云數智驅動的孿生圖書館智慧學習空間構建研究

中圖分類號：G250 文獻標識碼：A 文章編號：1003-1588（2025）06-0109-0.

國家圖書館于2024年發布的調查數據顯示，我國圖書館的年均空間利用率普遍較低，圖書館傳統的服務模式已無法滿足學習者的多元化需求。在云計算、大數據與人工智能（以下簡稱“云數智”深度融合的技術浪潮下，圖書館作為知識傳播的核心樞紐，正在經歷數字化轉型與空間重構的雙重變革。數字孿生技術是一項通過構建物理空間的數字化鏡像，實現虛擬與現實空間實時交互的技術，為圖書館提供了新的智能化轉型路徑[1]

1 研究現狀

筆者系統梳理了云數智融合、數字孿生技術及智慧圖書館領域的研究成果，發現我國相關研究數量在近年來呈逐年遞增趨勢。中國知網的文獻計量分析結果顯示，這些領域的相關研究興起于2020年，論文發表量從2020年的5篇增至2025年的80篇，內容主要聚焦于智慧圖書館體系架構設計、應用場景構建等[2.3]。筆者于2025年1月15日以“數字孿生 + 智慧學習空間”為關鍵詞進行檢索，僅檢索到7篇論文，其中與圖書館相關的僅有2篇；以“云數智融合 + 數字孿生 + 智慧圖書館”為關鍵詞進行檢索，僅檢索到3篇論文。可以看出，在云數智深度融合的背景下，關于圖書館利用數字孿生技術打造智慧學習空間的研究仍處于起步探索階段，尚未形成成熟、系統的理論框架。

2 云數智及數字孿生的概念

隨著云數智的深度耦合，“三位一體”的技術生態系統逐漸形成，人們擁有了與數字世界進行實時交互的手段和渠道[4]。其中，云計算可提供大規模的數據處理算力與存儲支持，大數據為該系統的核心資源，人工智能通過相關算法模型，將數據轉化為智能應用。這樣的技術體系重構了傳統的數據處理范式，加速了各行各業的數字化轉型，推動了智能化場景的全域構建。

數字孿生（DigitalTwins，DT）技術是一項通過深度集成物理模型、實時傳感數據、運行歷史等多源信息，經跨學科、多物理量、多尺度及多概率仿真處理，在虛擬環境中構建與物理實體精確對應的動態數字鏡像的技術[5]。數字孿生的核心內涵包括以下三個方面：一是由實到虛，即將物理實體映射為數字孿生體，實現物理實體的數字化轉化。二是虛實互通，即依托物聯網傳感技術，使物理對象的幾何形狀、運行狀態等信息在數字世界實時流通。三是以虛控實，即通過數字孿生體的控制和操作，精準調節物理對象的狀態或行為，形成基于信息流與物理實體實時互動的全產業價值鏈協同管理系統，推動數字產業化轉型升級。

3智慧學習空間概述

智慧學習空間的概念可追溯至1988年羅納德·雷西尼奧首次提出的“SmartClassroom”理念，指融合多維度要素的，具有動態性、交互性特點的學習場域，可為學習者提供優質、高效的學習體驗[7.8]。自2008年起，智慧學習空間受到全世界的廣泛關注。隨著相關研究的持續深化，智慧學習空間的概念不斷擴展，指引圖書館不斷樹立先進的教育理念，利用現代智能技術構建集學習、交流、創新等功能于一體的多功能智慧學習空間，為用戶提供海量的學習資源、便捷的學習工具和個性化的學習服務。廖波指出，智慧學習空間建設是圖書館“實體 + 系統”的創新實踐，旨在以“互聯網 Φ+Φ^? 的思維實現信息資源的無縫銜接，提高服務效率[9。張曉蕾強調，圖書館應基于信息技術架構建設智慧學習空間，即利用智能技術構建交互性、靈活性、適應性較強的虛擬環境，滿足學習者的多樣化需求[10]。楊柳將智慧學習空間界定為虛擬空間，認為圖書館建設智慧學習空間的目的是滿足學習者的個性化學習需求，為他們提供靈活便捷的學習體驗[1]。王云弟等提出，智慧學習環境能夠自動化地感知情境，并精準識別學習者的行為特征[12]。筆者認為，智慧學習空間是圖書館利用智能技術構建的虛實融合型學習環境，旨在以技術賦能的方式實現資源、服務與用戶需求的深度適配與精準對接。

4數字孿生圖書館的內涵與運行機制

數字孿生圖書館是圖書館利用數字孿生技術構建的智慧圖書館新形態，實現了圖書館現實空間與虛擬空間的實時雙向映射及深度協同，有助于圖書館合理配置空間資源，挖掘用戶的行為數據，為他們提供個性化服務，推動智慧圖書館建設[13]。數字孿生圖書館的核心架構分為五個關鍵部分，分別為物理實體圖書館、虛擬鏡像圖書館、圖書館孿生大數據、數字孿生服務及信息數據通道[14]。在運行機制方面，圖書館大量采集數據，向核心數據庫輸入信息，數字孿生圖書館利用這些數據進行動態仿真及雙向實時映射，以實現虛實交互。數字孿生服務體系通過大數據分析的方式，生成資源調度與服務優化策略，為圖書館提供決策支持。信息數據通道可保障物理實體圖書館與虛擬鏡像圖書館的信息數據實時傳輸和雙向互動，為數字孿生圖書館的高效運行奠定堅實的基礎。數字孿生圖書館核心架構的各部分通過數據采集、驅動、服務反饋等形成迭代優化閉環，能夠持續完善數字孿生圖書館服務體系，推動圖書館智慧服務模式構建。

