数字孪生技术驱动下的新型智慧图书馆建设*

梁荣贤 凌征强 于兴尚

（1.广州城建职业学院图书馆 广州 510925；2.广州番禺职业技术学院图书馆 广州 511483；

3.四川大学公共管理学院 成都 610065）

数字经济代表着新经济的生命力，已成为经济增长和转型升级的主要动力源泉和重要驱动力，是全球新一轮产业竞争的制高点。随着数字经济的快速发展，大数据、互联网、人工智能等新技术已经深入人们的日常生活中。如果人们每天在数字办公、网络社交、电子商务等活动中投入的时间占据除去睡眠等无效时间的比例超过50%，其数字身份便会比物理身份更真实有效[1]。数字孪生技术是数字经济飞速发展的产物，作为一种产品生命周期管理的颠覆性技术，它将是未来实体产业高速发展的重要推动力，并将掀起一场现代工业的新生产要素革命。图书馆作为生长着的有机体，近年来一直处于智能化、智慧化的进程中，数字孪生技术已具备落地图书馆的条件。数字孪生技术落地图书馆后，图书馆将可以借助立体感知的动态监控、泛在网络的即时响应、软件模型的实时分析和智能决策，解决在建设规划前期、管理发展中期及服务提升后期等全生命周期面临的复杂性、未知性问题。

1 数字孪生及其相关

1.1 数字孪生发展历程

“数字孪生”（Digital Twin）也被称为“数字双胞胎”“数字镜像”“数字化映射”等，其出现的历史最早可追溯到1969 年美国国家航空航天局NASA 的阿波罗计划项目，NASA 制造了两个完全一样的空间飞行器，留在地球上的飞行器被称为“模拟器”或“孪生体”[2]。2003 年，M.W.Grieves 教授在密歇根大学产品生命周期管理课程上最早提出数字孪生概念模型[3]。2006—2010 年仍然是数字孪生体的初始阶段[4]，直至2011 年Grieves 才正式提出数字孪生体的概念，起先被美国空军研究实验室应用于飞机结构寿命预测的概念模型[5]。2014 年以来，随着各种新技术的发展，尤其是西门子、通用电气等世界知名企业对数字孪生的频繁应用带来的示范效应使数字孪生广为人知，数字孪生踏上了规模化应用的征程[6]。2016 年底，数字孪生第一次被Gartner 公司纳入十大战略技术趋势，并连续四年榜上有名。2017 年，中国信息通信研究院智慧城市团队提出的“以数字孪生城市推进新型智慧城市建设”的创新理念引起强烈反响。2020 年4 月，国家发改委与中央网信办印发的《关于推进“上云用数赋智”行动 培育新经济发展实施方案》多次强调数字孪生技术的重要性，并鼓励开展相关的创新计划[7]。事实上，印度海德拉巴、新加坡，我国的深圳、雄安，都已展开数字孪生方面的摸索和尝试。腾讯的WeTransport、WeCity、微瓴，阿里的“城市大脑”，还有科大讯飞的“讯飞超脑”，都涉足智慧城市和数字孪生领域。目前，全球正在掀起一场范围更广、层次更深的科技和产业变革，数字经济蓬勃发展并深刻影响人类社会，而数字孪生技术在其中扮演了极其重要的角色。

1.2 数字孪生定义与内涵

目前，数字孪生还没有形成公认的定义。“工业4.0”术语编写组认为数字孪生是利用建模和仿真工具构建的覆盖产品全生命周期和价值链的数字化数据流。《数字孪生白皮书（2019）》认为数字孪生是整合利用感知、计算、建模等信息技术实现物理空间与赛博空间的交互映射[8]。陶飞等[9]认为数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助行为及手段为物理实体增加或扩展新的能力。周瑜等[10]认为数字孪生是指构建与物理实体完全对应的数字化对象的技术、过程和方法。李璐等[11]认为数字孪生是借助数字化手段建立物理对象动态仿真模型，实时模拟仿真物理对象的状态、行为轨迹等。刘大同等[12]认为数字孪生是指在信息化平台内建立、模拟一个物理实体、流程或者系统。总的来说，陶飞等研究者关于数字孪生的定义得到了业界的普遍认可，并基本达成了共识[13]。笔者认为，数字孪生是物理实体的真实数字表示，即物理实体拥有一个数字孪生模拟和跟踪它的实体版本，利用实时数据来实现理解、学习和分析，并通过同步的频率使物理实体和数字模型趋于一致。

