云數(shù)智驅(qū)動(dòng)的孿生圖書(shū)館智慧學(xué)習(xí)空間構(gòu)建研究

中圖分類號(hào)：G250 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-1588（2025）06-0109-0.

國(guó)家圖書(shū)館于2024年發(fā)布的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)圖書(shū)館的年均空間利用率普遍較低，圖書(shū)館傳統(tǒng)的服務(wù)模式已無(wú)法滿足學(xué)習(xí)者的多元化需求。在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)與人工智能（以下簡(jiǎn)稱“云數(shù)智”深度融合的技術(shù)浪潮下，圖書(shū)館作為知識(shí)傳播的核心樞紐，正在經(jīng)歷數(shù)字化轉(zhuǎn)型與空間重構(gòu)的雙重變革。數(shù)字孿生技術(shù)是一項(xiàng)通過(guò)構(gòu)建物理空間的數(shù)字化鏡像，實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)空間實(shí)時(shí)交互的技術(shù)，為圖書(shū)館提供了新的智能化轉(zhuǎn)型路徑[1]

1 研究現(xiàn)狀

筆者系統(tǒng)梳理了云數(shù)智融合、數(shù)字孿生技術(shù)及智慧圖書(shū)館領(lǐng)域的研究成果，發(fā)現(xiàn)我國(guó)相關(guān)研究數(shù)量在近年來(lái)呈逐年遞增趨勢(shì)。中國(guó)知網(wǎng)的文獻(xiàn)計(jì)量分析結(jié)果顯示，這些領(lǐng)域的相關(guān)研究興起于2020年，論文發(fā)表量從2020年的5篇增至2025年的80篇，內(nèi)容主要聚焦于智慧圖書(shū)館體系架構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)用場(chǎng)景構(gòu)建等[2.3]。筆者于2025年1月15日以“數(shù)字孿生 + 智慧學(xué)習(xí)空間”為關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，僅檢索到7篇論文，其中與圖書(shū)館相關(guān)的僅有2篇；以“云數(shù)智融合 + 數(shù)字孿生 + 智慧圖書(shū)館”為關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，僅檢索到3篇論文?？梢钥闯?，在云數(shù)智深度融合的背景下，關(guān)于圖書(shū)館利用數(shù)字孿生技術(shù)打造智慧學(xué)習(xí)空間的研究仍處于起步探索階段，尚未形成成熟、系統(tǒng)的理論框架。

2 云數(shù)智及數(shù)字孿生的概念

隨著云數(shù)智的深度耦合，“三位一體”的技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)逐漸形成，人們擁有了與數(shù)字世界進(jìn)行實(shí)時(shí)交互的手段和渠道[4]。其中，云計(jì)算可提供大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理算力與存儲(chǔ)支持，大數(shù)據(jù)為該系統(tǒng)的核心資源，人工智能通過(guò)相關(guān)算法模型，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為智能應(yīng)用。這樣的技術(shù)體系重構(gòu)了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理范式，加速了各行各業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，推動(dòng)了智能化場(chǎng)景的全域構(gòu)建。

數(shù)字孿生（DigitalTwins，DT）技術(shù)是一項(xiàng)通過(guò)深度集成物理模型、實(shí)時(shí)傳感數(shù)據(jù)、運(yùn)行歷史等多源信息，經(jīng)跨學(xué)科、多物理量、多尺度及多概率仿真處理，在虛擬環(huán)境中構(gòu)建與物理實(shí)體精確對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)數(shù)字鏡像的技術(shù)[5]。數(shù)字孿生的核心內(nèi)涵包括以下三個(gè)方面：一是由實(shí)到虛，即將物理實(shí)體映射為數(shù)字孿生體，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體的數(shù)字化轉(zhuǎn)化。二是虛實(shí)互通，即依托物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)，使物理對(duì)象的幾何形狀、運(yùn)行狀態(tài)等信息在數(shù)字世界實(shí)時(shí)流通。三是以虛控實(shí)，即通過(guò)數(shù)字孿生體的控制和操作，精準(zhǔn)調(diào)節(jié)物理對(duì)象的狀態(tài)或行為，形成基于信息流與物理實(shí)體實(shí)時(shí)互動(dòng)的全產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈協(xié)同管理系統(tǒng)，推動(dòng)數(shù)字產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)型升級(jí)。

