基于區塊鏈的數字孿生圖書館管理與服務模式研究

王家玲　查道懂　張春梅

摘 要 數字孿生技術在智慧圖書館建設中獨具優勢，但其中心化存儲方式以及孿生體數據可被無限復制等特點給智慧圖書館帶來了數據不可靠、讀者隱私和知識產權問題。論文梳理數字孿生和區塊鏈技術特點及在智慧圖書館的應用現狀，提出將數字孿生與區塊鏈技術深度融合，利用區塊鏈的非中心化、數據不可篡改等特點存儲智慧圖書館數字孿生數據，在保證孿生數據可靠性、讀者隱私和知識產權安全的前提下，將智慧圖書館的空間資源、設備資源、紙電資源、讀者資源、人才資源全局規劃、深度整合、智慧管理，探析智慧圖書館的管理與服務新模式，為智慧圖書館的綠色發展提供全新的研究視角和實踐路徑。

關鍵詞 區塊鏈；數字孿生；智慧圖書館

分類號G250.7

DOI 10.16810/j.cnki.1672-514X.2023.05.010

Research on Management and Service Mode of Digital Twin Library Based on Blockchain

Wang Jialing， Zha Daodong， Zhang Chunmei

Abstract Digital twin technology has unique advantages in the construction of smart libraries. However， its centralized storage mode and the infinite reproduction of twin data bring problems of data unreliability， reader privacy and intellectual property rights to smart libraries. This paper combs the characteristics of digital twin and block chain technology and its application status in smart library， proposes the deep integration of digital twin and block chain technology， and uses the characteristics of block chain such as decentralization and unalterable to store the digital twin data of smart library. On the premise of ensuring the reliability of the twin data， the privacy of readers and the security of intellectual property rights， the overall planning， deep integration and intelligent management of the space resources， equipment resources， paper and electricity resources， reader resources and talent resources of the smart library are analyzed， and the new management and service mode of the smart library is explored， so as to provide a new research perspective and practice path for the green development of the smart library.

KeywordsBlock chain. Digital twin. Smart library.

0 引言

大數據與人工智能的快速發展，使得大數據技術與人工智能技術逐步融合，共同發展，出現了數字孿生、區塊鏈、5G網絡、物聯網等技術。數字孿生具有實時雙向映射、全面動態仿真、智能閉環驅動等特點，在智慧圖書館建設中有著獨特的優勢，研究者們紛紛將其引入智慧圖書館中，并從不同角度分析其在智慧圖書館中的應用場景。然而，讀者隱私保護和知識產權是保障智慧圖書館綠色發展的基本前提，但數字孿生體的中心化存儲方式及數據可被無限復制等特點給智慧圖書館帶來了數據安全、讀者隱私和知識產權問題，而目前幾乎沒有文獻對該問題進行探討。區塊鏈技術非中心化的存儲模式和數據不可篡改等特點，可用于數據共享、數據監護、數據溯源等方面。研究者嘗試將其引入圖書館，用其對圖書館的元數據、數字資源或場景化數據等進行管理。但目前為止，很少有研究者將區塊鏈技術和數字孿生技術深度融合，讓區塊鏈技術融入到智慧圖書館全生命周期的管理中。對此，文章提出將數字孿生與區塊鏈技術深度融合，探析智慧圖書館管理與服務新模式，為智慧圖書館綠色發展提供全新的研究視角和實踐路徑。

1 數字孿生在智慧圖書館研究及運行機制

早在2003年，美國密歇根大學Grieves教授在“PLM開發聯盟”成立時對業界所作的陳述中就提到了數字孿生的雛形，2011年Grieves教授正式將數字孿生的概念提出[1]。數字孿生技術最初被應用于航天航空領域的飛行器的維護與保障，自2017年，該技術連續三年被Gartner列入《十大戰略性技術趨勢》，由此引起社會各界的廣泛關注。

1.1 數字孿生的概念和特點

數字孿生又稱數字鏡像或信息鏡像模型，是充分利用數字建模、大數據分析、數據挖掘、人工智能、虛擬現實等技術，在虛擬空間中為物理實體構建相應的數據模型，從而反映物理實體的全生命周期。

數字孿生主要包含四個元素：物理空間、虛擬空間、從物理空間到虛擬空間的數據流鏈接、從虛擬空間到物理空間和虛擬子空間的信息流鏈接[2]。數字孿生具有全面動態仿真、實時雙向映射和智能閉環驅動三大特點。全面動態仿真是指數字孿生體通過行為邏輯數據、業務過程數據、狀態變化數據等對物理實體全生命周期的狀態和行為進行動態監測、精確表達、全面呈現。實時雙向映射是指數字孿生技術將物理實體映射到虛擬空間構建各種數字模型，模型與模型之間、模型與實體之間可以雙向映射、實時動態交互。智能閉環驅動表現在數字孿生體實時監測物理實體的狀態數據，根據模擬分析，圖書館實體不斷優化，優化的圖書館實體同時被動態映射到孿生空間，從而形成一個閉環系統，智能驅動。

