數字孿生智慧圖書館的構建與實現

摘要：在這個幾乎“萬物皆可數字化”的數字時代，數字孿生智慧圖書館的構建與實現，成為一種新的圖書館建設理念。文章在簡要闡述數字孿生技術與數字孿生圖書館的基礎上，從資源應用、精準推薦和人文研究三方面詳細分析數字孿生智慧圖書館的服務場景，從基礎層、數據層、服務層和應用層四方面構建數字孿生智慧圖書館體系架構，并從資源、技術和合作三方面提出構建數字孿生智慧圖書館的實現路徑。

關鍵詞：數字孿生；智慧圖書館；服務場景；體系架構

中圖分類號：G250.76"" 文獻標識碼：A

DOI：10.13897/j.cnki.hbkjty.2024.0016

0 引言

圖書館是一個持續發展和演變的有機體，隨著社會進步、技術更新而不斷發展變化，從早期的“藏書樓”發展到傳統的“物理圖書館”，再發展到具有數字特征的“數字圖書館”，進而向“智慧圖書館”發展。目前智慧圖書館已成為圖書館發展的重要形態之一，呈現出強烈的開放共享、智能服務、持續發展等特征，圖書館的主要資源已經從紙質資源向數字資源、知識資源轉變。伴隨機器學習、深度學習、人工神經網絡、自然語言處理等先進技術的發展，AI技術、VR技術開始出現并逐漸推廣，使虛擬世界與現實世界在一定程度上實現了有效融合，同時“數字孿生（Digital Twin， 簡稱DT）”概念應運而生。數字孿生作為實體資源的數字化表現，是對物理空間、虛擬空間資源的有效整合利用。自2016年開始，數字孿生連續4年被知名研究咨詢公司Gartner評估為全球十大戰略技術趨勢之一［1］。在這個幾乎“萬物皆可數字化”的數字時代，數字孿生在智慧圖書館中所起到的作用日益增加，數字孿生智慧圖書館的構建與實現，成為一種新的圖書館建設理念，它是物聯網技術的進一步發展和完善，模糊了現實與虛擬的界限，將現實世界中的實體事物或概念轉化為虛擬世界中的對應表示，或模擬利用數據和數據管理來實現目標系統的相關服務，賦予了智慧圖書館進一步創新發展的可能。

1 關于數字孿生技術與數字孿生智慧圖書館

1.1 數字孿生技術

目前在數字孿生技術的概念認知上，尚未形成統一定義，周瑜等［2］ （2018）認為數字孿生是一種技術、過程和方法，旨在將物理實體完美地轉化為數字化對象，這種轉化不但能夠在數字化領域中再現物體的形象，還能夠賦予其更多的生動性和表現力；李璐等［3］（2018）認為數字孿生是一種創新技術，能夠通過建立動態仿真模型來模擬物理對象的行為，借助數字孿生技術能夠感知和采集現實物理對象的數據，并在虛擬信息空間中進行實時模擬仿真，從而展示物體在不同階段的形體狀態和行為變化；龍玉江等［4］ （2022）認為數字孿生是基于不斷增長的數據庫存儲和各行業數字技術的結合，為實體物體在虛擬空間中建立了一個模型，通過對這個模型進行分析和預測，數字孿生可以為物理空間的發展提供指導性的預測。根據以上定義可以看出，創建一個數字孿生模型，在虛擬空間中充分映射出現實世界的物理形態，整合并研究其內部結構，有效構建一個極具前瞻性的新型空間，從而實現虛擬與現實的智能互動。因此，數字孿生是利用采集的孿生數據對物理實體進行仿真建模，并通過此模型有效預測與監控物理實體的全生命周期過程的一項先進技術，它具有虛實共生、虛擬仿真、實時交互和深度洞察四大基本特征（詳見圖1）。

