基于数字孪生技术的图书馆空间再造研究

张晶

(北京师范大学珠海校区， 图书馆， 广东， 珠海 519085)

0 引言

数字孪生技术的提出与发展，为空间的建设提供了许多全新的思路。通过数字孪生[1]，在数字空间内打造一个与物理空间相匹配的“孪生空间”，进行规划、设计、建设、运行等模拟与演算，实现空间的高效利用，对空间的改造与充分利用提供实时分析。

数字孪生的概念最早由到2002年Grieves提出的，直到2011年此概念正式出现，作为支持美国宇航局飞行器设计与运行的方式出现，此后逐渐向智能化、智慧化、医疗化等方面扩展。数字孪生技术(Digital Twin，DT)主要就是通过数字化技术，建立一个新的物理模型，并在虚拟空间中构建一个全新的物理空间对应现实空间的所有活动。以物理映射的概念建立全新的空间模式，数字孪生技术没有实体数量限制，并且能够跨时空，图书馆空间重建与构造的过程中，使用数字孪生技术对其空间改造与环境重建以及个性化服务需求的满足方面有着前瞻性的理论价值和一定的实践意义。物理世界与数字世界的模式如图1所示。

1 基于数字孪生的图书馆空间再造

1.1 数字孪生图书馆

数字孪生图书馆，主要是通过图书馆物理实体图书馆与孪生图书馆交替融合的技术，主要包括图书馆物理实体、孪生数据、孪生体系3个部分组成。物理实体起参照作用，中间通过孪生数据的模拟映射，最后通过孪生体系的搭建，构成了图书馆的物理实体与数字孪生对照[1]。

图1 物理世界与数字世界的模式

数字孪生图书馆的运行机制主要有以下几个模式：①运用数字化技术、大数据平台在图书馆物理实体之外搭建一个新的运行平台，此平台与实体图书馆在物理、内容、技术、属性、业务、运行等方面完全一致；②建立虚拟数字平台，使之与图书馆的物理实体能够进行双向反射与实时互动；③虚实结合，创建共生共长、彼此互控的有力条件；④物理实体中所有服务、资源与管理都可以与虚拟平台中的数据进行互相分析与互相促进，数字模型的改变同时能够即时修正实体图书馆的服务对策；⑤数据融合技术，能够促进图书馆的建设与管理标准，形成有序的环境与数据的协调统一，从而构成“人-资源-环境-服务”有效融合的数字孪生机制[2]。数字孪生技术下图书馆运行机制如图2所示。

图2 数字孪生技术下图书馆运行机制

1.2 图书馆空间再造

图书馆空间再造的活动基于用户的需求而产生，传统的图书馆在知识与增长与快速迭代中，已经难以满足用户的需求，纸质藏书的数量与时效性已经远远不能满足当代大学的科研与教学需求，伴随着传统图书馆应运而生的文献传递、馆际互借、电子资源共享等新兴的方式，以及逐步替代传统纸质藏书的要求，在这个过程中，刻意地保持传统的阅读习惯与阅读方式，势必造成信息与资源的滞后，图书馆空间再造就迫在眉睫，数字孪生技术更强调图书馆服务的时效性与过程性，根据用户的不同需求，对相关联的知识进行重新组合与激活，并且能够以更加直观与交互的方式与用户进行互动交流，提供更加精准的服务模式。孪生技术的逼真性，也使得用户在使用图书馆的过程中，不会产生时间和空间的错觉，使得图书馆物理实体与系统的交互进一步增强[3]。空间再造的基础就是满足物理实体与数字孪生的并存，并提供交互融合与精准服务,如图3所示。

图3 图书馆空间再造的模式运行

2 数字孪生技术在图书馆空间再造中的应用分析与构架建设

2.1 数字孪生技术在图书馆的应用分析

(1) 实现智能化管理，传统的图书馆在管理的过程中，由于系统间的信息不畅，会导致图书馆的业务模块分散化与割裂化，部门之间存在信息交流不畅的情形，严重影响用户使用图书馆的积极性，数字孪生技术从根本上杜绝这一现象，海量的资源与数据平台能够迅速收集并处理分析现有的问题，及时地将结果反馈到数据端，管理者可以根据数据及时进行调整与反馈，并且数字孪生技术体系能够增加技术的智慧性，云计算能够缓解存储于计算压力，可以形成全局协调、全流程业务管理、资源全媒体的一体化管理模式[4]。例如上海的阿法迪智能书库，就是通过智能化的数字管理模式，实现了书目的入库、编目、流通、借阅等模式，实现书籍的全自动出入，极大地减少了人工操作流程，提高了图书使用和流通效率。

(2) 实现精准服务分析,图书馆用户在使用图书馆的过程中，对于文献资源的需求各有不同，有些隐形的需求需要图书馆管理人员去开发，在满足用户显性需求的基础上，深入挖掘其隐形需求，就需要对用户的文献使用情况有深入的了解，周萍[5]在研究大数据驱动下的图书馆精准服务过程中，提出了数据政策、数据资源、用户与馆员是精准服务能够实现的三大关键因素，其中数据资源包括大数据、小数据，大数据就是海量的数据，是一种数据环境，小数据是用户的个体数据，通过数据分析，预测用户的未来需求，发现用户的需求变化模式，从而提供精准的文献资源，并且能未雨绸缪地为用户推送相关的学科最新进展，提高用户的满意度。

