数字孪生在我国图书馆界应用分析

李珍娟 宋智武 甘群文

（1.广西中医药大学针灸推拿学院 广西·南宁 530001；2.广西南宁市西乡塘区永宁小学 广西·南宁 530001；3.广西中医药大学图书馆 广西·南宁 530001）

随着云计算、人工智能、大数据、物联网等现代新兴技术的快速发展及在图书馆界的广泛应用，公众对图书馆的要求不再满足于被动地接受服务，而是更多的要求图书馆提供各种智能化服务。因此，图书馆如何适应新变化，从传统服务行业向数字化、智能化服务转型，切实满足用户多元化需求和提高精准服务能力，是图书馆未来发展趋势。数字孪生是充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据，集成多学科、多尺度的仿真得出数字副本过程，它作为虚拟空间中对系统、流程、人员、场所、设备等实体产品的实时映射，反映了相对应物理实体产品的全生命周期过程[1]。作为一项新兴技术，已经连续多年被全球著名IT研究机构Gartner列为当年的十大战略科技发展趋势之一，预示着数字孪生具有广阔的发展前景。该技术早期被广泛应用于工业制造，但随着国家政策的陆续出台，数字孪生的理念已经从传统制造业向智慧城市的各个环节渗透，完成了现实空间与虚拟空间相互映射与实时交互。作为国家现代化发展的一项重要技术，数字孪生同样也是实现图书馆“开放、合作、共享”绿色发展理念的重要途径之一，数字孪生在图书馆领域的广泛应用将极大提高图书馆管理水平，为图书馆高质量发展赋能，从而实现图书馆数字化的战略转型。

1 数字孪生

1.1 数字孪生的发展历程

纵观数字孪生的发展历程，Data Mesh CEO李劼先生[2]把数字孪生的发展经历归纳三个阶段，即仿真阶段、3D仿真研发阶段、物理空间和虚拟空间映射在一起的仿真技术阶段，为大家深入了解数字孪生提供了一个清晰的脉络。

数字孪生最早由美国国防部提出，但最先把该技术使用于智能制造领域的是美国航空航天局的阿波罗项目，他们采用数字孪生研发出两个相同的空间飞行器，天上和地上各有一套，留在地球上的飞行器称为孪生体，该孪生体可以反映和预测航天器在执行任务期间的状况，从而帮助航天员做出准确的判断[3]。西门子工程师Stephen Ferguson曾说过“Apollo 13:The First Digital Twin”。这就是数字孪生的起始阶段，发展较为缓慢。进入21世纪后，数字孪生再次引起人民的关注，2002年美国密歇根大学教授 Dr.Michael Grieves首次提出了数字孪生这一概念，他认为通过物理设备的数据,可以在虚拟空间构建一个可以表征该物理设备的虚拟实体和子系统，并且这种联系不是单向和静态的，而是在整个产品的生命周期中都联系在一起的[4]。2003年他在讲授产品生命周期管理课程时再次使用了“Digital Twin（数字孪生）”[5]。此后，人们开展了以数字模型为基础的数字孪生的研究，这就是数字孪生的第二个发展阶段，但仍然没有引起同行足够的关注。进入2011年后，数字孪生概念得到了广泛重视，美国空军研究实验室首次提出开展数字孪生应用研究以便于解决复杂服役环境下的飞行器维护及寿命预测问题，并于2011年3月在一次演讲中明确提到了这一技术。2012年4月，美国国家航空航天局发布《建模、仿真、信息技术和处理-技术发展路线图》，开始关注数字孪生技术[6]。2014年Dr.Michael Grieves在“Digital Twin:Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication”白皮书中较为详细的阐述了数字孪生，奠定了数字孪生的基本内涵[7]。随后，数字孪生进入蓬勃发展期，被广泛应用于航空航天、智能制造、智慧城市、智慧医疗等领域，如2017年陶飞等提出一种车间运行的新模式，即数字孪生车间[8]，2018年4月，雄安新区规划纲要提出“坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建设”，全力打造具有深度学习能力、世界领先的数字城市，开创“数字孪生城市”[9]。

1.2 数字孪生的核心技术

截至目前虽然数字孪生的概念仍没有统一的界定，但并不影响数字孪生技术的发展。作为一项新兴技术，数字孪生核心技术较为宽泛，包含了三维可视技术、传感器、物联网等硬件和人工智能、区块链等软件技术[10]。

（1）三维可视化技术：以三维打印、3D虚拟模型、虚拟现实和增强现实等核心技术为支撑，将二维图像数据如图像或图形模型等经过计算重建后，在电脑上再现三维物体，并通过多种方式进行展现其所包含的各种复杂信息，从而实现对现实世界事物对象的三维建模和模拟，达到实时交互的可视化[11]。

