高校圖書館5G 沉浸式智慧空間建設(shè)體系研究*
——以中國礦業(yè)大學圖書館建設(shè)需求為例

邊永濤 尹良偉 王 靜 姜元鵬

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新興技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛運用，人類社會逐步進入智能化時代。尤其是近幾年5G 第五代移動通信技術(shù)技術(shù)的飛躍式發(fā)展，為智慧空間融入圖書館智慧服務體系創(chuàng)造了良好的條件。黨中央、國務院高度重視5G 發(fā)展，多次做提出要加快5G 等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，豐富5G 技術(shù)應用場景。在這一背景下，圖書館正經(jīng)歷著向智慧化方向發(fā)展的轉(zhuǎn)變。當前公共圖書館和高校圖書館普遍聚焦于智慧圖書館建設(shè)，這成為今后圖書館實現(xiàn)智慧化轉(zhuǎn)型和發(fā)展的重要推動力。目前，部分高校在智慧校園建設(shè)中融入5G 應用，產(chǎn)生了良好的效果。然而，相比于智慧校園建設(shè)，高校圖書館鮮有較大規(guī)模的5G 應用案例。究其原因在于圖書館5G 應用尚處于理論研究階段，缺少系統(tǒng)性的建設(shè)方案和較為清晰的建設(shè)路徑。本研究針對上述問題，以中國礦業(yè)大學圖書館為例，對智慧圖書館發(fā)展趨勢、高校5G 推廣現(xiàn)狀、沉浸式空間的典型場景應用及圖書館5G 專網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計開展研究，歸納出高校圖書館5G 沉浸式智慧空間建設(shè)體系，為今后高校圖書館智慧空間建設(shè)及5G 技術(shù)在智慧圖書館的落地實施提供一定的思路和借鑒。

1 5G 圖書館發(fā)展及存在問題分析

1.1 智慧圖書館發(fā)展趨勢

既有文獻顯示，國內(nèi)外對于智慧圖書館的研究大致經(jīng)歷三個階段。

（1）從國外智慧圖書館概念的提出到國內(nèi)學者的深層次研究。自芬蘭學者Aittola M 在2003 年提出“SmartLibrary”即“智慧圖書館”概念以來，智慧圖書館逐漸走近人們的視野。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，圖書館先后歷經(jīng)了傳統(tǒng)圖書館、復合圖書館、數(shù)字圖書館和智慧圖書館幾個重要的發(fā)展階段[1]。智慧圖書館融合智慧服務的理念和技術(shù)兩大要素，借助新理念和新技術(shù)為讀者提供智慧化、個性化服務[2]。智慧圖書館將智慧化理念注入圖書館的各個層面，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與數(shù)字圖書館相結(jié)合形成的新型發(fā)展模式[3]。

（2）借助5G、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)手段促進服務創(chuàng)新。智慧圖書館的構(gòu)建以讀者為中心，通過技術(shù)手段獲取讀者信息，提取讀者特征，并為讀者提供主動式服務。5G、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)對智慧發(fā)展具有重要的支撐與推動作用[4]，將會成為圖書館服務模式創(chuàng)新發(fā)展的重要途徑。同時，5G 時代的信息服務將是多平臺協(xié)同工作、數(shù)據(jù)有效共享、提供高速存取和計算，并且具備快速響應能力[5]。

（3）提出智慧空間理論，并應用于圖書館建設(shè)實踐。國外學者提出“空間即服務”理論，并且予以大膽嘗試（荷蘭國家圖書館、芬蘭赫爾辛基圖書館、洛克菲勒大學圖書館、新加坡國立圖書館、西伯利亞聯(lián)邦大學科學圖書館）[6]。國內(nèi)學者提出“空間再造”理論，空間再造包含物理空間、虛擬空間、創(chuàng)新空間和智慧空間，依托5G 等新技術(shù)將空間再造與智慧服務相融合，優(yōu)化圖書館服務模式，是當前圖書館實現(xiàn)轉(zhuǎn)型與發(fā)展的重要途徑[7-8]。

