fā)展，大量資源的產(chǎn)生，圖書館在資源的保存、管理等方面面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用在智慧圖書館空間建設(shè)中，能夠打造虛擬映射，形成數(shù)字層面的圖書館空間孿生體，不僅可以減少實物對空間資源的需求，而且還能借助物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)實現(xiàn)對圖書館實體的高度還原，使智慧圖書館空間服務(wù)打破傳統(tǒng)條件限制。在數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動下，用戶能夠置身虛擬空間內(nèi)，體驗同線下閱讀一樣的沉浸感受。美國賓漢姆頓大學(xué)應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，開發(fā)了較為成熟的閱讀交互體驗系統(tǒng)，實際上就是發(fā)揮了數(shù)字孿生技術(shù)的虛實共生特點，使用戶能夠在終端設(shè)備上閱讀館藏實體古籍［7］，一方面為用戶提供了便利，另一方面也對古籍起到較好的保護作用，緩解了圖書館空間不足的問題。

2.2 優(yōu)化服務(wù)，提升用戶閱讀興趣

數(shù)字孿生技術(shù)賦予智慧圖書館更多的可能，使圖書館能夠開發(fā)出全新的服務(wù)，提升用戶閱讀興趣。具體來說，利用數(shù)字孿生技術(shù)，智慧圖書館營造沉浸式的閱讀氛圍，通過情景構(gòu)建和互動交流，使用戶能夠遠(yuǎn)程參與到閱讀和交流的過程中來。智慧圖書館虛擬閱讀空間不僅能夠?qū)嶓w的出版物數(shù)字化，更是將其立體化呈現(xiàn)，是虛擬世界的三維視圖，智慧圖書館的空間布局、館內(nèi)構(gòu)造、全景視圖可以被用戶盡收眼底，使其感受前所未有的全新體驗。同樣的，在數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動下的智慧圖書館虛擬閱讀空間中，也可以舉辦讀書沙龍、新書品鑒等活動，用戶能夠在虛擬空間中積極參與，增強圖書館服務(wù)的趣味性和多樣性。

2.3 轉(zhuǎn)型升級，營造智慧圖書館服務(wù)新業(yè)態(tài)

數(shù)字孿生技術(shù)在其他領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為智慧圖書館帶來了靈感，促使智慧圖書館服務(wù)不斷優(yōu)化升級，加速了閱讀服務(wù)系統(tǒng)的迭代與完善。通過數(shù)字孿生技術(shù)與智慧圖書館虛擬閱讀空間的深度融合，能夠催生出新的閱讀服務(wù)價值體系與業(yè)態(tài)模式，這不僅僅體現(xiàn)在打破傳統(tǒng)限制的服務(wù)上，還表現(xiàn)在多源數(shù)據(jù)的高效融合。例如，智慧圖書館可以發(fā)揮自身知識共享性的顯著特征，打造相應(yīng)的地方特色文化虛擬閱讀空間，將圖書館數(shù)據(jù)化資源同當(dāng)?shù)仫L(fēng)景資源或建筑資源整合起來，形成虛擬映射，用戶在閱讀文字的同時，也能夠感受與此對應(yīng)的風(fēng)景和名勝古跡，實現(xiàn)虛擬空間的文旅融合［8］，使閱讀變得更加立體并充滿體驗感，形成多感官聯(lián)動的全新閱讀業(yè)態(tài)。數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動智慧圖書館拓展虛擬閱讀空間的功能，使虛擬閱讀空間愈加豐富。

3 基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧圖書館虛擬閱讀空間應(yīng)用模型

數(shù)字孿生存在兩個空間：物理空間和數(shù)字空間；存在三個元素：數(shù)據(jù)、模型和軟件；存在四大需求：實時需求、精確映射、容錯能力和隱私安全；存在五個層次：物理層、數(shù)據(jù)層、模型層、功能層和應(yīng)用層。在數(shù)字孿生技術(shù)賦能下，智慧圖書館將用戶層、邊緣層統(tǒng)一，形成邊緣孿生空間，實現(xiàn)了用戶在虛擬空間中的信息共享與合作；將邊緣端孿生數(shù)據(jù)整理并上傳到霧端，霧端使用邊緣端數(shù)據(jù)訓(xùn)練個性化模型，提升數(shù)據(jù)識別和場景治理的精準(zhǔn)度，霧端通過部署云端個性化模型保證虛擬閱讀空間的運行速度；最終，智慧圖書館生態(tài)系統(tǒng)通過深度學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋瓿商摂M空間與物理空間的映射，開發(fā)豐富的虛擬空間功能（見圖1）。

