New IT技術驅動下數字孿生圖書館虛實空間融合機理

翟秀鳳?胡大敏?劉景亮

摘 要 在New IT新一代技術引導下，用戶智能化、數字化的資源服務需求，虛擬現實與泛在感知傳感器的融合，將改變傳統圖書館的空間形態，推動數字孿生圖書館的誕生。論文通過對孿生圖書館虛實空間樣貌、核心要素探討，依據系統論、全生命周期理念，構建數字孿生圖書館虛實空間多維融合模型和場景融合模型圖，并提出孿生圖書館虛實空間模型、數據、服務之間交互融合機制，進而分析虛實空間場景融合的四種模式：空間場景融合、學習場景融合、服務場景融合、文化場景融合。

關鍵詞 New IT;孿生圖書館;虛實空間;融合機理

分類號 G250.7

DOI 10.16810/j.cnki.1672-514X.2022.02.003

Abstract Under the guidance of New IT technology， users’ demand for intelligent and digital resource services， and the integration of virtual reality and ubiquitous perception will change the space form of traditional libraries and promote the birth of digital twin libraries. First， this paper discusses the spatial appearance and the main elements in virtual-real space of the digital twin library. Then， based on the concept of system theory and whole life cycle， the multi-dimensional model and scene fusion model are constructed. Finally， the twin library’s virtual-real space model， data， and service fusion mechanism are proposed， and four models of scene fusion are analyzed： space scene fusion， learning scene fusion， service scene fusion， culture scene fusion.

Keywords New IT. Digital twin library. Virtual-real space. Fusion mechanism.

0 引言

數字孿生最早出現在全生命周期管理的概念中，美國知名咨詢及分析機構Gartner將此技術連續四年列入《十大戰略性技術趨勢》[1]，該技術廣泛應用于智能制造、航空航天和汽車、軍事仿真、醫療健康等領域[2]。后疫情時期，數字孿生城市的規劃和探索引領著數字化智慧城市建設，并在圖書館領域引起關注。秦曉珠依據共性理論與共性特征，分析了數字孿生技術在物質文化遺產建設中的運行機制、實施方案[3];張興旺等研究了6G時代數字孿生圖書館內涵、機制和框架[4];王璐從全周期管理角度探討了孿生圖書館的理論模型、機理和體系[2];孔繁超、石婷婷分別研究了數字孿生技術在圖書館的應用場景和空間架構[5-6]。在大數據、云計算、人工智能等新一代信息技術浪潮下，圖書館實體空間功能逐漸弱化，而智能化數字感知空間逐漸增強，數字孿生為圖書館構建互融互通、全域感知的孿生空間提供了新的思路。

1 New IT技術與數字孿生圖書館

1.1 New IT技術

New IT指新一代信息技術群，代表了未來發展中高端技術所搭建的新信息環境，包括物聯網、數字孿生、3R（虛擬現實VR、增強現實AR、混合現實MR）、邊緣計算、云計算、5G/6G、人工智能（AI）、區塊鏈、全息、全域感知等技術。New IT技術群引領了技術顛覆性改革的時代，其聚合了5G/6G超網、全智能、感知AI、虛擬現實，將人、機、物、數據、模型相結合，實現五維度的全感3D、全息通訊、觸覺情感識別，達到虛擬與現實的完美融合[7]。New IT技術彰顯了包容性、創新性、開放性、智能性的特征，融合超網絡、3R、全息、身體域、多感官混合現實等智能技術，拉近了科幻世界與現實世界之間的距離，是圖書館虛實空間發展的新機遇和挑戰，為數字孿生圖書館孕育奠定了基礎。

1.2 數字孿生圖書館

2003年，密西根大學的邁克爾·格里夫斯（Michael Grieves）教授在PLM課程演示文檔中提出了“產品的虛擬數字化表達”理論[8]。2006年，在其著作《通過PLM驅動創新和精益產品》中提出了“數字孿生體”（Digital twin）一詞[9]。2012年，NASA將“數字孿生體”（digital twin）正式定義為“集成了多物理量、多尺度、多概率系統或飛行器仿真模型”[10]?；跀底謱\生的精度仿真特征，筆者認為數字孿生圖書館是以數字化的形式構建與實體圖書館內容、性質、結構完全相同的仿真模型，并建立彼此之間數據和信息的關聯，實現“人—機—物—環境”智能交互融合，用以監測感知、分析優化實體場館整個生命周期動態。

