New IT技术驱动下数字孪生图书馆虚实空间融合机理

翟秀凤 胡大敏 刘景亮

摘 要 在New IT新一代技术引导下，用户智能化、数字化的资源服务需求，虚拟现实与泛在感知传感器的融合，将改变传统图书馆的空间形态，推动数字孪生图书馆的诞生。论文通过对孪生图书馆虚实空间样貌、核心要素探讨，依据系统论、全生命周期理念，构建数字孪生图书馆虚实空间多维融合模型和场景融合模型图，并提出孪生图书馆虚实空间模型、数据、服务之间交互融合机制，进而分析虚实空间场景融合的四种模式：空间场景融合、学习场景融合、服务场景融合、文化场景融合。

关键词 New IT;孪生图书馆;虚实空间;融合机理

分类号 G250.7

DOI 10.16810/j.cnki.1672-514X.2022.02.003

Abstract Under the guidance of New IT technology， users’ demand for intelligent and digital resource services， and the integration of virtual reality and ubiquitous perception will change the space form of traditional libraries and promote the birth of digital twin libraries. First， this paper discusses the spatial appearance and the main elements in virtual-real space of the digital twin library. Then， based on the concept of system theory and whole life cycle， the multi-dimensional model and scene fusion model are constructed. Finally， the twin library’s virtual-real space model， data， and service fusion mechanism are proposed， and four models of scene fusion are analyzed： space scene fusion， learning scene fusion， service scene fusion， culture scene fusion.

Keywords New IT. Digital twin library. Virtual-real space. Fusion mechanism.

0 引言

数字孪生最早出现在全生命周期管理的概念中，美国知名咨询及分析机构Gartner将此技术连续四年列入《十大战略性技术趋势》[1]，该技术广泛应用于智能制造、航空航天和汽车、军事仿真、医疗健康等领域[2]。后疫情时期，数字孪生城市的规划和探索引领着数字化智慧城市建设，并在图书馆领域引起关注。秦晓珠依据共性理论与共性特征，分析了数字孪生技术在物质文化遗产建设中的运行机制、实施方案[3];张兴旺等研究了6G时代数字孪生图书馆内涵、机制和框架[4];王璐从全周期管理角度探讨了孪生图书馆的理论模型、机理和体系[2];孔繁超、石婷婷分别研究了数字孪生技术在图书馆的应用场景和空间架构[5-6]。在大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术浪潮下，图书馆实体空间功能逐渐弱化，而智能化数字感知空间逐渐增强，数字孪生为图书馆构建互融互通、全域感知的孪生空间提供了新的思路。

1 New IT技术与数字孪生图书馆

1.1 New IT技术

New IT指新一代信息技术群，代表了未来发展中高端技术所搭建的新信息环境，包括物联网、数字孪生、3R（虚拟现实VR、增强现实AR、混合现实MR）、边缘计算、云计算、5G/6G、人工智能（AI）、区块链、全息、全域感知等技术。New IT技术群引领了技术颠覆性改革的时代，其聚合了5G/6G超网、全智能、感知AI、虚拟现实，将人、机、物、数据、模型相结合，实现五维度的全感3D、全息通讯、触觉情感识别，达到虚拟与现实的完美融合[7]。New IT技术彰显了包容性、创新性、开放性、智能性的特征，融合超网络、3R、全息、身体域、多感官混合现实等智能技术，拉近了科幻世界与现实世界之间的距离，是图书馆虚实空间发展的新机遇和挑战，为数字孪生图书馆孕育奠定了基础。

1.2 数字孪生图书馆

2003年，密西根大学的迈克尔·格里夫斯（Michael Grieves）教授在PLM课程演示文档中提出了“产品的虚拟数字化表达”理论[8]。2006年，在其著作《通过PLM驱动创新和精益产品》中提出了“数字孪生体”（Digital twin）一词[9]。2012年，NASA将“数字孪生体”（digital twin）正式定义为“集成了多物理量、多尺度、多概率系统或飞行器仿真模型”[10]。基于数字孪生的精度仿真特征，笔者认为数字孪生图书馆是以数字化的形式构建与实体图书馆内容、性质、结构完全相同的仿真模型，并建立彼此之间数据和信息的关联，实现“人—机—物—环境”智能交互融合，用以監测感知、分析优化实体场馆整个生命周期动态。