1.2 數字孿生在智慧圖書館的研究現狀及運行機制

隨著大數據和人工智能技術的快速發展，智慧圖書館的建設進入了更高級階段。基于數字孿生技術的獨特優勢，研究者們紛紛將其引入智慧圖書館，并從不同角度分析其在智慧圖書館中的應用場景。孔繁超分析了數字孿生技術在圖書館空間重構的可能性和優勢，探討其在圖書館的應用場景[3]。石婷婷等分析數字孿生技術在智慧圖書館的應用場景，提出數字孿生圖書館的建設策略[4]。王東波探索了基于數字孿生的智慧圖書館應用場景架構、運行機制和建設思路[5]。李璐等從物理圖書館、虛擬圖書館、圖書館孿生大數據、孿生智慧管控平臺四個方面進行闡述，給出基于數字孿生技術的圖書館智慧管控系統模型[6]。張艷豐等提出將數字孿生技術融入智慧圖書館服務，探析數字孿生技術下智慧圖書館場景化服務路徑及模型[7]。許鑫將數字孿生技術融合到圖書館業務，構建了智慧圖書館業務融合方案[8]。

數字孿生體的構建依賴大量的數據計算，而目前數字孿生體都采用中心化存儲方式，數據的可靠性得不到保障，導致模擬仿真不準確，預測結果不可信。此外，數字孿生體因其數字形式，可被無限復制，將導致讀者個人數據及受版權保護的文獻資源可被無限復制，帶來讀者隱私泄露和知識產權等問題。這些數據安全問題將嚴重影響數字孿生技術在智慧圖書館中的應用。

1.3 數字孿生在智慧圖書館的運行機制

數字孿生圖書館是運用數字孿生技術在虛擬空間為圖書館物理實體構建一個完全一樣的數字孿生體，并實現孿生體與物理實體的雙向映射和動態交互，主要由圖書館物理實體、圖書館數字孿生體、數字孿生控制中心與孿生大數據四個部分所組成[9]，如圖1所示。

數字孿生控制中心負責對整個數字孿生圖書館進行規劃部署、執行監控和管理協調。圖書館物理實體是指現實世界中圖書館各類資源和運行過程的集合，其主要任務是各類圖書館實體資源的數字化，同時依據數字孿生體仿真模擬提供的策略，不斷優化圖書館的管理與服務。在虛擬空間為圖書館物理實體構建完全一樣的，實時雙向映射的數字模型就是圖書館數字孿生體，其主要任務是通過對數字孿生體數據的挖掘和模擬得出最佳執行策略，為圖書館物理實體的建設提供決策支持，這也是數字孿生圖書館的核心。圖書館孿生大數據是驅動數字孿生圖書館正常運行的主要動力，圖書館數字孿生體的構建、物理實體的迭代優化、孿生體系的運轉都依賴于圖書館孿生大數據，所以圖書館孿生大數據的可靠性、安全性至關重要。

2 基于區塊鏈技術的圖書館數字孿生數據的安全性分析

2008年，區塊鏈一詞因田本聰的比特幣[10]而進入人們的視野。區塊鏈相當于數據庫，本質是數據的存儲服務，在存儲的基礎上利用信息安全技術對數據進行加密，保障數據安全，通過去中心化方式進行傳輸，是分布式網絡、點對點傳輸、加密技術的結合體。鏈上的任何一個節點都可以成為中心，各節點的權利和義務對等，形成自治運轉的一個生態鏈。每個區塊鏈都會保存前一個區塊鏈的哈希值，數據不可篡改。除了私有的加密數據外，任何節點都能獲取全網的總數據。區塊鏈能有效防止信息泄露，以授權方式設置訪問權限，保護數據安全。