1.2 數字孿生智慧圖書館

因數字孿生技術的典型特征為解決智慧圖書館的各種問題提供了新的思路，由此出現了大量數字孿生與智慧圖書館的相關研究：如利用數字孿生的“虛實共生”特征，智慧圖書館能夠全面升級管理服務和設備監測等場景，為其應用場景帶來了豐富多樣的可能性；利用數字孿生的“虛擬仿真”特征，智慧圖書館能夠把傳統的實體圖書館轉化為虛擬的數字空間，實現實時服務、遠程學習的功能；利用數字孿生的“實時交互”特征，智慧圖書館能夠通過實時交互、可穿戴技術、虛擬現實和增強現實技術以及腦機融合感知技術，與用戶進行有效互動，提供更具智能性的優質服務；利用數字孿生的“深度洞察”特征，智慧圖書館通過虛擬化身的學習和交互能力，能夠充分滿足用戶的需求，提供個性化和深度洞察的服務，成為用戶獲取知識和信息的重要渠道和伙伴。總之，數字孿生智慧圖書館是智慧圖書館的新發展趨勢，它將多個領域、學科和技術融合在一起，其核心思想是通過利用孿生大數據，構建一個智能化的數據閉環系統，以增強圖書館的功能，從而實現“人—機—物—環境”智能交互融合。

2 數字孿生智慧圖書館的服務場景

近年來，隨著科技的迅猛發展，數字孿生智慧圖書館逐漸成為人們滿足信息需求的新方式，它以其資源應用、精準推薦以及人文研究等服務場景，為用戶提供了較為便捷、舒適的信息服務。

2.1 資源應用服務場景

數字孿生智慧圖書館可以利用數字孿生技術和智慧服務場景，精準感知用戶圖書館使用情況和行為變化，為其推薦專業、優質的信息資源，滿足其對遠程訪問圖書館和沉浸式信息體驗的需求。數字孿生智慧圖書館可以采用先進的3D虛擬場景技術、沉浸式交互技術和虛擬現實技術，通過數字孿生體建立知識圖譜深度關聯相關資源，并將其融入多元化場景之中，通過全息投影展現給用戶。數字孿生體是指以數字化形式存在的現實世界的復制品，通過對實際場景的模擬仿真，可以更好地理解和預測實際發生的事件。此外，數字孿生智慧圖書館還可以利用多感官混合識別技術對用戶的多維特征進行統一識別分析，實現個性化資源應用服務場景的定制化，這意味著用戶能夠依據自己的喜好和需求，獲得圖書館量身定制的信息服務［5］。例如，用戶A是一名心理學研究者，由于某些原因無法親自前往圖書館，但他需要大量的心理學資料用以支撐自己的心理學研究工作，因此，他在圖書館的智慧服務APP上進行預約借書，系統通過數字孿生體提供實時的圖書館信息，比如書架位置和書籍可借狀態等，用戶A可以根據自己的需求和興趣，在虛擬圖書館中利用三維模擬和虛擬現實技術瀏覽圖書資源，獲得與實體圖書館相似的閱讀體驗。

2.2 精準推薦服務場景

圖書館利用數字孿生技術和人工交互等數字化技術，能夠有效收集用戶的個人信息、借閱記錄、閱讀偏好和行為數據等，并依據他們的學科特征、年齡特征和需求類型等進行標簽化分類，為不同標簽用戶群體提供針對性、個性化的智能服務。同時，數字孿生智慧圖書館還能夠把不同學科、不同領域的知識資源進行匯總、分類和整合挖掘，結合市場需求、相關學科發展動態和專業領域的具體要求，使用數字孿生技術提供科學模擬相關服務。并且，數字孿生智慧圖書館還能夠依據用戶的服務場景和信息行為軌跡，采取隱性需求挖掘和深度數據分析等方法，有針對性地推送知識產品，有效提升數字孿生智慧圖書館服務的精準度

［6］。例如，當用戶A選擇了一些與心理學相關的書籍后，數字孿生智慧圖書館會依據他的閱讀偏好、借閱記錄等數據，預測其可能會感興趣的其他書籍推薦給用戶A，上述書籍通過圖書館數字孿生體實現精準定位，用戶A能夠在智慧圖書館中立即查到并進行閱讀。此外，圖書館數字孿生體還能夠依據用戶A的個性化需求，提供學術論文、參考資料等其他相關資源，以滿足用戶A的知識需求。

