數(shù)字孿生智慧圖書館：構(gòu)成要素、應(yīng)用場景與運行機理

摘要：數(shù)字孿生技術(shù)展現(xiàn)出較大發(fā)展?jié)摿?，將其?yīng)用于智慧圖書館建設(shè)能進一步推動圖書館轉(zhuǎn)型進程。文章闡述了數(shù)字孿生技術(shù)的概念和特征，從圖書館物理實體、數(shù)字孿生模型、數(shù)字孿生服務(wù)系統(tǒng)和圖書館孿生大數(shù)據(jù)四方面闡釋了數(shù)字孿生智慧圖書館的構(gòu)成要素，并從孿生館員服務(wù)、虛擬創(chuàng)意空間、數(shù)字記憶平臺三個方面對數(shù)字孿生智慧圖書館的應(yīng)用場景進行了描述，最后從需求牽引機理、創(chuàng)新驅(qū)動機理、協(xié)同合作機理三個方面探究了數(shù)字孿生智慧圖書館的運行機理。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；智慧圖書館；應(yīng)用場景；運行機理

中圖分類號：G250.76文獻標(biāo)識碼：A

Digital Twin Smart Libraries：Components，Application Scenarios，and Operating Mechanisms

Abstract Digital twin technology demonstrates significant development potential，and its application in the construction of smart libraries can further drive the transformation of libraries.This paper explains the concept and characteristics of digital twin technology，elaborating on the components of digital twin smart libraries from four aspects：library physical entities，digital twin models，digital twin service systems，and library twin big data.The application scenarios of digital twin smart libraries are described from three perspectives：twin librarian services，virtual creative spaces，and digital memory platforms.Finally，the operational mechanisms of digital twin smart libraries are explored from three dimensions："demand-driven mechanisms，innovation-driven mechanisms，and collaborative mechanisms.

Keywords digital twin;smart library;application scenarios;operating mechanisms

數(shù)字經(jīng)濟作為新經(jīng)濟的重要內(nèi)容，逐漸成為推動經(jīng)濟增長、引領(lǐng)轉(zhuǎn)型升級的核心引擎與關(guān)鍵力量，占據(jù)了全球新一輪產(chǎn)業(yè)競爭的制高點。隨著大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及物聯(lián)網(wǎng)、人工智能（Artificial Intelligence，AI）、擴展現(xiàn)實（Extended Reality，XR）等先進信息技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，數(shù)字孿生技術(shù)開始應(yīng)用于不同領(lǐng)域，并展現(xiàn)出較大發(fā)展?jié)摿Α．?dāng)下，將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于智慧圖書館建設(shè)，在圖書館領(lǐng)域是一個新興的研究課題，必將為用戶提供更為個性化、優(yōu)質(zhì)的信息服務(wù)，進一步推動圖書館數(shù)字化轉(zhuǎn)型進程。

1數(shù)字孿生技術(shù)的概念和特征

數(shù)字孿生目前尚無統(tǒng)一定義，但學(xué)術(shù)界主流觀點均圍繞物理實體與數(shù)字化模型的緊密映射與交互，認為其核心在于利用建模、仿真、感知、計算等信息技術(shù)，創(chuàng)建物理實體的虛擬鏡像，以實現(xiàn)對物理對象的模擬、預(yù)測、優(yōu)化和管控。目前的研究從不同角度闡釋了數(shù)字孿生的內(nèi)涵，《數(shù)字孿生白皮書（2019）》認為它是物理與賽博空間的交互映射[1]；陶飛等人認為它是一種以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬模型的新能力[2]；周瑜等人認為它是構(gòu)建與物理實體完全對應(yīng)的數(shù)字化對象的技術(shù)、過程和方法[3]；劉大同等人認為它是在信息化平臺內(nèi)建立、模擬一個物理實體、流程或者系統(tǒng)[4]。綜上，筆者將數(shù)字孿生的定義概括為：在信息化平臺內(nèi)，通過集成物理模型、傳感器數(shù)據(jù)、運行歷史等信息，對物理實體進行全面的數(shù)字化映射，從而在虛擬空間中創(chuàng)建一個與物理實體高度一致、能夠?qū)崟r反映其狀態(tài)并與之交互的數(shù)字模型。這個模型如同物理實體的“雙胞胎”，能夠在數(shù)字世界中模擬物理實體的行為，預(yù)測其性能，優(yōu)化其運行，為物理實體的設(shè)計、制造、運維等提供決策支持。

