數字孿生技術在智慧圖書館建設中的應用及推進措施

摘要：數字孿生是數字化時代所形成的一項關鍵技術，為智慧圖書館的轉型升級打下堅實的基礎。在闡述智慧圖書館建設研究現狀的基礎上，詮釋了新型智慧圖書館——數字孿生圖書館的定義與特征，分析了數字孿生技術在智慧圖書館建設中的應用。同時，提出了推進數字孿生圖書館落地的具體路徑，以實現智慧圖書館的轉型升級。

關鍵詞：數字孿生；智慧圖書館；技術應用

中圖分類號：G250.7"" 文獻標識碼：A

DOI：10.13897/j.cnki.hbkjty.2024.0027

數字孿生是數字化時代所形成的一項關鍵技術，通過數字孿生構建起能夠與物理世界無縫對應的數字化對象，融合了物聯網與數字模型。2016年起，數字孿生就已多次被全球權威咨詢機構Gartner列入到十大戰略技術趨勢之中［1］。放眼未來，在當前萬物皆可數字孿生的大背景下，數字孿生在智慧圖書館中具有極為廣闊的應用前景，既可對圖書館的主要工作進行全面覆蓋，又可依托數字化、虛擬化的映射來將圖書館的物理狀態向廣大用戶進行呈現，還可介入到圖書館的服務模式與場景建設，為智慧圖書館的轉型升級打下堅實的基礎。

1 智慧圖書館建設研究現狀

2003年，“智慧圖書館”一詞首次被芬蘭奧盧大學M.Aittola教授提出［2］，智能感知、移動閱讀也第一次被引入到圖書館服務之中。2015 年以后，國內學界與業界對智慧圖書館開展了大量的研究，例如，劉煒［4］提出了智慧圖書館標準規范體系框架，并且將其細分為4個范疇，即：產品、服務、數據、業務。初景利［5］辯證性地剖析了數字圖書館與智慧圖書館的異同之處，明確提出智慧圖書館是第三代圖書館的核心內涵。熊遠明［6］提出圖書館界應以全國智慧圖書館體系建設為契機，加快完善全國智慧圖書館的體系架構，進而有效實現多源文化資源數據的集成共享。周笑盈［7］對全國33家圖書館進行了深入調研，提出我國智慧圖書館建設策略應該是堅持場景賦能、重視優化布局、健全動態評估和完善運營機制。

雖然智慧圖書館建設在國內外均取得了較快發展，但仍然有一些難以解決的問題，主要體現為［7-12］：第一，各應用系統之間難以實現集成，技術壁壘還未完全突破，信息孤島現象依然存在；第二，圖書館空間/設備的實時運行情況難以實現全方位監測，且圖書館的線上線下業務尚處于割裂狀態；第三，智慧圖書館建設離不開海量數據作為支撐，傳感器、用戶等會持續不斷地產出數據，且對存儲安全、數據處理的要求很高，但是當前智慧圖書館的數據處理平臺還不具備較強的海量數據實時采集處理能力；第四，現有智慧化建設通常都存在著一定的局限性，完整的智慧圖書館生態系統并未構建起來。上述問題可通過數字孿生技術來進行解決。

由于數字孿生依托模型來與用戶進行深度交互，可增強技術智慧性，知識可由生澀難懂的網絡化形態轉化為易于理解的可視化形態，而其云計算協同與邊緣計算能力又可對海量數據的計算壓力、存儲壓力進行緩解。未來，無論是圖書館設備、圖書館空間，亦或圖書館應用系統，均會呈現出智慧化特征，采用動態監測、主動感知等方式可深度洞察某個圖書館用戶的行為、某個圖書館服務功能、某項文獻資源。智慧圖書館在數字孿生技術的驅動下，必然會朝著高級智慧階段發展。微觀層面，面向數字孿生的智慧圖書館建設會衍生出四種典型形式，即：物孿生體自演化、用戶—用戶孿生體、用戶—物孿生體、用戶孿生體自演化，可助推用戶與各類孿生體產生群智協作與數據交換。這樣一來，就易于讓圖書館的空間、系統、服務、資源等實現具象化，既有利于促進圖書館優化自身服務與資源，又有利于與用戶的差異化需求進行契合，還有利于用戶更便捷、更直觀地獲取知識。中觀層面，面向數字孿生的智慧圖書館建設會激活物理圖書館的全部設施與功能，通過為用戶精準地勾勒出孿生畫像來為其提供自適應個性化空間，并且還會“無縫”鏈接社會各領域，進而讓圖書館“華麗轉身”為重要的知識資源中心。宏觀層面，面向數字孿生的智慧圖書館建設，必然會與新興的數字孿生城市、數字孿生校園等聯系在一起，共同構成未來數字孿生時代。

