高校圖書館資源建設的一劑良藥： 數字孿生技術

孫曉琳 黑慧慧 溫英英

隨著大數據、人工智能等信息技術的快速發展，數字孿生技術在智慧圖書館建設中的應用越來越廣泛。基于此，現針對新疆理工學院圖書館的現狀與未來發展，在深入分析數字孿生技術的基礎上，結合圖書館的資源建設模式，進一步概述數字孿生圖書館的理念，探索性地提出一種基于數字孿生五維框架模型的智慧圖書館建設模式，構建五維數字孿生圖書館框架體系，并從該框架體系入手分析各部分之間的關系，重點探討數字孿生圖書館的決策模式，以期為新時代高校智慧化圖書館建設提供參考。

高校是培養時代新人的主陣地，圖書館智慧化建設可以幫助圖書館更好地發揮文化傳播與前沿科技共享的作用。目前，很多高校已經完成了智慧圖書館建設，改變了傳統的閱讀服務模式，極大地促進了高校師生文化素養和知識水平的提高。但是也有一些高校圖書館存在資源浪費、文獻信息資源利用率低、師生參與度不高、管理模式混亂等問題。因此，全面落實圖書館智慧化建設至關重要。數字孿生技術作為一種新興技術，在產品全生命周期智慧化管理中發揮著重要作用，將圖書館資源建設與數字孿生技術有機融合能夠為讀者提供更舒適的閱讀體驗。

本文以新疆理工學院圖書館現階段的資源建設模式為研究對象，在分析現有圖書資源建設情況的基礎上，探索性地提出建設將物理實體與虛擬數據融合交互的數字孿生圖書館，解決館內文獻資源利用率低、師生參與度低的問題，為新時代高校智慧圖書館資源建設提供參考。

數字孿生技術與數字孿生圖書館

數字孿生技術

數字孿生技術通過構建物理空間與虛擬空間相結合的實時映射模型，集成了物理實體多維度、多物理量的特征數據，以數據驅動的形式完成了物理空間的資源優化配置，實現了與虛擬空間的實時交互，通過孿生模型的學習機制進行物理空間的智能決策。數字孿生最早由Michael Grieves教授在2003年講述產品全生命周期管理課程中提出，早期主要用于軍事和航空領域。隨著智能化技術的不斷發展，數字孿生技術也實現了飛躍。2016年，數字孿生技術被Gartner列為十大戰略性技術之一，應用范圍逐步擴大；2017年，中國信通院提出的“以數字孿生技術推進智慧城市建設”的新觀念引起了社會各界的關注；2019年，中國電子信息產業發展研究院發布了《數字孿生白皮書（2019）》，指出數字孿生技術是通過大數據、云計算、機器學習與智能決策等技術，以數字化的方式描述、再現及模擬物理實體的一門交互性技術；2020年，國家發展改革委、中央網信辦印發的《關于推進“上云用數賦智”行動 培育新經濟發展實施方案》中屢次提到數字孿生應用的創新計劃，極大地促進了數字孿生技術在不同領域的應用；2021年，中國信通院與工業互聯網產業聯盟發布了《工業數字孿生白皮書（2021）》，明確了數字孿生的意義、數字孿生的體系框架、數字孿生的關鍵發展技術及其在各行各業的應用模式。綜上，數字孿生技術的發展速度越來越快，其主要以數據和模型相互融合為核心，通過數字空間實時構建物理對象的精準化數字映射，實現對物理對象全生命周期的智能決策與控制。基于此，將數字孿生技術引入高校智慧圖書館建設能夠有效加強對圖書館全生命運行周期的智能分析與決策，對于智慧圖書館建設而言是一個新的方向。