1.3 數字孿生圖書館的早期雛形

早在2006年，基于Second Life（第二人生）虛擬社區，圖書館聯盟系統啟動了Second Life2.0項目，成立信息島（Cybrary City），即線上漫游平臺[11]，并創造了一個圖書館虛擬環境，用戶和館員可以化身為虛擬居民，在Second Life虛擬社區中，體驗沉浸式學習、交互式服務、無障礙交流[12]。此外，哈佛科博特圖書館利用Untiy3D軟件創建虛擬現實三維空間，用戶通過手機、電腦獲得融合視覺、聽覺、觸覺、嗅覺教育體驗過程[13];國內清華大學圖書館于2013年開通了虛擬化導覽系統，并且天津天獅學院圖書館也較早開展了虛擬漫游服務。VR/AR在圖書館學習空間、信息服務、用戶體驗、數字文化、3D模型等方面的探索，類似于圖書館場景的虛擬孿生體，是數字孿生圖書館的早期雛形。

虛擬圖書館和數字孿生圖書館均是借助AR、VR、MR技術構建實體圖書館的3D虛擬模型，二者又有本質區別。圖書館虛擬現實場景是以漫游休閑的游戲方式為主，以用戶自由體驗為目的，且是數字孿生圖書館服務的局部縮影;而數字孿生圖書館是模擬仿真實體圖書館整個運行周期，包括物理圖書館的資源、服務、結構、功能、流程、人員等要素，目的是監測實體場館全空間要素的運行機理，促進實體空間與虛擬空間的交互融合，優化改良圖書館數字化、智能化的服務體系。

2 融入New IT技術的數字孿生圖書館虛實空間核心要素

5G時代，圖書館在信息技術的支持下，實現了自助借還、RFID、人臉識別、定位導圖等業務智能化技術的應用，而虛擬現實（AR/VR）、混合現實（MR）、人工智能（AI）等技術將推動圖書館的服務向更深層次的領域拓展，其中New IT技術將引領智慧圖書館進入一個虛實空間雙向映射、動態交互的世界，即數字孿生圖書館與實體圖書館共生共長，虛實空間相互協同融合。

2.1 虛實空間樣貌

New IT技術群所構建的虛實空間形態包括數字孿生空間、實體空間及鏈接二者之間的數據紐帶。數字孿生空間以New IT技術群為支撐，以6G網絡超時空通訊為平臺，借助機器學習、深度學習、多模信息融合等技術，挖掘、分析、提煉實體空間中的靜態和動態數據，將物理空間中的元素數字化處理后，與虛擬世界對接;利用數字仿真、3R技術，構建高仿真、高精度、高清晰的孿生模型，并營造3D立體感知、沉浸式用戶體驗的虛擬空間。實體空間將改變傳統服務模式，呈現靈活、智能、多元的服務特征，如：利用智能終端自動感知用戶狀態和行為;館內溫濕度、光線、桌椅根據用戶喜好習慣自由拼接;學習空間實現教室、視聽室、研討室多功能空間的融合[14];數字化資源依據用戶需求和歷史記錄自由獲取和匹配推薦。在New IT技術群引導下，以數字紐帶為媒介，未來圖書館的資源和服務將主要集中在虛實空間相互融合的體系中。

2.2 虛實空間核心要素

基于數字孿生三維模型，陶飛等學者提出了數字孿生五維模型，MDT=（PE，VE，Ss，DD，CN）[15]，即包括物理實體（PE）、虛擬實體（VE）、服務（Ss）、孿生數據（DD）、連接（CN）。2.2.1 實體

實體指圖書館整體運行中的空間環境、物理資源、智慧服務、館員和用戶、制度章程、行為特征等，是維系實體圖書館空間運行的主體。孿生實體選擇按照“單元級、系統級、復雜系統級”思路[16]。單元級是實體空間中最小元素，如設備、人、書籍等;系統級是空間中具體工作模塊，如學習空間、借閱服務等;復雜系統級指圖書館整體運行體系，是由各個單元級、系統級模塊相互協同構成的數字孿生圖書館虛實空間。