2.1 區塊鏈與圖書館

2016年，區塊鏈作為戰略前沿技術被寫入國家信息化規劃。圖書館作為專業的信息服務機構，將區塊鏈引入圖書館的數據管理和數據服務是圖書館信息化重要內容。研究者將區塊鏈技術引入圖書館，嘗試用其對圖書館的元數據、數字資源或場景化數據等部分數據進行管理。張興龍等提出區塊鏈技術可解決讀者信息收集、分析和挖掘過程中數據安全問題，構建了圖書館元數據的管理體系[11]。周耀分析了區塊鏈技術在智慧圖書館建設中的應用優勢，并設計了4個基于區塊鏈技術的智慧圖書館應用系統[12]。王夢丹基于區塊鏈技術，探究在高校圖書館網絡教育和學習場景的應用[13]。只瑩瑩將5G和區塊鏈技術結合，分析其在未來圖書館智慧服務中的應用場景、應用模式和互補優勢[14]。楊群等提出了一種區塊鏈技術驅動智慧增值服務模式及應用路徑，有效解決智慧圖書館在信息資源收集、安全存儲和共享傳播等方面的問題[15]。張媛媛等利用區塊鏈技術構建圖書館場景化服務平臺，主要從場景識別、場景記錄與存儲、場景判斷與預測、情境配置、價值創新等五個方面進行分析[16]。魏大威等將區塊鏈技術引入智慧圖書館的數字資源管理中[17]。但目前，還沒有研究者將區塊鏈技術和數字孿生技術深度融合，讓區塊鏈技術融入到智慧圖書館全生命周期的管理中。

2.2 區塊鏈為圖書館數字孿生體的構建提供可信數據

數字孿生圖書館的關鍵是依據圖書館孿生大數據在虛擬空間中構建圖書館的數字孿生體，而圖書館數字孿生體與物理實體的重要不同之處是數字孿生體具有可修改性，因此數字孿生體能夠模擬復雜變化的圖書館物理實體，通過調整不同環境不同場景的實體參數，來反復模擬得出最佳執行策略，為實體圖書館的優化提供決策參考。如果構建數字孿生體的數據的安全性得不到有效保障，數字孿生體就不能切實地反映物理實體的當前狀態，導致依據數字孿生體進行模擬預測的結果不準確，無疑給圖書館實體依據預測結果進行的決策帶來極大的威脅。然而目前圖書館孿生大數據都采用中心化的存儲方式，需要對中心化系統高度信任，若中心系統出現故障、管理者操作不當或管理者為了達到自己的非法目的惡意篡改數據，都會導致構建孿生體的數據不可信，使得依據數字孿生體模擬結果進行的預測出現偏差，進而致使決策失誤。

區塊鏈是一種以鏈式數據結構來存儲數據的數據庫，并通過一些加密算法來保證所存儲數據的真實性和可靠性。區塊鏈是由一個一個區塊，通過哈希指針鏈接而成。每個區塊都包括塊頭和塊體兩個部分，每個塊頭在存放自身的哈希值的同時還會存放前一個塊的哈希值，兩個區塊鏈之間因此形成鏈接。塊體是一個裝載空間，里面存儲具體的數據，區塊鏈的鏈接方式如圖2所示。

區塊鏈中每個區塊的哈希值是對整個區塊進行哈希計算得出的，而每個區塊的塊頭都包含了兩個哈希值，本區塊的哈希值和前一區塊的哈希值，這樣的結構使得只要任何一個區塊被改動，它的哈希值就發生變化，那么下一個區塊的塊頭中相應的哈希值就和這個對應不上，這就表示上一區塊內容被篡改。對照圖2，假設Block1和Block2是兩個相鄰的區塊，Block1的整個區塊的哈希值會保存在Block2的塊頭信息中，Block2塊頭中還保存著本區塊的哈希值，同時Block2這個區塊的哈希值會保存在Block3的塊頭中。這樣，如果Block1的數據有改動，Block1的哈希值就發生改變，那么Block2塊頭中存放的Block1的哈希值就與Block1本身的哈希值不一致，同區塊哈希值的不一致是數據被篡改的主要判斷依據。

通過上面的分析可知，區塊鏈上任何一個區塊的數據若被篡改，都會被整個區塊鏈系統發現，以此來保障鏈上的數據安全可靠。若將圖書館數字孿生體的孿生大數據使用區塊鏈的這種鏈式結構來保存，就能夠保證構建圖書館數字孿生體的數據不可篡改，真實可靠，以此構建的數字孿生體能夠切實地反映物理實體的當前狀態，依據數字孿生體進行模擬預測的結果準確可信。

2.3 區塊鏈保障圖書館讀者隱私和知識產權安全

數字孿生體是以數據形式存放的數字模型，具有可復制性，這個特點使得數字孿生體在模擬測試中使用起來更加便利。比如圖書館空間規劃布局、場景化服務等可以通過數字孿生體的可復制性進行多次模擬試驗，以得到最佳決策方案，優化圖書館物理實體。但是，若讀者的個人信息或受版權保護的文獻資源在數字孿生空間被惡意復制，將給圖書館帶來讀者隱私泄露風險和知識產權問題。