2 数字孪生图书馆

2.1 数字孪生图书馆的定义

数字孪生图书馆是整合了多个领域、学科、技术的结合体[14]，其实质是借助孪生大数据驱动构建智慧化数据闭环赋能体系，通过物理图书馆与数字孪生图书馆实时双向映射与动态交互起到虚实融合、以虚控实的功用。国内研究者从不同角度对数字孪生图书馆进行了定义，赵艺扬[15]认为数字孪生图书馆是深度融合大数据、人工智能、物联网、区块链等技术，构建与物理图书馆实体完全映射的数字孪生模型，实现数字孪生模型—物理实体实时双向映射的一种新型智慧图书馆。翟秀凤等[16]认为数字孪生图书馆是借助数字化手段构建与物理图书馆内容、性质、结构完全相同的仿真模型，通过关联物理图书馆和孪生图书馆之间的数据和信息，实现“人—机—物—环境”智能交互融合。

2.2 数字孪生图书馆的特点

2.2.1 数字驱动

1997 年7 月，由国家图书馆、上海图书馆等6 家公共图书馆参与的国家重点科技项目“中国试验型数字式图书馆项目”标志着我国数字图书馆建设的开始。20 多年来，我国数字图书馆的建设取得了长足进展。数字孪生图书馆是数字图书馆的一种新态势，将构建一个智慧化数据闭环赋能体系。图书馆孪生数据主要由图书馆物理要素属性数据（包括图书馆规格、功能、性能、关系等）、图书馆动态过程数据（包括图书馆运行状况、环境参数、实时性能、突发扰动等）、图书馆几何模型相关数据（包括图书馆几何尺寸、装配关系、位置等）、图书馆行为模型相关数据（包括图书馆驱动因素、环境扰动、运行机制等）、图书馆知识数据（包括专家知识、规则约束、行业标准、常用算法库与模型库等）以及对上述数据进行转换、预处理、分类、关联、集成、融合等处理后获取的衍生数据。在精准、高效的数字驱动下，数字孪生技术将筑牢图书馆的数字底座。

2.2.2 精准可视

数字孪生图书馆最直观、最典型的特征是数字表达的精准可视化，通过将物理图书馆按1：1 的比例还原，做到视角上和运行规则上的等比还原，实现表里如一、全息镜像。图书馆里的楼层、书架、图书、桌椅、电子设备、用户等各类实体和全部设施设备，在数字孪生图书馆模型中都可以实现极致可视化。由于数字孪生图书馆所有数据都来自物理图书馆实体采集，这些数据借助机器学习和各种自动化工具，可以实现3D 快速建模。除了不可移动物体的静态可视化展现，数字孪生图书馆还可以实现对光线变化、气流变化、读者人流变化、图书馆内发生的各种事件等进行动态呈现。

2.2.3 虚实交互

数字孪生图书馆的虚实融合、虚实交互离不开物联感知，数字孪生图书馆的建设首先要由实入虚。图书馆部署好全馆的传感设施，数字孪生模型借助大数据、虚拟现实、增强现实、模拟仿真等新技术对物理图书馆实体的各种数据和要素进行实时采集、精准映射。同时，数字孪生图书馆也会根据实时数据对物理图书馆的运行状况进行监测、分析、优化，达到以虚控实，以虚拟服务现实的目的。可以说，传感设备布下的“天罗地网”，将使图书馆的前世今生尽在掌握之中，实现过去可追溯，当下知冷暖，未来可预期的图书馆精细化管理。

2.2.4 智能定义

数字孪生图书馆要实现对物理图书馆实体的精准映射和智能管理，物理图书馆实体首先要可感可控。以泛在标识感知体系、泛在互联接入体系、泛在边缘计算体系[17]及智能化的图书馆基础设施为要素构建的、面向未来智慧图书馆发展的新型信息基础设施，将重塑图书馆物理形态，改变图书馆风貌，实现智能定义图书馆的一切。

2.2.5 柔性仿真

实时柔性仿真能力将是未来数字孪生图书馆极其重要的能力，其重要性甚至超越大数据，对物理图书馆实体产生更加深远的影响。比如，图书馆的空间布局是否合理；各楼层的书架、桌椅的数量及摆放位置是否科学；随着季节和光线的变化，图书馆的空调、照明灯如何实现节能但又要保证用户使用的舒适度；新建公共图书馆的选址、地下停车场建设等问题是否需要调整优化等。图书馆管理部门不可能提出100 种方案并逐一试错，但在数字孪生图书馆的仿真系统中，可以实现同时测试成千上万种方案，让系统快速找到最优解，让图书馆的决策变得更加智能、科学，不留遗憾。