2.2.2 技術

New IT技術群是實現數字孿生圖書館虛實空間的推動力，包括三大領域核心技術，一是超網絡技術，即5G、6G搭建的超寬帶、超空間、超速度網絡;二是融合感知技術，即機器學習、深度學習、全息技術、多模態情感識別、多領域融合及身體域;三是仿真建模技術，如數字仿真、3R及三維建模軟件（ProE、3D MAX、Solid等）。

2.2.3 數字孿生體

數字孿生體是對實體空間的映射，由多維模型相互融合協同，用來揭示實體空間特征。具體包括：幾何模型，如形狀、尺寸、位置等特征;物理模型，如結構、數量、功能、類型等特征;規則模型，如制度、流程、業務等特征;行為模型，如整體運行過程中的行為特征。模型與實體間通過傳感器完成數據的傳輸和同步，數字孿生體是對實體世界的真實鏡像，不同的孿生模型可以監測不同實體動態、行為軌跡，實現多維模型多時空融合互補。

2.2.4 數據

在未來的智慧共享空間，數據管理、數據決策將成為智慧圖書館的管理模式，特別是在具體的共生共融的業務管理中，數據是鏈接虛實空間的重要因素。智慧空間產生了大量冗余復雜、多源異構數據，包括靜態數據、動態數據、歷史數據、實時數據等。數據挖掘、分析、處理、融合、仿真、評估、內化是空間運轉的通行證。數字孿生圖書館利用New IT技術中的全息感知、多源信息融合、數字孿生等技術實現異構數據存儲、傳輸、融合、關聯、遷移和調度，使虛實空間精準共生共融。

2.2.5 服務

智慧感知服務是數字孿生圖書館虛實空間的內生動力。在New IT技術群驅動下，虛實空間所演化的智慧服務包括虛擬場館體驗、數字化的全域感知、全息多維學習空間、沉浸式閱讀、知識資源鏡像立體等。不同群體對虛實空間服務需求不同，如：對于大眾讀者，傾心于泛在閱讀、空間環境、學習體驗、休閑漫游服務;對于科研學者，熱衷于資源集合、學科仿真、科研支持;對于決策者，更需要空間運行狀態、數據可視化分析、趨勢預測與評估服務的總結。

2.3 各要素關聯

各要素之間相互關聯協同，共同支撐數字孿生空間的智慧運行。實體是虛實空間的物理形態，是資源、服務的源泉和儲備庫，孿生體是實體場館的虛擬映射，New IT技術群是鏈接實體與孿生體相互轉換的媒介，通過對實體場館的全要素、全流程、全業務的孿生仿真，形成數字孿生圖書館，搭建虛實空間的基礎框架。數據是實體空間與物理空間傳輸交流的紐帶，借助物聯網、云平臺數據存儲、神經網絡及D-S理論、用戶畫像等技術與工具，進行數據挖掘、特征分析、異構融合，協同虛實空間中環境、資源、服務、人員等要素的物理實體與虛擬孿生體的一致性。虛實空間融合衍生出各種智能感知服務，既能滿足用戶個性化、便捷化服務需求和體驗，也能實時檢測、調度空間運轉機能。在各要素作用影響下，虛實空間演化為一個生長有機體，充分調動起空間中形態、資源、服務的高度銜接和智慧內生。

3 New IT技術驅動下數字孿生圖書館虛實空間多維融合模型系統

3.1 總體設計思路及多維模型

美國經濟學家Raymond Vernon提出全生命周期的理論[17]，指出事物發展的“初創期—生長期—成熟期—衰退期”為整個運行周期，主要應用于智能制造、智慧城市、知識管理等領域。New IT新信息技術架構體系下，基于全生命周期理念，以數字孿生圖書館為中心的虛實空間系統按照“需求—技術—設計—映射—模型—機制—場景—評估”的思路，構建虛實空間相互交融的智慧閉環系統（如圖1）。

根據總體設計思路，按照系統論及多源異構數據、模型、服務融合機理，構建數字孿生圖書館虛實空間多維融合模型系統。虛實空間以總控平臺為核心，利用模型線程、數據線程、服務線程，消除模型、數據、服務壁壘，實現高度融合的虛實空間體系（如圖2）。

