數字孿生在我國圖書館界應用分析

李珍娟 宋智武 甘群文

（1.廣西中醫藥大學針灸推拿學院 廣西·南寧 530001；2.廣西南寧市西鄉塘區永寧小學 廣西·南寧 530001；3.廣西中醫藥大學圖書館 廣西·南寧 530001）

隨著云計算、人工智能、大數據、物聯網等現代新興技術的快速發展及在圖書館界的廣泛應用，公眾對圖書館的要求不再滿足于被動地接受服務，而是更多的要求圖書館提供各種智能化服務。因此，圖書館如何適應新變化，從傳統服務行業向數字化、智能化服務轉型，切實滿足用戶多元化需求和提高精準服務能力，是圖書館未來發展趨勢。數字孿生是充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數據，集成多學科、多尺度的仿真得出數字副本過程，它作為虛擬空間中對系統、流程、人員、場所、設備等實體產品的實時映射，反映了相對應物理實體產品的全生命周期過程[1]。作為一項新興技術，已經連續多年被全球著名IT研究機構Gartner列為當年的十大戰略科技發展趨勢之一，預示著數字孿生具有廣闊的發展前景。該技術早期被廣泛應用于工業制造，但隨著國家政策的陸續出臺，數字孿生的理念已經從傳統制造業向智慧城市的各個環節滲透，完成了現實空間與虛擬空間相互映射與實時交互。作為國家現代化發展的一項重要技術，數字孿生同樣也是實現圖書館“開放、合作、共享”綠色發展理念的重要途徑之一，數字孿生在圖書館領域的廣泛應用將極大提高圖書館管理水平，為圖書館高質量發展賦能，從而實現圖書館數字化的戰略轉型。

1 數字孿生

1.1 數字孿生的發展歷程

縱觀數字孿生的發展歷程，Data Mesh CEO李劼先生[2]把數字孿生的發展經歷歸納三個階段，即仿真階段、3D仿真研發階段、物理空間和虛擬空間映射在一起的仿真技術階段，為大家深入了解數字孿生提供了一個清晰的脈絡。

數字孿生最早由美國國防部提出，但最先把該技術使用于智能制造領域的是美國航空航天局的阿波羅項目，他們采用數字孿生研發出兩個相同的空間飛行器，天上和地上各有一套，留在地球上的飛行器稱為孿生體，該孿生體可以反映和預測航天器在執行任務期間的狀況，從而幫助航天員做出準確的判斷[3]。西門子工程師Stephen Ferguson曾說過“Apollo 13:The First Digital Twin”。這就是數字孿生的起始階段，發展較為緩慢。進入21世紀后，數字孿生再次引起人民的關注，2002年美國密歇根大學教授 Dr.Michael Grieves首次提出了數字孿生這一概念，他認為通過物理設備的數據,可以在虛擬空間構建一個可以表征該物理設備的虛擬實體和子系統，并且這種聯系不是單向和靜態的，而是在整個產品的生命周期中都聯系在一起的[4]。2003年他在講授產品生命周期管理課程時再次使用了“Digital Twin（數字孿生）”[5]。此后，人們開展了以數字模型為基礎的數字孿生的研究，這就是數字孿生的第二個發展階段，但仍然沒有引起同行足夠的關注。進入2011年后，數字孿生概念得到了廣泛重視，美國空軍研究實驗室首次提出開展數字孿生應用研究以便于解決復雜服役環境下的飛行器維護及壽命預測問題，并于2011年3月在一次演講中明確提到了這一技術。2012年4月，美國國家航空航天局發布《建模、仿真、信息技術和處理-技術發展路線圖》，開始關注數字孿生技術[6]。2014年Dr.Michael Grieves在“Digital Twin:Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication”白皮書中較為詳細的闡述了數字孿生，奠定了數字孿生的基本內涵[7]。隨后，數字孿生進入蓬勃發展期，被廣泛應用于航空航天、智能制造、智慧城市、智慧醫療等領域，如2017年陶飛等提出一種車間運行的新模式，即數字孿生車間[8]，2018年4月，雄安新區規劃綱要提出“堅持數字城市與現實城市同步規劃、同步建設”，全力打造具有深度學習能力、世界領先的數字城市，開創“數字孿生城市”[9]。

1.2 數字孿生的核心技術

截至目前雖然數字孿生的概念仍沒有統一的界定，但并不影響數字孿生技術的發展。作為一項新興技術，數字孿生核心技術較為寬泛，包含了三維可視技術、傳感器、物聯網等硬件和人工智能、區塊鏈等軟件技術[10]。

（1）三維可視化技術：以三維打印、3D虛擬模型、虛擬現實和增強現實等核心技術為支撐，將二維圖像數據如圖像或圖形模型等經過計算重建后，在電腦上再現三維物體，并通過多種方式進行展現其所包含的各種復雜信息，從而實現對現實世界事物對象的三維建模和模擬，達到實時交互的可視化[11]。