3.1 邊緣孿生空間

邊緣孿生空間可以應(yīng)用智能設(shè)備記錄生物體的行動數(shù)據(jù)，例如VR和AR設(shè)備、智能手環(huán)、智能眼鏡等，用戶數(shù)據(jù)經(jīng)過傳感網(wǎng)絡(luò)和邊緣硬件設(shè)備傳送到系統(tǒng)，形成基于用戶的全域感知，智慧圖書館以此為依據(jù)為用戶構(gòu)建相應(yīng)的虛擬閱讀場景。例如，虛擬空間下的閱讀活動、講座論壇等，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶之間的交流，驅(qū)動信息數(shù)據(jù)的交換與流通。此外，數(shù)字孿生技術(shù)具有深度洞察的功能，可以敏感捕捉用戶數(shù)據(jù)的變化，并對用戶行為進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測，進(jìn)一步對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析與上傳，不斷動態(tài)完善場景構(gòu)建。邊緣孿生空間使讀者可隨時隨地借助智能手機、可穿戴設(shè)備進(jìn)行沉浸式虛擬閱讀；也可以推動智慧圖書館通過評估虛擬閱讀場景與讀者個性化閱讀需求間的匹配度，對虛擬閱讀服務(wù)方案不斷優(yōu)化；能夠大幅度降低圖書館的成本，提高圖書館虛擬服務(wù)的精準(zhǔn)性，達(dá)到提升用戶滿意度的目的。

3.2 霧端孿生空間

數(shù)字孿生技術(shù)的虛實共生與虛擬仿真特征能夠?qū)D書館實體資源復(fù)制為虛擬格式，這就可以實現(xiàn)虛擬空間的館際互通、服務(wù)共享。在霧端孿生空間，智慧圖書館可以同博物館、檔案館等機構(gòu)建立起協(xié)同機制，將各類型、各場景的實體資源組成大規(guī)模的集成式的孿生空間［9］。一方面，霧端孿生空間大量吸收存儲數(shù)據(jù)，實現(xiàn)資源的深度挖掘和有效配置，打破原有機構(gòu)之間的壁壘，為用戶提供更全面的智慧服務(wù)。另一方面，霧端孿生空間可以監(jiān)控下級場景，通過對比分析模型，預(yù)測潛在風(fēng)險，并規(guī)避風(fēng)險。因此，數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動下的智慧圖書館虛擬閱讀空間構(gòu)建，突破了圖書館自身的限制，形成了更加廣泛的協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，將下級的知識資源、服務(wù)內(nèi)容映射到虛擬空間。霧端孿生空間的重點是整合不同主體的功能，為用戶打造互通互聯(lián)、多種類型的智慧服務(wù)，使虛擬空間的服務(wù)更加具有針對性和多元化。圖書館可以將虛擬閱讀空間從館內(nèi)延伸至館外，可以通過與學(xué)校、社會機構(gòu)的合作為用戶提供多元化的創(chuàng)客空間服務(wù)。例如，針對不同用戶群的需求提供專題創(chuàng)新服務(wù)，指導(dǎo)用戶進(jìn)行協(xié)同創(chuàng)造從而將創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實。

3.3 智慧圖書館生態(tài)系統(tǒng)

智慧圖書館生態(tài)系統(tǒng)用以連接外部生態(tài)系統(tǒng)與用戶生態(tài)系統(tǒng)。數(shù)字孿生技術(shù)要求智慧圖書館生態(tài)系統(tǒng)必須是開放的，用以實現(xiàn)虛擬學(xué)習(xí)空間的實時更新與各項預(yù)測管理。此外，智慧圖書館以服務(wù)用戶為核心，需要對用戶進(jìn)行精準(zhǔn)分析以便提供個性化、智能化服務(wù)。在智慧圖書館生態(tài)系統(tǒng)，智能服務(wù)根據(jù)用戶數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)，形成與用戶閱讀需求適配的虛擬閱讀解決方案，進(jìn)一步精準(zhǔn)匹配虛擬閱讀資源，智能生成虛擬閱讀場景，同時智慧感知用戶的閱讀狀態(tài)、智慧分析用戶閱讀障礙，保障用戶在虛擬閱讀空間中獲得較好的使用體驗。