數字孿生圖書館的多維模型主要包括空間模型、資源模型、服務模型、人員模型，以及與物理模型融合的制度模型、行為模型、規則模型等虛擬模型。每個模型下細分相應的特征模型，如：空間模型包括物理建造、環境設施、結構要素等模型;資源模型中含紙質資源、數字資源、規則流程等模型;服務模型包括學科服務、閱讀服務、資源服務、學習支持、虛擬現實、數字感知服務等模型;人員模型包括館員、用戶、交互行為等模型。通過對多維多特征模型的運算融合，搭建實體空間與虛擬空間環境、資源、服務、人員要素的雙向映射，完成虛實空間整體監測和智能交互，從而迭代優化數字孿生圖書館的生態系統。

3.2 多維模型融合

孿生圖書館虛實空間整體運行中，模型、數據、服務融合的基點是模型線程、數據線程、服務線程。三者是將不同模型、數據、服務進行關聯、歸納、轉換、演化、協同、融合，支撐虛實空間中數字孿生體的高效利用和統一管理[18]。虛實空間體系最里層是模型層，通過對各個模型間標準化處理、無縫鏈接，借助模型線程完成多維模型結構、特征、內容的全要素融合;中間層是數據層，大量滋生的數據是鏈接虛實空間紐帶，利用數據線程實現多源異構數據挖掘、數據清洗、數據分析、數據關聯、數據存儲等全流程的交互融合和實時傳輸。最外層是虛實服務層，New IT技術群驅動下，實體服務和虛擬服務智能互聯，借助服務線程完成虛實服務匹配、服務融合、服務協作等全業務的泛在、智慧、感知。

3.3 系統運行機理

以多維模型系統為核心的虛實空間在時間維度和空間維度上呈現了高度協同融合。時間維度上，系統運行遵循全生命周期的管理機制，從模型構建、業務流程、服務要素、系統監管、評估反饋，貫穿于虛實空間的整個管理周期和服務周期。數字孿生圖書館總控臺對空間的全要素、全業務、全資源、全服務進行監測和評估，深度分析改進空間運行的決策方案;空間維度上，系統運行將虛實空間融合為物理空間、信息空間、服務空間三大核心主體。物理空間是虛實空間中人、實體、孿生體三者之間智能互聯的底層結構，借助數字孿生技術實現空間模型、服務模型、資源模型、人員模型等物理模型的一一映射，以及規則模型、流程模型、制度模型等虛擬模型的虛實共生;信息空間是鏈接物理空間與服務空間的橋梁，利用New IT技術群開展數據挖掘采集，促進異構數據同步融合，強化系統學習計算功能，支持虛實空間中多維模型主體的協同決策;服務空間是虛實空間的上層建筑，外化為學習支持、虛擬現實、學科服務、文化服務等智慧感知服務。多維模型系統具有自學習、自適應、自感知、自決策的優良屬性，能夠適應用戶多元、立體、知識服務需求，實現人—機—物—環境的互融互通。

4 New IT技術驅動下數字孿生圖書館虛實空間場景融合模型

在New IT技術群驅動及智能設備支撐下，以用戶知識獲取、空間體驗、智能學習等需求為前提，實體空間通過數字孿生數據中心采集、融合、仿真、建模、評估等數字化處理，形成雙向映射、智能交互的孿生空間。虛實空間中各要素、資源、服務的融合協同，衍生出空間場景、學習場景、服務場景和文化場景（如圖3）。

4.1 空間場景

空間場景融合體現在虛實空間的整體交互感知的雙向映射，具體包括場景映像、環境感知、能耗管理。場景鏡像是利用機器學習、深度學習等高性能計算方式，構建孿生空間體。用戶在孿生空間中擁有自身畫像，可以體驗遠程虛擬空間漫游、數字化資源借閱、特色自助服務等，用戶只需借助孿生圖書館云服務、App平臺，足不出戶，完成實體空間中的所有訴求。環境感知是利用智能傳感器，對環境濕度、溫度、空間設計、靜音程度、人群密集度等監測，與用戶心理需求匹配，自動調節重組空間環境氛圍、結構布局、資源調度。同時，虛實空間將用戶畫像數據、歷史數據與場館空間資源服務互聯，通過數據挖掘、分析、融合、傳輸，實現智能感知用戶類型，主動推介資源服務，進而增強用戶與空間的交互能力。能耗管理是通過物聯網平臺，對孿生圖書館設備、資源、人力、服務等整體協調和監管，完善虛實空間系統的自主學習能力。