（2）傳感器：傳感器作為一種檢測裝置，能夠對數據、信息實現有效傳輸及處理和存儲等，同時可以對這些數據和信息進行有效記錄和控制并及時顯示[12]。數字孿生通過使用傳感器快速獲取數據，經數據處理后，可以全方位了解假設情景，精準預測結果。

（3）物聯網技術（IOT）：通過RFID技術、嵌入式技術及傳感器技術等多種手段對現實世界事物對象進行實時監測采集，獲取其運行狀態信息，以達到智能跟蹤監控的目的[13]。

（4）人工智能：人工智能技術作為當前熱點技術之一，是推動社會數字化轉型的關鍵之一。人工智能技術不但可以使計算機網絡運行更加順暢，同時還具有較強邏輯處理能力，通過對人的思維、意識進行模仿，快速獲取分析數據，節省運行處理時間，實現從“低價值的重復性勞動”向“高價值的教化勞動”轉變[14]。

（5）區塊鏈：區塊鏈也稱為分布式賬本技術，由不同區塊組成，最終形成一個完整鏈條，具有去中心化、防止篡改、事中留痕、事后審計、安全防護等特點。這些特點保證了區塊鏈的原始數據的透明度，提升了電子證據的可信度和真實性，是未來發展數字經濟、構建新型信任體系不可或缺的技術之一[15]。

1.3 數字孿生的優點

（1）可視性。所見即所得，數字孿生通過立體投影技術、三維計算機圖形技術等有機結合制作出具有高仿真、高精度、高分辨率等特點的虛擬影像，為用戶提供三維立體的沉浸式視覺體驗，從而實現機器操作的可見性，幫助人們在各情景中進行直觀、可視性操作。如美國大片《鋼鐵俠》中托尼·史塔克通過虛擬影像對其戰衣進行解構、設計、升級等，即是通過數字孿生構建虛擬影像從而幫助他直觀、智能地實現系列操作，實現了所見即所得。

（2）無縫銜接。數字孿生對現實世界的物理實體進行動態仿真形成數字孿生體，同時基于數字化處理實現物理實體與數字孿生體之間數據的實時交互，并根據彼此的動態變化實時做出響應，實現虛擬空間與物理空間的無縫連接[16]，這種無縫銜接可以實現用戶的“即時滿足”，極大提高效率。

（3）虛實交互。在可視性及無縫連接的基礎上實現了反饋功能，并可根據反饋信息自行調整，實現基于數據自執行的全閉環優化。

（4）預測性。使用多種建模技術，數字孿生模型能夠用于預測機器未來的狀態，即通過適當設計的接口，可以很容易的與模型進行交互信息，并根據信息預測設備的性能，以便采取下一步的行動或措施。

2 數字孿生在圖書館界的應用

盡管數字孿生在各領域已經有了一定程度的發展，但真正進入圖書館界卻只有短短三年的時間，筆者2021年1月通過清華同方數據庫文獻檢索得出，國內最早的關于數字孿生的報道始見于2018年秦曉珠等把數字孿生技術應用于保護、傳承、開發和利用物質文化遺產的研究[17]，之后陸續出現了少量相關報道，具體情況如下：從發表時間看2018、2019年各有1篇，2020年9篇，表明數字孿生技術在圖書館領域開展研究較晚，屬于圖書館研究領域的新興一族。從文獻出處看，有8篇論文來自北大版的中文核心期刊，占據總數的72%，表明數字孿生技術在圖書館領域具有較大發展潛力。從資金資助情況看，有國家社會科學基金、國家留學基金等，其中有國家社會科學基金5篇，占總數近半，表明數字孿生是國內研究熱點之一。從研究者機構看，桂林理工大學發表最多共4篇，其余的南開大學、中國地質大學等均各1篇。從研究內容看，涉及到圖書館管理、場所、服務、資源建設等多個方面，表明數字孿生技術對圖書館各方面的發展均具有較大的促進作用。

2.1 數字孿生技術在圖書館空間的應用

新時代的圖書館空間既是存儲和開發信息的中心，也是學習和社交的中心，是圖書館開展各項服務的基礎。圖書館空間發展經歷了3個階段，一是僅存物理空間，即實體圖書館場所，包括圖書館建設、內部結構、圖書期刊報紙等印刷材料。二是物理空間和虛擬空間，即運用信息技術、互聯網技術開展數字資源建設，開展網絡虛擬服務，使得圖書館功能和服務范圍不斷擴大，出現了實體圖書館與虛擬圖書館并存但不交互的情景。三是物理空間和虛擬空間有限交互，但缺乏連續、實時的互動[18]。數字孿生的介入將極大可能實現圖書館物理空間和虛擬空間的連續實時互動，成為圖書館空間發展的第4個階段。利用數字孿生通過數字化設計、仿真、測試、驗證等環境建設開展圖書館空間重構，可以實現圖書館虛擬空間和物理空間的無縫銜接，全面了解圖書館物理環境，建立起舒適、智能的閱讀空間，從而實現二維與三維一體、虛擬與現實一體的圖書館精細化管理[19]。并對圖書館用戶的變化進行全生命周期的識別、挖掘、整理和預測等，從而實現滿足用戶的多元需求及根據用戶特征對其進行全生命周期的、完整的個性化服務[20]。