區塊鏈的通證可解決孿生體數據被惡意復制帶來的數據安全問題。區塊鏈的通證是一種可流通的加密數字憑證，對于有價值的數據或隱私數據，系統為其分配通證，每個具有通證的物理實體在數字孿生空間只能構建唯一一個與其對應的數字孿生體，這樣就能確保讀者的隱私信息和具有產權保護的文獻資源不被惡意復制，從而保障它們的安全。因此，將區塊鏈引入到數字孿生圖書館的數據管理中，可有效保證讀者隱私和知識產權安全。

3 基于區塊鏈的圖書館數字孿生系統

基于區塊鏈的圖書館數字孿生系統，主要由圖書館物理實體、區塊鏈孿生大數據庫和數字孿生體三個部分組成。智慧圖書館物理實體借助RFID芯片、紅外線、傳感器、可穿戴設備、智能終端設備等不斷執行實體數字化任務，實時動態地識別和收集智慧圖書館物理實體的所有信息，將這些數據從各終端上傳至孿生大數據的區塊鏈中。智慧圖書館物理實體同時依據數字孿生體模擬仿真的結果進行預測，執行相應的建設、管理與服務任務，不斷優化實體圖書館的管理與服務模式。圖3給出了基于區塊鏈的數字孿生圖書館系統的管理與服務模式。

數字孿生體的模型可歸集為三大類，即要素模型、行為模型、規則模型。要素模型主要指圖書館真實存在的所有實體要素數字化后的模型，包括物理空間模型、資源畫像模型、讀者畫像模型、館員畫像模型等。規則模型主要是指依據圖書館運行與發展規律而建立的優化、預測、評估等規則模型，如服務評價模型、資源優化模型等。行為模型主要是指在讀者需求驅動下，分析圖書館管理、服務和建設相關行為，并對其進行映射構建模型，如事件仿真模型、場景仿真模型等。數字孿生體的主要任務是通過對其不斷模擬和分析，得出最佳執行策略，為圖書館物理實體建設提供決策支持，同時將其大數據存儲在孿生大數據區塊鏈中。

區塊鏈孿生大數據庫，是采用區塊鏈結構存儲智慧圖書館物理實體、數字孿生體和它們交互產生的所有數據。區塊鏈的鏈式存儲方式保證鏈上數據的真實可靠，構建數字孿生體是圖書館物理實體的真實體現，因此依據數字孿生體進行模擬預測的結果準確可信。同時區塊鏈的通證可有效保證讀者隱私和知識產權安全。

4 基于區塊鏈的數字孿生圖書館管理與服務新模式

以數字孿生模式構建智慧圖書館管理和服務框架，同時融入區塊鏈接技術管理和存儲數字孿生大數據，將區塊鏈技術和數字孿生技術深度融合，引入智慧圖書館的管理和服務中，可為智慧圖書館提供全新的管理和服務模式。

4.1 基于區塊鏈的數字孿生圖書館管理新模式

（1）空間資源科學規劃。智慧圖書館的空間資源規劃目標是“每位讀者有其適合的空間資源，每個空間資源都有其適合的讀者”，這就需要圖書館充分了解和挖掘讀者對空間環境和設備設施的需求和偏好。在數字孿生技術環境下，智慧圖書館的館舍空間、裝修家具和設備實施等物理空間的實體會被數字化，映射到數字孿生空間，構建成可與物理實體雙向動態交互的數字模型。數字模型的最大優勢在于模擬，通過對虛擬空間圖書館空間環境和設備設施的全方位、多角度模擬，不斷優化空間布局和功能分區、完善人性化裝修、科學分配設備設施。同時，通過讀者畫像模型、服務評價模型、場景仿真模型、事件仿真模型等的模擬分析，充分挖掘出讀者對空間環境和設備設施的需求和偏好，最終得出滿足讀者需求的最佳規劃方案。圖書館物理實體根據最佳規劃方案，從整體上對圖書館空間環境和設備設施進行科學規劃。

（2）文獻資源整合優化。數字孿生技術下，所有的文獻資源在虛擬空間都會構建一個全生命周期的數字孿生體，并將其孿生體數據及其過程數據存儲至圖書館孿生大數據庫。圖書館孿生大數據打破了不同種類文獻資源之間的壁壘，將紙本文獻的書目信息、流通軌跡、館藏目錄，各數據庫的資源數據、元數據、訪問記錄等不同數據源的數據進行整理、清洗、關聯、分類，深度整合，并將整合結果與讀者的學歷、專業、工作、年齡、性別、愛好等屬性相結合，以此分析和挖掘出讀者的實時借閱需求和潛在借閱需求，優化資源配置，實現文獻資源的整合優化。

