數字孿生技術驅動下的新型智慧圖書館建設*

梁榮賢 凌征強 于興尚

（1.廣州城建職業(yè)學院圖書館 廣州 510925；2.廣州番禺職業(yè)技術學院圖書館 廣州 511483；

3.四川大學公共管理學院 成都 610065）

數字經濟代表著新經濟的生命力，已成為經濟增長和轉型升級的主要動力源泉和重要驅動力，是全球新一輪產業(yè)競爭的制高點。隨著數字經濟的快速發(fā)展，大數據、互聯(lián)網、人工智能等新技術已經深入人們的日常生活中。如果人們每天在數字辦公、網絡社交、電子商務等活動中投入的時間占據除去睡眠等無效時間的比例超過50%，其數字身份便會比物理身份更真實有效[1]。數字孿生技術是數字經濟飛速發(fā)展的產物，作為一種產品生命周期管理的顛覆性技術，它將是未來實體產業(yè)高速發(fā)展的重要推動力，并將掀起一場現代工業(yè)的新生產要素革命。圖書館作為生長著的有機體，近年來一直處于智能化、智慧化的進程中，數字孿生技術已具備落地圖書館的條件。數字孿生技術落地圖書館后，圖書館將可以借助立體感知的動態(tài)監(jiān)控、泛在網絡的即時響應、軟件模型的實時分析和智能決策，解決在建設規(guī)劃前期、管理發(fā)展中期及服務提升后期等全生命周期面臨的復雜性、未知性問題。

1 數字孿生及其相關

1.1 數字孿生發(fā)展歷程

“數字孿生”（Digital Twin）也被稱為“數字雙胞胎”“數字鏡像”“數字化映射”等，其出現的歷史最早可追溯到1969 年美國國家航空航天局NASA 的阿波羅計劃項目，NASA 制造了兩個完全一樣的空間飛行器，留在地球上的飛行器被稱為“模擬器”或“孿生體”[2]。2003 年，M.W.Grieves 教授在密歇根大學產品生命周期管理課程上最早提出數字孿生概念模型[3]。2006—2010 年仍然是數字孿生體的初始階段[4]，直至2011 年Grieves 才正式提出數字孿生體的概念，起先被美國空軍研究實驗室應用于飛機結構壽命預測的概念模型[5]。2014 年以來，隨著各種新技術的發(fā)展，尤其是西門子、通用電氣等世界知名企業(yè)對數字孿生的頻繁應用帶來的示范效應使數字孿生廣為人知，數字孿生踏上了規(guī)模化應用的征程[6]。2016 年底，數字孿生第一次被Gartner 公司納入十大戰(zhàn)略技術趨勢，并連續(xù)四年榜上有名。2017 年，中國信息通信研究院智慧城市團隊提出的“以數字孿生城市推進新型智慧城市建設”的創(chuàng)新理念引起強烈反響。2020 年4 月，國家發(fā)改委與中央網信辦印發(fā)的《關于推進“上云用數賦智”行動 培育新經濟發(fā)展實施方案》多次強調數字孿生技術的重要性，并鼓勵開展相關的創(chuàng)新計劃[7]。事實上，印度海德拉巴、新加坡，我國的深圳、雄安，都已展開數字孿生方面的摸索和嘗試。騰訊的WeTransport、WeCity、微瓴，阿里的“城市大腦”，還有科大訊飛的“訊飛超腦”，都涉足智慧城市和數字孿生領域。目前，全球正在掀起一場范圍更廣、層次更深的科技和產業(yè)變革，數字經濟蓬勃發(fā)展并深刻影響人類社會，而數字孿生技術在其中扮演了極其重要的角色。