4 數(shù)字孿生賦能下智慧圖書館虛擬閱讀空間優(yōu)化策略

4.1 優(yōu)化技術(shù)，更新系統(tǒng)與軟件

數(shù)字孿生賦能的智慧圖書館核心特色是先進(jìn)的技術(shù)，圖書館通過對物理空間和實體資源的數(shù)字化處理，形成數(shù)字孿生體，為用戶構(gòu)建虛擬的閱讀空間。因此，智慧圖書館要重視優(yōu)化數(shù)據(jù)，保持系統(tǒng)與軟件的更新迭代。一方面，智慧圖書館應(yīng)該優(yōu)化軟件層，提升對數(shù)據(jù)加工處理和分析的能力，使用戶生態(tài)系統(tǒng)與外部生態(tài)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無障礙的交流匹配，充分發(fā)揮智慧圖書館自主學(xué)習(xí)和智能服務(wù)的優(yōu)勢，提高用戶對虛擬閱讀空間的使用滿意度。另一方面，智慧圖書館應(yīng)該優(yōu)化系統(tǒng)層，使服務(wù)系統(tǒng)能夠承載大規(guī)模用戶對虛擬空間資源或服務(wù)的同時應(yīng)用，靈活分區(qū)處理各類數(shù)據(jù)，兼容物聯(lián)網(wǎng)、云計算、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、人工智能多種操作模塊，形成綜合的虛擬空間應(yīng)用平臺［10］，利用數(shù)字孿生的虛擬仿真、實時交互特征，消除用戶使用的割裂感和生硬感，進(jìn)一步保障智慧圖書館虛擬閱讀空間的服務(wù)質(zhì)量。

4.2 豐富數(shù)據(jù)，擴大數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)是智慧圖書館構(gòu)建虛擬閱讀空間的物質(zhì)基礎(chǔ)，數(shù)字孿生技術(shù)也是以數(shù)據(jù)為單位進(jìn)行處理與運算的，以保障智慧圖書館的高效運行。因此，圖書館應(yīng)該重視數(shù)據(jù)層的建設(shè)，豐富數(shù)據(jù)來源，擴大數(shù)據(jù)存儲。在數(shù)字孿生視域下，智慧圖書館數(shù)據(jù)來源有以下幾種：第一，用戶數(shù)據(jù)。分為用戶的基本數(shù)據(jù)和行為數(shù)據(jù)，記錄用戶的閱讀偏好與歷史行為，能夠形成較為全面的用戶畫像，是圖書館完善虛擬閱讀空間的風(fēng)向標(biāo)。第二，實體圖書館的數(shù)據(jù)。這是形成虛擬映射的基礎(chǔ)。數(shù)字孿生技術(shù)動態(tài)復(fù)現(xiàn)實體圖書館的狀態(tài)軌跡并產(chǎn)生實時衍生數(shù)據(jù)，是虛擬閱讀空間建設(shè)的原型。第三，管理與優(yōu)化數(shù)據(jù)。這是基于智慧圖書館深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)特點而形成的具有指導(dǎo)性和策略性的數(shù)據(jù)庫，能夠幫助圖書館精準(zhǔn)預(yù)測，為智慧圖書館優(yōu)化虛擬閱讀空間提供科學(xué)依據(jù)。

4.3 完善應(yīng)用，創(chuàng)新服務(wù)內(nèi)容

不同于傳統(tǒng)圖書館的閱讀空間服務(wù)，虛擬閱讀空間具有靈活性、便捷性等優(yōu)勢，但也存在若干缺點。智慧圖書館要結(jié)合先進(jìn)的技術(shù)，以數(shù)字孿生為驅(qū)動力，突破虛擬閱讀空間的發(fā)展瓶頸，增強用戶在虛擬空間的體驗感，通過開發(fā)完善應(yīng)用，適配更多的智能終端設(shè)備，使用戶能夠具有沉浸式、真實感的閱讀體驗，在虛擬空間也能感受到物理空間的閱讀樂趣和操作感受。例如，將3D建模改為空間跟蹤技術(shù)與AI技術(shù)相結(jié)合的空間數(shù)據(jù)場景，用戶只需要佩戴VR設(shè)備即可瞬間置身虛擬圖書館中，用戶能夠走動、伸手翻閱書籍、觀賞實物展品、與其他用戶面對面交流，在鏡像孿生體中完成一系列真實的閱讀行為。

5 結(jié)語

數(shù)字孿生技術(shù)打破了圖書館空間服務(wù)的壁壘，推動智慧圖書館向更高階的信息化、智能化、數(shù)字化發(fā)展。圖書館要抓住機遇，以數(shù)字孿生為支點，深度融合各項先進(jìn)的技術(shù)，配合人工智能與VR功能，充分發(fā)揮虛擬閱讀空間的資源優(yōu)勢和服務(wù)優(yōu)勢，強化資源數(shù)字化和虛實結(jié)合的服務(wù)能力，為用戶提供前所未有的閱讀體驗。

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作者簡介：

侯習(xí)哲（1989），女，山東省濱州市圖書館館員。研究方向：數(shù)字圖書館服務(wù)與建設(shè)。

（收稿日期：2023-03-10 責(zé)任編輯：馬玉娟）

Research on the Construction of Virtual Reading Space of Smart

Library Empowered by Digital Twin

Hou Xi-zhe

Abstract：Digital twin technology provides a new vision for the construction of smart library space. This paper expounds the relevant concepts and connotation of digital twin technology， and analyzes the transformation of smart library reading space driven by digital twin technology. The application model of virtual reading space of smart library based on digital twin technology is constructed from three levels： edge twin space， fog twin space and smart library ecosystem. Finally， several optimization strategies are proposed.

Keywords： Digital Twin; Smart Library; Virtual Reading Space