基于數字孿生技術的圖書館空間再造研究

張晶

(北京師范大學珠海校區， 圖書館， 廣東， 珠海 519085)

0 引言

數字孿生技術的提出與發展，為空間的建設提供了許多全新的思路。通過數字孿生[1]，在數字空間內打造一個與物理空間相匹配的“孿生空間”，進行規劃、設計、建設、運行等模擬與演算，實現空間的高效利用，對空間的改造與充分利用提供實時分析。

數字孿生的概念最早由到2002年Grieves提出的，直到2011年此概念正式出現，作為支持美國宇航局飛行器設計與運行的方式出現，此后逐漸向智能化、智慧化、醫療化等方面擴展。數字孿生技術(Digital Twin，DT)主要就是通過數字化技術，建立一個新的物理模型，并在虛擬空間中構建一個全新的物理空間對應現實空間的所有活動。以物理映射的概念建立全新的空間模式，數字孿生技術沒有實體數量限制，并且能夠跨時空，圖書館空間重建與構造的過程中，使用數字孿生技術對其空間改造與環境重建以及個性化服務需求的滿足方面有著前瞻性的理論價值和一定的實踐意義。物理世界與數字世界的模式如圖1所示。

1 基于數字孿生的圖書館空間再造

1.1 數字孿生圖書館

數字孿生圖書館，主要是通過圖書館物理實體圖書館與孿生圖書館交替融合的技術，主要包括圖書館物理實體、孿生數據、孿生體系3個部分組成。物理實體起參照作用，中間通過孿生數據的模擬映射，最后通過孿生體系的搭建，構成了圖書館的物理實體與數字孿生對照[1]。

圖1 物理世界與數字世界的模式

數字孿生圖書館的運行機制主要有以下幾個模式：①運用數字化技術、大數據平臺在圖書館物理實體之外搭建一個新的運行平臺，此平臺與實體圖書館在物理、內容、技術、屬性、業務、運行等方面完全一致；②建立虛擬數字平臺，使之與圖書館的物理實體能夠進行雙向反射與實時互動；③虛實結合，創建共生共長、彼此互控的有力條件；④物理實體中所有服務、資源與管理都可以與虛擬平臺中的數據進行互相分析與互相促進，數字模型的改變同時能夠即時修正實體圖書館的服務對策；⑤數據融合技術，能夠促進圖書館的建設與管理標準，形成有序的環境與數據的協調統一，從而構成“人-資源-環境-服務”有效融合的數字孿生機制[2]。數字孿生技術下圖書館運行機制如圖2所示。

圖2 數字孿生技術下圖書館運行機制

1.2 圖書館空間再造

圖書館空間再造的活動基于用戶的需求而產生，傳統的圖書館在知識與增長與快速迭代中，已經難以滿足用戶的需求，紙質藏書的數量與時效性已經遠遠不能滿足當代大學的科研與教學需求，伴隨著傳統圖書館應運而生的文獻傳遞、館際互借、電子資源共享等新興的方式，以及逐步替代傳統紙質藏書的要求，在這個過程中，刻意地保持傳統的閱讀習慣與閱讀方式，勢必造成信息與資源的滯后，圖書館空間再造就迫在眉睫，數字孿生技術更強調圖書館服務的時效性與過程性，根據用戶的不同需求，對相關聯的知識進行重新組合與激活，并且能夠以更加直觀與交互的方式與用戶進行互動交流，提供更加精準的服務模式。孿生技術的逼真性，也使得用戶在使用圖書館的過程中，不會產生時間和空間的錯覺，使得圖書館物理實體與系統的交互進一步增強[3]。空間再造的基礎就是滿足物理實體與數字孿生的并存，并提供交互融合與精準服務,如圖3所示。

圖3 圖書館空間再造的模式運行

2 數字孿生技術在圖書館空間再造中的應用分析與構架建設

2.1 數字孿生技術在圖書館的應用分析

(1) 實現智能化管理，傳統的圖書館在管理的過程中，由于系統間的信息不暢，會導致圖書館的業務模塊分散化與割裂化，部門之間存在信息交流不暢的情形，嚴重影響用戶使用圖書館的積極性，數字孿生技術從根本上杜絕這一現象，海量的資源與數據平臺能夠迅速收集并處理分析現有的問題，及時地將結果反饋到數據端，管理者可以根據數據及時進行調整與反饋，并且數字孿生技術體系能夠增加技術的智慧性，云計算能夠緩解存儲于計算壓力，可以形成全局協調、全流程業務管理、資源全媒體的一體化管理模式[4]。例如上海的阿法迪智能書庫，就是通過智能化的數字管理模式，實現了書目的入庫、編目、流通、借閱等模式，實現書籍的全自動出入，極大地減少了人工操作流程，提高了圖書使用和流通效率。

(2) 實現精準服務分析,圖書館用戶在使用圖書館的過程中，對于文獻資源的需求各有不同，有些隱形的需求需要圖書館管理人員去開發，在滿足用戶顯性需求的基礎上，深入挖掘其隱形需求，就需要對用戶的文獻使用情況有深入的了解，周萍[5]在研究大數據驅動下的圖書館精準服務過程中，提出了數據政策、數據資源、用戶與館員是精準服務能夠實現的三大關鍵因素，其中數據資源包括大數據、小數據，大數據就是海量的數據，是一種數據環境，小數據是用戶的個體數據，通過數據分析，預測用戶的未來需求，發現用戶的需求變化模式，從而提供精準的文獻資源，并且能未雨綢繆地為用戶推送相關的學科最新進展，提高用戶的滿意度。