1.3 数字孪生图书馆的早期雏形

早在2006年，基于Second Life（第二人生）虚拟社区，图书馆联盟系统启动了Second Life2.0项目，成立信息岛（Cybrary City），即线上漫游平台[11]，并创造了一个图书馆虚拟环境，用户和馆员可以化身为虚拟居民，在Second Life虚拟社区中，体验沉浸式学习、交互式服务、无障碍交流[12]。此外，哈佛科博特图书馆利用Untiy3D软件创建虚拟现实三维空间，用户通过手机、电脑获得融合视觉、听觉、触觉、嗅觉教育体验过程[13];国内清华大学图书馆于2013年开通了虚拟化导览系统，并且天津天狮学院图书馆也较早开展了虚拟漫游服务。VR/AR在图书馆学习空间、信息服务、用户体验、数字文化、3D模型等方面的探索，类似于图书馆场景的虚拟孪生体，是数字孪生图书馆的早期雏形。

虚拟图书馆和数字孪生图书馆均是借助AR、VR、MR技术构建实体图书馆的3D虚拟模型，二者又有本质区别。图书馆虚拟现实场景是以漫游休闲的游戏方式为主，以用户自由体验为目的，且是数字孪生图书馆服务的局部缩影;而数字孪生图书馆是模拟仿真实体图书馆整个运行周期，包括物理图书馆的资源、服务、结构、功能、流程、人员等要素，目的是监测实体场馆全空间要素的运行机理，促进实体空间与虚拟空间的交互融合，优化改良图书馆数字化、智能化的服务体系。

2 融入New IT技术的数字孪生图书馆虚实空间核心要素

5G时代，图书馆在信息技术的支持下，实现了自助借还、RFID、人脸识别、定位导图等业务智能化技术的应用，而虚拟现实（AR/VR）、混合现实（MR）、人工智能（AI）等技术将推动图书馆的服务向更深层次的领域拓展，其中New IT技术将引领智慧图书馆进入一个虚实空间双向映射、动态交互的世界，即数字孪生图书馆与实体图书馆共生共长，虚实空间相互协同融合。

2.1 虚实空间样貌

New IT技术群所构建的虚实空间形态包括数字孪生空间、实体空间及链接二者之间的数据纽带。数字孪生空间以New IT技术群为支撑，以6G网络超时空通讯为平台，借助机器学习、深度学习、多模信息融合等技术，挖掘、分析、提炼实体空间中的静态和动态数据，将物理空间中的元素数字化处理后，与虚拟世界对接;利用数字仿真、3R技术，构建高仿真、高精度、高清晰的孪生模型，并营造3D立体感知、沉浸式用户体验的虚拟空间。实体空间将改变传统服务模式，呈现灵活、智能、多元的服务特征，如：利用智能终端自动感知用户状态和行为;馆内温湿度、光线、桌椅根据用户喜好习惯自由拼接;学习空间实现教室、视听室、研讨室多功能空间的融合[14];数字化资源依据用户需求和历史记录自由获取和匹配推荐。在New IT技术群引导下，以数字纽带为媒介，未来图书馆的资源和服务将主要集中在虚实空间相互融合的体系中。

2.2 虚实空间核心要素

基于数字孪生三维模型，陶飞等学者提出了数字孪生五维模型，MDT=（PE，VE，Ss，DD，CN）[15]，即包括物理实体（PE）、虚拟实体（VE）、服务（Ss）、孪生数据（DD）、连接（CN）。2.2.1 实体

实体指图书馆整体运行中的空间环境、物理资源、智慧服务、馆员和用户、制度章程、行为特征等，是维系实体图书馆空间运行的主体。孪生实体选择按照“单元级、系统级、复杂系统级”思路[16]。单元级是实体空间中最小元素，如设备、人、书籍等;系统级是空间中具体工作模块，如学习空间、借阅服务等;复杂系统级指图书馆整体运行体系，是由各个单元级、系统级模块相互协同构成的数字孪生图书馆虚实空间。

2.2.2 技术

New IT技术群是实现数字孪生图书馆虚实空间的推动力，包括三大领域核心技术，一是超网络技术，即5G、6G搭建的超宽带、超空间、超速度网络;二是融合感知技术，即机器学习、深度学习、全息技术、多模态情感识别、多领域融合及身体域;三是仿真建模技术，如数字仿真、3R及三维建模软件（ProE、3D MAX、Solid等）。