2.3 人文研究服務場景

圖書館數字孿生體為用戶提供了一個開放的學術交流與科研探討平臺，它覆蓋了不同學科領域，滿足了不同用戶群體的需求，能夠依據用戶的專業方向、研究領域和學術背景，借助情境感知技術準確地分析用戶的基礎數據，從而判斷不同用戶在不同研究領域的專業需求。此外，依據用戶的科研進度，它還能夠智能匹配同一研究領域或相關研究領域專家學者之間的人文交流場景，使他們能夠在虛擬環境中實現即時交流、及時探討，從而有效促進相關科研進程。例如，用戶A正在著手于一項大學生犯罪心理相關的研究，數字孿生智慧圖書館除了通過圖書館數字孿生體為他提供與大學生犯罪心理相關的資源數據外，還會依據用戶A的專業領域和研究進展，構建有針對性的人文研究服務場景，如用戶A可以在數字孿生空間中加入一個專門針對大學生犯罪心理研究的討論組，與對該研究領域有研究興趣的專家學者相互分享研究成果、答疑解惑等，實現彼此間的深入交流、相互借鑒，進一步推動大學生犯罪心理研究領域的科研成果創新。

3 數字孿生智慧圖書館的體系架構

作為智慧城市建設的一部分，數字孿生智慧圖書館體系架構的設計顯得尤為重要，主要包括基礎層、數據層、服務層和應用層（詳見圖2），通過合理的體系架構設計，能夠更好地滿足用戶需求，推動圖書館智慧化建設邁出更加堅實的步伐。

3.1 基礎層

基礎層是數字孿生智慧圖書館的基礎設施部分，主要包括硬件設備、網絡設施和安全系統等各種要素。硬件設備包括服務器、存儲設備、傳感器等，這是數字孿生智慧圖書館正常運行的基本條件。網絡設施是連接各設備和系統的基礎，用以保障各種數據的傳輸、共享。安全系統是保障數字孿生智慧圖書館安全運行的關鍵，包括防火墻和入侵檢測系統等。基礎層對數字孿生智慧圖書館的不同要素實施實時感應、監控和反饋，對數字孿生智慧圖書館的運行過程進行全方位記錄、監控和管理，用戶可以實時了解數字孿生智慧圖書館的運作情況，包括系統運行參數和物理狀態等。為了更高效的管理和優化，數字孿生智慧圖書館將云計算技術、物聯網技術和GIS技術相結合，構建動態數據的實時分析模式，以建立無縫協同計算管理基礎設施層［7］，實現智慧場景運作過程中基于數據驅動的虛實雙方實時雙向連接，實現數據的有效存儲。

3.2 數據層

數據層是數字孿生智慧圖書館的核心部分，主要涉及圖書館的數據資源、數據融合和數據管理。數據資源包括從物理實體層采集到的圖書館實體數據和服務應用數據、數字孿生智慧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等。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。上述數據之前被保存為不同的格式，存儲在不同的系統中，在數據層經過規范化處理后，形成統一的數據標準格式。數據管理包括對數據資源的分類、整理、存儲、應用、檢索和更新等，以便用戶能夠方便地獲取所需信息，為用戶提供個性化的推薦服務

［8］。

3.3 服務層

服務層是數字孿生智慧圖書館的服務支持部分，主要涵蓋用戶畫像和傳感器數據等。服務層通過利用場景渲染模塊，實現于現實世界之中構建虛擬場景的目標，同時它也可以在虛擬世界之中更有效地還原物理場景，為用戶實時切換動態場景提供堅實保障。當用戶的基本信息被提取時，服務層通過用戶畫像和傳感器數據模塊，分析用戶的行為和偏好，以預測用戶的顯性需求和隱性需求，并將數據傳輸至數字孿生體進行模擬仿真處理，從而獲取更為精準的用戶反饋數據，同時支持系統構建科學合理的服務評價體系，為后續的數字孿生智慧圖書館建設提供必要的依據。