2 數字孿生圖書館：基于數字孿生技術的新型智慧圖書館

2.1 數字孿生圖書館的定義

數字孿生技術與智慧圖書館相結合，催生出數字孿生圖書館，為智慧圖書館建設另辟蹊徑。學界從多個角度詮釋了數字孿生圖書館的定義。趙藝揚［13］提出數字孿生圖書館是一種面向數字孿生的新型智慧圖書館，集聚了區塊鏈技術、物聯網技術、大數據技術等，并且還讓物理圖書館與數字孿生模型達到了雙向映射。翟秀鳳［14］提出數字孿生圖書館依托數字化方式來構建起仿真模型，與物理圖書館的結構、性質、內容逐一對應，讓人、物、環境實現了有機融合與智能交互。綜上所述，本文將數字孿生圖書館定義為：數字孿生圖書館由多門技術、多個學科相互融合而成，依托數字孿生技術來建立智慧化數據閉環賦能體系，凸顯出“虛實融合”之效果。

2.2 數字孿生圖書館的特征

（1）全要素高仿真。數字孿生技術可將信息孤島進行打破，從“人—機—物—環境”視域來可視化展示智慧圖書館，并且還可對多源異構數據進行融合，將物理圖書館的運行實景映射到虛擬空間進行還原；還原內容除了涵蓋物理圖書館的“全時空”“全要素”。還要囊括各要素之間的相互影響，最終讓物理空間與虛擬空間實現一一映射。由此可見，數字孿生圖書館能夠通過整合歷史數據與當前數據來實現未來場景、未來數據的全要素高仿真。

（2）虛實融合交互。數字孿生技術能夠讓物理空間與虛擬空間實現雙向互動，可有效支持智慧圖書館朝著數字孿生場景自主還原與演變的方向發展。例如，用戶可依托VR技術進入到虛擬數字空間之中，既可在此空間內映射物理場景來實現結果優化、調節控制，又可利用其仿真功能實現對物理場景的決策支持，以此為廣大用戶提供更精準的場景服務，助力于建設起更富有真實性、開放性、包容性的智慧圖書館。

（3）自主迭代優化。虛擬數字空間依托知識圖譜技術、機器學習技術對智慧圖書館存儲的海量數據進行深度學習，并可實現自主迭代優化，以此挖掘出智慧圖書館的運行規律，進而妥善利用。例如，在數字孿生用戶所在的場景內動態投射用戶對于真實場景的相應需求，實現場景需求的精準識別，既可增強智慧圖書館的服務水平，又可推動數字孿生系統的有序發展，助推虛實系統的穩定循環。

（4）資源配置最優。數據是數字孿生圖書館的核心要素之一，面向數字孿生的智慧圖書館數據通常是由四個方面所構成，分別是：服務系統、虛擬模型、物理實體以及其相互融合而形成的數據。這些數據待集中處理之后，又會以指令數據的方式對智慧圖書館的各個環節進行驅動，使之實現迭代優化，并且以最低的成本及時為用戶提供最優化的信息資源服務，進而達到資源配置最優的效果。

3 數字孿生技術在智慧圖書館建設中的應用及效果

3.1 圖書館建筑與空間

（1）秒級加載圖書館實體信息。圖書館實體信息主要是指圖書館各個要素及相互之間所形成的關聯信息，如圖書借閱情況、研修室閑置數量、圖書館內人流量等。香港科技大學于2022年9月啟動了全球首個數字孿生校園——MetaHKUST的建設［15］，致力于通過加載真實物理數據的方式來構建現實校園虛擬孿生形象，并且可無縫連接建筑管理系統，以便更好地實現線上線下互動。在5G技術、云計算技術等賦能下，會在很大程度上縮短數據傳輸時間，秒級加載圖書館實體信息將變為現實，可對館內各種信息進行實時獲取。