（2）传感器：传感器作为一种检测装置，能够对数据、信息实现有效传输及处理和存储等，同时可以对这些数据和信息进行有效记录和控制并及时显示[12]。数字孪生通过使用传感器快速获取数据，经数据处理后，可以全方位了解假设情景，精准预测结果。

（3）物联网技术（IOT）：通过RFID技术、嵌入式技术及传感器技术等多种手段对现实世界事物对象进行实时监测采集，获取其运行状态信息，以达到智能跟踪监控的目的[13]。

（4）人工智能：人工智能技术作为当前热点技术之一，是推动社会数字化转型的关键之一。人工智能技术不但可以使计算机网络运行更加顺畅，同时还具有较强逻辑处理能力，通过对人的思维、意识进行模仿，快速获取分析数据，节省运行处理时间，实现从“低价值的重复性劳动”向“高价值的教化劳动”转变[14]。

（5）区块链：区块链也称为分布式账本技术，由不同区块组成，最终形成一个完整链条，具有去中心化、防止篡改、事中留痕、事后审计、安全防护等特点。这些特点保证了区块链的原始数据的透明度，提升了电子证据的可信度和真实性，是未来发展数字经济、构建新型信任体系不可或缺的技术之一[15]。

1.3 数字孪生的优点

（1）可视性。所见即所得，数字孪生通过立体投影技术、三维计算机图形技术等有机结合制作出具有高仿真、高精度、高分辨率等特点的虚拟影像，为用户提供三维立体的沉浸式视觉体验，从而实现机器操作的可见性，帮助人们在各情景中进行直观、可视性操作。如美国大片《钢铁侠》中托尼·史塔克通过虚拟影像对其战衣进行解构、设计、升级等，即是通过数字孪生构建虚拟影像从而帮助他直观、智能地实现系列操作，实现了所见即所得。

（2）无缝衔接。数字孪生对现实世界的物理实体进行动态仿真形成数字孪生体，同时基于数字化处理实现物理实体与数字孪生体之间数据的实时交互，并根据彼此的动态变化实时做出响应，实现虚拟空间与物理空间的无缝连接[16]，这种无缝衔接可以实现用户的“即时满足”，极大提高效率。

（3）虚实交互。在可视性及无缝连接的基础上实现了反馈功能，并可根据反馈信息自行调整，实现基于数据自执行的全闭环优化。

（4）预测性。使用多种建模技术，数字孪生模型能够用于预测机器未来的状态，即通过适当设计的接口，可以很容易的与模型进行交互信息，并根据信息预测设备的性能，以便采取下一步的行动或措施。

2 数字孪生在图书馆界的应用

尽管数字孪生在各领域已经有了一定程度的发展，但真正进入图书馆界却只有短短三年的时间，笔者2021年1月通过清华同方数据库文献检索得出，国内最早的关于数字孪生的报道始见于2018年秦晓珠等把数字孪生技术应用于保护、传承、开发和利用物质文化遗产的研究[17]，之后陆续出现了少量相关报道，具体情况如下：从发表时间看2018、2019年各有1篇，2020年9篇，表明数字孪生技术在图书馆领域开展研究较晚，属于图书馆研究领域的新兴一族。从文献出处看，有8篇论文来自北大版的中文核心期刊，占据总数的72%，表明数字孪生技术在图书馆领域具有较大发展潜力。从资金资助情况看，有国家社会科学基金、国家留学基金等，其中有国家社会科学基金5篇，占总数近半，表明数字孪生是国内研究热点之一。从研究者机构看，桂林理工大学发表最多共4篇，其余的南开大学、中国地质大学等均各1篇。从研究内容看，涉及到图书馆管理、场所、服务、资源建设等多个方面，表明数字孪生技术对图书馆各方面的发展均具有较大的促进作用。

2.1 数字孪生技术在图书馆空间的应用

新时代的图书馆空间既是存储和开发信息的中心，也是学习和社交的中心，是图书馆开展各项服务的基础。图书馆空间发展经历了3个阶段，一是仅存物理空间，即实体图书馆场所，包括图书馆建设、内部结构、图书期刊报纸等印刷材料。二是物理空间和虚拟空间，即运用信息技术、互联网技术开展数字资源建设，开展网络虚拟服务，使得图书馆功能和服务范围不断扩大，出现了实体图书馆与虚拟图书馆并存但不交互的情景。三是物理空间和虚拟空间有限交互，但缺乏连续、实时的互动[18]。数字孪生的介入将极大可能实现图书馆物理空间和虚拟空间的连续实时互动，成为图书馆空间发展的第4个阶段。利用数字孪生通过数字化设计、仿真、测试、验证等环境建设开展图书馆空间重构，可以实现图书馆虚拟空间和物理空间的无缝衔接，全面了解图书馆物理环境，建立起舒适、智能的阅读空间，从而实现二维与三维一体、虚拟与现实一体的图书馆精细化管理[19]。并对图书馆用户的变化进行全生命周期的识别、挖掘、整理和预测等，从而实现满足用户的多元需求及根据用户特征对其进行全生命周期的、完整的个性化服务[20]。