3.4 應用層

應用層是數字孿生智慧圖書館的應用服務部分，主要包括移動客戶端、VR技術、AI技術和數字孿生技術等。移動客戶端讓用戶在任何時間和地點都能夠通過手機或平板電腦等移動設備訪問圖書館資源和服務，有效提高了數字孿生智慧圖書館的可訪問性和利用率。VR技術通過逼真的圖像和聲音，將用戶完全融入情景之中，讓用戶自由探索和充分感受，獲得身臨其境的閱讀體驗。AI技術通過語音識別、智能推薦等方式，為用戶量身定制資源推薦，幫助用戶發現更多有價值的信息資源，增加他們對圖書館的使用和參與度。數字孿生技術能夠準確感知、全面管理、合理預測、精準決策和有效匹配用戶服務需求，及時把握用戶需求的變化趨勢，并結合用戶學術科研的發展進程和變化趨勢，有針對性地滿足用戶在資源獲取、科研咨詢、科技查新、學術問答等場景中的信息需求，從而實現用戶智慧服務的雙重推動。

4 數字孿生智慧圖書館的實現路徑

數字孿生智慧圖書館以數字技術為基礎，將傳統圖書館與現代科技相結合，為用戶提供更加便捷、全面的知識服務，其實現路徑有資源路徑、技術路徑和合作路徑。圖書館應加強資源的采集和整合，推動數字化轉型；應積極引進和應用新的數字技術，提升圖書館的服務能力；同時，圖書館還應加強與其他機構的合作，共同推動數字孿生智慧圖書館的建設。

4.1 資源：優化整合資源，架構資源平臺

眾所周知，圖書館資源的分布相對分散，這也導致了一些問題，比如資源重疊和信息孤島。為了構建一個全面完整的數字孿生智慧圖書館體系架構，圖書館需要整合各個獨立的數據庫，實現高效的資源協同建設，并充分利用數字孿生技術提供計算能力，以支持深度學習和自我優化。目前，一些常見的數字資源整合平臺如DL和ARC，為圖書館提供了便利。通過邊緣計算等技術，圖書館能夠自動識別、分類、傳輸和存儲物理空間和虛擬空間的資源，優化實體資源和數據資源的整合，并對元數據進行規范化處理，以便終端輸出，并為提供智慧化圖書館服務打下堅實基礎［9］。例如，英國利物浦大學圖書館建立了一個數字孿生系統，利用最新的數字技術和人工智能算法，將傳統圖書館的實體空間與虛擬空間相結合，通過深度整合學科資源構建了機構知識庫，并根據個性化推薦算法為汽車工程學院和力學研究所的科研人員實時匹配科研場景，精準推薦學科資源。

4.2 技術：攻關關鍵技術，強化技術保障

目前國內尚未有具體公開的案例報道數字孿生技術在圖書館領域的大規模應用落地，數字孿生技術在圖書館領域的應用仍處于初期階段，數字孿生智慧圖書館的構建尚處于起步階段，還需要時間和實踐來進一步完善和推廣

［10］。但是在數字孿生技術的融入下，圖書館可以充分利用VR技術、AI技術在人機交互下打造沉浸式的圖書館智慧學習空間，提高用戶的學習體驗及學習效率。例如，英國紐卡斯爾中學早期建立了VR教育工程，能夠充分運用VR技術在圖書館或教室內進行相關學習行為與教育活動，讓圖書館成為一個魔幻的學習空間，學生可以通過虛擬現實技術穿越時空，探索歷史事件和文化景觀，同時他們還都可以依據自身興趣和學習需求選擇不同的虛擬學習場景，并按照自己的節奏和理解能力開展學習。

