數字孿生智慧圖書館：構成要素、應用場景與運行機理

摘要：數字孿生技術展現出較大發展潛力，將其應用于智慧圖書館建設能進一步推動圖書館轉型進程。文章闡述了數字孿生技術的概念和特征，從圖書館物理實體、數字孿生模型、數字孿生服務系統和圖書館孿生大數據四方面闡釋了數字孿生智慧圖書館的構成要素，并從孿生館員服務、虛擬創意空間、數字記憶平臺三個方面對數字孿生智慧圖書館的應用場景進行了描述，最后從需求牽引機理、創新驅動機理、協同合作機理三個方面探究了數字孿生智慧圖書館的運行機理。

關鍵詞：數字孿生；智慧圖書館；應用場景；運行機理

中圖分類號：G250.76文獻標識碼：A

Digital Twin Smart Libraries：Components，Application Scenarios，and Operating Mechanisms

Abstract Digital twin technology demonstrates significant development potential，and its application in the construction of smart libraries can further drive the transformation of libraries.This paper explains the concept and characteristics of digital twin technology，elaborating on the components of digital twin smart libraries from four aspects：library physical entities，digital twin models，digital twin service systems，and library twin big data.The application scenarios of digital twin smart libraries are described from three perspectives：twin librarian services，virtual creative spaces，and digital memory platforms.Finally，the operational mechanisms of digital twin smart libraries are explored from three dimensions："demand-driven mechanisms，innovation-driven mechanisms，and collaborative mechanisms.

Keywords digital twin;smart library;application scenarios;operating mechanisms

數字經濟作為新經濟的重要內容，逐漸成為推動經濟增長、引領轉型升級的核心引擎與關鍵力量，占據了全球新一輪產業競爭的制高點。隨著大數據、云計算等技術的迅猛發展，以及物聯網、人工智能（Artificial Intelligence，AI）、擴展現實（Extended Reality，XR）等先進信息技術的不斷涌現，數字孿生技術開始應用于不同領域，并展現出較大發展潛力。當下，將數字孿生技術應用于智慧圖書館建設，在圖書館領域是一個新興的研究課題，必將為用戶提供更為個性化、優質的信息服務，進一步推動圖書館數字化轉型進程。

1數字孿生技術的概念和特征

數字孿生目前尚無統一定義，但學術界主流觀點均圍繞物理實體與數字化模型的緊密映射與交互，認為其核心在于利用建模、仿真、感知、計算等信息技術，創建物理實體的虛擬鏡像，以實現對物理對象的模擬、預測、優化和管控。目前的研究從不同角度闡釋了數字孿生的內涵，《數字孿生白皮書（2019）》認為它是物理與賽博空間的交互映射[1]；陶飛等人認為它是一種以數字化方式創建物理實體的虛擬模型的新能力[2]；周瑜等人認為它是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[3]；劉大同等人認為它是在信息化平臺內建立、模擬一個物理實體、流程或者系統[4]。綜上，筆者將數字孿生的定義概括為：在信息化平臺內，通過集成物理模型、傳感器數據、運行歷史等信息，對物理實體進行全面的數字化映射，從而在虛擬空間中創建一個與物理實體高度一致、能夠實時反映其狀態并與之交互的數字模型。這個模型如同物理實體的“雙胞胎”，能夠在數字世界中模擬物理實體的行為，預測其性能，優化其運行，為物理實體的設計、制造、運維等提供決策支持。

數字孿生作為現代智能系統的核心，依托于一系列關鍵技術得以實現[5]（見圖1），呈現出以下四大技術特征：（1）虛實共生。數字孿生技術分為初、中、高三個階段。在初級階段，實現實體原型（實體端）轉變為數字模型（虛擬端），但兩者之間依賴人工數據傳輸；在中級階段，實現兩者之間數據同步更新，但虛擬端尚未能主動完成對實體端的數據傳輸；在高級階段，通過數字線程技術實現數據自動流動和智能決策，形成真正的虛實共生。（2）虛擬仿真。在5G和云計算支持下，數字孿生技術根據對象和階段需求，構建與實物相似或超越實物的數字模型，運用情境感知技術，定制化提供專用數字孿生體，提供高度逼真的實體虛擬仿真。（3）實時交互。數字孿生技術通過采集、分析底層數據，在表層呈現實時、直觀的可視化仿真模型，并與沉浸式技術（如可穿戴技術、虛擬現實、增強現實、腦機融合感知技術等）融合，為用戶提供多維體驗。（4）深度洞察。隨著大數據和AI技術的進步，數字孿生技術將賦予虛擬實體自主學習能力，形成共生知識空間。在智能生態中，數字孿生技術使萬物智慧化，用戶可創建虛擬化身，通過AI訓練和交互學習，滿足需求，提供情境認知和洞察[6]。