（3）讀者需求精準預測。讀者需求是圖書館存在的意義和建設的動力，對于讀者需求的精準預測是智慧圖書館的“智慧”體現。在數字孿生技術下，讀者的個人數據、背景數據、科研數據、社交數據、信用數據、行為數據可全方位、多維度收集，存儲在圖書館孿生大數據庫中。利用聚類、關聯規則等數據挖掘方法對孿生數據庫中的讀者數據進行分析建模，可構建精準的讀者畫像。精準的讀者畫像結合服務評價模型、場景仿真模型、事件仿真模型等的模擬分析，能充分挖掘出讀者現有需求和潛在需求。因此，通過在虛擬空間實時監測讀者孿生體，可以迅速定位讀者畫像，精準預測讀者需求。

（4）人力資源合理配置。這里的人力資源主要指智慧圖書館的館員。在智慧圖書館模式下，館員分為研究型館員、技術型館員、嵌入型館員、業務型館員等不同類型[18]，每種館員的工作范疇、服務對象都有所不同，館員隊伍的合理構建和調度，直接影響智慧圖書館服利用數字孿生技術，館員的學歷、專業、工作年限、愛好、專長等數據將全方位地映射在虛擬空間，依此可構建精準的館員畫像。通過對讀者分布情況和需求，以及與館員的實時交互全方位地展示和監測，可分析出讀者的實時需求和需求傾向，系統依此選擇最優的人員調度策略。同時，管理者依據分析結果，結合現有條件，合理引進和培養相關人才，實現圖書館人力資源的合理配置。

4.2 基于數字孿生技術的智慧圖書館服務新模式

（1）全新體驗式服務。體驗式服務是注重讀者的感官體驗和心理感受的一種全新的服務方式。現有的體驗式服務主要通過環境布置、大屏展示等形式來營造主題氛圍。在數字孿生技術背景下，大數據技術和人工智能技術相互融合，出現了全新的體驗式服務：沉浸式服務和場景式服務。沉浸式服務利用虛擬現實、增強現實、體感交互、影像捕捉等新技術，營造更加逼真的主題體驗，讓讀者身臨其境，甚至可與情景中的人和物實時互動。場景式服務是另一種全新的體驗式服務，通過移動可穿戴智能設備和傳感器設備等搜集讀者當前的場景數據，自動獲取和發現讀者需求，與數字孿生空間的場景仿真模型、服務仿真模型進行匹配，主動為讀者提供資源或服務，讓讀者感受到圖書館對他們的重視。

（2）一站式知識服務。一站式知識服務是指通過有效的技術手段，對知識進行全面收集、挖掘和重組，利用一站式門戶網站為讀者提供便捷高效的知識檢索方案。圖書館孿生大數據打破了不同種類文獻資源之間的壁壘，將紙本文獻的書目信息、流通軌跡、館藏目錄，各數據庫的資源數據、元數據、訪問記錄等不同數據源的數據進行整理、清洗、關聯、分類，深度整合，為圖書館的一站式檢索和知識發現提供了基礎保障。因此，利用數字孿生技術，一站式知識服務將是智慧圖書館信息資源服務的主要形式。

（3）精準個性化服務。數字孿生技術將讀者的個人數據、背景數據、科研數據、社交數據、行為數據進行全方位、多維度收集，存儲在圖書館孿生大數據庫中，并依此構建精準的讀者畫像。精準的讀者畫像結合服務評價模型、場景仿真模型、事件仿真模型等的模擬分析，能充分挖掘出讀者現有需求和潛在需求。然而精準服務和讀者隱私往往是相對立的，精準需求的分析建立在讀者數據深度挖掘的基礎上，讀者信息的過渡挖掘很可能導致讀者隱私泄露。區塊鏈技術的非中心化存儲方式和數據不可篡改的特征，與數字孿生技術結合，能夠在保護讀者隱私的前提下，深度挖掘讀者數據，精準預測讀者現有需求和潛在需求。

5 結語

將數字孿生與區塊鏈技術深度融合，利用區塊鏈的去中心化、數據不可篡改等特點存儲智慧圖書館數字孿生數據，為智慧圖書館的綠色發展提供全新的研究視角和實踐路徑。但是，目前數字孿生和區塊鏈在圖書館的研究和應用都處于理論探索階段，在圖書館的實際應用和推廣還需一個長期的過程。對于新興技術，圖書館應積極探索，勇于嘗試，以此驅動圖書館不斷發展，跟上時代發展步伐。

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