(3) 实现全新阅读模式，用户在使用图书馆的过程中，会发现现有的图书馆阅读模式过于死板，阅读模式单一带来的弊端就是疲态与厌倦，全新的沉浸式互动体验与数字科技带来的高校阅读，能够激发用户的使用频率，高质量最前沿的数字阅读的需求以及可视化、可操控的阅读方式，满足用户虚实结合的阅读体验。例如给用户提供VR/AR图书，可以使用户体会到真实的虚拟场景所带来的震撼与满足。重庆图书馆在2013年的时候进行了全景数字化虚拟项目，整个图书馆的历史珍贵资料，包括历史图片、图书、期刊、报纸、名人手迹等进行了数字化，虚拟电子资源能够更加方便快捷的满足用户需求，也使得珍贵资源得以保存传承。

(4) 提供精准化用户信息，数字孪生技术还可以与用户的穿戴设备进行数据链接，即时搜集用户的健康数据与健康动态，对潜在的健康问题发出预警，在突发大的疫情的时候，能够高效迅速地进行数据的汇总与上报，提供健康干预，并且能够为医护人员提供辅助医疗的措施。Ford[6]在数字孪生城市(SCDT)的研究中,提出了社区灾害管理过程中的SCDT的概念模型，其中信息循环是此模型的重要因素。数据的收集与数据管理能够为数字孪生提供最重要的基础，灾害管理与数字孪生技术互相协同作业。

2.2 数字孪生技术在图书馆空间再造过程中的架构建设

数字孪生技术是以数据和模型搭建的数字平台，对图书馆的实体物理空间进行监测、互动、反馈以及调整的过程，以满足图书馆在空间再造过程中的反馈需求。数字孪生的图书馆空间构造层级如图4所示。

图4 数字孪生的图书馆空间构造层级

(1) 资源层，主要为实体物理层 ，是整个架构建设中的根基，主要指图书馆内的资源实体，包含各类物理实体与设备，从门禁处的红外线仪器、监控设备开始，到图书馆内的可移动、可自主操作的终端设备，都会对到馆用户进行数据采集，并对图书馆内的空间、资源进行数据的集采，获取实时的数据，为数据存储层提供设备上的支持，为空间再造提供技术上的保障[7]。

(2) 核心层，包括数据存储层、模型分析层、服务应用层3个方面。数据存储层，数据主要包括静态数据和动态数据，数据存储层主要是进行图书馆空间再造提供数据的采集、存储、传递、以及管理等功能，并结合云计算以及大数据等技术，服务整个体系构架，为物理空间、虚拟空间以及服务系统提供镜像模型数据，存储的数据主要包括用户行为数据、设备运行数据、图书馆服务数据以及环境数据等，数据存储层在此过程中进行实时数据的存储、调度、迁移等功能；模型分析层，主要是运算和建模的过程，包括结构模型算法，虚拟空间模型构建以及对应的数据驱动模型的构建，构建的模型要与实体空间在人员、设备、资源、服务等方面完全一致，达到精准控制、及时远程维护、迅速调配人员、实时故障诊断、优先调度资源等目的；服务应用层，主要从用户、管理者和馆员3个层面进行使用，用户的入馆资源需求和远程服务需求，管理者的决策支持与分析评价服务，馆员的系统检测与质量管理、资源调度服务，服务应用层的完善能够高效有序地提升图书馆服务效率，满足用户的个性化需求，增强馆员与用户之间的交互[8]。

(3) 交互层，是最顶端的应用层面，主要提供馆员与用户之间的交互渠道，交互层能够支持馆员实时观测图书馆的运行状态，远程调试设备，对于用户的体验进行及时的反馈与追踪，实时地解决用户使用图书馆过程的问题，对于用户来说，可以在虚拟的场景中进行服务与资源的漫游，能够准确地找到所需的资源，实现全感官全方位的沉浸式体验，用户还可以通过空间模拟技术、NFC等完成虚实空间的切换。

3 数字孪生在图书馆空间再造的应用模式分析

数字孪生技术在图书馆空间再造的过程中，通过4个端口协同发挥作用，主要是物端、物网端、网端、智能端，4个层级功能逐步递增，却又互相协同，如图5所示。

图5 数字孪生技术在图书馆空间的应用模式

(1)物端主要提供技术与设备支持，可穿戴设备、可移动设备、可操控设备同时工作，完成数据的采集与分析上传，直接进入到物网端。(2)物网端利用物端提供的数据，进行综合分析、模拟孪生、管理监测以及分析预期，同时物网端将其分析的数据、评估等上传至上极端，也就是网端。(3)网端，用户可以利用图书馆的资源进行深度学习，并将其学习结果反馈给智能端[9]。(4)智能端的主要工作就是结合学习情况进行随时更新与调整，并推送用户潜在的需求，同时将此结果反馈给管理者，管理者实时做出更新与管理，通过4个端口的无缝链接，提升图书馆与用户之间的精准交流[10]。

图书馆在空间再造的过程中，将用户的需求进行全面综合的考虑，能够给用户带来良好的人机交互环节，使他们获得更高要求的体验与满足。

4 总结

数字孪生技术是全新的朝阳技术，与物联网、云计算、大数据等前沿技术协同工作，成为人们改造认识物理世界的新技术与新工具[11]。本文将数字孪生技术与图书馆空间再造结合，通过物理世界与虚拟世界的融合，实现信息资源的联通、交互与虚实共生，资源的进一步融合与实时交互，为用户带来全新的虚实融合的感官体验，提高图书馆的使用率，但同时数字孪生技术也会带来用户隐私泄露的风险，在以后的研究中，需要进一步关注。