3 数字孪生技术在图书馆的应用

3.1 图书馆建筑与空间

3.1.1 图书馆实体信息秒级加载

图书馆的实体信息包括图书馆空间、人、物等所有要素及各要素相互之间产生的关联信息。例如某册图书被借出或归还，公用电脑被使用和闲置数量，阅览桌、研修室被占用、预约情况，图书馆内哪个片区人流量多或少等。目前，类似上述的构想已在其他领域成为现实。例如香港科技大学打造的数字孪生校园项目，该项目作为智慧校园的一个鲜活实验室，创建了一个校园数字孪生平台，一个静态和动态实物资产及系统的数字孪生体，通过秒级加载的实时数据监测校园，检测或预测各种设备是否存在异常，还可以实现更有效地分配资源[18]。这种以数字方式导入真实物理数据，并与建筑管理系统无缝连接打造而成的智慧校园同样适用于数字孪生图书馆的建设。届时，在先进的传感器技术、分布式传感技术、高带宽光纤技术、分布式云服务器存储技术等赋能下，数据传输时间将极大缩短，图书馆将实现实体信息秒级加载，管理者可以实时获取图书馆的各种信息，而用户通过智能终端设备如智能手机就可以实时获取所要了解的图书馆信息。

3.1.2 智能感知呈现真实图书馆

随着各种新技术的应用，未来图书馆将是实体图书馆、数字图书馆和虚拟图书馆三合一的复合体。早在2008 年，我国国家图书馆就应用VR 技术推出了“国家图书馆虚拟现实系统”，用户通过VR 设备即可便捷地了解图书馆。陆颖隽2013 年对VR 技术在数字图书馆的应用基础、VR 系统的构成与实现、VR 技术在数字图书馆应用的必要性与可行性以及VR 技术在数字图书馆虚拟空间、三维信息资源建设、可视化信息检索、虚拟参考咨询、远程遥控技术[19]等方面的应用进行了较为全面的研究探讨。数字孪生图书馆智能感知物理图书馆的过程，是云计算、边缘计算、移动计算以及数据和算力、算法的协同，传感器和物联网收集到的各种数据通过数字化模拟，形成物理图书馆全方位的数据模型。这个数据模型存储在云端，借助大规模的算力和算法，形成仿真、预测和决策的结果并实时反馈给物理图书馆以便执行和控制。例如美国马里兰大学教授Romel Gomez 开展的学生远程实验室数字孪生项目体验就是通过应用数字孪生技术，打造了一个实验室数字孪生体，让受新冠疫情影响而不能到实验室的学生进行远程实验[20]，其功能、使用体验和实体实验室并无明显差别，是数字孪生体智能、准确感知物理实体的成功应用。可以预见，数字孪生技术落地图书馆后，用户足不出户也能使用图书馆的资源和服务，甚至比亲临实体图书馆更便捷、高效、舒适。

3.1.3 开启图书馆万物互联时代

数字孪生图书馆可以构建出一个一体化感知监测体系，这个一体化感知监测体系包括感知设备、感知网络、感知平台等。感知设备由包含物联网感知模块的智能终端构成，网络层的主要功能是使数据从设备层高速传输到平台层，平台层汇集的数据为图书馆大数据分析提供支撑。一体化感知监测体系是图书馆万物感知、万物互联、万物智慧的载体、入口和中枢神经。具体来说，传感器、可穿戴设备、智能终端设备（如智能手机）、智能家电等设备是促进图书馆万物互联的基础设备，这些设备能产生海量的图书馆实时数据，同时网络边缘设备可以部署支持实时数据处理的边缘计算平台为图书馆用户提供多元化服务或个性化功能接口，而利用边缘计算模型例如微数据中心、移动边缘计算、雾计算、中科院海云计算等可以高效处理网络边缘设备产生的海量图书馆数据[21]。届时，物理图书馆和数字孪生图书馆里的一切物体包括图书馆建筑、馆内各种设备、图书、用户、馆员等均可关联起来，将开启物理图书馆和数字孪生图书馆双向映射、虚实交融、万物互联的新时代。