2.2.3 数字孪生体

数字孪生体是对实体空间的映射，由多维模型相互融合协同，用来揭示实体空间特征。具体包括：几何模型，如形状、尺寸、位置等特征;物理模型，如结构、数量、功能、类型等特征;规则模型，如制度、流程、业务等特征;行为模型，如整体运行过程中的行为特征。模型与实体间通过传感器完成数据的传输和同步，数字孪生体是对实体世界的真实镜像，不同的孪生模型可以监测不同实体动态、行为轨迹，实现多维模型多时空融合互补。

2.2.4 数据

在未来的智慧共享空间，数据管理、数据决策将成为智慧图书馆的管理模式，特别是在具体的共生共融的业务管理中，数据是链接虚实空间的重要因素。智慧空间产生了大量冗余复杂、多源异构数据，包括静态数据、动态数据、历史数据、实时数据等。数据挖掘、分析、处理、融合、仿真、评估、内化是空间运转的通行证。数字孪生图书馆利用New IT技术中的全息感知、多源信息融合、数字孪生等技术实现异构数据存储、传输、融合、关联、迁移和调度，使虚实空间精准共生共融。

2.2.5 服务

智慧感知服务是数字孪生图书馆虚实空间的内生动力。在New IT技术群驱动下，虚实空间所演化的智慧服务包括虚拟场馆体验、数字化的全域感知、全息多维学习空间、沉浸式阅读、知识资源镜像立体等。不同群体对虚实空间服务需求不同，如：对于大众读者，倾心于泛在阅读、空间环境、学习体验、休闲漫游服务;对于科研学者，热衷于资源集合、学科仿真、科研支持;对于决策者，更需要空间运行状态、数据可视化分析、趋势预测与评估服务的总结。

2.3 各要素关联

各要素之间相互关联协同，共同支撑数字孪生空间的智慧运行。实体是虚实空间的物理形态，是资源、服務的源泉和储备库，孪生体是实体场馆的虚拟映射，New IT技术群是链接实体与孪生体相互转换的媒介，通过对实体场馆的全要素、全流程、全业务的孪生仿真，形成数字孪生图书馆，搭建虚实空间的基础框架。数据是实体空间与物理空间传输交流的纽带，借助物联网、云平台数据存储、神经网络及D-S理论、用户画像等技术与工具，进行数据挖掘、特征分析、异构融合，协同虚实空间中环境、资源、服务、人员等要素的物理实体与虚拟孪生体的一致性。虚实空间融合衍生出各种智能感知服务，既能满足用户个性化、便捷化服务需求和体验，也能实时检测、调度空间运转机能。在各要素作用影响下，虚实空间演化为一个生长有机体，充分调动起空间中形态、资源、服务的高度衔接和智慧内生。

3 New IT技术驱动下数字孪生图书馆虚实空间多维融合模型系统

3.1 总体设计思路及多维模型

美国经济学家Raymond Vernon提出全生命周期的理论[17]，指出事物发展的“初创期—生长期—成熟期—衰退期”为整个运行周期，主要应用于智能制造、智慧城市、知识管理等领域。New IT新信息技术架构体系下，基于全生命周期理念，以数字孪生图书馆为中心的虚实空间系统按照“需求—技术—设计—映射—模型—机制—场景—评估”的思路，构建虚实空间相互交融的智慧闭环系统（如图1）。

根据总体设计思路，按照系统论及多源异构数据、模型、服务融合机理，构建数字孪生图书馆虚实空间多维融合模型系统。虚实空间以总控平台为核心，利用模型线程、数据线程、服务线程，消除模型、数据、服务壁垒，实现高度融合的虚实空间体系（如图2）。

数字孪生图书馆的多维模型主要包括空间模型、资源模型、服务模型、人员模型，以及与物理模型融合的制度模型、行为模型、规则模型等虚拟模型。每个模型下细分相应的特征模型，如：空间模型包括物理建造、环境设施、结构要素等模型;资源模型中含纸质资源、数字资源、规则流程等模型;服务模型包括学科服务、阅读服务、资源服务、学习支持、虚拟现实、数字感知服务等模型;人员模型包括馆员、用户、交互行为等模型。通过对多维多特征模型的运算融合，搭建实体空间与虚拟空间环境、資源、服务、人员要素的双向映射，完成虚实空间整体监测和智能交互，从而迭代优化数字孪生图书馆的生态系统。