2數字孿生智慧圖書館的構成要素分析

數字孿生智慧圖書館利用感知、計算、建模等先進信息技術，構建一個與圖書館物理實體完全對應的虛擬體系，由四大核心要素組成：圖書館物理實體、數字孿生模型、數字孿生服務系統以及圖書館孿生大數據（見圖2）。這四個要素緊密相連，共同構成了數字孿生智慧圖書館的運行基礎。

2.1圖書館物理實體

圖書館物理實體作為數字孿生智慧圖書館的物理基礎，包括圖書館建筑、館藏圖書、設備設施（如書架、智能終端等）以及區域空間等。利用物聯網技術在上述物理實體上安裝相應的傳感器、RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別）標簽等，實現物理實體的數字化標識與互聯互通，為構建數字孿生模型提供集成數據[7]。數字孿生模型通過模擬仿真后計算出最優執行策略，并將其轉化為各種數字化任務指令，下達給圖書館物理實體執行。為了順利完成任務指令，圖書館物理實體需要具備較強的智能化，能夠自動采集多元異構數據，實現數據的智能互聯以及實時感知交互。同時還要構建一個融合“人-機-物-環境”的綜合性運營體系，保障人員、機器、物體和環境之間緊密協作，有效促進圖書館的高效、智能化運行[8]。

2.2數字孿生模型

圖書館數字孿生模型，是基于圖書館物理實體的數據采集，運用3D建模、模擬仿真等技術，創建的一個虛擬的、數字化的圖書館副本，能夠精準反映圖書館物理實體的特征和功能。數字孿生模型對圖書館中人員、設備、物品以及環境等元素進行了數字化表示和模型構建，能夠實時反映圖書館物理實體的狀態、位置、屬性等基本信息；對圖書館的建設、管理和服務活動中的時間序列、并發事件和相互關系進行了詳細的映射和模擬，能夠通過復雜的算法模擬和預測圖書館物理實體在未來的行為和狀態；根據圖書館的復雜運作和發展規律，數字孿生模型建立了一套規則體系，用于指導執行任務、進行優化、預測未來趨勢、追溯問題根源以及評估服務效果。

2.3數字孿生服務系統

數字孿生服務系統是整個服務模型的智慧大腦，是數字孿生智慧圖書館運行過程中業務邏輯（如數據、服務、應用、模型、業務與規則等）和功能模塊（如接口、中間件、業務引擎、工具模塊等）的集合[9]，實現對智慧圖書館運營管理的全面智能化。通過對海量數據的深度挖掘與科學分析，系統能夠預測未來趨勢，優化資源調配，有效提升服務效率，為用戶提供更為個性化、專業、優質的服務體驗。同時利用VR（Virtual Reality，虛擬現實）、AR（Augmented Reality，增強現實）等前沿技術，系統還能夠實現用戶與數字虛擬模型的深度交互，讓用戶在獲取優質服務的同時獲得充分的沉浸式體驗。此外，系統具有持續學習和自我完善的功能，能夠不斷優化和更新迭代，以滿足圖書館日益增長的需求。

2.4圖書館孿生大數據

圖書館孿生大數據主要包括圖書館實體數據、模型數據、服務數據、運營數據、用戶數據和交互數據（見表1）。通過對圖書館各類數據的收集與整理、融合與存儲、處理與分析、反饋與再利用等，能夠有效優化圖書館服務流程，提升其服務質量。如通過分析用戶基礎數據，能夠有針對性地推薦相關信息資源，提升用戶滿意度；通過實時監控和分析圖書館日常運營數據，能夠有效控制成本，實現資源的最優利用，還能夠及時發現異常行為，解決運營中出現的問題，提高安全管理水平；通過收集用戶反饋和行為數據，能夠不斷改進圖書館服務，提升用戶滿意度和體驗。總之，圖書館孿生大數據是數字孿生智慧圖書館智能化的關鍵，它通過全面、科學的數據分析，為數字孿生智慧圖書館的有效改進和持續發展提供強勁的動力支持。