數(shù)字孿生作為現(xiàn)代智能系統(tǒng)的核心，依托于一系列關(guān)鍵技術(shù)得以實現(xiàn)[5]（見圖1），呈現(xiàn)出以下四大技術(shù)特征：（1）虛實共生。數(shù)字孿生技術(shù)分為初、中、高三個階段。在初級階段，實現(xiàn)實體原型（實體端）轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字模型（虛擬端），但兩者之間依賴人工數(shù)據(jù)傳輸；在中級階段，實現(xiàn)兩者之間數(shù)據(jù)同步更新，但虛擬端尚未能主動完成對實體端的數(shù)據(jù)傳輸；在高級階段，通過數(shù)字線程技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動流動和智能決策，形成真正的虛實共生。（2）虛擬仿真。在5G和云計算支持下，數(shù)字孿生技術(shù)根據(jù)對象和階段需求，構(gòu)建與實物相似或超越實物的數(shù)字模型，運用情境感知技術(shù)，定制化提供專用數(shù)字孿生體，提供高度逼真的實體虛擬仿真。（3）實時交互。數(shù)字孿生技術(shù)通過采集、分析底層數(shù)據(jù)，在表層呈現(xiàn)實時、直觀的可視化仿真模型，并與沉浸式技術(shù)（如可穿戴技術(shù)、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、腦機融合感知技術(shù)等）融合，為用戶提供多維體驗。（4）深度洞察。隨著大數(shù)據(jù)和AI技術(shù)的進步，數(shù)字孿生技術(shù)將賦予虛擬實體自主學(xué)習(xí)能力，形成共生知識空間。在智能生態(tài)中，數(shù)字孿生技術(shù)使萬物智慧化，用戶可創(chuàng)建虛擬化身，通過AI訓(xùn)練和交互學(xué)習(xí)，滿足需求，提供情境認知和洞察[6]。

2數(shù)字孿生智慧圖書館的構(gòu)成要素分析

數(shù)字孿生智慧圖書館利用感知、計算、建模等先進信息技術(shù)，構(gòu)建一個與圖書館物理實體完全對應(yīng)的虛擬體系，由四大核心要素組成：圖書館物理實體、數(shù)字孿生模型、數(shù)字孿生服務(wù)系統(tǒng)以及圖書館孿生大數(shù)據(jù)（見圖2）。這四個要素緊密相連，共同構(gòu)成了數(shù)字孿生智慧圖書館的運行基礎(chǔ)。

2.1圖書館物理實體

圖書館物理實體作為數(shù)字孿生智慧圖書館的物理基礎(chǔ)，包括圖書館建筑、館藏圖書、設(shè)備設(shè)施（如書架、智能終端等）以及區(qū)域空間等。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在上述物理實體上安裝相應(yīng)的傳感器、RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別）標(biāo)簽等，實現(xiàn)物理實體的數(shù)字化標(biāo)識與互聯(lián)互通，為構(gòu)建數(shù)字孿生模型提供集成數(shù)據(jù)[7]。數(shù)字孿生模型通過模擬仿真后計算出最優(yōu)執(zhí)行策略，并將其轉(zhuǎn)化為各種數(shù)字化任務(wù)指令，下達給圖書館物理實體執(zhí)行。為了順利完成任務(wù)指令，圖書館物理實體需要具備較強的智能化，能夠自動采集多元異構(gòu)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能互聯(lián)以及實時感知交互。同時還要構(gòu)建一個融合“人-機-物-環(huán)境”的綜合性運營體系，保障人員、機器、物體和環(huán)境之間緊密協(xié)作，有效促進圖書館的高效、智能化運行[8]。