4.2 學習場景

在New IT技術群驅動下，數字孿生圖書館的學習支持功能將以泛在自由的知識獲取、智能互聯的設備供給、專業深度的智慧服務為主。實體學習空間將為用戶提供智能化語音、視頻設備和可視化、統計分析、情景感知軟件系統，館員扮演著知識獲取和學習行為的輔助者和分析師;虛擬空間中，以孿生資源互動、人機對話、群智協作等方式創設自適應、個性化的學習環境。創客空間場景中，構建孿生創客模型，通過可視化虛擬現實技術驗證用戶創意，提高用戶學習精度和深度。虛擬遠程學習場景，可以構建館員、專家、學者的孿生畫像，在智慧學習平臺上，開展與用戶實時討論、指導、傳授等多場景學習互動，激發用戶知識建構、遷移和深度體驗。

4.3 服務場景

虛實空間服務場景融合充分體現了全面智慧感知理念，并可以自由切換，在虛實空間中構建與實體服務雙向映射的孿生服務，用以監管和引領實體服務動態。每個館員和用戶擁有自身的孿生角色，虛擬館員可以嵌入到用戶整個服務場景中，根據用戶習慣偏好、知識結構、學習行為，為其推薦動態、三維立體資源。孿生館員也可以借助智能傳感器，提供智慧化的交互服務，實時解答用戶疑惑，營造館員與用戶“全程在場”“面對面”的知識交流模式，通過對用戶的全程跟蹤和監測，及時捕捉用戶的情感、技能、認知、記憶等數據，并根據用戶的需求進行多維智能評價，為個人訂制專屬智能服務。

4.4 文化場景

New IT技術將更好的詮釋文化、仿真古籍、還原歷史，如利用數字孿生、VR、AR、DT技術將特藏資源、古籍資料、影像史籍，以仿真現實、動態立體的形式呈現，讓用戶在虛實融合空間中，體會文化魅力、尋根溯源。同時，利用AI技術高清復原歷史場景，用戶可借助全域感知、身體域網絡及智能感知設備體驗三維立體影像，實現歷史場景穿越。此外，New IT技術能重振虛實空間文化傳承職能，一方面，通過對物質文化遺產的數字化建模，分析預判，實時評估實體文化遺產的特征、行為和狀態，加強對文化遺產保護，另一方面借助仿真模型傳遞文化遺產內涵、價值，讓文化元素融入普通大眾視野。在虛實空間文化展演中，對名勝古跡、歷史文物營造真實場景，融合全感和全息技術，構建集視覺、聽覺、嗅覺、味覺為一體的立體場景，令用戶身臨其境，加深對文化解讀和情感共鳴，數字孿生文化場景的傳播共賞功能使文化更加活躍生動。

5 場景融合實現機理及未來展望

在New IT技術驅動下，數字孿生圖書館場景融合彰顯了未來圖書館智慧服務的新形態，其終極目標是構建實體空間與虛擬空間的無縫鏈接，以虛帶實，用實補虛，虛實共融共生的智慧館舍。場景融合實現機理體現在物理層、數據層、場景層的三維立體融和。物理層是虛實空間基礎框架，包括智能化基建感知設備和New IT技術群的支持。數據層由孿生數據中心負責系統運行數據、用戶行為數據、模型鏡像數據等的挖掘、分析、仿真和調度，實時監測運維、輔助決策、精準管控。物理層、數據層為場景層融合提供資源、技術、服務支持;場景層演化為虛實空間的服務交互、資源交互、用戶交互平臺。服務交互體現在虛實空間環境感知、智慧化學習支持、沉浸式服務體驗、立體感官文化元素的融合。資源交互是以用戶便捷化、智慧化知識獲取為宗旨，包括多源類型的紙質和電子資源的同步異構轉化。用戶交互指用戶和館員虛實身份的無縫交換和角色定位，既能滿足二者之間不同虛實角色的咨詢互動，又能促進虛擬空間中相似用戶知識分享和交流。場景融合系統對整體服務效能、數據流轉、人員調度實時監測評估，反饋給總控中心，及時調整優化空間布局，形成智慧循環的場景融合體系。