3數字孿生智慧圖書館的應用場景

數字孿生技術在智慧圖書館中的應用場景非常廣泛，它可以成為連接過去與未來、現實與虛擬的橋梁，從而進一步推動圖書館智能化進程。本文以一些圖書館的實踐為例，重點從孿生館員服務、虛擬創意空間、數字記憶平臺三個方面對數字孿生智慧圖書館的應用場景進行分析。

3.1孿生館員服務：智能交互與個性化推薦

孿生館員服務是數字孿生技術在智慧圖書館中的重要應用場景。通過構建數字孿生模型，把館員的日常工作環境進行數字化模擬，打造虛擬館員形象，利用自然語言處理、機器學習等算法實現與用戶的智能交互，為用戶提供24小時不間斷服務。孿生館員不但可以為用戶提供傳統的信息咨詢、資源檢索等服務，還能夠依據用戶的歷史數據和偏好，提供個性化、專業化的信息資源推薦和定制服務[10]。例如，2023年重慶圖書館開放了“智慧重圖微體驗區”，整個微體驗區引入了數字孿生、大數據分析、AI等先進技術，設置了八個智慧服務場景，讀者需要查找圖書時，就可以在“智慧小圖”服務場景區內直接同三維高仿真虛擬數字館員對話。這個虛擬數字館員除了可以聊天，還能幫助讀者查詢館內的情況，充當場館導覽，幫助讀者查找書目，并依據用戶需求實施多維智能評價，為其提供個性化推薦服務。

3.2虛擬創意空間：虛擬環境與沉浸式體驗

虛擬創意空間是數字孿生技術在智慧圖書館中的另一個重要應用場景。數字孿生智慧圖書館通過XR技術、智能傳感、全息仿真等技術，把圖書館的休閑區域進行虛擬再現，利用數字孿生技術在虛擬空間里設置虛擬棋類游戲等互動游戲和娛樂項目，為用戶提供豐富的文化娛樂活動。四川大學圖書館“XR創意空間”是一個利用XR技術為用戶提供沉浸式3D虛擬現實交互體驗的創新平臺。它預裝了醫學、工程技術、藝術等領域的不同應用，讓用戶獲得空間計算開發、應用以及快速創建3D模型等前沿技術的實踐機會。用戶通過佩戴XR設備進入虛擬環境，智能傳感器通過識別用戶的手勢和姿態，實時優化調整虛擬環境中的交互方式，讓用戶體驗更為流暢自然。在沉浸式體驗過程中，用戶可以運用簡單手勢與屏幕中的3D虛擬對象自由互動，也可以用手指在虛擬畫布上繪圖和涂鴉，把傳統繪畫轉變為數字繪畫。

3.3數字記憶平臺：歷史文化與數字化傳承

數字記憶平臺是數字孿生技術在發揮圖書館歷史文化傳承價值方面的重要應用。數字孿生智慧圖書館可以利用3D建模等數字化技術手段，把圖書館的珍貴文獻、歷史資料等進行超精細的數字化復原，建立數字孿生模型，實現物理文獻的虛擬復制品，并構建一個以數字孿生技術為基礎，涵蓋圖書館珍貴文獻、歷史文物、地方文化資源等多方面內容的數字記憶平臺，實現館藏資源長期保存和可訪問獲取。用戶通過數字記憶平臺的個性化交互界面，自由瀏覽和訪問這些數字文化資源，感受歷史的厚重與文化的魅力。數字記憶平臺還能夠為教育和研究提供豐富的資源支持，提高用戶教學和科研水平[11]。例如，武漢大學圖書館擁有古籍雕版、碑帖拓片、民國報刊等豐富的古籍特藏資源，它運用高分辨率的掃描和影像處理技術，把大部分古籍特藏資源原本的形態和內容精準轉化為數字格式，實現對古籍特藏資源的再生性保護，同時采用數字孿生技術，將古籍數字化技術與XR技術進行結合，打造數字記憶平臺，使得古籍資源能夠以數字化的三維形式呈現，并為用戶提供了高效快捷的在線訪問途徑和直觀生動的互動體驗，讓古籍特藏資源能夠跨越時空限制，被更多用戶所了解和應用，助力古籍特藏資源的傳承和普及。