2.2數(shù)字孿生模型

圖書館數(shù)字孿生模型，是基于圖書館物理實體的數(shù)據(jù)采集，運用3D建模、模擬仿真等技術(shù)，創(chuàng)建的一個虛擬的、數(shù)字化的圖書館副本，能夠精準(zhǔn)反映圖書館物理實體的特征和功能。數(shù)字孿生模型對圖書館中人員、設(shè)備、物品以及環(huán)境等元素進行了數(shù)字化表示和模型構(gòu)建，能夠?qū)崟r反映圖書館物理實體的狀態(tài)、位置、屬性等基本信息；對圖書館的建設(shè)、管理和服務(wù)活動中的時間序列、并發(fā)事件和相互關(guān)系進行了詳細的映射和模擬，能夠通過復(fù)雜的算法模擬和預(yù)測圖書館物理實體在未來的行為和狀態(tài)；根據(jù)圖書館的復(fù)雜運作和發(fā)展規(guī)律，數(shù)字孿生模型建立了一套規(guī)則體系，用于指導(dǎo)執(zhí)行任務(wù)、進行優(yōu)化、預(yù)測未來趨勢、追溯問題根源以及評估服務(wù)效果。

2.3數(shù)字孿生服務(wù)系統(tǒng)

數(shù)字孿生服務(wù)系統(tǒng)是整個服務(wù)模型的智慧大腦，是數(shù)字孿生智慧圖書館運行過程中業(yè)務(wù)邏輯（如數(shù)據(jù)、服務(wù)、應(yīng)用、模型、業(yè)務(wù)與規(guī)則等）和功能模塊（如接口、中間件、業(yè)務(wù)引擎、工具模塊等）的集合[9]，實現(xiàn)對智慧圖書館運營管理的全面智能化。通過對海量數(shù)據(jù)的深度挖掘與科學(xué)分析，系統(tǒng)能夠預(yù)測未來趨勢，優(yōu)化資源調(diào)配，有效提升服務(wù)效率，為用戶提供更為個性化、專業(yè)、優(yōu)質(zhì)的服務(wù)體驗。同時利用VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實）、AR（Augmented Reality，增強現(xiàn)實）等前沿技術(shù)，系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)用戶與數(shù)字虛擬模型的深度交互，讓用戶在獲取優(yōu)質(zhì)服務(wù)的同時獲得充分的沉浸式體驗。此外，系統(tǒng)具有持續(xù)學(xué)習(xí)和自我完善的功能，能夠不斷優(yōu)化和更新迭代，以滿足圖書館日益增長的需求。

2.4圖書館孿生大數(shù)據(jù)

圖書館孿生大數(shù)據(jù)主要包括圖書館實體數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)、運營數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)和交互數(shù)據(jù)（見表1）。通過對圖書館各類數(shù)據(jù)的收集與整理、融合與存儲、處理與分析、反饋與再利用等，能夠有效優(yōu)化圖書館服務(wù)流程，提升其服務(wù)質(zhì)量。如通過分析用戶基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，能夠有針對性地推薦相關(guān)信息資源，提升用戶滿意度；通過實時監(jiān)控和分析圖書館日常運營數(shù)據(jù)，能夠有效控制成本，實現(xiàn)資源的最優(yōu)利用，還能夠及時發(fā)現(xiàn)異常行為，解決運營中出現(xiàn)的問題，提高安全管理水平；通過收集用戶反饋和行為數(shù)據(jù)，能夠不斷改進圖書館服務(wù)，提升用戶滿意度和體驗?？傊瑘D書館孿生大數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生智慧圖書館智能化的關(guān)鍵，它通過全面、科學(xué)的數(shù)據(jù)分析，為數(shù)字孿生智慧圖書館的有效改進和持續(xù)發(fā)展提供強勁的動力支持。