1.2 5G 圖書館發(fā)展及存在問題分析

隨著新一代通信技術(shù)5G 的加快部署，5G應用已由傳統(tǒng)工業(yè)制造逐步向文化教育等領(lǐng)域擴展，推動社會全要素、全鏈條的深刻變革。我國高度重視5G 發(fā)展，并將其納入國家戰(zhàn)略[9]。在5G 圖書館的建設(shè)方面，國內(nèi)學者對于智慧圖書館的研究雖然起步較晚，但對于5G、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)與智慧圖書館的融合應用認識更為深刻，進步更加顯著。尤其是最近幾年，與智慧圖書館、5G 圖書館建設(shè)相關(guān)的研究論文數(shù)量明顯多于國外。在智慧圖書館、5G 圖書館研究取得巨大進展的同時，我們也注意到其中的一些不足之處。2021 年復旦大學建成“5G 虛擬校園網(wǎng)”[10]，南京郵電大學建成“5G 校園專網(wǎng)”[11]。相比于5G 技術(shù)在智慧校園中的應用，5G 技術(shù)在智慧圖書館的應用推廣較為滯后，目前尚未見較大規(guī)模案例。劉曉峰對近五年基于5G 技術(shù)的圖書館研究文獻做了梳理，認為基于5G 技術(shù)的圖書館研究已引起圖書情報領(lǐng)域?qū)＜腋叨戎匾?，但當前?G 智慧圖書館的應用研究尚停留在理論層面，缺乏具體的建設(shè)實踐方案[12]。今后在5G 技術(shù)與智慧圖書館的建設(shè)方面，應加強方案的整體性和典型場景應用研究。通過構(gòu)建較為完善的建設(shè)體系，切實解決智慧圖書館建設(shè)需要面對的問題。

2 沉浸式智慧空間建設(shè)理念

在圖書館早期的空間設(shè)計中，主要注重學習氛圍的營造。比如空間布局合理，錯落有致，燈光柔和，讓人能夠在安靜舒適的環(huán)境下進行讀書和學習。然而，隨著互聯(lián)網(wǎng)、短視頻、游戲App、娛樂信息的普及，使得影響人們閱讀學習的因素除了學習本身，還有身邊的環(huán)境因素?，F(xiàn)代圖書館設(shè)計中更多關(guān)注讀者的體驗感，在空間營造方面融入更多的沉浸式設(shè)計元素?！俺两健敝傅氖侨藗冊趨⑴c活動時全身心融入設(shè)計者所營造的情境之中，注意力高度集中，能夠有效屏蔽周邊不相關(guān)因素，進入一種沉浸式狀態(tài)。沉浸式技術(shù)的綜合運用，使讀者在親身參與中實現(xiàn)良好互動，也讓知識的呈現(xiàn)更加生動有趣。

在智慧圖書館建設(shè)過程中，圖書館通過加強智慧空間建設(shè)研究，將沉浸式智慧空間作為讀者獲取知識途徑的一個有效補充，創(chuàng)新服務模式，提升服務質(zhì)量。在沉浸式智慧空間打造方面，目前業(yè)界存在多媒體交互技術(shù)、機械控制裝置技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和空間傳感技術(shù)等四種主流實現(xiàn)方式[13]。其中，多媒體交互技術(shù)主要由文字、圖片、多媒體互動和觸控屏等組成，是使用較為普遍的一種沉浸式空間構(gòu)建方式。機械控制裝置技術(shù)則是在多媒體交互技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過增加自主操控裝置，實現(xiàn)與多媒體設(shè)備的互動虛擬現(xiàn)實技術(shù)（簡稱VR）是指借助多媒體投影和計算機技術(shù)，通過多通道投影融合，利用虛擬環(huán)境全息投影，生成逼真三維視覺空間幻影成像的展示手段?？臻g傳感技術(shù)則是在虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)上的進一步提升，通過動態(tài)傳感設(shè)備與后臺高速運算，讀者有效肢體動作（步態(tài)、手勢、語音等）能夠得到媒體的動態(tài)反饋，由此獲得的體驗感與參與感更為強烈，對知識的訴求與獲取也變得更加容易。

