基于數字孿生的智慧圖書館數據融合研究

李慶華 洪麗平 徐姍姍 楊榮成

摘 要：文章介紹數字孿生及其特征，闡述智慧圖書館數據融合的必要性，分析基于數字孿生的智慧圖書館數據融合體系及框架，提出數字孿生數據融合的智慧應用場景。研究發現數字孿生技術為圖書館數據融合打開新局面，對未來圖書館建設具有重大價值。

關鍵詞：數字孿生；數據融合；智慧應用；智慧圖書館

中圖分類號：G250.76文獻標識碼：A 文章編號：1003-7136（2023）04-0036-06

Research on Smart Library Data Fusion Based on Digital Twin

LI Qing-hua，HONG Li-ping，XU Shan-shan，YANG Rong-cheng

Abstract：This paper introduces digital twin and its characteristics， expounds the necessity of data fusion in smart library， analyzes the data fusion system and framework of smart library based on digital twin， and puts forward the intelligent application scenario of digital twin data fusion.The research finds that digital twin technology opens up a new situation for library data fusion， which is of great value to the future library construction.

Keywords：digital twin;data fusion;intelligent application；smart library

0 引言

科技及網絡技術的進步，讓社會各領域得到飛速的發展。圖書館智慧化建設在區塊鏈、云計算、大數據、6G等技術的加持下正如火如荼地進行。為了實現智慧泛在這一目標，智慧圖書館建設需要利用好其豐富的文獻、知識、服務等各類數據。數字孿生能夠將對象、模型及數據進行鏡像，為圖書館行業數據融合提供新的方向，將智慧圖書館建設推向一個新的高度。基于此視角，本文結合數字孿生技術特征和智慧圖書館建設的需要，重點研究數字孿生技術在數據融合方面的應用。

1 基本概念及相關研究

1.1 數字孿生和特征

數字孿生（Digital Twin）最早源于1969年阿波羅計劃，此后不斷發展，經過近半個世紀的發展有了數字孿生的概念，并成為十大戰略技術趨勢，被全世界關注^［1］。其中，2012 年美國航空航天局（NASA）給出了數字孿生的概念描述：充分利用傳感器、物理模型、運行及歷史等數據，集成多學科、多尺度、多維度的仿真過程，它是實體對象在虛擬空間中的鏡像，能夠反映相對應物理實體的全生命周期過程。也有學者從產品的角度提出數字孿生主要由產品的設計數據、產品服務數據以及產品退役和報廢數據等組成^［2］。數字孿生技術已不僅僅是理論研究，還因其普遍適用性應用于各個領域，如航天航空、產品全周期管理、建筑工程、醫學分析等。

通過對數字孿生概念、組成、進展及應用等方面文獻的研讀，總結概括數字孿生技術特點如下。

（1）高保真全對象映射。這是數字孿生主要的特征，通過傳感器等感知設備能夠對物理實體的環境數據、業務數據、維護數據、運行數據等進行1∶1的高保真虛擬映射，形成虛擬鏡像模型。不僅如此，物理實體的模型、行為邏輯、業務過程、狀態變化等全對象都可被映射，在數字世界中能夠全面呈現物理實體的狀態和行為。

（2）共生演進。數字孿生技術的實時數據能力，使孿生體可精準、動態反映物理對象的狀態變化，并貫穿于物理對象運行的始終。孿生體通過實時數據對孿生對象的環境、服務等方面，從設計、實施、運營到停止的整個周期進行數據同步，孿生體可隨孿生對象共同生長，不斷演進、更新。

（3）全生命周期。數字孿生技術讓所有環節具備完整豐富的信息，按照統一的開放標準建立規范和語義化的數字化模型，各環節的模型都能夠及時進行關鍵數據的雙向同步和溝通。基于這些覆蓋孿生對象全生命周期的數據流，保障了以統一模型為核心的運營貫穿始終。

（4）閉環優化。數字孿生打破以往單向數字化的壁壘，實現孿生體和孿生對象間的雙向交互關系。數字孿生中大量的歷史、實時數據，結合先進的算法模型，有效地反映物理實體的狀態和行為。基于分析與仿真對物理實體發送優化指令或策略，實現對物理實體決策優化功能的閉環。