3智慧學(xué)習(xí)空間概述

智慧學(xué)習(xí)空間的概念可追溯至1988年羅納德·雷西尼奧首次提出的“SmartClassroom”理念，指融合多維度要素的，具有動(dòng)態(tài)性、交互性特點(diǎn)的學(xué)習(xí)場(chǎng)域，可為學(xué)習(xí)者提供優(yōu)質(zhì)、高效的學(xué)習(xí)體驗(yàn)[7.8]。自2008年起，智慧學(xué)習(xí)空間受到全世界的廣泛關(guān)注。隨著相關(guān)研究的持續(xù)深化，智慧學(xué)習(xí)空間的概念不斷擴(kuò)展，指引圖書(shū)館不斷樹(shù)立先進(jìn)的教育理念，利用現(xiàn)代智能技術(shù)構(gòu)建集學(xué)習(xí)、交流、創(chuàng)新等功能于一體的多功能智慧學(xué)習(xí)空間，為用戶提供海量的學(xué)習(xí)資源、便捷的學(xué)習(xí)工具和個(gè)性化的學(xué)習(xí)服務(wù)。廖波指出，智慧學(xué)習(xí)空間建設(shè)是圖書(shū)館“實(shí)體 + 系統(tǒng)”的創(chuàng)新實(shí)踐，旨在以“互聯(lián)網(wǎng) Φ+Φ^? 的思維實(shí)現(xiàn)信息資源的無(wú)縫銜接，提高服務(wù)效率[9。張曉蕾?gòu)?qiáng)調(diào)，圖書(shū)館應(yīng)基于信息技術(shù)架構(gòu)建設(shè)智慧學(xué)習(xí)空間，即利用智能技術(shù)構(gòu)建交互性、靈活性、適應(yīng)性較強(qiáng)的虛擬環(huán)境，滿足學(xué)習(xí)者的多樣化需求[10]。楊柳將智慧學(xué)習(xí)空間界定為虛擬空間，認(rèn)為圖書(shū)館建設(shè)智慧學(xué)習(xí)空間的目的是滿足學(xué)習(xí)者的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求，為他們提供靈活便捷的學(xué)習(xí)體驗(yàn)[1]。王云弟等提出，智慧學(xué)習(xí)環(huán)境能夠自動(dòng)化地感知情境，并精準(zhǔn)識(shí)別學(xué)習(xí)者的行為特征[12]。筆者認(rèn)為，智慧學(xué)習(xí)空間是圖書(shū)館利用智能技術(shù)構(gòu)建的虛實(shí)融合型學(xué)習(xí)環(huán)境，旨在以技術(shù)賦能的方式實(shí)現(xiàn)資源、服務(wù)與用戶需求的深度適配與精準(zhǔn)對(duì)接。

4數(shù)字孿生圖書(shū)館的內(nèi)涵與運(yùn)行機(jī)制

數(shù)字孿生圖書(shū)館是圖書(shū)館利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建的智慧圖書(shū)館新形態(tài)，實(shí)現(xiàn)了圖書(shū)館現(xiàn)實(shí)空間與虛擬空間的實(shí)時(shí)雙向映射及深度協(xié)同，有助于圖書(shū)館合理配置空間資源，挖掘用戶的行為數(shù)據(jù)，為他們提供個(gè)性化服務(wù)，推動(dòng)智慧圖書(shū)館建設(shè)[13]。數(shù)字孿生圖書(shū)館的核心架構(gòu)分為五個(gè)關(guān)鍵部分，分別為物理實(shí)體圖書(shū)館、虛擬鏡像圖書(shū)館、圖書(shū)館孿生大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生服務(wù)及信息數(shù)據(jù)通道[14]。在運(yùn)行機(jī)制方面，圖書(shū)館大量采集數(shù)據(jù)，向核心數(shù)據(jù)庫(kù)輸入信息，數(shù)字孿生圖書(shū)館利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真及雙向?qū)崟r(shí)映射，以實(shí)現(xiàn)虛實(shí)交互。數(shù)字孿生服務(wù)體系通過(guò)大數(shù)據(jù)分析的方式，生成資源調(diào)度與服務(wù)優(yōu)化策略，為圖書(shū)館提供決策支持。信息數(shù)據(jù)通道可保障物理實(shí)體圖書(shū)館與虛擬鏡像圖書(shū)館的信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和雙向互動(dòng)，為數(shù)字孿生圖書(shū)館的高效運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。數(shù)字孿生圖書(shū)館核心架構(gòu)的各部分通過(guò)數(shù)據(jù)采集、驅(qū)動(dòng)、服務(wù)反饋等形成迭代優(yōu)化閉環(huán)，能夠持續(xù)完善數(shù)字孿生圖書(shū)館服務(wù)體系，推動(dòng)圖書(shū)館智慧服務(wù)模式構(gòu)建。

5基于數(shù)字孿生的圖書(shū)館智慧學(xué)習(xí)空間架構(gòu)

筆者基于數(shù)字孿生體的實(shí)時(shí)映射、動(dòng)態(tài)仿真及智能決策等特性，構(gòu)建了由物理實(shí)體空間層、云端服務(wù)層及數(shù)字孿生空間層構(gòu)成的三層動(dòng)態(tài)協(xié)同的數(shù)字孿生圖書(shū)館智慧學(xué)習(xí)空間架構(gòu)，以期能夠突破圖書(shū)館在物理空間與數(shù)字資源方面的二元對(duì)立，實(shí)現(xiàn)圖書(shū)館物理空間、虛擬空間與服務(wù)體系的深度協(xié)同，形成虛實(shí)相融的智慧服務(wù)生態(tài)，解決圖書(shū)館資源配置效率低下及服務(wù)模式同質(zhì)化等核心問(wèn)題[15]