數字孿生圖書館

數字孿生技術與圖書館資源建設的結合有效促進了圖書館的智慧化發展[1]。青島大學圖書館呂豐華等基于數字孿生技術建立了虛擬文獻資源庫，在借閱服務中實現了精準化決策[2]；鄭州大學趙藝揚從數字孿生圖書館的應用價值與場景、運行機制及落地策略等方面研究了新型智慧圖書館的建設[3]；王家玲等基于數字孿生技術分析并構建了圖書館的精準服務體系，最大程度地實現了資源與讀者的精準匹配[4]；馮川玉等從運行機制和服務模式方面闡述了數字孿生圖書館的發展方向[5]。綜合上述分析，數字孿生圖書館是以物理空間為基礎，通過各類傳感器采集實時數據并進行數據處理的虛擬空間圖書館模型，將物理空間與虛擬空間的數據進行融合處理，形成孿生數據，進而全面感知實體圖書館的運行狀態，能夠實現智慧分析、智慧決策、智慧管理和智慧服務，為使用者營造舒適的閱讀氛圍，滿足廣大用戶的個性化需求。

數字孿生圖書館框架

本文在北京航空航天大學陶飛等人研究的數字孿生五維模型基礎上建立了數字孿生圖書館五維框架模型[6]，如圖1所示。該框架模型主要由物理實體圖書館、虛擬實體圖書館、孿生數據、服務系統、交互連接等組成，能夠實現圖書館資源智慧化建設的虛實融合、實時交互、自主迭代、動態感知。

（作者自制）

物理實體是構建數字孿生圖書館的基礎，通過對圖書資源、館員數據、借閱數據、環境設施等物理成分的分析，能夠明確系統組成，為構建虛擬實體圖書館模型奠定基礎。虛擬實體是對圖書館物理實體模型的組成、功能、運行以及規范的數字化高保真鏡像映射，主要包括圖書館的幾何模型、行為邏輯、場景規則、物理模型等。感知建模是物理對象與虛擬對象實現實時交互的重要環節，是對物理圖書館運行情況多維度、多層次的精準掌控。精確的建模與感知是保證圖書館模型穩定運行的前提，可以利用智能化技術、多傳感融合技術進行數據采集與模型構建。孿生數據是數字孿生圖書館建設的基礎，涉及數據的表示、融合、分類、使用、維護以及存儲等方面。服務系統是數字孿生圖書館的終端管控平臺，通過深度學習相關理論算法對數字孿生數據進行預處理、特征分析、需求識別及需求預測，形成圖書館智慧分析、智慧決策、智慧管理、智慧服務的資源建設模式。交互連接促成了物理實體、虛擬實體、孿生數據、服務系統各部分之間的互聯互通，是整個數字孿生圖書館運行的大動脈。

數字孿生圖書館的決策模式

決策是數字孿生圖書館建設及運行的關鍵環節，如圖2所示。數字孿生圖書館基于數據驅動構造了圖書館的屬性特征、行為規則，并預測了未來的資源部署，實現了對圖書館的運行維護、決策優化及狀態監測。決策模式的建立主要從圖書館物理孿生體、虛擬孿生體、孿生數據及人工智能系統入手。

（作者自制）

物理孿生體

物理孿生體由實體圖書館與基礎數據組成，是整個圖書管理決策框架的最前層。實體圖書館建設決策包括紙質資源的種類、桌椅的風格、環境的舒適度、創客空間的便捷性等。基礎數據主要通過圖書館門禁系統平臺、圖書館圖書借閱平臺、圖書館電子資源共享平臺及室內安裝的各類傳感器來采集，包括實體圖書館的文獻資源量、學生借閱量、環境舒適度、館員調配數據、圖書破損數據、硬件狀態等參數。物理孿生體產生的基礎數據為虛擬圖書館的建設奠定了數據基礎，同時虛擬孿生體與物理孿生體之間相互映射，不斷補充和完善孿生體數據。