1.2 數字孿生定義與內涵

目前，數字孿生還沒有形成公認的定義。“工業(yè)4.0”術語編寫組認為數字孿生是利用建模和仿真工具構建的覆蓋產品全生命周期和價值鏈的數字化數據流。《數字孿生白皮書（2019）》認為數字孿生是整合利用感知、計算、建模等信息技術實現物理空間與賽博空間的交互映射[8]。陶飛等[9]認為數字孿生是以數字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬模型，借助行為及手段為物理實體增加或擴展新的能力。周瑜等[10]認為數字孿生是指構建與物理實體完全對應的數字化對象的技術、過程和方法。李璐等[11]認為數字孿生是借助數字化手段建立物理對象動態(tài)仿真模型，實時模擬仿真物理對象的狀態(tài)、行為軌跡等。劉大同等[12]認為數字孿生是指在信息化平臺內建立、模擬一個物理實體、流程或者系統(tǒng)。總的來說，陶飛等研究者關于數字孿生的定義得到了業(yè)界的普遍認可，并基本達成了共識[13]。筆者認為，數字孿生是物理實體的真實數字表示，即物理實體擁有一個數字孿生模擬和跟蹤它的實體版本，利用實時數據來實現理解、學習和分析，并通過同步的頻率使物理實體和數字模型趨于一致。

2 數字孿生圖書館

2.1 數字孿生圖書館的定義

數字孿生圖書館是整合了多個領域、學科、技術的結合體[14]，其實質是借助孿生大數據驅動構建智慧化數據閉環(huán)賦能體系，通過物理圖書館與數字孿生圖書館實時雙向映射與動態(tài)交互起到虛實融合、以虛控實的功用。國內研究者從不同角度對數字孿生圖書館進行了定義，趙藝揚[15]認為數字孿生圖書館是深度融合大數據、人工智能、物聯(lián)網、區(qū)塊鏈等技術，構建與物理圖書館實體完全映射的數字孿生模型，實現數字孿生模型—物理實體實時雙向映射的一種新型智慧圖書館。翟秀鳳等[16]認為數字孿生圖書館是借助數字化手段構建與物理圖書館內容、性質、結構完全相同的仿真模型，通過關聯(lián)物理圖書館和孿生圖書館之間的數據和信息，實現“人—機—物—環(huán)境”智能交互融合。

2.2 數字孿生圖書館的特點

2.2.1 數字驅動

1997 年7 月，由國家圖書館、上海圖書館等6 家公共圖書館參與的國家重點科技項目“中國試驗型數字式圖書館項目”標志著我國數字圖書館建設的開始。20 多年來，我國數字圖書館的建設取得了長足進展。數字孿生圖書館是數字圖書館的一種新態(tài)勢，將構建一個智慧化數據閉環(huán)賦能體系。圖書館孿生數據主要由圖書館物理要素屬性數據（包括圖書館規(guī)格、功能、性能、關系等）、圖書館動態(tài)過程數據（包括圖書館運行狀況、環(huán)境參數、實時性能、突發(fā)擾動等）、圖書館幾何模型相關數據（包括圖書館幾何尺寸、裝配關系、位置等）、圖書館行為模型相關數據（包括圖書館驅動因素、環(huán)境擾動、運行機制等）、圖書館知識數據（包括專家知識、規(guī)則約束、行業(yè)標準、常用算法庫與模型庫等）以及對上述數據進行轉換、預處理、分類、關聯(lián)、集成、融合等處理后獲取的衍生數據。在精準、高效的數字驅動下，數字孿生技術將筑牢圖書館的數字底座。

2.2.2 精準可視

數字孿生圖書館最直觀、最典型的特征是數字表達的精準可視化，通過將物理圖書館按1：1 的比例還原，做到視角上和運行規(guī)則上的等比還原，實現表里如一、全息鏡像。圖書館里的樓層、書架、圖書、桌椅、電子設備、用戶等各類實體和全部設施設備，在數字孿生圖書館模型中都可以實現極致可視化。由于數字孿生圖書館所有數據都來自物理圖書館實體采集，這些數據借助機器學習和各種自動化工具，可以實現3D 快速建模。除了不可移動物體的靜態(tài)可視化展現，數字孿生圖書館還可以實現對光線變化、氣流變化、讀者人流變化、圖書館內發(fā)生的各種事件等進行動態(tài)呈現。