1.2 智慧圖書館

現階段智慧圖書館研究及建設都處于欣欣向榮的繁盛期。國內外智慧圖書館研究主要集中在技術與實踐應用、智慧服務、館員培養、圖書館管理、理論研究和智慧圖書館發展與建設六個方面^［3］。其中技術與實踐應用與智慧圖書館發展建設是智慧圖書館研究的主要方面。例如從對象視圖等層面探討基于邊緣計算的公共圖書館智慧化建設路徑^［4］；結合區塊鏈的技術特征，將其應用于圖書館的數字資源管理^［5］；設計出基于物聯網技術的智慧圖書館書目管理系統，用于提升書目分類管理準確性與管理效率^［6］；利用“大數據+小數據”模式構建用戶畫像模型，實現智慧圖書館海量學習資源與用戶確實需求之間的精準匹配^［7］；以人工智能三大基礎要素為切入點，實現圖書的智慧采訪^［8］。

此外，因數字孿生技術的特點為解決智慧圖書館的各類問題提供了新的視角，從而涌現出大量數字孿生與智慧圖書館的相關研究。例如將數字孿生的鏡像特性應用于智慧圖書館的管理服務、設備監測等場景中，豐富了智慧圖書館的應用場景^［9］；提出數字孿生為虛擬數字資源大范圍流通提供了可行性，能夠助力館藏資源共享^［10］；數字孿生對虛擬文獻庫的數據統計與可視化分析可以為改進圖書館借閱服務、實現精準知識服務及優化紙質文獻資源庫提供決策輔助^［11］；利用數字孿生技術實現實體空間與孿生體交互，以智慧圖書館業務分解和融合重構為切入點，實現圖書館業務有機融合^［12］。

1.3 數據融合研究

數據融合這一概念最早是在20世紀70年代美國軍事領域內提出的，之后被廣泛應用于工業、農業、交通、醫療等領域。在中國知網中檢索“數據融合”，文獻研究集中在數據融合相關的算法研究，主要應用于自動化、互聯網等領域，圖情領域的研究數量不多。有學者提出利用互聯網、3D建模、數據融合等新型的技術體系構建數據中心智能運維平臺，能夠有效避免信息孤島等情況^［13］；有人認為“數據共享”“數據打通”甚至“數據融合”已經成為企業數字化轉型或者發揮數據資產價值最大化的重要工作^［14］；也有人通過數字孿生技術提供底層技術支撐，建立物理、虛擬模型的數據融合模型和交互關系，提出跨營區數據融合應用構想^［15］。通過多源多維數據融合的文獻分析，梳理出數據融合的研究方向，包括理論研究、方法研究及應用研究的現狀^［16］。數據融合理論算法的研究為其在更多的領域應用打下堅實的基礎，而圖情方面的數據融合文獻研究指出，數據融合在智慧服務方面的應用依然有很大的潛力，未來可以從各領域智慧服務的具體問題切入，不斷增強數據融合應用的廣度與深度。

總體來看，數字孿生和智慧圖書館的研究文獻數量較多，主要研究智慧圖書館建設過程中的各類問題或通過數字孿生改善智慧圖書館的業務及服務，而針對智慧圖書館數據融合及應用場景的研究較為缺乏。本文在這些研究基礎上，試圖用數字孿生技術打破智慧圖書館數據融合困局，探討其在數據融合方面的優勢、融合體系框架及智慧應用場景，從數據融合角度進行圖書館智慧化建設的研究。

2 智慧圖書館數據融合的重要性

由于圖書館功能系統的煙囪化布局，數據孤島無處不在，跨越孤島的數據均需重新轉換和配置。結合用戶需求、圖書館管理需求，讓多源異構數據全面融合成為智慧化建設過程中的最大難題。

智慧圖書館用戶日益增長的需求對數據融合有更高的期待。一方面，5G普及、6G網絡技術興起的網絡時代，讓圖書館的資源、服務及業務從有限的物理空間擴展到無限的網絡空間，用戶行為更多地由線下活動轉變為線上活動，對于線上圖書館服務的方式、效果要求更加嚴苛。另一方面，隨著智慧圖書館建設的推進，用戶對智慧泛在的要求與日俱增。對于用戶而言，僅是館藏自動化借閱、智能導航、空間預約等功能已無法滿足需求，符合行業主流的前瞻性的個性化知識服務更容易獲得青睞。而這兩個方面都需要以智慧圖書館數據全面、充分融合為基礎。