2.2 数字孪生在图书馆服务的应用

“一切为了用户”是图书馆不变的追求。借助数字孪生图书馆满足用户对虚实空间无缝切换和沉浸式互动体验以及对数字产品、可视化阅读等需求，如建立创客空间激发用户创造热情、创新阅读服务模式、提供健康服务、智能教学服务等，高效优质的满足用户显性或隐性需求，并通过反馈数据预测用户未来需要，为用户提供可预见性服务，及时、恰当地推送相关产品和智慧服务。同时，数字孪生技术还可以帮助图书馆实现实时监测管理、自动诊断、预测设备设施故障，高效协调各种资源，从而实现图书馆智慧管理，提升图书馆管理效率，为图书馆智慧服务奠定坚定基础[18]。此外，数字孪生技术能够实现虚拟与现实的实时对接，从现实中获得更全面、更有价值的信息，为图书馆服务提供指导和决策参考[21]。比如图书馆机房的管理机制，利用可视化的仿真软件，通过软件操作和数据驱动，在数字虚拟空间中创建一个逼真的虚拟的图书馆机房孪生体，利用安装在各种真实设备的传感器传送数据，对传感数据经过大数据分析、人工智能分类运算、边缘计算，建立多种设备的多元化实时映射关系，做到真实物理机房与虚拟机房的系统同步运行；同时在实体机房与虚拟机房间通过人机交互，借助通信数据，监视各种设备的运行状况，发现异常，及时反馈，在有双机备份的情况下，自动修复，真正实现无人值守。

2.3 数字孪生在图书馆信息资源处理的应用

通过数字孪生模型来对图书馆资源进行优化配置，可以有效管理信息资源并显著提高管理效率，而且也能够相应的降低人力以及工作复杂度，提升图书馆资源的使用效率。王璐[22]认为通过数字孪生模型在虚拟信息空间中实时映射图书馆实体资源建设、管理与服务过程，从而实现图书馆实体资源数据信息的快速测绘采集，图书馆实体资源数据的真实“读写”、海量孪生大数据的实时处理等。数字孪生技术的使用，还可以帮助图书馆建立物质文化遗产对应的虚拟数字模型，一方面可以利用先进信息技术来通过虚拟数字模型来探索、计算、处理、分析或预测该物质文化遗产在不同自然、社会或文化环境下面临的未知状况与突发情况，进而制订出对物质文化遗产保护、传承、开发和利用更好的策略与方法；另一方面，通过虚拟数字模型模拟出可能发生的状况、问题或可能引起的后果，从而使具备唯一性、不可恢复性的物质文化遗产免于无谓损坏，达到良好的保护、开发、利用效果[17]。

3 数字孪生技术在图书馆领域的价值

就图书馆而言数字孪生实际上是以图书馆建设及服务的虚拟演示，用于理解和预测其对应物的性能特点。即在投入实体建设和服务之前，可使用数字孪生在整个周期中进行仿真、预测、分析，通过展示图书馆建设场景、使用场景、馆员、用户或其他无限变量带来的影响，同时可以缩短建设和服务时间差，并提高服务质量。可见数字孪生是实现图书馆智能化的关键技术，在图书馆领域具有广阔的发展前景及重要的价值。

3.1 创造了现实世界与虚拟世界的无缝连接

将数字孪生融入图书馆空间建设，能够将图书馆物理空间和信息空间的深度融合，基于各种传感数据在虚拟空间对物理空间的实际运行状况进行全真模拟，通过人工智能算法模型、边缘算法模型的自动优化，形成虚实空间无缝对接，形成无缝的虚拟空间，在这个虚拟空间中可以完成图书馆空间的优化、搭建学术讨论区、师生互动区、教学区等，从而实现图书馆空间的最优化重构。其次，可以实现图书馆要素的最大限度开发。由于图书馆要素（如空间、资源、人员、环境）类型、数量呈现几何级数增长，产生的各种数据(包括结构化和非结构化)非常庞大，接收数据、分析数据、了解各个要素的运行状况是人工无法完成的。引入数字孪生技术后，对图书馆所有要素进行统一的全数字化标识、全方位部署智能物联网感知设备，就可实现智能感知、实时传输、数据分析、数据探测、迭代运算，提升各要素的管理效能，监测各要素的运行情况，发挥各要素的最大潜能。