5基于數字孿生的圖書館智慧學習空間架構

筆者基于數字孿生體的實時映射、動態仿真及智能決策等特性，構建了由物理實體空間層、云端服務層及數字孿生空間層構成的三層動態協同的數字孿生圖書館智慧學習空間架構，以期能夠突破圖書館在物理空間與數字資源方面的二元對立，實現圖書館物理空間、虛擬空間與服務體系的深度協同，形成虛實相融的智慧服務生態，解決圖書館資源配置效率低下及服務模式同質化等核心問題[15]

5.1 物理實體空間層

物理實體空間層是數字孿生圖書館智慧學習空間架構的基礎支撐體系。筆者基于數字孿生五維模型（MDT）與空間句法理論，構建了包含“人、機、物、環境”四元要素的智慧化基底基礎框架。在物理空間層優化方面，圖書館應全面考量人力資源配置、基礎設施建設、空間布局規劃等要素。

在基礎設施建設方面，圖書館應關注空間設計，完善館內基礎硬件設施，并配置網絡學習設備，為數字孿生圖書館智慧學習空間提供穩定的運行環境；利用“ BIM+GIS ”建模技術構建高精度的三維空間模型，引進模數化家具系統，提高智慧學習空間的智能化水平。在空間布局優化方面，圖書館應以用戶需求與行為數據為導向，基于NSGA-II算法構建多目標優化模型，不斷提高空間利用率和用戶舒適度，降低運維成本。在智能體系部署方面，圖書館應引進集成化的智能服務終端、數據傳感設備、安全監控設備等，實時采集用戶的行為數據及環境參數，為數字孿生空間層提供數據支撐，實現物理圖書館空間狀態向虛擬圖書館的實時映射。

5.2 云端服務層

云端服務層是數字孿生圖書館的智能決策中樞。筆者基于數字孿生五維模型與服務科學理論，構建了包含數據治理、智能算法、安全架構的三維技術體系。圖書館可部署物聯網邊緣網關與數據傳輸中間件，實現物理實體空間層與數字孿生空間層的毫秒級數據交互；部署全域感知系統，利用UWB定位基站、壓力傳感陣列及環境傳感器，構建集學習者行為軌跡、資源利用狀態、環境參數等要素于一體的數據采集體系；利用數據處理模塊搭建PB級分布式存儲平臺，整合圖書館元數據、用戶行為日志及孿生模型數據，并利用機器學習算法動態預測用戶的行為和需求[6];利用知識圖譜技術構建資源調度模型，實現跨模態資源的智能匹配；采用零信任架構，部署防火墻、入侵檢測系統及數據加密系統，保障數據傳輸的安全性，形成“感知一分析一決策”的智能服務閉環。

5.3數字孿生空間層

數字孿生空間層是物理圖書館的智慧鏡像系統。筆者基于數字孿生五維模型及時空數據模型（STM），構建了高度精準且功能完備的物理圖書館數字鏡像體系，以期實現物理圖書館與虛擬圖書館的雙向實時映射及智能協同。圖書館可利用先進的物聯網傳感器及數據采集技術，實時采集圖書館的環境參數、資源分布及用戶行為數據，并傳輸至云端服務層進行深度分析與處理，為智慧學習空間的動態調整及優化提供數據支撐，保障數字孿生圖書館的狀態一致性。此外，圖書館還可利用相關算法模型，分析、模擬歷史數據，預測用戶的資源、服務、空間使用趨勢，為空間布局優化提供科學依據，提升用戶的學習體驗。

參考文獻：

[1］張艷豐，高明澤.“云數智”融合視域下數字孿生圖書館場景化服務模式研究［J].國家圖書館學刊，2022（6） ：70-79.

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[10][15]張曉蕾.融入數字孿生的圖書館智慧學習空間構建研究[J].河南圖書館學刊，2023（5）：125-128.

［11］楊柳.信息時代智慧學習空間與圖書館文化建設探討[J].大學，2021（9）：124-125.

[12]王云弟，王文韜，謝陽群，等.融合5G的高校圖書館智慧學習服務體系構建[J].圖書館理論與實踐，2021（2） ：85-90.

[13]張晶.基于數字孿生技術的圖書館空間再造研究[J].微型電腦應用，2022（2）：138-140.

[14]朱紅艷，王靜.數字孿生圖書館理論模型、服務場景及未來展望[J].圖書館，2023（11）：18-23.

（編校：馮耕）

收稿日期：2025-05-09

作者簡介：劉紅芝（1980—），副研究館員;張冬梅（1981—），副研究館員;尹志強（1983—），副研究館員;喬紅麗（1974—），研究館員。

"本文系2023年度省教育廳高校哲學社會科學研究基金項目“大數據時代多技術融合下智慧圖書館服務模式與質量評價研究”的階段性研究成果之一，項目編號：2023SJYB1124。