圖書館智慧化管理需要。智慧圖書館一定程度上改善了圖書館管理的現狀，空間管理、RFID、紙電一體化平臺等系統讓圖書館從人力管理發展為人機聯合管理。通過智慧圖書館平臺來管理盡可能多的圖書館業務平臺，研發數據接口對接部分業務系統的核心數據進行的可視化展示，幫助管理人員隨時了解圖書館主要業務的運營狀況。盡管如此，還是存在圖書館業務分割嚴重、圖書館其他物質資產管理不夠系統、圖書館數據可視化展示不夠全面及細致等問題。如果需要改善這些問題，圖書館所有的多源異構數據都需要統一化、標準化，方便各類平臺和設備讀取，這樣才能進行各維度數據的深度挖掘和充分應用。在數據清洗后的元數據池的基礎上，智慧圖書館平臺才能夠打破因各部門業務系統不同而數據不同的壁壘，一目了然地了解圖書館的所有業務工作進展，及時進行調整、部署和反饋。只有整合圖書館各類資產數據，智慧圖書館平臺才能系統地管理圖書館紙質文獻、電子資源、設備、平臺等各類資產。可視化展示不再局限于各類圖表的網頁展示，可以通過三維模型、數字孿生體等更加翔實、準確的數據呈現方式來展示圖書館的全業務狀態，以便為圖書館管理提供可靠的智慧決策輔助支撐。

3 基于數字孿生的智慧圖書館數據融合體系

圖書館界已意識到數據融合的重要性，進行了圖書館主要業務系統數據融合的可視化展示，并將可視化展示作為智慧化建設中的重要組成。但僅是圖書借還、空間使用等系統數據融合就需要多個系統耗時數月研發數據接口來完成，并且不一定能確保數據實時交互。不少學者認為數字孿生的數據特性對智慧化圖書館建設虛擬空間有重大意義。例如，有學者以雄安新區圖書館為例提出數字孿生圖書館的概念及模型，并探討了孿生圖書館的要素及其特征，還進行了孿生圖書館運行機制、服務模式等相關研究^［17-19］。但是從技術理論研究到應用的時間及系統框架靈活性考慮，部分研究人員選擇將數字孿生作為智慧圖書館的重要組成部分，探討基于數字孿生的智慧圖書館管控模型^{［20， 21］}。結合現階段圖書館數據融合現狀與數字孿生能夠將多源異構數據標準化的特性，本文提出基于數字孿生的智慧圖書館數據融合體系，其中，數字孿生是解決智慧圖書館數據融合不足問題的技術手段。數據融合是整個體系的主要任務，孿生圖書館是數據融合的重要產物。智慧圖書館通過對融合數據的智慧化應用提升智慧管理水平和服務效果是最終目的。

基于數字孿生的智慧圖書館數據融合體系（見圖1）主要包含實體圖書館、孿生圖書館、數字孿生一體化平臺及智慧圖書館數據應用平臺。在融合體系中，數字孿生一體化平臺從實體圖書館采集數據時，數字孿生技術能夠將實體圖書館中資源、環境、應用及各類感應數據以統一的格式標準存入一體化平臺，打破異源數據融合的壁壘，打通實體圖書館中各系統的孤島數據，從而形成數據融合海洋，通過孿生圖書館和數據應用平臺對融合數據進行深度再利用。

實體圖書館是圖書館現實世界中開展服務的主體，包括物理環境、空間、業務、資源、軟硬件設施、機構設置、館員、方法規則及準則等全要素的運行數據及歷史數據。實體圖書館的全域配備數字標識，利用傳感器、RFID標簽、圖像識別等軟硬件設備將實體圖書館的運行數據和歷史數據通過有線及無線網絡上傳至數字孿生一體化平臺。同時，它也是數字孿生一體化平臺建模推演、策略優化、服務調整、資源調動、人員匹配等方面的實施對象。

孿生圖書館是數字孿生技術最直接的體現，是實體圖書館在網絡中的高保真虛擬鏡像。孿生圖書館是通過實體圖書館的全要素數據建模而成，是與實體圖書館實時數據交互，共同生長的有機體，也是更加清晰、準確、全面的智慧圖書館數據可視化展示形式。另一方面，它可以根據獲取的實時、歷史數據建立的館藏資源模型、空間模型、業務模型等展示圖書館管理效果，是進行實體圖書館業務、布展、資源結構調整、推演及優化的“沙盤”。