4數字孿生智慧圖書館的運行機理

4.1需求牽引機理：用戶導向

需求決定服務。“以用戶為中心”是數字孿生智慧圖書館運行與優化的核心牽引力。數字經濟環境中的用戶對圖書館服務的需求日益多元化、專業化和個性化，數字孿生技術通過創建圖書館物理實體的虛擬副本，能夠實時監控用戶行為數據，科學分析、合理預測用戶未來的信息需求并提供有針對性的服務。如針對視力障礙用戶，數字孿生智慧圖書館可通過建立數字三維模型將圖書館室內空間進行立體還原，結合室內定位技術，使視力障礙用戶依靠可穿戴設備獲取當前位置信息和前往目的地的具體指引，實現在區域內自主通行；針對居住在偏遠地區的用戶，數字孿生智慧圖書館能夠通過構建虛擬的圖書館場館模型，使用戶可以在虛擬環境中進行閱覽，提前了解講座和研討會的場地布局和設施情況，同時還可以借助遠程訪問服務參與在線講座和研討會，享受與現場學習相同的服務。通過數字孿生技術，智慧圖書館能夠更好地滿足不同用戶群體的需求，實現知識共享和文化普及的目標。

4.2創新驅動機理：技術引領

創新是數字孿生智慧圖書館運行的動力源泉。圖書館通過數字孿生的核心技術，如物聯網、大數據、云計算、云邊協同、3D建模、模擬仿真、XR、AI等技術，創新智慧圖書館的服務模式和管理方法。但目前有些技術尚未成熟，還需要不斷加強技術研發和創新，完善技術標準和規范。此外，還需要轉變思維模式和角色定位。國家應出臺相關政策，明確數字孿生智慧圖書館的發展目標和方向，為技術研發和服務創新提供必要的政策支持和資金保障，組織專家學者共同制定和完善數字孿生技術的標準和規范，為技術的推廣應用提供統一指導，為不同系統之間的兼容性問題提供解決方案。同時智慧館員也應主動投入研究和實踐之中，由“被動接受者”轉變為“合作開發者”，與技術人員共同探索數字孿生技術應用于智慧圖書館服務的場景和模式，并且通過參加業務培訓、專題講座和學術研討會等方式，不斷提升自己的專業能力和綜合素質[12]。

4.3協同合作機理：生態系統

在推動數字孿生智慧圖書館的運行發展過程中，協同合作顯得尤為重要。數字孿生技術本身就是不同學科交融的產物，包括計算機科學、物聯網、數據分析等不同領域的知識，這就要求圖書館在創新過程中，主動與科技公司、技術供應商、研究機構、高校等多方協同合作，把前沿技術與智慧圖書館服務相結合，共同構建數字孿生生態系統，以獲取更多的資源和技術支持，改變以往被動選擇的局面，盡可能設計滿足需求的服務項目或產品，減少因重復建設帶來的資源浪費和成本高昂等問題，強化自身的競爭力。特別是加強館際合作，這是降低單館建設壓力的重要途徑之一。目前大部分圖書館僅靠自身所擁有的人力、物力和財力資源尚難以達到數字孿生智慧圖書館的建設要求，因此需要圖書館之間通力協作，共同打造無所不在、無時不在的泛在化服務生態系統。

5結語

數字孿生技術以其強大的數據集成、實時同步和智能決策能力，為智慧圖書館的建設提供了新視角和技術支持。數字孿生智慧圖書館建設尚屬起步階段，目前在實踐上取得了一些階段性成果，如甘肅省圖書館的“智慧甘圖綜合管理平臺”、溫州市圖書館的“智慧城市書房”、重慶圖書館的“智慧重圖微體驗區”、四川大學圖書館的“XR創意空間”等。這些成功案例不但驗證了數字孿生技術在智慧圖書館服務中的有效性和可行性，也為未來數字孿生智慧圖書館的建設發展提供了寶貴的實踐經驗。伴隨著數字孿生技術的深入推廣，數字孿生智慧圖書館將成為圖書館發展的一個新趨勢，為用戶帶來更為便捷、專業、智能的服務體驗。

參考文獻：

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作者簡介：王利利，呂梁學院圖書館館員，研究方向為圖書館管理、閱讀推廣、數字圖書館等。

收稿日期：2024-09-05

編校：李萍 俞月麗