3 圖書館沉浸式智慧空間典型應用

圖書館沉浸式智慧空間建設(shè)應以學科發(fā)展為導向，以讀者服務為宗旨，在項目建設(shè)過程中緊密結(jié)合高校專業(yè)特色、圖書館服務特色，借助典型場景應用，幫助讀者了解學科前沿信息，鞏固所學知識。根據(jù)中國工業(yè)大學（簡稱“中國礦大”）圖書館礦業(yè)服務特色，結(jié)合業(yè)界主流沉浸式空間建設(shè)模式，擬重點以“弧幕漫游”“魔墻互動”“AR&VR 互動體驗”“全息互動投影”“5G 空間定位導航服務”等五大特色應用為主，開展項目研究。

（1）弧幕漫游?！盎∧宦巍辈捎没∧煌队?，結(jié)合環(huán)境光線、立體音響設(shè)備、投影視頻的特殊處理，可以獲得超強的體驗感和沉浸感。采用弧幕漫游，結(jié)合校情校史制作第一視角宣傳片，可以幫助讀者更好地了解學校歷史、文化及學習環(huán)境。結(jié)合圖書館業(yè)務工作，制作帶入性強的宣傳片，可以幫助讀者了解服務流程，更好地利用圖書館相關(guān)資源。結(jié)合礦業(yè)學科研究方向，制作礦井環(huán)境體驗、采煤工作流程展示等專業(yè)教學視頻，可以幫助讀者更好地了解我校專業(yè)特色，鞏固所學知識。

（2）魔墻互動?！澳Α蓖ㄟ^高分辨率、高飽和度顯示，結(jié)合多點觸控技術(shù)，使其具備多窗口、多內(nèi)容動畫交互特效。讀者可根據(jù)興趣對展示內(nèi)容進行拖拽瀏覽，也可手寫識別查詢特定內(nèi)容或通過掃碼獲得良好的數(shù)字化展示、信息查詢體驗及輔助虛擬導覽服務。采用魔墻可以對學科專業(yè)設(shè)備圖片、視頻等進行動態(tài)展示，便于讀者及時獲取最新知識。可以對學校文化保護價值較高的數(shù)字化文獻資源、學者著作等內(nèi)容進行互動展示?？梢詫D書館與各界的合作、協(xié)作與交流情況進行動態(tài)展示，呈現(xiàn)項目成果及未來發(fā)展愿景。

（3）AR&VR 互動體驗。在“AR&VR 互動體驗”區(qū)，讀者通過與屏幕投影等載體的互動，用手勢動作對展示內(nèi)容進行抓取和瀏覽，從而實現(xiàn)交互式體驗。該空間對虛擬仿真教學、文化遺產(chǎn)保護等特色資源進行定制設(shè)計，借助AR/VR[14]設(shè)備可同時進行多人交互式體驗。讀者個人移動終端（手機、平板等）安裝AR 軟件，可在特定區(qū)域體驗AR 資源。

（4）互動投影?！盎油队啊笔翘摂M現(xiàn)實與動感捕捉技術(shù)的結(jié)合，通過逼真的視覺效果和美妙的動感體驗讓信息變得觸手可及，使讀者在操控虛擬影像的過程中欣然接受媒體所傳遞出的信息。同時，采用互動投影，對井下礦山、工程機械等實現(xiàn)虛擬互動，這種信息從傳統(tǒng)單向傳播到雙向互動的轉(zhuǎn)變，更容易讓讀者產(chǎn)生情感上的共鳴。在帶來沉浸式體驗的同時，也更容易激發(fā)讀者對知識的熱愛。