2.2.3 虛實交互

數字孿生圖書館的虛實融合、虛實交互離不開物聯(lián)感知，數字孿生圖書館的建設首先要由實入虛。圖書館部署好全館的傳感設施，數字孿生模型借助大數據、虛擬現實、增強現實、模擬仿真等新技術對物理圖書館實體的各種數據和要素進行實時采集、精準映射。同時，數字孿生圖書館也會根據實時數據對物理圖書館的運行狀況進行監(jiān)測、分析、優(yōu)化，達到以虛控實，以虛擬服務現實的目的。可以說，傳感設備布下的“天羅地網”，將使圖書館的前世今生盡在掌握之中，實現過去可追溯，當下知冷暖，未來可預期的圖書館精細化管理。

2.2.4 智能定義

數字孿生圖書館要實現對物理圖書館實體的精準映射和智能管理，物理圖書館實體首先要可感可控。以泛在標識感知體系、泛在互聯(lián)接入體系、泛在邊緣計算體系[17]及智能化的圖書館基礎設施為要素構建的、面向未來智慧圖書館發(fā)展的新型信息基礎設施，將重塑圖書館物理形態(tài)，改變圖書館風貌，實現智能定義圖書館的一切。

2.2.5 柔性仿真

實時柔性仿真能力將是未來數字孿生圖書館極其重要的能力，其重要性甚至超越大數據，對物理圖書館實體產生更加深遠的影響。比如，圖書館的空間布局是否合理；各樓層的書架、桌椅的數量及擺放位置是否科學；隨著季節(jié)和光線的變化，圖書館的空調、照明燈如何實現節(jié)能但又要保證用戶使用的舒適度；新建公共圖書館的選址、地下停車場建設等問題是否需要調整優(yōu)化等。圖書館管理部門不可能提出100 種方案并逐一試錯，但在數字孿生圖書館的仿真系統(tǒng)中，可以實現同時測試成千上萬種方案，讓系統(tǒng)快速找到最優(yōu)解，讓圖書館的決策變得更加智能、科學，不留遺憾。

3 數字孿生技術在圖書館的應用

3.1 圖書館建筑與空間

3.1.1 圖書館實體信息秒級加載

圖書館的實體信息包括圖書館空間、人、物等所有要素及各要素相互之間產生的關聯(lián)信息。例如某冊圖書被借出或歸還，公用電腦被使用和閑置數量，閱覽桌、研修室被占用、預約情況，圖書館內哪個片區(qū)人流量多或少等。目前，類似上述的構想已在其他領域成為現實。例如香港科技大學打造的數字孿生校園項目，該項目作為智慧校園的一個鮮活實驗室，創(chuàng)建了一個校園數字孿生平臺，一個靜態(tài)和動態(tài)實物資產及系統(tǒng)的數字孿生體，通過秒級加載的實時數據監(jiān)測校園，檢測或預測各種設備是否存在異常，還可以實現更有效地分配資源[18]。這種以數字方式導入真實物理數據，并與建筑管理系統(tǒng)無縫連接打造而成的智慧校園同樣適用于數字孿生圖書館的建設。屆時，在先進的傳感器技術、分布式傳感技術、高帶寬光纖技術、分布式云服務器存儲技術等賦能下，數據傳輸時間將極大縮短，圖書館將實現實體信息秒級加載，管理者可以實時獲取圖書館的各種信息，而用戶通過智能終端設備如智能手機就可以實時獲取所要了解的圖書館信息。