（2）智能感知呈現真實圖書館。智能感知呈現真實圖書館是指數字孿生圖書館可依托移動計算、邊緣計算、云計算等對物理圖書館進行準確感知，形成存儲于云端的數據模型，并且還可在強大算力的驅動之下產生出可用于預測、決策的結果，再將其反饋至物理圖書館，最終實現預定的控制與執行。在此方面，美國馬里蘭大學在2021年所開展的學生遠程實驗室數字孿生項目［16］就可作為很好的參考。該項目依托數字孿生技術構建實驗室數字孿生體，讓學生可遠程進入到虛擬實驗室來開展實驗，無論是使用體驗，還是實現功能，均與實體實驗室“不相上下”，屬于數字孿生智能感知物理實體的成功案例。由此可見，待數字孿生技術落地圖書館后，用戶即便是不到圖書館，也可“身臨其境”地體驗到圖書館所提供的各種服務與相關資源，且更高效化、便捷化。

（3）開啟圖書館萬物互聯時代。數字孿生圖書館可構建起涵蓋感知平臺、感知網絡、感知設備等在內的一體化感知監測體系，其中，感知設備用于采集圖書館物理空間的各種數據，感知網絡用于傳輸采集到的數據，而感知平臺則是匯集數據、處理數據、挖掘數據。屆時，數字孿生圖書館與物理圖書館將會實現虛實交融與相互映射。

3.2 圖書館資源與服務

（1）加快資源的整合。各大圖書館在資源建設時一直存在著資源重疊、資源難以整合等問題，資源鴻溝已經成為亟待解決的問題。縱觀圖書館界，資源整合技術已日臻完善，比如以ARC、OAIster、DL等為代表的資源整合系統。以ARC數字資源整合系統為例［17］，該系統由弗吉尼亞州立大學（美國）研發，可規范化處理已采集的元數據，并且將其存儲于數據庫，還可為用戶提供一站式檢索服務。若能夠將這些技術應用于智慧圖書館的建設之中，必將有利于推動圖書館數字資源的整合，為圖書館數字孿生體的形成提供充足的支撐。

（2）提供多元化服務。圖書館界在很長一段時間以來都是以紙質館藏與物理空間建設為核心，無論是網絡服務，還是數字圖書館，均未作為重點建設內容，自然不能與當前讀者的多元化需求相互契合［16］。圖書館可依托大數據技術對用戶的各項行為數據進行實時采集，以此勾畫出用戶需求的精準畫像，進而為用戶提供差異化、個性化的信息服務。其中，在采集數據時可借鑒iDataBank用戶行為分析系統，該系統既可在確保業務活動正常運行的情況下實現數據的全方位采集，又可立足于不同行業的用戶行為與數據需求形成相應的數據指標體系。

3.3 用戶服務與體驗

（1）為用戶提供更多增值服務。數字孿生圖書館融會貫通了多種技術、學科與領域，已成為智慧圖書館的更高級形態，可為用戶提供更多增值服務。例如，數字孿生圖書館可深入挖掘用戶的行為數據，在其入館之前就提前配置好其常坐座位處的光線、溫度、濕度等參數，使之達到用戶的期望值，并且還會結合用戶的閱讀偏好動態顯示新到的圖書等，真正意義上實現為用戶提供“貼身式”服務。

（2）用戶體驗空前提升。隨著科學技術的日臻成熟，再加上永續性、沉浸感的實現，數字孿生技術可讓用戶對圖書館推送資源的時效性、精準性產生前所未有的體驗。用戶體驗空前提升，究其原因，主要是數字孿生圖書館可將服務范疇拓寬到更多的感知領域，包括但不限于重力感知、肢體感知、觸摸感知等。

3.4 館員職業與發展

早在2012年，學者王世偉［16］就提出：智慧圖書館在未來必將會成為圖書館界實現可持續發展的新方向。無論圖書館如何發展，館員均不會消失，反而會發揮出日益重要的作用。數字孿生圖書館的構建，給館員提出了更高的要求，館員務必要結合圖書館的發展規劃，與時俱進、開拓創新，主動去學習新知識、掌握新技能，不斷增強個人的職業能力與綜合素養，朝著智慧館員的方向發展，以此來滿足數字孿生時代的需要。

4 推進數字孿生圖書館落地的具體措施

4.1 頂層設計

在政府層面，歐美發達國家已將數字孿生技術上升到了國家戰略層面，將其視為數字化轉型的主要支撐，我國也不例外，先后提出“杭州數字大腦”“深圳數字孿生城市”等建設目標。在企業層面，德國西門子、日本豐田、美國特斯拉、中國阿里巴巴、中國百度等世界著名企業均將數字孿生作為未來推動企業創新的頂級技術。由此可見，我國一定要切實做好數字孿生的規劃。一方面，要從優惠政策、專項資金等方面入手來對數字孿生產業進行扶持；另一方面，要組織龍頭企業、科研院所、高等院校來集思廣益、集體攻關，力爭掌握數字孿生的核心技術。