3數(shù)字孿生智慧圖書館的應(yīng)用場景

數(shù)字孿生技術(shù)在智慧圖書館中的應(yīng)用場景非常廣泛，它可以成為連接過去與未來、現(xiàn)實與虛擬的橋梁，從而進一步推動圖書館智能化進程。本文以一些圖書館的實踐為例，重點從孿生館員服務(wù)、虛擬創(chuàng)意空間、數(shù)字記憶平臺三個方面對數(shù)字孿生智慧圖書館的應(yīng)用場景進行分析。

3.1孿生館員服務(wù)：智能交互與個性化推薦

孿生館員服務(wù)是數(shù)字孿生技術(shù)在智慧圖書館中的重要應(yīng)用場景。通過構(gòu)建數(shù)字孿生模型，把館員的日常工作環(huán)境進行數(shù)字化模擬，打造虛擬館員形象，利用自然語言處理、機器學(xué)習(xí)等算法實現(xiàn)與用戶的智能交互，為用戶提供24小時不間斷服務(wù)。孿生館員不但可以為用戶提供傳統(tǒng)的信息咨詢、資源檢索等服務(wù)，還能夠依據(jù)用戶的歷史數(shù)據(jù)和偏好，提供個性化、專業(yè)化的信息資源推薦和定制服務(wù)[10]。例如，2023年重慶圖書館開放了“智慧重圖微體驗區(qū)”，整個微體驗區(qū)引入了數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)分析、AI等先進技術(shù)，設(shè)置了八個智慧服務(wù)場景，讀者需要查找圖書時，就可以在“智慧小圖”服務(wù)場景區(qū)內(nèi)直接同三維高仿真虛擬數(shù)字館員對話。這個虛擬數(shù)字館員除了可以聊天，還能幫助讀者查詢館內(nèi)的情況，充當(dāng)場館導(dǎo)覽，幫助讀者查找書目，并依據(jù)用戶需求實施多維智能評價，為其提供個性化推薦服務(wù)。

3.2虛擬創(chuàng)意空間：虛擬環(huán)境與沉浸式體驗

虛擬創(chuàng)意空間是數(shù)字孿生技術(shù)在智慧圖書館中的另一個重要應(yīng)用場景。數(shù)字孿生智慧圖書館通過XR技術(shù)、智能傳感、全息仿真等技術(shù)，把圖書館的休閑區(qū)域進行虛擬再現(xiàn)，利用數(shù)字孿生技術(shù)在虛擬空間里設(shè)置虛擬棋類游戲等互動游戲和娛樂項目，為用戶提供豐富的文化娛樂活動。四川大學(xué)圖書館“XR創(chuàng)意空間”是一個利用XR技術(shù)為用戶提供沉浸式3D虛擬現(xiàn)實交互體驗的創(chuàng)新平臺。它預(yù)裝了醫(yī)學(xué)、工程技術(shù)、藝術(shù)等領(lǐng)域的不同應(yīng)用，讓用戶獲得空間計算開發(fā)、應(yīng)用以及快速創(chuàng)建3D模型等前沿技術(shù)的實踐機會。用戶通過佩戴XR設(shè)備進入虛擬環(huán)境，智能傳感器通過識別用戶的手勢和姿態(tài)，實時優(yōu)化調(diào)整虛擬環(huán)境中的交互方式，讓用戶體驗更為流暢自然。在沉浸式體驗過程中，用戶可以運用簡單手勢與屏幕中的3D虛擬對象自由互動，也可以用手指在虛擬畫布上繪圖和涂鴉，把傳統(tǒng)繪畫轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字繪畫。