3.1.2 智能感知呈現真實圖書館

隨著各種新技術的應用，未來圖書館將是實體圖書館、數字圖書館和虛擬圖書館三合一的復合體。早在2008 年，我國國家圖書館就應用VR 技術推出了“國家圖書館虛擬現實系統(tǒng)”，用戶通過VR 設備即可便捷地了解圖書館。陸穎雋2013 年對VR 技術在數字圖書館的應用基礎、VR 系統(tǒng)的構成與實現、VR 技術在數字圖書館應用的必要性與可行性以及VR 技術在數字圖書館虛擬空間、三維信息資源建設、可視化信息檢索、虛擬參考咨詢、遠程遙控技術[19]等方面的應用進行了較為全面的研究探討。數字孿生圖書館智能感知物理圖書館的過程，是云計算、邊緣計算、移動計算以及數據和算力、算法的協(xié)同，傳感器和物聯(lián)網收集到的各種數據通過數字化模擬，形成物理圖書館全方位的數據模型。這個數據模型存儲在云端，借助大規(guī)模的算力和算法，形成仿真、預測和決策的結果并實時反饋給物理圖書館以便執(zhí)行和控制。例如美國馬里蘭大學教授Romel Gomez 開展的學生遠程實驗室數字孿生項目體驗就是通過應用數字孿生技術，打造了一個實驗室數字孿生體，讓受新冠疫情影響而不能到實驗室的學生進行遠程實驗[20]，其功能、使用體驗和實體實驗室并無明顯差別，是數字孿生體智能、準確感知物理實體的成功應用。可以預見，數字孿生技術落地圖書館后，用戶足不出戶也能使用圖書館的資源和服務，甚至比親臨實體圖書館更便捷、高效、舒適。

3.1.3 開啟圖書館萬物互聯(lián)時代

數字孿生圖書館可以構建出一個一體化感知監(jiān)測體系，這個一體化感知監(jiān)測體系包括感知設備、感知網絡、感知平臺等。感知設備由包含物聯(lián)網感知模塊的智能終端構成，網絡層的主要功能是使數據從設備層高速傳輸到平臺層，平臺層匯集的數據為圖書館大數據分析提供支撐。一體化感知監(jiān)測體系是圖書館萬物感知、萬物互聯(lián)、萬物智慧的載體、入口和中樞神經。具體來說，傳感器、可穿戴設備、智能終端設備（如智能手機）、智能家電等設備是促進圖書館萬物互聯(lián)的基礎設備，這些設備能產生海量的圖書館實時數據，同時網絡邊緣設備可以部署支持實時數據處理的邊緣計算平臺為圖書館用戶提供多元化服務或個性化功能接口，而利用邊緣計算模型例如微數據中心、移動邊緣計算、霧計算、中科院海云計算等可以高效處理網絡邊緣設備產生的海量圖書館數據[21]。屆時，物理圖書館和數字孿生圖書館里的一切物體包括圖書館建筑、館內各種設備、圖書、用戶、館員等均可關聯(lián)起來，將開啟物理圖書館和數字孿生圖書館雙向映射、虛實交融、萬物互聯(lián)的新時代。

3.2 圖書館資源與服務

3.2.1 加快資源的整合

長期以來，圖書館的資源建設存在資源分散、資源重疊、重復采購等問題。各種數據庫之間相互獨立，用戶使用時需逐一注冊、登錄、單庫檢索，信息孤島、資源鴻溝普遍存在。高性能的協(xié)同計算為數字孿生圖書館提供了效率保障，為深度學習、自我優(yōu)化提供算力支撐，其包含的超級計算中心、云計算中心和邊緣計算中心可以對圖書館的數字資源進行自動甄別、分類、整合、傳送、儲存等。當前，圖書館數字資源的整合技術已相當成熟，常見的圖書館數字資源整合平臺有ARC、DL、EPrints、OAIster 等。例如美國弗吉尼亞州立大學研發(fā)的ARC 數字化整合系統(tǒng)可以把采集到的元數據進行規(guī)范化處理，同時將處理好的數據存儲在數據庫中并提供一站式檢索服務。再如斯坦福大學和查爾姆斯理工大學的聯(lián)合數字孿生實驗室成功為混凝土光束創(chuàng)建了數字孿生體[22]，通過創(chuàng)建一個全面的SHM（結構健康監(jiān)測）系統(tǒng)來評估基礎設施，該系統(tǒng)使用三維結構光掃描儀可以實現數據的自主收集，并可以采用AI 算法進行實時檢測、實時有效元仿真。以上系統(tǒng)和技術如果應用到圖書館中，將加快圖書館信息資源整合的步伐，為構建圖書館數字孿生體夯實基礎。