5.1 物理實(shí)體空間層

物理實(shí)體空間層是數(shù)字孿生圖書(shū)館智慧學(xué)習(xí)空間架構(gòu)的基礎(chǔ)支撐體系。筆者基于數(shù)字孿生五維模型（MDT）與空間句法理論，構(gòu)建了包含“人、機(jī)、物、環(huán)境”四元要素的智慧化基底基礎(chǔ)框架。在物理空間層優(yōu)化方面，圖書(shū)館應(yīng)全面考量人力資源配置、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、空間布局規(guī)劃等要素。

在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，圖書(shū)館應(yīng)關(guān)注空間設(shè)計(jì)，完善館內(nèi)基礎(chǔ)硬件設(shè)施，并配置網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)設(shè)備，為數(shù)字孿生圖書(shū)館智慧學(xué)習(xí)空間提供穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境；利用“ BIM+GIS ”建模技術(shù)構(gòu)建高精度的三維空間模型，引進(jìn)模數(shù)化家具系統(tǒng)，提高智慧學(xué)習(xí)空間的智能化水平。在空間布局優(yōu)化方面，圖書(shū)館應(yīng)以用戶需求與行為數(shù)據(jù)為導(dǎo)向，基于NSGA-II算法構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化模型，不斷提高空間利用率和用戶舒適度，降低運(yùn)維成本。在智能體系部署方面，圖書(shū)館應(yīng)引進(jìn)集成化的智能服務(wù)終端、數(shù)據(jù)傳感設(shè)備、安全監(jiān)控設(shè)備等，實(shí)時(shí)采集用戶的行為數(shù)據(jù)及環(huán)境參數(shù)，為數(shù)字孿生空間層提供數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)物理圖書(shū)館空間狀態(tài)向虛擬圖書(shū)館的實(shí)時(shí)映射。

5.2 云端服務(wù)層

云端服務(wù)層是數(shù)字孿生圖書(shū)館的智能決策中樞。筆者基于數(shù)字孿生五維模型與服務(wù)科學(xué)理論，構(gòu)建了包含數(shù)據(jù)治理、智能算法、安全架構(gòu)的三維技術(shù)體系。圖書(shū)館可部署物聯(lián)網(wǎng)邊緣網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)傳輸中間件，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體空間層與數(shù)字孿生空間層的毫秒級(jí)數(shù)據(jù)交互；部署全域感知系統(tǒng)，利用UWB定位基站、壓力傳感陣列及環(huán)境傳感器，構(gòu)建集學(xué)習(xí)者行為軌跡、資源利用狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)等要素于一體的數(shù)據(jù)采集體系；利用數(shù)據(jù)處理模塊搭建PB級(jí)分布式存儲(chǔ)平臺(tái)，整合圖書(shū)館元數(shù)據(jù)、用戶行為日志及孿生模型數(shù)據(jù)，并利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)用戶的行為和需求[6];利用知識(shí)圖譜技術(shù)構(gòu)建資源調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)跨模態(tài)資源的智能匹配；采用零信任架構(gòu)，部署防火墻、入侵檢測(cè)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)加密系統(tǒng)，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，形成“感知一分析一決策”的智能服務(wù)閉環(huán)。

5.3數(shù)字孿生空間層

數(shù)字孿生空間層是物理圖書(shū)館的智慧鏡像系統(tǒng)。筆者基于數(shù)字孿生五維模型及時(shí)空數(shù)據(jù)模型（STM），構(gòu)建了高度精準(zhǔn)且功能完備的物理圖書(shū)館數(shù)字鏡像體系，以期實(shí)現(xiàn)物理圖書(shū)館與虛擬圖書(shū)館的雙向?qū)崟r(shí)映射及智能協(xié)同。圖書(shū)館可利用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)傳感器及數(shù)據(jù)采集技術(shù)，實(shí)時(shí)采集圖書(shū)館的環(huán)境參數(shù)、資源分布及用戶行為數(shù)據(jù)，并傳輸至云端服務(wù)層進(jìn)行深度分析與處理，為智慧學(xué)習(xí)空間的動(dòng)態(tài)調(diào)整及優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐，保障數(shù)字孿生圖書(shū)館的狀態(tài)一致性。此外，圖書(shū)館還可利用相關(guān)算法模型，分析、模擬歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)用戶的資源、服務(wù)、空間使用趨勢(shì)，為空間布局優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，提升用戶的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

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（編校：馮耕）

收稿日期：2025-05-09

作者簡(jiǎn)介：劉紅芝（1980—），副研究館員;張冬梅（1981—），副研究館員;尹志強(qiáng)（1983—），副研究館員;喬紅麗（1974—），研究館員。

"本文系2023年度省教育廳高校哲學(xué)社會(huì)科學(xué)研究基金項(xiàng)目“大數(shù)據(jù)時(shí)代多技術(shù)融合下智慧圖書(shū)館服務(wù)模式與質(zhì)量評(píng)價(jià)研究”的階段性研究成果之一，項(xiàng)目編號(hào)：2023SJYB1124。