思想政治教育接受研究是思想政治教育研究的重要內(nèi)容之一，它改變了過去僅以“授”為考慮的研究思路，凸顯“受”的規(guī)律探討的重要性，具體探討思想政治教育接受中存在的問題、隱含的規(guī)律。它的理論前提是受教育者主體性的發(fā)現(xiàn)，它的理論背景是市場經(jīng)濟條件下人的生存方式的改變，它的研究目的是在新的時代背景下如何提升思想政治教育的實效性。

（5）5G 空間定位導航服務。由于傳統(tǒng)導航精度的局限性，位置導航服務一般集中于室外區(qū)域。5G 技術(shù)誕生以來，其“高帶寬、低延時、廣覆蓋、高容量”的特性，為復雜室內(nèi)環(huán)境下的位置導航服務提供了條件[15]。借助“5G空間定位導航”[16]，可以定位讀者在圖書館的實時位置，為讀者提供個性化信息引導服務，包括新書發(fā)現(xiàn)、周邊座位、智能設(shè)備、圖書館文化、制度提醒、館藏定位、智能導覽、資訊推送等，幫助讀者更好地利用圖書館資源。

4 5G 沉浸式智慧空間系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

4.1 圖書館5G 專網(wǎng)部署模式

在沉浸式空間建設(shè)方面，沉浸感是隨著VR 視頻交互感的提升而不斷增強的過程?，F(xiàn)階段8KVR 視頻強交互模式下運動感知時延應小于10ms，弱交互模式下運動感知時延應小于20ms[17]。傳統(tǒng)網(wǎng)絡難以實現(xiàn)如此高的低時延特性，而5G 專網(wǎng)較好地解決了高帶寬、低時延等問題。根據(jù)3GPP R16 標準定義[18]，5G 專網(wǎng)分為獨立部署模式和公網(wǎng)集成模式。獨立部署模式一般需要為網(wǎng)絡分配專用頻段，由建設(shè)方自主建設(shè)和運維，不與組織外的機構(gòu)產(chǎn)生共享，這樣的網(wǎng)絡被稱為“5G 獨立專網(wǎng)”。公網(wǎng)集成模式，根據(jù)與公網(wǎng)共享程度不同，又分為“與公網(wǎng)端到端共享”和“與公網(wǎng)部分共享（共享RAN 或者是共享RAN 及核心網(wǎng)控制面）”[19]兩類。公網(wǎng)集成模式由運營商建設(shè)，運維則由運營商和使用方協(xié)商進行，具有靈活和快速的優(yōu)勢。與之相對應的網(wǎng)絡被稱為“5G 虛擬專網(wǎng)”和“5G 混合專網(wǎng)”[20]。

綜合考慮建設(shè)成本、建設(shè)周期、網(wǎng)絡性能及運維服務等相關(guān)因素，我校圖書館5G 專網(wǎng)優(yōu)選“5G 混合專網(wǎng)”建設(shè)模式。此模式降低了5G 專網(wǎng)部署和管理的復雜度，5G 專網(wǎng)由運營商承建，可以對網(wǎng)絡基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供良好的技術(shù)支持。另外，通過物聯(lián)網(wǎng)終端直接訪問下沉的一體化UPF 和MEC 平臺[21]，通過構(gòu)建虛擬本地RAN 局域網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)不出園區(qū)，“本地業(yè)務本地解決”，這在提高處理效率的同時有效增強了網(wǎng)絡安全與數(shù)據(jù)安全[22]。圖書館5G 專網(wǎng)組網(wǎng)模式，如圖1 所示。