2.2 數字孿生在圖書館服務的應用

“一切為了用戶”是圖書館不變的追求。借助數字孿生圖書館滿足用戶對虛實空間無縫切換和沉浸式互動體驗以及對數字產品、可視化閱讀等需求，如建立創客空間激發用戶創造熱情、創新閱讀服務模式、提供健康服務、智能教學服務等，高效優質的滿足用戶顯性或隱性需求，并通過反饋數據預測用戶未來需要，為用戶提供可預見性服務，及時、恰當地推送相關產品和智慧服務。同時，數字孿生技術還可以幫助圖書館實現實時監測管理、自動診斷、預測設備設施故障，高效協調各種資源，從而實現圖書館智慧管理，提升圖書館管理效率，為圖書館智慧服務奠定堅定基礎[18]。此外，數字孿生技術能夠實現虛擬與現實的實時對接，從現實中獲得更全面、更有價值的信息，為圖書館服務提供指導和決策參考[21]。比如圖書館機房的管理機制，利用可視化的仿真軟件，通過軟件操作和數據驅動，在數字虛擬空間中創建一個逼真的虛擬的圖書館機房孿生體，利用安裝在各種真實設備的傳感器傳送數據，對傳感數據經過大數據分析、人工智能分類運算、邊緣計算，建立多種設備的多元化實時映射關系，做到真實物理機房與虛擬機房的系統同步運行；同時在實體機房與虛擬機房間通過人機交互，借助通信數據，監視各種設備的運行狀況，發現異常，及時反饋，在有雙機備份的情況下，自動修復，真正實現無人值守。

2.3 數字孿生在圖書館信息資源處理的應用

通過數字孿生模型來對圖書館資源進行優化配置，可以有效管理信息資源并顯著提高管理效率，而且也能夠相應的降低人力以及工作復雜度，提升圖書館資源的使用效率。王璐[22]認為通過數字孿生模型在虛擬信息空間中實時映射圖書館實體資源建設、管理與服務過程，從而實現圖書館實體資源數據信息的快速測繪采集，圖書館實體資源數據的真實“讀寫”、海量孿生大數據的實時處理等。數字孿生技術的使用，還可以幫助圖書館建立物質文化遺產對應的虛擬數字模型，一方面可以利用先進信息技術來通過虛擬數字模型來探索、計算、處理、分析或預測該物質文化遺產在不同自然、社會或文化環境下面臨的未知狀況與突發情況，進而制訂出對物質文化遺產保護、傳承、開發和利用更好的策略與方法；另一方面，通過虛擬數字模型模擬出可能發生的狀況、問題或可能引起的后果，從而使具備唯一性、不可恢復性的物質文化遺產免于無謂損壞，達到良好的保護、開發、利用效果[17]。

3 數字孿生技術在圖書館領域的價值

就圖書館而言數字孿生實際上是以圖書館建設及服務的虛擬演示，用于理解和預測其對應物的性能特點。即在投入實體建設和服務之前，可使用數字孿生在整個周期中進行仿真、預測、分析，通過展示圖書館建設場景、使用場景、館員、用戶或其他無限變量帶來的影響，同時可以縮短建設和服務時間差，并提高服務質量。可見數字孿生是實現圖書館智能化的關鍵技術，在圖書館領域具有廣闊的發展前景及重要的價值。

3.1 創造了現實世界與虛擬世界的無縫連接

將數字孿生融入圖書館空間建設，能夠將圖書館物理空間和信息空間的深度融合，基于各種傳感數據在虛擬空間對物理空間的實際運行狀況進行全真模擬，通過人工智能算法模型、邊緣算法模型的自動優化，形成虛實空間無縫對接，形成無縫的虛擬空間，在這個虛擬空間中可以完成圖書館空間的優化、搭建學術討論區、師生互動區、教學區等，從而實現圖書館空間的最優化重構。其次，可以實現圖書館要素的最大限度開發。由于圖書館要素（如空間、資源、人員、環境）類型、數量呈現幾何級數增長，產生的各種數據(包括結構化和非結構化)非常龐大，接收數據、分析數據、了解各個要素的運行狀況是人工無法完成的。引入數字孿生技術后，對圖書館所有要素進行統一的全數字化標識、全方位部署智能物聯網感知設備，就可實現智能感知、實時傳輸、數據分析、數據探測、迭代運算，提升各要素的管理效能，監測各要素的運行情況，發揮各要素的最大潛能。