虛擬孿生體

虛擬孿生體是物理孿生體的高保真鏡像映射模型，其本質是圖書館物理實體的數字化形式。根據物理實體圖書館的運行狀況可以明確相應虛擬圖書館的運行模式及發展規律。基于物理孿生體實時采集的數據，利用相關信息處理技術對真實圖書館運行狀況下虛擬模型的幾何形狀、圖書屬性、運行規律進行刻畫與建模，使虛擬孿生體具備多維度行為特征及運行機制，建立起物理圖書館與虛擬圖書館之間的實時映射關系，將各空間產生的圖書虛擬運行數據與實體運行數據深度融合，形成孿生數據，并對其進行儲存處理。

智能決策

孿生數據是數字孿生圖書館作出智能決策的基礎，包括物理孿生體資源數據、虛擬孿生體資源數據、物理—虛擬融合數據、服務系統處理數據，具有多源異構、多時空維度、規模量巨大等特性。對以上圖書館資源進行采集、建模、清洗、關聯、聚類、融合、提取、識別等，可以真實反映智慧圖書館的運行狀態、行為規則等的演化過程與規律。

人工智能系統是保障數字孿生圖書館決策的大動脈，是物理實體數據、虛擬實體數據、孿生數據實時交互的主陣地，也是預測未來圖書館資源建設模式的中樞神經系統。人工智能系統主要利用深度學習算法中循環神經網絡（RNN）與長短時記憶網絡（LSTM）相結合的模型，對圖書資源采購以及圖書館的智慧化建設進行分析預測并作出合理決策，使數字孿生技術與圖書館環境緊密交融，最終形成信息深度融合的群智決策模式。

服務及管理

由圖2可知，通過人機交互促使物理孿生與虛擬孿生相互影響，利用人工智能系統中的深度學習算法進行數據的特征提取與智能化分析，在圖書館管理與服務中能夠很好地執行圖書采編、文獻定制、人員調配、特色應用等決策。在圖書館個性化服務方面，通過數字孿生系統，圖書館可以精確了解師生對環境、設施、圖書資料、管理制度等方面的意見，更好地服務師生、學校和社會；同時數字孿生系統可以為圖書館智慧化建設積累更多有建設性的建議。在圖書館智慧化管理方面，數字孿生圖書館將不斷進行大數據融合，通過可視化界面持續反饋目前圖書館的運營狀況，從師生入館開始至離館，全過程、全方位地進行數據分析，可以合理配置圖書館館員，調整環境溫濕度、光線強度、書庫資源、桌椅布置等，有效解決傳統管理中出現的資源配置混亂、環境設施差、服務不到位等問題。

隨著信息技術的飛速發展，傳統的圖書資源建設模式已經不能滿足當前學生的知識獲取需求，而數字孿生技術與圖書館資源建設模式的有機融合可以更好地滿足新時期大學生對新技術、新知識、新目標的個性化需求，同時解決文獻信息資源利用率低、管理模式混亂等問題。本文以新疆理工學院圖書館目前的建設模式為出發點，提出了數字孿生圖書館五維框架模型，從各維度分析了圖書館智慧化建設的要點以及各部分的關系；同時以深度學習理論為核心，搭建了基于數字孿生技術的深度學習圖書館智慧決策框架，為今后新型智慧圖書館的建設及智慧校園的建設提供了一定的參考。

（作者單位：新疆理工學院圖書館）

[1]周耀.區塊鏈技術在智慧圖書館中的應用研究[J].現代情報，2019，39（04）：94-102.

[2]呂豐華，姜繼紅，王秀麗，等.數字孿生技術在圖書館借閱服務中的應用[J].青島大學學報（自然科學版），2022，35（03）：58-63.

[3]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.

[4]王家玲，王偉赟.基于數字孿生技術的圖書館精準服務研究[J].新世紀圖書館，2022（06）：49-53.

[5]馮川玉，趙文萱.數字孿生圖書館的運行機制與服務模式研究[J].大學圖書情報學刊，2022，40（03）：8-13.

[6]陶飛，劉蔚然，張萌，等.數字孿生五維模型及十大領域應用[J].計算機集成制造系統，2019，25（01）：1-18.