3.3數(shù)字記憶平臺：歷史文化與數(shù)字化傳承

數(shù)字記憶平臺是數(shù)字孿生技術(shù)在發(fā)揮圖書館歷史文化傳承價值方面的重要應(yīng)用。數(shù)字孿生智慧圖書館可以利用3D建模等數(shù)字化技術(shù)手段，把圖書館的珍貴文獻、歷史資料等進行超精細的數(shù)字化復(fù)原，建立數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)物理文獻的虛擬復(fù)制品，并構(gòu)建一個以數(shù)字孿生技術(shù)為基礎(chǔ)，涵蓋圖書館珍貴文獻、歷史文物、地方文化資源等多方面內(nèi)容的數(shù)字記憶平臺，實現(xiàn)館藏資源長期保存和可訪問獲取。用戶通過數(shù)字記憶平臺的個性化交互界面，自由瀏覽和訪問這些數(shù)字文化資源，感受歷史的厚重與文化的魅力。數(shù)字記憶平臺還能夠為教育和研究提供豐富的資源支持，提高用戶教學(xué)和科研水平[11]。例如，武漢大學(xué)圖書館擁有古籍雕版、碑帖拓片、民國報刊等豐富的古籍特藏資源，它運用高分辨率的掃描和影像處理技術(shù)，把大部分古籍特藏資源原本的形態(tài)和內(nèi)容精準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為數(shù)字格式，實現(xiàn)對古籍特藏資源的再生性保護，同時采用數(shù)字孿生技術(shù)，將古籍?dāng)?shù)字化技術(shù)與XR技術(shù)進行結(jié)合，打造數(shù)字記憶平臺，使得古籍資源能夠以數(shù)字化的三維形式呈現(xiàn)，并為用戶提供了高效快捷的在線訪問途徑和直觀生動的互動體驗，讓古籍特藏資源能夠跨越時空限制，被更多用戶所了解和應(yīng)用，助力古籍特藏資源的傳承和普及。

4數(shù)字孿生智慧圖書館的運行機理

4.1需求牽引機理：用戶導(dǎo)向

需求決定服務(wù)?！耙杂脩魹橹行摹笔菙?shù)字孿生智慧圖書館運行與優(yōu)化的核心牽引力。數(shù)字經(jīng)濟環(huán)境中的用戶對圖書館服務(wù)的需求日益多元化、專業(yè)化和個性化，數(shù)字孿生技術(shù)通過創(chuàng)建圖書館物理實體的虛擬副本，能夠?qū)崟r監(jiān)控用戶行為數(shù)據(jù)，科學(xué)分析、合理預(yù)測用戶未來的信息需求并提供有針對性的服務(wù)。如針對視力障礙用戶，數(shù)字孿生智慧圖書館可通過建立數(shù)字三維模型將圖書館室內(nèi)空間進行立體還原，結(jié)合室內(nèi)定位技術(shù)，使視力障礙用戶依靠可穿戴設(shè)備獲取當(dāng)前位置信息和前往目的地的具體指引，實現(xiàn)在區(qū)域內(nèi)自主通行；針對居住在偏遠地區(qū)的用戶，數(shù)字孿生智慧圖書館能夠通過構(gòu)建虛擬的圖書館場館模型，使用戶可以在虛擬環(huán)境中進行閱覽，提前了解講座和研討會的場地布局和設(shè)施情況，同時還可以借助遠程訪問服務(wù)參與在線講座和研討會，享受與現(xiàn)場學(xué)習(xí)相同的服務(wù)。通過數(shù)字孿生技術(shù)，智慧圖書館能夠更好地滿足不同用戶群體的需求，實現(xiàn)知識共享和文化普及的目標(biāo)。

4.2創(chuàng)新驅(qū)動機理：技術(shù)引領(lǐng)