從虛實鏈接，到虛實融合，再到虛實共生，最終，數字孿生圖書館將實現虛實相映的智慧內生[6]。虛實共進，將促進空間的雙向融合，在人機交流互動中呈現智慧洞察。虛實空間的自學習、自模仿、自改進、自決策能力將推進圖書館整體運行的智慧生態。在New IT技術驅動下，數字孿生圖書館將演變為萬物互聯感知的智慧化有機系統，用戶進入虛實空間，資源智慧推薦、服務態勢感知、決策智能預判、系統協同治理、環境全域感知，實現孿生圖書館系統空間的自我進化和智慧成長。

參考文獻：

李晨暉，張興旺，秦曉珠.圖書館未來的技術應用與發展：基于近五年Gartner《十大戰略技術趨勢》及相關報告的對比分析[J].圖書與情報，2017（6）：37-47.

王璐，張興旺.面向全周期管理的數字孿生圖書館理論模型、運行機理與體系構建研究[J].圖書與情報，2020（5）：86-95.

秦曉珠，張興旺.數字孿生技術在物質文化遺產數字化建設中的應用[J].情報資料工作，2018（2）：103-110.

張興旺，石宏佳，王璐.孿生圖書館：6G時代一種未來圖書館運行新模式[J].圖書與情報，2020（1）：96-102.

孔繁超.基于數字孿生技術的智慧圖書館空間重構研究[J].情報理論與實踐，2020（8）：146-151.

石婷婷，徐建華，張雨濃.數字孿生技術驅動下的智慧圖書館應用場景與體系架構設計[J].情報理論與實踐，2020（11）：1-13.

王雪，李平.6G網絡發展趨勢分析[J].移動通信，2019（8）：373-376.

GRIEVES M. Product lifecycle management： the new paradigm for enterprises[J]. International Journal of Product Development，2005，2（1/2）：71-84.

GRIEVES M. Product lifecycle management： driving the next generation of lean thinking[M].New York： Mc Graw-Hill Education，2006：10.

GLESSGEN E H， STARGEL D S. The digital twin paradigm for future NASA and US air force vehicles[C]//53rd Struc-tures， Structural Dynamics， and Materials Conference： Spe-cial Session on the Digital Twin，Hawaii，2012：1-14.

武林，張亞.Second Life中圖書館的服務模式[J].圖書情報工作，2009（9）：68-70，101.

寧巖，王群.國外圖書館基于Second Life的服務實踐研究[J].圖書與情報，2012（5）：70-74.

Augmented and VirtualReality Studio[EB/OL].[2019-10-19].https：//library. harvard.edu/services-tools/augmented-and-virtual-reality-studio.

白蘇紅，王愛霞.智慧圖書館空間融合的模式與路徑研究[J].圖書館學研究，2020（16）：9-16.

陶飛，張萌，程江峰，等.數字孿生車間：一種未來車間運行新模式[J].計算機集成制造系 統，2017，23（1）：1-9.

陶飛，劉蔚然，張萌，等.數字孿生五大模型及十大領域應用[J].計算機集成制造系統，2019（25）：1-18.

DIETZ M， PERNUL G. Digital twin： empowering enterprises towards a System-of-Systems approach[J].Business&Information Systems Engineering，2020，62（2）：179-184.

劉蔚然，陶飛，程江峰，等.數字孿生衛星：概念、關鍵技術及應用[J].計算機集成制造系統，2020（3）：566-588.

翟秀鳳 長春師范大學圖書館館員。 吉林長春，130032。

胡大敏 長春師范大學圖書館研究館員。 吉林長春，130032。

劉景亮 黑龍江中醫藥大學圖書館館員。 黑龍江哈爾濱，150000。

（收稿日期：2021-04-20 編校：曹曉文，劉 明）

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