AIoT與數字孿生共筑智慧圖書館

摘要：現研究如何將AIoT技術和數字孿生技術應用于智慧圖書館的構建，從圖書館數字孿生體的構建著手，闡述了智慧圖書館中AIoT技術集成的相關內容，分析了兩項技術如何在圖書館的智慧服務創新和管理運營優化方面發揮作用，并提出了具體的實施步驟。

智慧圖書館是現代圖書館發展的新階段，它融合了人工智能（AI）、物聯網（IoT）、數字孿生（Digital Twin）等先進技術，可以提高圖書館的服務質量、管理效率和用戶體驗。關于智慧圖書館的建設，已有不同研究方向的多項成果，如鄧李君等從建設目標、內涵、效用等方面研究了圖書館空間轉型策略[1]，周力虹等對比研究了國內外高校圖書館關于虛擬現實（VR）技術的應用[2]，任萍萍提出了通過智慧服務應用場景與智慧平臺模型構建，創新重構智慧服務整體生態鏈[3]，王娜、李璐等研究了數字孿生技術在智慧圖書館中的相關應用[4-5]，王春迎等則研究了如何通過數據驅動圖書館的智慧服務[6]。智慧圖書館狹義上的定義是指一種新型的智能化建筑，AIoT和數字孿生是智慧圖書館進行智慧化管理和服務的有效手段[7]。AIoT（人工智能物聯網）是人工智能（Artificial Intelligence，AI）和物聯網（Internet of Things，IoT）的結合，通過AI的計算機視覺和語音識別等技術，IoT設備可以更好地理解和解釋收集到的數據，同時，利用AI算法對IoT收集的數據進行分析，作出智能決策并自動控制設備。通過數字孿生技術，可以創建圖書館的虛擬副本，實時監控實體圖書館的運行狀態，包括讀者流量、設備運行情況、環境參數等，從而實現對圖書館的精細化管理。本文將從兩種技術的關鍵內容著手，結合圖書館業務特點，探究AIoT技術和數字孿生技術如何幫助圖書館實現智慧服務創新和管理運營優化，并嘗試提出智慧圖書館項目的通用實施步驟。

數字孿生構建技術

目前，數字孿生的實現方式主要由三部分組成，分別是物理場景三維建模、業務信息系統集成和實時數據對接。

三維模型構建技術

三維模型構建的技術實現主要包括通過創建和編輯曲面構建模型，適用于創建表面平滑的曲面模型；通過編輯多邊形網格構建模型，適用于創建復雜的幾何形狀的多邊形模型；基于體素（體積像素）進行建模，適用于需要詳細內部結構展示的模型；通過定義參數和規則生成模型，便于模型的修改和優化；通過編寫算法或使用特定工具生成模型，適用于大范圍場景的過程式建模。

從三維模型的數據格式類別來看，傳統用于創建數字孿生模型的技術主要有廣泛應用于工程和建筑設計領域的計算機輔助設計（CAD）技術；可以快速、精確獲取實體對象三維數據的激光掃描或結構光掃描技術；運用Autodesk 3ds Max、Maya、Blender等三維建模軟件進行復雜三維模型創建的技術；包含建筑的三維幾何信息和建筑組件的屬性信息，適用于建筑領域的建筑信息模型（BIM）技術；可以用于創建交互式對象的三維引擎實時渲染技術，代表軟件有Unity、Unreal Engine等；可以提供沉浸式交互體驗的增強現實（AR）和虛擬現實（VR）技術；適用于城市級大范圍場景建模的傾斜攝影處理技術。

近年來，神經輻射場（Neural Radiance Field，NeRF）和三維高斯濺射（3D Gaussian Splatting，3DGS）等可微分渲染技術的出現為三維建模技術帶來了新的變革[8]。本文根據以往智慧圖書館項目的建設經驗，結合文獻查閱，對圖書館數字孿生建模技術的適用場景、主要特點、成本進行了比較，結果如表1所示。

根據各類三維建模技術的對比結果，圖書館數字孿生體的構建可采取以下策略。圖書館外立面模型可以采用傾斜攝影的方式。在圖書館室內模型方面，如果項目資金充足，可以選擇三維建模軟件Autodesk 3ds Max或BIM建模；如果項目資金較為緊張，可以選擇三維激光掃描或3DGS等可微分渲染技術。

業務信息系統集成

數字孿生圖書館可以集成的業務信息系統主要有圖書館自動化系統、讀者服務系統、館藏管理系統、分析報告系統、設施管理系統、互動與溝通平臺等。其中，圖書館自動化系統主要包括圖書館集成管理系統和電子資源管理系統；讀者服務系統主要包括門禁系統、座位預約系統和自助借還書系統；館藏管理系統主要包括圖書定位系統和藏品管理系統；分析報告系統即數據分析和報告工具，用于生成圖書館運營的統計報告，如借閱率、讀者行為分析等；設施管理系統包括建筑管理系統（BMS）、安防監控系統等；互動與溝通平臺主要有圖書館網站、移動應用等。