圖1 圖書館5G 專網(wǎng)組網(wǎng)模式

4.2 5G 沉浸式智慧空間系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

5G 沉浸式智慧空間架構(gòu)分為三個層次，從上往下依次為5G 核心網(wǎng)絡、5G 邊緣網(wǎng)絡和沉浸式智慧空間應用。5G 核心網(wǎng)絡是5G業(yè)務運行的主體，主要負責MEC 業(yè)務管理，運維管理，同時為5G 專網(wǎng)業(yè)務運行提供云邊協(xié)同與運營支撐服務。5G 邊緣網(wǎng)絡為5G 專網(wǎng)業(yè)務運行提供MEC 網(wǎng)絡傳輸、運算能力及應用管理等服務。在上述二個架構(gòu)的基礎(chǔ)上，沉浸式智慧空間應用則直接面向讀者，提供沉浸式體驗服務。以混合組網(wǎng)為基礎(chǔ)的5G 沉浸式智慧空間系統(tǒng)架構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 5G 沉浸式智慧空間系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)架構(gòu)的各業(yè)務運行主要依托圖書館或校園數(shù)據(jù)中心。MEC 資源的就近部署，為沉浸式智慧空間應用提供了良好的計算和傳輸服務。網(wǎng)絡端到端時延有效控制在15 毫秒以內(nèi)，部分場景時延甚至小于10 毫秒。這可以充分滿足高清視頻、VR&AR 互動體驗、互動投影及5G 空間定位導航等業(yè)務發(fā)展需求。

基于混合式組網(wǎng)的5G 沉浸式智慧空間系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，至少從十個方面體現(xiàn)出應用技術(shù)優(yōu)勢，具體歸納為：①良好的網(wǎng)絡調(diào)用能力；②良好的網(wǎng)絡接入能力；③良好的專線擴展能力；④良好的業(yè)務部署能力；⑤良好的業(yè)務開放能力；⑥良好的自助管理能力；⑦良好的云邊協(xié)同能力；⑧良好的應用支撐能力；⑨良好的業(yè)務集成特性；⑩良好的運維管理特性。

5 5G 沉浸式智慧空間建設(shè)體系構(gòu)建

5.1 5G 沉浸式智慧空間建設(shè)路徑模型

在智慧圖書館建設(shè)中要從過程和結(jié)構(gòu)兩個維度構(gòu)建5G 融合應用智慧空間模型。（1）遵循系統(tǒng)開發(fā)規(guī)律，建立包括“應用現(xiàn)狀分析→應用需求分析→系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計→評估體系構(gòu)建→完善建設(shè)方案”五個階段動態(tài)流程的建設(shè)模式，分階段提出應用對策和解決方案。（2）以“業(yè)務需求”“用戶身份”“設(shè)備類型”“空間場景”為需求結(jié)構(gòu)性要素，以“行業(yè)典型案例”“5G特性”為技術(shù)結(jié)構(gòu)性要素，強調(diào)結(jié)構(gòu)性要素在整個系統(tǒng)周期的需求導向作用。（3）以項目建設(shè)的五個階段為載體，圍繞結(jié)構(gòu)要素需求，通過過程、結(jié)構(gòu)的雙向耦合，形成5G 融合應用的協(xié)同關(guān)系，其建設(shè)路徑模型如圖3 所示。

圖3 5G 沉浸式智慧空間建設(shè)路徑模型

5.2 5G 沉浸式智慧空間建設(shè)內(nèi)容

依據(jù)所構(gòu)建的5G 沉浸式智慧空間建設(shè)路徑模型，按照“先建設(shè)后使用”的原則，以中國礦大圖書館大樓5G 物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)為例，從“基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”（5G 轉(zhuǎn)網(wǎng)，5G 接入）和“典型場景應用”（沉浸式閱讀空間、空間定位導航、智能送書）兩個層面，進行全生命周期項目管理。5G 沉浸式智慧空間建設(shè)內(nèi)容如圖4 所示。

圖4 5G 沉浸式智慧空間建設(shè)內(nèi)容

在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)層面，從“建網(wǎng)”和“用網(wǎng)”角度，對“5G 專網(wǎng)建設(shè)”和“5G 物聯(lián)網(wǎng)接入”兩項內(nèi)容開展研究，形成相應解決方案。