4.3 合作：多方協同合作，推動持續發展

數字孿生智慧圖書館的構建，并非簡單的、一勞永逸的“交鑰匙工程”，而是一項復雜的系統工程，它涉及到技術創新、多要素參與、資源優化配置等一系列問題，即使是最先進的技術，也無法單獨推動社會的變革進程，因此數字孿生智慧圖書館的構建與實現必須借助不同層次的機構合作才能完成。通過建立“政府引導—機構合作—館間聯盟”的協作溝通機制，將圖書館與政府、機構、其他圖書館之間的合作關系緊密地聯系在一起。政府可以通過制定相關法規和政策，明確脫敏數據的使用規范和安全保障措施，鼓勵圖書館和相關機構利用脫敏數據進行分析和研究；通過提供財稅支持、場地租賃和人才培養等方面一系列的優惠政策，鼓勵企業和機構積極參與智慧圖書館的建設和運營；通過大力支持建立產業聯盟，促進資源共享和合作創新。圖書館與企業、高校合作，能夠促進理論與實踐的結合，通過共享資源和知識提供資源支持，通過彼此的科研團隊緊密合作，共同開展技術研究和創新，推動數字孿生體系建設向前發展。圖書館之間在互相協作的過程中降低了開發成本，并通過資源共享、資源互換達成共贏，使數字化能力較弱的圖書館也可實現數字孿生技術的應用［11］。

5 結語

綜上所述，將數字孿生技術應用于智慧圖書館將成為圖書館發展的重要趨勢。數字孿生技術突破了圖書館空間服務的限制，推動智慧圖書館向更高層次的信息化、智能化和數字化發展。圖書館應該抓住這個發展契機，以數字孿生為核心，深度融合各種先進技術，結合人工智能和VR技術，充分發揮虛擬空間的資源和服務優勢，提升資源數字化和虛實結合的服務能力，為用戶提供優質的閱讀體驗。

參考文獻

［1］趙藝揚.數字孿生圖書館：基于數字孿生技術的新型智慧圖書館建設［J］.出版廣角，2020（10）： 79-81.

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［3］李璐，尹玉吉，李永明.基于數字孿生的圖書館智慧管控系統模型構建研究［J］.圖書館學研究，2021（4）：29-37.

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［5］郭玲.數字孿生賦能的圖書館智慧服務場景研究［J］. 河北科技圖苑，2023， 36 （1）： 51-55.

［6］王岳弘.數字孿生技術驅動下的智慧圖書館場景化服務模式研究［J］.造紙裝備及材料， 2023， 52 （1）： 196-198.

［7］朱藝雯.數字孿生技術驅動下智慧圖書館場景化服務模式研究［J］.互聯網周刊， 2022 （24）： 25-27.

［8］李慶華，洪麗平，徐姍姍，等.基于數字孿生的智慧圖書館數據融合研究［J］.四川圖書館學報， 2023 （4）： 36-41.

［9］林良金.數字孿生賦能的圖書館智慧學習網絡空間構建研究［J］.河南圖書館學刊， 2023， 43 （7）： 109-113.

［10］張曉蕾.融入數字孿生的圖書館智慧學習空間構建研究［J］.河南圖書館學刊， 2023， 43 （5）： 125-128.

［11］張艷豐，歐志梅.數字孿生技術驅動下智慧圖書館場景化服務模式研究［J］.情報理論與實踐， 2022， 45 （8）： 47-53.

作者簡介：

胡海波，女，黑龍江農墾職業學院圖書館館員。研究方向：圖書館管理與服務。

（收稿日期：2024-01-21 責任編輯：張靜茹）

The Construction and Implementation of Digital Twin Smart Libraries

Hu Haibo

Abstract：In this digital age where almost everything can be digitized， the construction and implementation of digital twin smart libraries has become a new concept for library construction. On the basis of briefly elaborating on digital twin technology and digital twin libraries， this article analyzes in detail the service scenarios of digital twin smart libraries from three aspects： resource application， accurate recommendation， and humanistic research. The digital twin smart library system architecture is constructed from four aspects： basic layer， data layer， service layer， and application layer. The implementation path for constructing digital twin smart libraries is proposed from three aspects： resources， technology， and cooperation.

Keywords：

Digital Twin; Smart Library; Service Scenarios; System architecture