(3) 實現全新閱讀模式，用戶在使用圖書館的過程中，會發現現有的圖書館閱讀模式過于死板，閱讀模式單一帶來的弊端就是疲態與厭倦，全新的沉浸式互動體驗與數字科技帶來的高校閱讀，能夠激發用戶的使用頻率，高質量最前沿的數字閱讀的需求以及可視化、可操控的閱讀方式，滿足用戶虛實結合的閱讀體驗。例如給用戶提供VR/AR圖書，可以使用戶體會到真實的虛擬場景所帶來的震撼與滿足。重慶圖書館在2013年的時候進行了全景數字化虛擬項目，整個圖書館的歷史珍貴資料，包括歷史圖片、圖書、期刊、報紙、名人手跡等進行了數字化，虛擬電子資源能夠更加方便快捷的滿足用戶需求，也使得珍貴資源得以保存傳承。

(4) 提供精準化用戶信息，數字孿生技術還可以與用戶的穿戴設備進行數據鏈接，即時搜集用戶的健康數據與健康動態，對潛在的健康問題發出預警，在突發大的疫情的時候，能夠高效迅速地進行數據的匯總與上報，提供健康干預，并且能夠為醫護人員提供輔助醫療的措施。Ford[6]在數字孿生城市(SCDT)的研究中,提出了社區災害管理過程中的SCDT的概念模型，其中信息循環是此模型的重要因素。數據的收集與數據管理能夠為數字孿生提供最重要的基礎，災害管理與數字孿生技術互相協同作業。

2.2 數字孿生技術在圖書館空間再造過程中的架構建設

數字孿生技術是以數據和模型搭建的數字平臺，對圖書館的實體物理空間進行監測、互動、反饋以及調整的過程，以滿足圖書館在空間再造過程中的反饋需求。數字孿生的圖書館空間構造層級如圖4所示。

圖4 數字孿生的圖書館空間構造層級

(1) 資源層，主要為實體物理層 ，是整個架構建設中的根基，主要指圖書館內的資源實體，包含各類物理實體與設備，從門禁處的紅外線儀器、監控設備開始，到圖書館內的可移動、可自主操作的終端設備，都會對到館用戶進行數據采集，并對圖書館內的空間、資源進行數據的集采，獲取實時的數據，為數據存儲層提供設備上的支持，為空間再造提供技術上的保障[7]。

(2) 核心層，包括數據存儲層、模型分析層、服務應用層3個方面。數據存儲層，數據主要包括靜態數據和動態數據，數據存儲層主要是進行圖書館空間再造提供數據的采集、存儲、傳遞、以及管理等功能，并結合云計算以及大數據等技術，服務整個體系構架，為物理空間、虛擬空間以及服務系統提供鏡像模型數據，存儲的數據主要包括用戶行為數據、設備運行數據、圖書館服務數據以及環境數據等，數據存儲層在此過程中進行實時數據的存儲、調度、遷移等功能；模型分析層，主要是運算和建模的過程，包括結構模型算法，虛擬空間模型構建以及對應的數據驅動模型的構建，構建的模型要與實體空間在人員、設備、資源、服務等方面完全一致，達到精準控制、及時遠程維護、迅速調配人員、實時故障診斷、優先調度資源等目的；服務應用層，主要從用戶、管理者和館員3個層面進行使用，用戶的入館資源需求和遠程服務需求，管理者的決策支持與分析評價服務，館員的系統檢測與質量管理、資源調度服務，服務應用層的完善能夠高效有序地提升圖書館服務效率，滿足用戶的個性化需求，增強館員與用戶之間的交互[8]。

(3) 交互層，是最頂端的應用層面，主要提供館員與用戶之間的交互渠道，交互層能夠支持館員實時觀測圖書館的運行狀態，遠程調試設備，對于用戶的體驗進行及時的反饋與追蹤，實時地解決用戶使用圖書館過程的問題，對于用戶來說，可以在虛擬的場景中進行服務與資源的漫游，能夠準確地找到所需的資源，實現全感官全方位的沉浸式體驗，用戶還可以通過空間模擬技術、NFC等完成虛實空間的切換。

3 數字孿生在圖書館空間再造的應用模式分析

數字孿生技術在圖書館空間再造的過程中，通過4個端口協同發揮作用，主要是物端、物網端、網端、智能端，4個層級功能逐步遞增，卻又互相協同，如圖5所示。

圖5 數字孿生技術在圖書館空間的應用模式

(1)物端主要提供技術與設備支持，可穿戴設備、可移動設備、可操控設備同時工作，完成數據的采集與分析上傳，直接進入到物網端。(2)物網端利用物端提供的數據，進行綜合分析、模擬孿生、管理監測以及分析預期，同時物網端將其分析的數據、評估等上傳至上極端，也就是網端。(3)網端，用戶可以利用圖書館的資源進行深度學習，并將其學習結果反饋給智能端[9]。(4)智能端的主要工作就是結合學習情況進行隨時更新與調整，并推送用戶潛在的需求，同時將此結果反饋給管理者，管理者實時做出更新與管理，通過4個端口的無縫鏈接，提升圖書館與用戶之間的精準交流[10]。

圖書館在空間再造的過程中，將用戶的需求進行全面綜合的考慮，能夠給用戶帶來良好的人機交互環節，使他們獲得更高要求的體驗與滿足。

4 總結

數字孿生技術是全新的朝陽技術，與物聯網、云計算、大數據等前沿技術協同工作，成為人們改造認識物理世界的新技術與新工具[11]。本文將數字孿生技術與圖書館空間再造結合，通過物理世界與虛擬世界的融合，實現信息資源的聯通、交互與虛實共生，資源的進一步融合與實時交互，為用戶帶來全新的虛實融合的感官體驗，提高圖書館的使用率，但同時數字孿生技術也會帶來用戶隱私泄露的風險，在以后的研究中，需要進一步關注。