實時數據對接

數字孿生圖書館對接的實時數據，主要是指通過IoT設備實時采集圖書館內的環境數據、人流數據等。常見的圖書館可對接物聯網設備有電子標簽（RFID）讀取器和自助借還書機，能夠監測圖書在書架上的位置和狀態的智能書架，門禁系統傳感器，座位管理系統傳感器，溫濕度傳感器、空氣質量監測器等環境監測設備，根據室內光線強度和讀者位置自動調節亮度的智能燈具，用于監測和控制電器能耗的智能插座和電表，用于監控圖書館安全狀況的攝像頭，用于緊急情況下預警的煙霧探測器、火災報警器，無線網絡接入點（Wi-Fi），自助打印/復印/掃描設備，信息發布屏，幫助讀者在圖書館快速找到特定書籍或區域的導航設備。

智慧圖書館中的AIoT技術集成

AIoT中的AI技術

圖書館作為知識傳播的重要陣地，積累了大量的文字、圖像、視頻等數據，在此背景下，AIoT中可能用到的AI技術有機器學習、深度學習、計算機視覺、自然語言處理、語音識別、專家系統和認知計算。機器學習用于從數據中學習模式和作出預測，包括監督學習、無監督學習、強化學習等；深度學習作為一種特殊的機器學習方法，使用多層神經網絡學習數據的復雜模式；計算機視覺能夠從圖像或視頻中獲取和處理信息，包括圖像識別、物體檢測、場景理解等；自然語言處理能夠理解、解釋和生成人類語言；語音識別可以將語音信號轉換為文本或命令；專家系統可以模擬人類專家的決策能力解決特定問題；認知計算則靠模擬人類大腦的思維過程解決復雜問題。

AIoT中的IoT相關技術

AIoT的基礎是IoT，圖書館可能用到的相關技術有傳感器技術、嵌入式系統、通信技術、網絡基礎設施、數據管理和設備管理、安全與隱私技術。圖書館中的IoT通過各類傳感器收集溫度、濕度、光照、聲音、位置等環境數據；通過集成在設備中的嵌入式系統處理和傳輸數據。數據傳輸是IoT中的重要一環，因此，Wi-Fi、Bluetooth、Zigbee、LoRa等通信技術也是IoT中的重要組成部分。支持IoT設備連接和通信的網絡架構是網絡基礎設施，如邊緣計算、云計算平臺。數據管理包括對IoT相關數據的收集、存儲、處理和分析，以支持決策和智能操作；設備管理則包括對IoT設備進行配置、監控、更新和維護。此外，為確保IoT設備和數據的安全，安全與隱私技術也是需要著重考慮的內容，包括身份驗證、加密、訪問控制等。

AI和IoT的融合

通過兩類技術的集成，AIoT在智慧圖書館中可以實現以下內容。安裝智能書架、智能門禁、環境監測等傳感器以實現智能IoT設備部署；通過結合AI的計算機視覺和語音識別技術，IoT設備可以更好地理解和解釋收集到的數據，實現智能感知與識別；利用AI算法對IoT收集到的數據進行分析，實現自動控制設備的智能決策；利用AI分析IoT數據，優化系統性能，并預測未來的趨勢和需求。此外，還可以通過邊緣計算，在數據生成的邊緣進行部分AI處理，以降低延遲。在此基礎上，推動圖書推薦系統、智能問答機器人、語音助手等AI應用開發，并利用大數據對用戶行為等數據進行處理和分析，據此優化圖書館相關服務。

智慧服務創新和管理運營優化

通過AIoT和數字孿生的集成，可以實現圖書館的智慧服務創新和管理運營優化。將圖書館自動化系統中的數據實時反映到數字孿生模型中，實時同步圖書借閱狀態、讀者流量等數據。通過數字孿生技術模擬圖書館的借閱、歸還、咨詢等業務流程，從而優化服務。利用數字孿生模型進行數據分析，預測圖書館的未來需求，如館藏增長、空間規劃等。結合安防監控系統，模擬緊急疏散路徑，實施應急響應措施。

智慧服務創新

基于AIoT和數字孿生技術可實現的圖書館智慧服務創新有個性化推薦、智能導覽、自助服務等。個性化推薦的核心內容為推薦算法的設計與實現，以及對個性化服務效果的評估；智能導覽包括虛擬導覽系統開發和用戶交互體驗優化；自助服務主要由自助服務設備集成和流程優化組成。

管理運營優化

基于AIoT和數字孿生技術可實現的管理運營優化有智能監控、資源管理和能源管理等。智能監控的核心組成部分為監控系統，在此基礎上可實現安全事件預防與處理；資源管理包括AI在圖書盤點中的應用和館藏結構優化策略；能源管理的核心組成部分為智能控制系統，在此基礎上可實現能耗分析與節能效果評估。