（1）5G 專網(wǎng)建設(shè)。①針對“建筑結(jié)構(gòu)”、“功能分區(qū)”和“人員分布”等，進行建設(shè)需求分析；②整理與專網(wǎng)建設(shè)相關(guān)的5G 邊緣計算（MEC）、用戶面功能（UPF）和網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）、5G 基站等相關(guān)文獻，結(jié)合典型行業(yè)應用案例，進行技術(shù)路線研究；③完成系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、基站分布規(guī)劃和產(chǎn)品選型評估；④匯總研究成果，形成系統(tǒng)化的圖書館大樓5G 專網(wǎng)建設(shè)方案。

（2）5G 物聯(lián)網(wǎng)接入。①根據(jù)業(yè)務屬性和網(wǎng)絡接入特征，對圖書館物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進行定性分析；②整理5G、網(wǎng)絡安全等相關(guān)文獻，結(jié)合典型行業(yè)應用案例，進行技術(shù)路線研究；③完成系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、網(wǎng)絡安全規(guī)劃和產(chǎn)品選型評估；④匯總研究成果，形成普適性物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入方案。

在典型場景應用層面，根據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)研究成果，結(jié)合我校圖書館建設(shè)需求，著重對“5G 沉浸式閱讀空間”“5G 空間定位導航”“5G智能送書服務”三種典型場景應用開展，形成相應解決方案。

（1）5G 沉浸式閱讀空間。重點從“弧幕漫游”“魔墻互動”“AR&VR 互動體驗區(qū)”“全息互動投影”“特色資源加工”等五大特色應用開展。針對5G 特性，結(jié)合典型行業(yè)應用案例，進行技術(shù)路線研究。針對各應用完成系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、業(yè)務流程設(shè)計和產(chǎn)品選型評估。匯總研究成果，制定5G 沉浸式智慧空間建設(shè)方案。

（2）5G 空間定位導航。重點從“電子導視”“手機導航”“圖書導覽”等三個特色應用開展。整理室內(nèi)定位導航、5G 特性相關(guān)文獻，結(jié)合典型行業(yè)應用案例，進行技術(shù)路線研究。完成系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，業(yè)務流程設(shè)計和產(chǎn)品選型評估。匯總研究成果，制定5G 空間定位導航建設(shè)方案。

（3）5G 智能送書服務。課題借鑒物流無人配送系統(tǒng)的設(shè)計理念，在校園內(nèi)利用5G 智能送書車為讀者提供預約送書服務?！盁o人車”業(yè)界已有相對較為成熟的產(chǎn)品與技術(shù)，本研究主要借助5G網(wǎng)絡特性，結(jié)合典型行業(yè)應用案例，完成系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計和業(yè)務流程設(shè)計。匯總研究成果，制定5G 智能送書服務建設(shè)方案。

6 結(jié)語

以“5G 混合專網(wǎng)”為基礎(chǔ)的5G 沉浸式智慧空間系統(tǒng)架構(gòu)，有效降低了5G 專網(wǎng)部署和管理的復雜度，顯著提高了系統(tǒng)運行效率，切實增強了系統(tǒng)安全性。同時，5G 沉浸式智慧空間建設(shè)體系需求明確，規(guī)劃清晰，設(shè)計合理，可以為高校圖書館智慧空間建設(shè)及5G 技術(shù)在智慧圖書館的落地實施提供一定的思路和借鑒。對高校圖書館來講，5G 沉浸式智慧空間建設(shè)是一種全新的嘗試，需要不斷研究和完善。在項目推進過程中，要積極探索5G 與智慧圖書館融合發(fā)展的建設(shè)路徑、管理方式、推進模式和保障機制，創(chuàng)新建設(shè)和運營模式，注重激發(fā)圖書館活力，建立可持續(xù)發(fā)展機制。同時與二級學院、信息化管理部門、設(shè)備提供商、電信運營商等建立協(xié)同機制，群策群力，共謀創(chuàng)新發(fā)展之路。