數字孿生一體化平臺包括軟件平臺和數據庫。它通過網絡采集物理圖書館各種原始數據，進行數據融合處理，推動孿生圖書館各個部分的動態運行，有效地反映圖書館各種業務過程。數字孿生一體化平臺把物理的、信息的、服務的要素組合在一起，并且將圖書館的服務鏈整合成為一個有機整體。它能夠結合實體圖書館的數據和管理需求，進行數據建模，在孿生圖書館中推演，根據推演反饋結果優化模型，并反作用于實體圖書館，形成虛實雙向閉環的優化機制。

智慧圖書館數據應用平臺能夠與數據孿生一體化平臺進行數據交互，多源異構數據統一標準后的孿生數據能夠深度挖掘圖書館的隱性知識和服務，實現管理和服務的智慧泛在。智慧圖書館在數據融合的基礎上，從不同維度、不同粒度，不同對象進行數據篩選、重組、利用，形成新的智慧應用系統，例如面向圖書館管理的用戶管理系統，館務數據、資源數據、運營數據等數據系統，面向用戶的個人資源系統、個人服務系統、圖書館集成檢索系統等。通過智慧圖書館數據應用平臺提供貼合讀者需求的智慧化服務。

這四個部分組成的智慧圖書館數據融合體系的架構如圖2所示。

物理實體層是實體圖書館中包含的資源、環境、系統應用和感知設備。該層主要通過RFID芯片、GPS、GIS、圖像識別、各類傳感器等技術對實體圖書館的館藏紙本、電子資源，業務系統數據，設施設備、人員機構等環境數據進行采集。物理實體層是數據融合的基礎，同時也是系統優化的對象。

網絡傳輸層是實體圖書館和孿生圖書館之間的數據傳輸的紐帶。數據是數字孿生應用的“血液”，沒有多元融合的數據，數字孿生應用將失去動力，而大量的數據傳輸需要更加快速、穩定的網絡保障。無線網絡Wi-Fi、藍牙、NFC等近場通信傳輸技術，以及5G和6G網絡的保障是非常必要的。其中6G網絡帶來的按需服務的極致體驗，即插即用的極簡網絡，使得數字孿生能從理論真正走向實際應用^［1］。

數據融合層主要包含了從物理實體層采集到的圖書館實體數據和服務應用數據、孿生圖書館的模型參數及模型運營數據、數據挖掘產生的數據或領域知識及以上數據經過融合算法處理后的數據。這些數據之前被保存為不同的格式，存儲在不同的系統中，在數據融合層經過規范化處理后，形成統一的數據標準格式。該層是數據智慧化應用的前提，為孿生圖書館和數據融合智慧化應用提供標準化數據原料。

數字孿生層是孿生數據應用的直接體現，主要包括數字孿生一體化平臺和孿生圖書館。一體化平臺通過人員行為、智能資源、能耗優化等模型將實體圖書館的各項數據鏡像在孿生圖書館中，將實體圖書館所有數據在虛擬空間中進行全面、立體的可視化展示，并且根據圖書館需求不斷優化模型，在孿生圖書館中驗證模型有效性，最終實現實體圖書館和孿生圖書館互相感知、協同優化、共生演進。

智慧應用層是在數據融合的基礎上開展智慧化服務，是對孿生數據的深度應用。可以為用戶提供更加有針對性的定制服務，如個人數據庫、個人服務、集成檢索、鏡像空間服務等，實現圖書館資源服務“千人千面”，即真正的個人圖書館。對于圖書館管理而言，用戶數據不再被分成多個孤島，不同業務系統不再割裂，管理者可以通過多個維度看得更加全面細致，擁有更大的管理格局，通過用戶管理、資源、館務等全數據系統進行智慧化管理，提供智庫決策支撐和針對個人及不同群體的專業定制服務。

交互體驗層是智慧應用層用戶服務的具體延伸。通過體感設備、智能終端、全息投影等方式將數據融合后，可將具象化的服務用多樣化的方式呈現給用戶。如古籍、醫學影像、文獻脈絡關系等可以通過AR、VR、MR等技術進行可視化展示。通過體感設備提供多感官的體驗，既能保護珍貴資源，又使更多的用戶獲得了生動、形象的資源服務。