智慧圖書館的實施步驟

數字化和信息化項目的標準實施流程主要包括項目立項、技術研發、試點運行、全面推廣和效果評估。

項目立項

在項目立項階段，首先需要明確智慧圖書館建設的目標、范圍和預算。這一階段是整個項目的關鍵起點，涉及以下詳細步驟。

需求分析：深入分析圖書館的服務現狀，以及用戶和館員的具體需求。

目標制定：基于需求分析，設定智慧圖書館的建設目標，如提升借閱體驗、優化圖書管理流程、提高用戶滿意度等。

服務范圍：確定智慧圖書館將提供哪些服務，如個性化推薦、智能問答、自動化借還書等。

功能規劃：根據服務范圍，規劃系統的具體功能模塊，如用戶管理、圖書檢索、數據分析等。

成本估算：根據功能規劃和目標設定，估算項目所需的硬件設備、軟件開發、人員培訓等成本。

資金籌措：確定資金來源，包括政府資助、企業贊助、自籌資金等，并制訂詳細的資金使用計劃。

技術研發

技術研發階段是智慧圖書館項目從概念走向現實的關鍵步驟，主要包括以下內容。

模型構建：利用先進的建模技術，構建圖書館的數字孿生模型，確保模型與實體圖書館的高度一致性。

數據集成：開發數據集成接口，實現圖書館與數字孿生模型之間的實時數據交換。

感知層設計：設計并實現物聯網設備的感知層，包括傳感器、攝像頭等設備的選型和部署。

網絡層構建：搭建穩定的網絡層，確保數據傳輸的實時性和可靠性。

應用層開發：開發AI驅動的應用系統，如智能推薦、自動化管理等，并確保其與數字孿生平臺的無縫對接。

試點運行

技術研發完成后，智慧圖書館系統將在部分區域或服務中心進行試點運行，具體步驟如下。

設備安裝：在選定的試點區域安裝物聯網設備和用戶交互設備。

系統調試：對系統進行全面調試，確保所有功能正常運行。

用戶培訓：對試點區域的用戶進行培訓，使其熟悉智慧圖書館的新服務。

數據收集：在試運行期間收集系統運行數據，包括用戶行為、設備狀態等。

用戶反饋：收集用戶對智慧圖書館系統的意見和建議。

系統評估：評估系統在實際運行中的穩定性，及時發現并解決問題。

全面推廣

根據試點運行情況，對智慧圖書館系統進行調整優化后，全面推廣服務。

系統改進：根據試點運行中收集的數據和反饋，對系統進行必要的調整和優化。

人員培訓：對圖書館全體員工進行系統操作和維護方面的培訓。

設備部署：在圖書館所有區域部署物聯網設備和用戶交互設備。

服務上線：正式上線智慧圖書館服務，向所有用戶開放。

效果評估

全面推廣后，通過定量和定性的方法對智慧圖書館的實施效果進行評估。

服務數據：統計分析智慧圖書館服務的使用數據，如借閱量、訪問量等。

用戶滿意度：通過問卷調查等方式，量化用戶對智慧圖書館服務的滿意度。

案例研究：選取典型用戶案例，深入分析智慧圖書館對用戶行為和體驗的影響。

專家評審：邀請行業專家對智慧圖書館項目的實施效果進行評審，提出改進建議。

本文研究了基于AIoT和數字孿生的智慧圖書館實現路徑，旨在探索如何通過AIoT和數字孿生技術構建高效、智能、互動的圖書館服務與管理體系。我們認為，將AIoT與數字孿生技術相結合，可以為智慧圖書館的發展提供有效助力。首先，利用AIoT技術實現圖書館資源的智能感知、采集與處理，提高圖書館的服務效率；其次，借助數字孿生技術構建圖書館的虛擬模型，實現對實體圖書館的實時監控與優化；最后，通過AI算法對圖書館的運營數據進行深入分析，為圖書館的管理決策提供有力支持。總而言之，基于AIoT和數字孿生的智慧圖書館實現路徑，為我國圖書館事業的發展提供了新的思路和方法，有助于推動圖書館向智能化、個性化、高效化方向發展。

江蘇省高校哲學社會科學研究一般項目“基于AIoT的數字孿生圖書館平臺建設和實踐研究”（項目編號：2022SJYB1712）。

（作者單位：南通大學）

[1]鄧李君，趙英.智慧環境下高校圖書館空間轉型研究[J].圖書館，2021（12）：52-59.

[2]周力虹，韓瀅瑩，屠曉梅.國內外高校圖書館虛擬現實技術應用對比研究[J].圖書與情報，2017（04）：1-7.

[3]任萍萍.5G技術驅動下的智慧圖書館應用場景與智慧平臺模型構建[J].情報理論與實踐，2020，43（07）：95-102.

[4]王娜.基于數字孿生技術的圖書館館藏資源共享模式研究[J].圖書館學刊，2022，44（01）：73-76.

[5]李璐，尹玉吉，李永明.基于數字孿生的圖書館智慧管控系統模型構建研究[J].圖書館學研究，2021（04）：29-37.

[6]王春迎，蘇超萍，宋寧遠.多源數據驅動下的圖書館智慧服務研究[J].圖書館學研究，2021（22）：49-55.

[7]霍星明，尤江東.AIoT技術驅動下智慧圖書館建設思考[J].河南圖書館學刊，2020，40（09）：97-98+104.

[8]高建，陳林卓，沈秋，等.基于三維高斯濺射技術的可微分渲染研究進展（特邀）[J].激光與光電子學進展，2024，61（16）：163-175.