創(chuàng)新是數(shù)字孿生智慧圖書館運行的動力源泉。圖書館通過數(shù)字孿生的核心技術(shù)，如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、云邊協(xié)同、3D建模、模擬仿真、XR、AI等技術(shù)，創(chuàng)新智慧圖書館的服務(wù)模式和管理方法。但目前有些技術(shù)尚未成熟，還需要不斷加強技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新，完善技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。此外，還需要轉(zhuǎn)變思維模式和角色定位。國家應(yīng)出臺相關(guān)政策，明確數(shù)字孿生智慧圖書館的發(fā)展目標(biāo)和方向，為技術(shù)研發(fā)和服務(wù)創(chuàng)新提供必要的政策支持和資金保障，組織專家學(xué)者共同制定和完善數(shù)字孿生技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，為技術(shù)的推廣應(yīng)用提供統(tǒng)一指導(dǎo)，為不同系統(tǒng)之間的兼容性問題提供解決方案。同時智慧館員也應(yīng)主動投入研究和實踐之中，由“被動接受者”轉(zhuǎn)變?yōu)椤昂献鏖_發(fā)者”，與技術(shù)人員共同探索數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于智慧圖書館服務(wù)的場景和模式，并且通過參加業(yè)務(wù)培訓(xùn)、專題講座和學(xué)術(shù)研討會等方式，不斷提升自己的專業(yè)能力和綜合素質(zhì)[12]。

4.3協(xié)同合作機理：生態(tài)系統(tǒng)

在推動數(shù)字孿生智慧圖書館的運行發(fā)展過程中，協(xié)同合作顯得尤為重要。數(shù)字孿生技術(shù)本身就是不同學(xué)科交融的產(chǎn)物，包括計算機科學(xué)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)分析等不同領(lǐng)域的知識，這就要求圖書館在創(chuàng)新過程中，主動與科技公司、技術(shù)供應(yīng)商、研究機構(gòu)、高校等多方協(xié)同合作，把前沿技術(shù)與智慧圖書館服務(wù)相結(jié)合，共同構(gòu)建數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)，以獲取更多的資源和技術(shù)支持，改變以往被動選擇的局面，盡可能設(shè)計滿足需求的服務(wù)項目或產(chǎn)品，減少因重復(fù)建設(shè)帶來的資源浪費和成本高昂等問題，強化自身的競爭力。特別是加強館際合作，這是降低單館建設(shè)壓力的重要途徑之一。目前大部分圖書館僅靠自身所擁有的人力、物力和財力資源尚難以達到數(shù)字孿生智慧圖書館的建設(shè)要求，因此需要圖書館之間通力協(xié)作，共同打造無所不在、無時不在的泛在化服務(wù)生態(tài)系統(tǒng)。

5結(jié)語

數(shù)字孿生技術(shù)以其強大的數(shù)據(jù)集成、實時同步和智能決策能力，為智慧圖書館的建設(shè)提供了新視角和技術(shù)支持。數(shù)字孿生智慧圖書館建設(shè)尚屬起步階段，目前在實踐上取得了一些階段性成果，如甘肅省圖書館的“智慧甘圖綜合管理平臺”、溫州市圖書館的“智慧城市書房”、重慶圖書館的“智慧重圖微體驗區(qū)”、四川大學(xué)圖書館的“XR創(chuàng)意空間”等。這些成功案例不但驗證了數(shù)字孿生技術(shù)在智慧圖書館服務(wù)中的有效性和可行性，也為未來數(shù)字孿生智慧圖書館的建設(shè)發(fā)展提供了寶貴的實踐經(jīng)驗。伴隨著數(shù)字孿生技術(shù)的深入推廣，數(shù)字孿生智慧圖書館將成為圖書館發(fā)展的一個新趨勢，為用戶帶來更為便捷、專業(yè)、智能的服務(wù)體驗。

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作者簡介：王利利，呂梁學(xué)院圖書館館員，研究方向為圖書館管理、閱讀推廣、數(shù)字圖書館等。

收稿日期：2024-09-05

編校：李萍 俞月麗