4 數字孿生在智慧圖書館數據融合中的應用場景

4.1 面向圖書館用戶

數據融合使圖書館成為一片數據的“海洋”，用戶的所有數據將不再封裝、存儲在不同的系統中，圖書館的萬千用戶可以根據自己的需求靈活地在這片數據的“海洋”中抓取所需的資源和服務。對于不同的用戶，圖書館的資源和服務也會所不同，一萬個用戶存在一萬個圖書館，形成真正意義上的個人圖書館。這里用戶登錄后可以建立、查看和維護紙本、電子文獻、多媒體音視頻等資源。不同用戶的檢索習慣、關注焦點等衍生出用戶的潛在信息需求，可以選擇圖書館提供的可能感興趣的設備、空間、知識及信息服務推送方案，形成每個用戶的服務方案體系。對于圖書館開放的各項數據，不再局限于紙、電資源的統一檢索，用戶可以集成檢索所有信息的數據，快速定位獲取圖書館提供的信息服務。個人圖書館中的資源與他人圖書館的資源有交集關聯時，可以幫助用戶認識閱讀興趣和科研方向一致的同類，形成不同的圈層。這既聯結了不同的個人圖書館資源，又增加了圖書館資源的流動性。在孿生圖書館中，不但能夠進行孿生圖書館的瀏覽及使用，還能享受和實體圖書館一樣的資源及服務。不同的個人圖書館有虛擬的獨立空間，可以進行不同的場景切換，滿足用戶的各種空間需求，打破實體圖書館物理空間有限且可塑性不強的限制。

4.2 面向圖書館管理

圖書館管理著“數據海洋”。基于這些數據，從不同的維度考量，不僅能夠提供更加智慧化的服務，還能建立簡單便捷的管理模式。數據融合后，用戶的業務數據不再分散，用戶數據可以和所有的業務、設施使用情況、館藏數據進行關聯，形成用戶管理系統。管理者在這個系統中可以查看一個用戶和圖書館相關的所有業務、資源、服務數據，也可以按業務查看用戶情況，能夠從不同方面了解用戶、業務、服務、資源等要素間不同組合方式的內在聯系。通過關聯聚類，對不同的類別、圈層提供靶向性的服務，增加用戶和圖書館的黏性。館藏資源系統可以深度挖掘文獻與文獻、文獻與用戶、用戶與用戶之間的脈絡關系。通過智慧化服務加強有相似研究方向的用戶間的聯系，形成圖書館科研社交圈層，提高科研團隊對圖書館的依賴性。館務數據的融合能夠幫助管理者全面系統地掌控圖書館流通、采編、信息、技術等業務部門間的交互和反饋，了解圖書館的工作推進情況，有利于發現、解決和優化圖書館中機構設置、人員配備、管理制度或流程問題。孿生圖書館中的環境、設備設施的運營數據能夠預測實體圖書館的環境變化、設備設施維護等情況，方便提前計劃或預警，實現圖書館的人員、設備、樓宇的智能化管理。通過全數據分析系統形成圖書館的決策智庫，實現資源、人員等圖書館重要組成部分智慧化管理，對個人及圈層提供專業級定制服務。

5 結語

數據融合是智慧圖書館的重要組成部分，而數字孿生技術能夠跳出不同系統間多源異構數據融合的層層壁壘，為數據的統一應用提供了新的思路。數字孿生數據融合優勢讓圖書館的智慧化建設進入了新的階段，介于智慧圖書館和元圖書館^［22］之間。鑒于元宇宙技術實際應用的普及情況，這個中間狀態具有一定的現實意義。數字孿生在智慧圖書館的數據融合應用能夠建立用戶的智慧化服務體系，形成圖書館智慧化管理機制。此外，數據孿生作為元宇宙的重要技術，能夠推進智慧圖書館向元圖書館的建設進程。

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作者簡介：

李慶華（1987— ），女，碩士，館員，任職于新疆醫科大學圖書館。研究方向：智慧圖書館。

洪麗平（1989— ），女，碩士，館員，任職于新疆醫科大學圖書館。研究方向：數據挖掘。

徐姍姍（1990— ），女，碩士，館員，任職于新疆醫科大學圖書館。研究方向：文獻服務、閱讀推廣。

楊榮成（1992— ），女，碩士，助理館員，任職于新疆醫科大學圖書館。研究方向：圖書館服務。