4.2 技術操作

圖書館界經過多年的發展，已形成許多相對成熟的管理系統，如：設備管理系統、館藏資源管理系統、人員管理系統等。可利用數字孿生技術將這些管理系統進行實景三維建模，構建起相配備的三維信息模型，并且將管理系統與三維信息模型進行疊加，進而實現各類數據的集成。這樣一來，可讓圖書館管理更趨于智能化、可視化，實現由靜態到動態、由平面到立體的升級迭代。與此同時，還要構建起數字孿生圖書館服務平臺框架。整個框架由下而上包括四個部分，分別是物聯層、傳輸層、云計算平臺層、應用層，其中，物聯層涵蓋GPS定位器、移動終端、自助借閱機等設備，支撐技術為GPS定位技術、智能傳感技術等；傳輸層則基于感知設備的具體傳輸需求，將物聯層采集到的數據傳輸至云計算平臺層；云計算平臺層是數字孿生圖書館服務平臺框架的核心，通過資源虛擬集成技術、云計算技術等可將服務數據資源進行實時集成，并開展智慧化處理；應用層則是讓圖書館資源與用戶需求實現直接交互，可利用身份認證技術對用戶身份進行自動識別，利用Web語義技術智能化組織圖書館的各項資源，利用云計算技術無縫銜接各服務系統，讓數字孿生圖書館服務實現泛在化與一體化。

4.3 人才培養

人才是科技創新的第一資源，也是創新的動力之源。隨著數字孿生技術的日漸成熟，社會各界對數字孿生技術人才的需求會越來越多，若要更好地推進數字孿生圖書館落地，就需要培養一大批優秀的數字孿生技術人才。

政府層面，首先，要有序引導各大高等院校通過專業建設、課程教學、專業實踐等多種方式系統化培養數字孿生技術人才。其次，成立各類數字孿生實訓基地、數字孿生研發中心，鼓勵采取校企合作、院所合作等多種模式來開展數字孿生技術攻關，培養實用型人才。再次，要大力開展國際交流與合作，積極學習國外先進技術，立足培養數字孿生領域的高層次人才。

圖書館層面，要做好館員隊伍建設。首先，圖書館要與數字孿生相關的設備供應商、科技公司、科研院所等開展戰略合作，通過技術培訓、產品應用來增強廣大館員的業務水平，讓其能夠逐漸成為數字孿生技術的實用型人才。其次，圖書館要與文化機構（博物館、科技館、文化館等）開展緊密合作，要側重于關注其是否應用了數字孿生技術，若有成功案例，則要及時組織館員實地觀摩、交流學習。再次，圖書館還要制定出臺多種激勵措施，吸引更多的館員、業內學者、數據專家投入到數字孿生圖書館的研究中來。

5 結語

圖書館界的每一次革新都離不開新技術的驅動。移動圖書館、數字圖書館、智慧圖書館的涌現，是在互聯網技術、區塊鏈技術、物聯網技術的推動之下形成的；而數字孿生技術則是驅動智慧圖書館朝著更高的階段發展，即數字孿生圖書館。圖書館界要牢牢地把握住這次重大的技術變革，依托數字孿生技術開拓創新，將圖書館各項業務與數字孿生技術無縫融合在一起，擴大數字孿生技術在智慧圖書館建設中的應用，加速推進數字孿生圖書館落地，實現智慧圖書館的轉型升級。

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作者簡介：王鑫明，男，廣西警察學院圖書館副館長、副研究館員。研究方向：文獻信息開發與研究。

（收稿日期：2023-09-28 責任編輯：張曉霞）

The Application and Promotion Measures of Digital Twin Technology

in the Construction of Smart Library

Wang Xinming

Abstract：

Digital twin is a key technology formed in the digital age， laying a solid foundation for the transformation and upgrading of smart library. On the basis of elaborating on the current research status of smart library construction， this paper interprets the definition andcharacteristics of a new type of smart library-digital twin library， and analyzes the application of digital twin technology in smart library construction. At the same time， specific paths to promote .the landing of digital twin library are proposed， so as to realize the transformation and upgrading of smart library.

Keywords： Digital Twin; Smart Library; Construction