3.2 实现了图书馆设备的全生命周期管理

数字孪生具有对图书馆实体的高仿真复制，可无差别的获取迭代变化的所有参数，并对参数进行分析和处理，同步得出物理实体的运行状态，并通过虚拟进行实时展现，从而实现对图书馆设备、服务等的实时监控，数字孪生技术融入图书馆设备和服务生命周期管理，对运行环境、任务处置、临界阈值的智能监测等方面进行自我检测、自我诊断、自我修复，实现了图书馆设备故障预警、寿命预测等，从而保障图书馆设备的健康运行。

3.3 完成了现实世界与虚拟世界的人机实时交互

一方面，图书馆设备通过传感器与数字孪生体动态交互，数字孪生体实时反映图书馆运行的情况，并将结果反馈给图书馆管理层，为图书馆管理的优化操作提供参考信息和决策支持；另一方面，数字孪生技术融入图书馆能够营造良好的人机交互全息环境，使参与其中的图书馆用户获得3D沉浸式体验，丰富了图书馆服务内涵。

3.4 迭代图书馆服务步骤，提高服务能力

融入数字孪生技术的图书馆，可以记录图书馆服务的各个流程，重现图书馆服务的任一时刻状态，并通过分析数据、评估实际服务，给予图书馆决策和建议，图书馆可通过反馈的信息改进服务方式，优化服务效果。从而实现了“实施—监控—反馈—优化”的不断提高的过程[23]。

4 数字孪生在图书馆领域落户亟待解决的问题

数字孪生推动智慧图书馆服务全面升级，具有广阔的发展前景，未来可期。但同时我们也注意到，数字孪生要在图书馆领域全面落户面临的问题还很多。

（1）高成本。物联网、人工智能、区块链等新技术应用成本仍然偏高，由于经济效益和社会效益不会马上显效，造成社会资本投入意愿不强，造成行业投入成本太高。这就需要国家层面加大公共文化服务投入，降低转型门槛，支持开展区域型、行业型图书馆数字化转型；同时国家应对创新型企业实施积极财政优惠政策，让这些高新技术在各行各业落地实施，享受科技成果带来的智慧服务。

（2）协同差。由于各个图书馆在经费、人才、服务需求等方面存在差异，导致协同转型意愿不强，无法形成协同倍增效应和集群效应。这就需要树立数字化转型标杆及打造“虚拟图书馆群”，构建空间数字化—设备数字化—信息资源数字化—服务数字化的典型范式。建立馆际联盟机制，降低单馆建设成本、维护成本，向技术开发商提出图书馆的标准规范，共同探讨需要解决的技术难题，实现行业整体谋划，引导各馆有序转型，并充分发掘图书馆间协同放大效益。

（3）人才匮乏。人才是科技进步和社会经济发展的主力军，也是图书馆发展的骨干力量。数字孪生涉及众多高新技术，且随着智慧化程度的不断提升，这方面的人才益加紧缺。这就需要从多方面着手开展人才培养计划。国家层面的人才培养，如在高校或职业学校开设相关专业、建立国家或地方培训机构、加强国际交流合作等。图书馆层面可通过加强与相关单位的合作提升馆员技能、加强与各图书馆的交流活动关注行业动态、积极引进人才等[19]。馆员层面可以申请数字孪生技术个人提升进修项目，追踪学习这些核心技术，与科研人员和有工作经验的从业者了解这些核心技术在图书馆核心业务、精细化服务、个性化需求服务等所起的作用，了解这些服务是如何利用这些新核心技术来支持用户体验的，真正体会技术服务化、服务技术化的内涵，认识到技术和服务一体化是未来服务的新发展格局。

5 结束语

2020年4月7日，国家发展改革委、中央网信办联合印发《关于推进“上云用数赋智”行动、培育新经济发展实施方案》，其中“数字孪生”技术被多次提及，和云计算、人工智能、5G、物联网等前沿技术一样，具有很高关注程度。相信不久的将来，数字孪生将会给图书馆发展带来质的飞跃。从目前研究现状来看，数字孪生已经广泛应用于智能制造、智慧城市、医疗、建筑等行业并创造了巨大的价值，但比起眼前的应用价值，数字孪生更重要的价值在于为未来发展提供更多的可能性，所以我们有理由相信，数字孪生将会给图书馆带来更大的发展空间，谁能在未来发展中抢占先机，从数字孪生应用中获益呢？机会总是留给有准备的人！