3.2.2 提供多元化服務

長期以來，圖書館停留在以實體圖書館的物理空間和紙質館藏為核心的階段，數字圖書館和網絡服務只是圖書館資源與服務的有效延伸，已不能很好地滿足讀者日益增長的多元化需求。同時，圖書館的服務體系也停留在以文獻載體為主，未實現從傳統(tǒng)服務向知識服務與情報服務的轉變[23]。數字孿生技術可以有效解決以上問題，圖書館通過用戶授權后應用大數據技術采集用戶的行為大數據，精準描繪用戶畫像，識別用戶的真實需求，主動提供個性化、定制化、多元化的信息服務。其中，數據采集可以應用類似北京易科勢騰科技股份有限公司研發(fā)的iDataBank 用戶行為分析系統(tǒng)[24]，該系統(tǒng)可以實現在不影響正常業(yè)務的前提下開展數據收集、整合、統(tǒng)計、分析，可以根據不同行業(yè)的業(yè)務特點、數據需求建立基于用戶行為的數據指標體系。

3.3 圖書館管理與防控

3.3.1 助力圖書館精細化管理

數字孿生圖書館最重要的任務是在數字虛擬空間建立一個與物理圖書館虛實映射、萬物互聯(lián)的數字孿生世界。在各種新技術的賦能下，物理圖書館中的所有物理實體在孿生空間中都將有與之一一對應的數字虛擬體，圖書館管理者只需對數字虛擬體進行操控，就可以實現對物理圖書館空間實體的智能化、精細化管理。例如圖書館的照明燈不需人工開關，可以由自然光線的強度來自動調節(jié)；館員無須到書庫現場即可掌握每個書架圖書在架容量的變化情況等。

3.3.2 應急仿真預案精準有效

圖書館的安全包括圖書館建筑安全、藏書及設備儀器安全、人員安全等，圖書館面對的災害主要有火災、水災、地震及其他危及圖書館安全的突發(fā)事件。目前大部分圖書館較為重視圖書館的消防安全而忽略了其他類型的災害。圖書館應急仿真演練采用VR、MR、GIS 等技術，通過對各種圖書館災害數值模擬、突發(fā)重大事故模擬和人員數值模擬的精準仿真，在虛擬空間模擬真實災害發(fā)生、發(fā)展的過程以及人員對災害作出的不同反應。應急仿真演練在節(jié)約演練成本的同時，還可以極大限度地提升圖書館的安全系數。一旦圖書館真正發(fā)生緊急事件，例如火災，借助數字孿生技術，可以全面掌握火災發(fā)生的位置、被困人員、周圍是否有易燃易爆物品等信息，為協(xié)調、調度消防、醫(yī)療救護人員進行火災撲救及傷員救治等提供精準數據。

3.4 用戶服務與體驗

3.4.1 坐享更多增值服務

物聯(lián)網、云計算等技術使移動智能終端感知讀者情境信息變成可能，智慧圖書館可利用它們提供優(yōu)質的個性化信息服務[25]。數字孿生圖書館作為智慧圖書館的更高級形態(tài)，將多領域、多學科、多技術融會貫通，可以為用戶提供前所未有的增值服務。例如用戶需要收集某個研究方向最新的國內外研究成果，只要向數字孿生圖書館發(fā)出請求便可迅速獲取精準的電子版參考資料，如需紙質版也可依照系統(tǒng)提供的紙質版資料所在圖書館的具體定位而快速獲取。再如數字孿生圖書館可以依據用戶的閱讀偏好，常坐位置，對室溫、光線、噪聲的期望值等提前做好相應配置和準備，并實時顯示館內新到的用戶喜歡閱讀的圖書、常坐位置是否被占用，真正做到為用戶提供量身定做的專屬服務。