3.2 多维模型融合

孪生图书馆虚实空间整体运行中，模型、数据、服务融合的基点是模型线程、数据线程、服务线程。三者是将不同模型、数据、服务进行关联、归纳、转换、演化、协同、融合，支撑虚实空间中数字孪生体的高效利用和统一管理[18]。虚实空间体系最里层是模型层，通过对各个模型间标准化处理、无缝链接，借助模型线程完成多维模型结构、特征、内容的全要素融合;中间层是数据层，大量滋生的数据是链接虚实空间纽带，利用数据线程实现多源异构数据挖掘、数据清洗、数据分析、数据关联、数据存储等全流程的交互融合和实时传输。最外层是虚实服务层，New IT技术群驱动下，实体服务和虚拟服务智能互联，借助服务线程完成虚实服务匹配、服务融合、服务协作等全业务的泛在、智慧、感知。

3.3 系统运行机理

以多维模型系统为核心的虚实空间在时间维度和空间维度上呈现了高度协同融合。时间维度上，系统运行遵循全生命周期的管理机制，从模型构建、业务流程、服务要素、系统监管、评估反馈，贯穿于虚实空间的整个管理周期和服务周期。数字孪生图书馆总控台对空间的全要素、全业务、全资源、全服务进行监测和评估，深度分析改进空间运行的决策方案;空间维度上，系统运行将虚实空间融合为物理空间、信息空间、服务空间三大核心主体。物理空间是虚实空间中人、实体、孪生体三者之间智能互联的底层结构，借助数字孪生技术实现空间模型、服务模型、资源模型、人员模型等物理模型的一一映射，以及规则模型、流程模型、制度模型等虚拟模型的虚实共生;信息空间是链接物理空间与服务空间的桥梁，利用New IT技术群开展数据挖掘采集，促进异构数据同步融合，强化系统学习计算功能，支持虚实空间中多维模型主体的协同决策;服务空间是虚实空间的上层建筑，外化为学习支持、虚拟现实、学科服务、文化服务等智慧感知服务。多维模型系统具有自学习、自适应、自感知、自决策的优良属性，能够适应用户多元、立体、知识服务需求，实现人—机—物—环境的互融互通。

4 New IT技术驱动下数字孪生图书馆虚实空间场景融合模型

在New IT技术群驱动及智能设备支撑下，以用户知识获取、空间体验、智能学习等需求为前提，实体空间通过数字孪生数据中心采集、融合、仿真、建模、评估等数字化处理，形成双向映射、智能交互的孪生空间。虚实空间中各要素、资源、服务的融合协同，衍生出空间场景、学习场景、服务场景和文化场景（如图3）。

4.1 空间场景

空间场景融合体现在虚实空间的整体交互感知的双向映射，具体包括场景映像、环境感知、能耗管理。场景镜像是利用机器学习、深度学习等高性能计算方式，构建孪生空间体。用户在孪生空间中拥有自身画像，可以体验远程虚拟空间漫游、数字化资源借阅、特色自助服务等，用户只需借助孪生图书馆云服务、App平台，足不出户，完成实体空间中的所有诉求。环境感知是利用智能传感器，对环境湿度、温度、空间设计、静音程度、人群密集度等监测，与用户心理需求匹配，自动调节重组空间环境氛围、结构布局、资源调度。同时，虚实空间将用户画像数据、历史数据与场馆空间资源服务互联，通过数据挖掘、分析、融合、传输，实现智能感知用户类型，主动推介资源服务，进而增强用户与空间的交互能力。能耗管理是通过物联网平台，对孪生图书馆设备、资源、人力、服务等整体协调和监管，完善虚实空间系统的自主学习能力。

4.2 学习场景

在New IT技术群驱动下，数字孪生图书馆的学习支持功能将以泛在自由的知识获取、智能互联的设备供给、专业深度的智慧服务为主。实体学习空间将为用户提供智能化语音、视频设备和可视化、统计分析、情景感知软件系统，馆员扮演着知识获取和学习行为的辅助者和分析师;虚拟空间中，以孪生资源互动、人机对话、群智协作等方式创设自适应、个性化的学习环境。创客空间场景中，构建孪生创客模型，通过可视化虚拟现实技术验证用户创意，提高用户学习精度和深度。虚拟远程学习场景，可以构建馆员、专家、学者的孪生画像，在智慧学习平台上，开展与用户实时讨论、指导、传授等多场景学习互动，激发用户知识建构、迁移和深度体验。