3.2 實現了圖書館設備的全生命周期管理

數字孿生具有對圖書館實體的高仿真復制，可無差別的獲取迭代變化的所有參數，并對參數進行分析和處理，同步得出物理實體的運行狀態，并通過虛擬進行實時展現，從而實現對圖書館設備、服務等的實時監控，數字孿生技術融入圖書館設備和服務生命周期管理，對運行環境、任務處置、臨界閾值的智能監測等方面進行自我檢測、自我診斷、自我修復，實現了圖書館設備故障預警、壽命預測等，從而保障圖書館設備的健康運行。

3.3 完成了現實世界與虛擬世界的人機實時交互

一方面，圖書館設備通過傳感器與數字孿生體動態交互，數字孿生體實時反映圖書館運行的情況，并將結果反饋給圖書館管理層，為圖書館管理的優化操作提供參考信息和決策支持；另一方面，數字孿生技術融入圖書館能夠營造良好的人機交互全息環境，使參與其中的圖書館用戶獲得3D沉浸式體驗，豐富了圖書館服務內涵。

3.4 迭代圖書館服務步驟，提高服務能力

融入數字孿生技術的圖書館，可以記錄圖書館服務的各個流程，重現圖書館服務的任一時刻狀態，并通過分析數據、評估實際服務，給予圖書館決策和建議，圖書館可通過反饋的信息改進服務方式，優化服務效果。從而實現了“實施—監控—反饋—優化”的不斷提高的過程[23]。

4 數字孿生在圖書館領域落戶亟待解決的問題

數字孿生推動智慧圖書館服務全面升級，具有廣闊的發展前景，未來可期。但同時我們也注意到，數字孿生要在圖書館領域全面落戶面臨的問題還很多。

（1）高成本。物聯網、人工智能、區塊鏈等新技術應用成本仍然偏高，由于經濟效益和社會效益不會馬上顯效，造成社會資本投入意愿不強，造成行業投入成本太高。這就需要國家層面加大公共文化服務投入，降低轉型門檻，支持開展區域型、行業型圖書館數字化轉型；同時國家應對創新型企業實施積極財政優惠政策，讓這些高新技術在各行各業落地實施，享受科技成果帶來的智慧服務。

（2）協同差。由于各個圖書館在經費、人才、服務需求等方面存在差異，導致協同轉型意愿不強，無法形成協同倍增效應和集群效應。這就需要樹立數字化轉型標桿及打造“虛擬圖書館群”，構建空間數字化—設備數字化—信息資源數字化—服務數字化的典型范式。建立館際聯盟機制，降低單館建設成本、維護成本，向技術開發商提出圖書館的標準規范，共同探討需要解決的技術難題，實現行業整體謀劃，引導各館有序轉型，并充分發掘圖書館間協同放大效益。

（3）人才匱乏。人才是科技進步和社會經濟發展的主力軍，也是圖書館發展的骨干力量。數字孿生涉及眾多高新技術，且隨著智慧化程度的不斷提升，這方面的人才益加緊缺。這就需要從多方面著手開展人才培養計劃。國家層面的人才培養，如在高校或職業學校開設相關專業、建立國家或地方培訓機構、加強國際交流合作等。圖書館層面可通過加強與相關單位的合作提升館員技能、加強與各圖書館的交流活動關注行業動態、積極引進人才等[19]。館員層面可以申請數字孿生技術個人提升進修項目，追蹤學習這些核心技術，與科研人員和有工作經驗的從業者了解這些核心技術在圖書館核心業務、精細化服務、個性化需求服務等所起的作用，了解這些服務是如何利用這些新核心技術來支持用戶體驗的，真正體會技術服務化、服務技術化的內涵，認識到技術和服務一體化是未來服務的新發展格局。

5 結束語

2020年4月7日，國家發展改革委、中央網信辦聯合印發《關于推進“上云用數賦智”行動、培育新經濟發展實施方案》，其中“數字孿生”技術被多次提及，和云計算、人工智能、5G、物聯網等前沿技術一樣，具有很高關注程度。相信不久的將來，數字孿生將會給圖書館發展帶來質的飛躍。從目前研究現狀來看，數字孿生已經廣泛應用于智能制造、智慧城市、醫療、建筑等行業并創造了巨大的價值，但比起眼前的應用價值，數字孿生更重要的價值在于為未來發展提供更多的可能性，所以我們有理由相信，數字孿生將會給圖書館帶來更大的發展空間，誰能在未來發展中搶占先機，從數字孿生應用中獲益呢？機會總是留給有準備的人！