3.4.2 用戶體驗空前提升

隨著AR、VR、5G、云計算等技術和數字孿生技術進一步融合發(fā)展及技術成熟度的提升和沉浸感、參與度、永續(xù)性的實現，圖書館將給用戶帶來更為多元、個性的使用體驗。尤其是虛擬現實技術帶來的沉浸式體驗可以為圖書館用戶營造良好的人機交互使用環(huán)境，為用戶復原真實的圖書館場景。數字孿生圖書館通過用戶行為數據進行智能分析，精準描繪用戶畫像，實現智能、精準向用戶推送與其當下需求或潛在需求高度匹配的信息資源。用戶對于圖書館所推送信息資源的精準性、時效性以及接受服務所獲得的感知體驗[26]較以往將得到空前的提升，這是因為數字孿生圖書館將不僅僅為用戶提供聽覺和視覺的使用方式，而且還拓寬到觸摸感知、肢體動作感知、壓力感知、重力感知等感知領域。

3.5 館員職業(yè)與發(fā)展

3.5.1 催生智慧館員

圖書館的形態(tài)不管如何變化，館員都不會消失，而且越來越需要智慧型館員。隨著各種新技術在圖書館的不斷滲透，館員這一職業(yè)將面臨前所未有的挑戰(zhàn)。館員必須緊跟圖書館發(fā)展步伐，主動了解、熟悉、掌握各種可以促進圖書館事業(yè)發(fā)展的新技術，并不斷提升自身專業(yè)素養(yǎng)和職業(yè)能力，真切了解、滿足用戶個性化、多元化的需求，努力成長為數字孿生時代的智慧館員。

3.5.2 助推智慧事業(yè)

早在10 年前，王世偉就指出智慧圖書館將成為圖書館創(chuàng)新、轉型及可持續(xù)發(fā)展的新理念、新實踐，他認為智慧圖書館是互聯(lián)、高效、便利的圖書館，具體表現為全面感知、立體互聯(lián)、共享協(xié)同、節(jié)能低碳、靈敏便捷、整合集群、無線泛在、就近一體、個性互動[27]。10 多年以來，智慧圖書館建設如火如荼，智慧圖書館基本成為現實。可以預見，未來的圖書館事業(yè)將是充滿智慧的事業(yè)，智慧的事業(yè)需要大批的智慧館員參與其中，才能確保圖書館事業(yè)取得健康、快速和可持續(xù)的發(fā)展。

4 數字孿生圖書館研究展望

數字孿生圖書館是技術創(chuàng)新、多方參與、現有行政關系改革、資源配置不斷優(yōu)化等一系列問題相互交織、演化的復雜系統(tǒng)，不是一勞永逸的“交鑰匙工程”。即使再先進的技術，其本身也難以獨自驅動社會的偉大變革，而是需要與政策變革、組織關系調整、各相關要素的整合等緊密結合起來才可以促成偉大的變革。同時，要清晰認識到目前數字孿生技術存在的局限性（如與其他技術的融合度有待加強實踐、應用場景還比較有限、大規(guī)模實際應用還有較長的路要走等），在科學研究和實際建設工作中不能一擁而上，以避免走向另一種技術極端。此外，數字孿生圖書館在采集用戶個人信息及各種數據的過程中，必須充分考慮采集渠道的合法性、合理性，以切實保護用戶個人隱私不受侵害。數字孿生圖書館應避免用一串冰冷的數字符號來給每個用戶打標簽，而是應該通過數字孿生技術更好地認識、理解、尊重每一個個性化、鮮活有溫度的用戶。

展望未來，數字孿生圖書館將伴隨著數字孿生城市的積極推進而取得跨越式的發(fā)展。科技突飛猛進的發(fā)展使數字化標識、自動化感知、平臺化服務、智能化應用、網絡化連接取得了長足進展，使數字孿生技術落地圖書館成為可能。數字孿生圖書館將作為智慧圖書館的高一級形態(tài)，其功能和服務將比智慧圖書館更全面、多元。智慧圖書館借助智慧平臺將圖書館的實體空間和虛擬空間連接起來，為用戶提供智慧化服務[28]，使圖書館不再是冰冷的建筑，而是有思維、有情感的有機生命體[29]。數字孿生圖書館則是在智慧圖書館的基礎之上，將基于圖書館具體場景的海量數據、高性能算力、信息模型、數字仿真等方面貫穿于圖書館的全生命周期，進一步促進圖書館物理空間和虛擬空間的融合，為用戶提供更加全面、智慧的知識服務。