4.3 服务场景

虚实空间服务场景融合充分体现了全面智慧感知理念，并可以自由切换，在虚实空间中构建与实体服务双向映射的孪生服务，用以监管和引领实体服务动态。每个馆员和用户拥有自身的孪生角色，虚拟馆员可以嵌入到用户整个服务场景中，根据用户习惯偏好、知识结构、学习行为，为其推荐动态、三维立体资源。孪生馆员也可以借助智能传感器，提供智慧化的交互服务，实时解答用户疑惑，营造馆员与用户“全程在场”“面对面”的知识交流模式，通过对用户的全程跟踪和监测，及时捕捉用户的情感、技能、认知、记忆等数据，并根据用户的需求进行多维智能评价，为个人订制专属智能服务。

4.4 文化场景

New IT技术将更好的诠释文化、仿真古籍、还原历史，如利用数字孪生、VR、AR、DT技术将特藏资源、古籍资料、影像史籍，以仿真现实、动态立体的形式呈现，让用户在虚实融合空间中，体会文化魅力、寻根溯源。同时，利用AI技术高清复原历史场景，用户可借助全域感知、身体域网络及智能感知设备体验三维立体影像，实现历史场景穿越。此外，New IT技术能重振虚实空间文化传承职能，一方面，通过对物质文化遗产的数字化建模，分析预判，实时评估实体文化遗产的特征、行为和状态，加强对文化遗产保护，另一方面借助仿真模型传递文化遗产内涵、价值，让文化元素融入普通大众视野。在虚实空间文化展演中，对名胜古迹、历史文物营造真实场景，融合全感和全息技术，构建集视觉、听觉、嗅觉、味觉为一体的立体场景，令用户身临其境，加深对文化解读和情感共鸣，数字孪生文化场景的传播共赏功能使文化更加活跃生动。

5 场景融合实现机理及未来展望

在New IT技术驱动下，数字孪生图书馆场景融合彰显了未来图书馆智慧服务的新形态，其终极目标是构建实体空间与虚拟空间的无缝链接，以虚带实，用实补虚，虚实共融共生的智慧馆舍。场景融合实现机理体现在物理层、数据层、场景层的三维立体融和。物理层是虚实空间基础框架，包括智能化基建感知设备和New IT技术群的支持。数据层由孪生数据中心负责系统运行数据、用户行为数据、模型镜像数据等的挖掘、分析、仿真和调度，实时监测运维、辅助决策、精准管控。物理层、数据层为场景层融合提供资源、技术、服务支持;场景层演化为虚实空间的服务交互、资源交互、用户交互平台。服务交互体现在虚实空间环境感知、智慧化学习支持、沉浸式服务体验、立体感官文化元素的融合。资源交互是以用户便捷化、智慧化知识获取为宗旨，包括多源类型的纸质和电子资源的同步异构转化。用户交互指用户和馆员虚实身份的无缝交换和角色定位，既能满足二者之间不同虚实角色的咨询互动，又能促进虚拟空间中相似用户知识分享和交流。场景融合系统对整体服务效能、数据流转、人员调度实时监测评估，反馈给总控中心，及时调整优化空间布局，形成智慧循环的场景融合体系。

从虚实链接，到虚实融合，再到虚实共生，最终，数字孪生图书馆将实现虚实相映的智慧内生[6]。虚实共进，将促进空间的双向融合，在人机交流互动中呈现智慧洞察。虚实空间的自学习、自模仿、自改进、自决策能力将推进图书馆整体运行的智慧生态。在New IT技术驱动下，数字孪生图书馆将演变为万物互联感知的智慧化有机系统，用户进入虚实空间，资源智慧推荐、服务态势感知、决策智能预判、系统协同治理、环境全域感知，实现孪生图书馆系统空间的自我进化和智慧成长。

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翟秀凤 长春师范大学图书馆馆员。 吉林长春，130032。

胡大敏 长春师范大学图书馆研究馆员。 吉林长春，130032。

刘景亮 黑龙江中医药大学图书馆馆员。 黑龙江哈尔滨，150000。

（收稿日期：2021-04-20 编校：曹晓文，刘 明）

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