3.2 图书馆资源与服务

3.2.1 加快资源的整合

长期以来，图书馆的资源建设存在资源分散、资源重叠、重复采购等问题。各种数据库之间相互独立，用户使用时需逐一注册、登录、单库检索，信息孤岛、资源鸿沟普遍存在。高性能的协同计算为数字孪生图书馆提供了效率保障，为深度学习、自我优化提供算力支撑，其包含的超级计算中心、云计算中心和边缘计算中心可以对图书馆的数字资源进行自动甄别、分类、整合、传送、储存等。当前，图书馆数字资源的整合技术已相当成熟，常见的图书馆数字资源整合平台有ARC、DL、EPrints、OAIster 等。例如美国弗吉尼亚州立大学研发的ARC 数字化整合系统可以把采集到的元数据进行规范化处理，同时将处理好的数据存储在数据库中并提供一站式检索服务。再如斯坦福大学和查尔姆斯理工大学的联合数字孪生实验室成功为混凝土光束创建了数字孪生体[22]，通过创建一个全面的SHM（结构健康监测）系统来评估基础设施，该系统使用三维结构光扫描仪可以实现数据的自主收集，并可以采用AI 算法进行实时检测、实时有效元仿真。以上系统和技术如果应用到图书馆中，将加快图书馆信息资源整合的步伐，为构建图书馆数字孪生体夯实基础。

3.2.2 提供多元化服务

长期以来，图书馆停留在以实体图书馆的物理空间和纸质馆藏为核心的阶段，数字图书馆和网络服务只是图书馆资源与服务的有效延伸，已不能很好地满足读者日益增长的多元化需求。同时，图书馆的服务体系也停留在以文献载体为主，未实现从传统服务向知识服务与情报服务的转变[23]。数字孪生技术可以有效解决以上问题，图书馆通过用户授权后应用大数据技术采集用户的行为大数据，精准描绘用户画像，识别用户的真实需求，主动提供个性化、定制化、多元化的信息服务。其中，数据采集可以应用类似北京易科势腾科技股份有限公司研发的iDataBank 用户行为分析系统[24]，该系统可以实现在不影响正常业务的前提下开展数据收集、整合、统计、分析，可以根据不同行业的业务特点、数据需求建立基于用户行为的数据指标体系。

3.3 图书馆管理与防控

3.3.1 助力图书馆精细化管理

数字孪生图书馆最重要的任务是在数字虚拟空间建立一个与物理图书馆虚实映射、万物互联的数字孪生世界。在各种新技术的赋能下，物理图书馆中的所有物理实体在孪生空间中都将有与之一一对应的数字虚拟体，图书馆管理者只需对数字虚拟体进行操控，就可以实现对物理图书馆空间实体的智能化、精细化管理。例如图书馆的照明灯不需人工开关，可以由自然光线的强度来自动调节；馆员无须到书库现场即可掌握每个书架图书在架容量的变化情况等。

3.3.2 应急仿真预案精准有效

图书馆的安全包括图书馆建筑安全、藏书及设备仪器安全、人员安全等，图书馆面对的灾害主要有火灾、水灾、地震及其他危及图书馆安全的突发事件。目前大部分图书馆较为重视图书馆的消防安全而忽略了其他类型的灾害。图书馆应急仿真演练采用VR、MR、GIS 等技术，通过对各种图书馆灾害数值模拟、突发重大事故模拟和人员数值模拟的精准仿真，在虚拟空间模拟真实灾害发生、发展的过程以及人员对灾害作出的不同反应。应急仿真演练在节约演练成本的同时，还可以极大限度地提升图书馆的安全系数。一旦图书馆真正发生紧急事件，例如火灾，借助数字孪生技术，可以全面掌握火灾发生的位置、被困人员、周围是否有易燃易爆物品等信息，为协调、调度消防、医疗救护人员进行火灾扑救及伤员救治等提供精准数据。

3.4 用户服务与体验

3.4.1 坐享更多增值服务

物联网、云计算等技术使移动智能终端感知读者情境信息变成可能，智慧图书馆可利用它们提供优质的个性化信息服务[25]。数字孪生图书馆作为智慧图书馆的更高级形态，将多领域、多学科、多技术融会贯通，可以为用户提供前所未有的增值服务。例如用户需要收集某个研究方向最新的国内外研究成果，只要向数字孪生图书馆发出请求便可迅速获取精准的电子版参考资料，如需纸质版也可依照系统提供的纸质版资料所在图书馆的具体定位而快速获取。再如数字孪生图书馆可以依据用户的阅读偏好，常坐位置，对室温、光线、噪声的期望值等提前做好相应配置和准备，并实时显示馆内新到的用户喜欢阅读的图书、常坐位置是否被占用，真正做到为用户提供量身定做的专属服务。

3.4.2 用户体验空前提升

随着AR、VR、5G、云计算等技术和数字孪生技术进一步融合发展及技术成熟度的提升和沉浸感、参与度、永续性的实现，图书馆将给用户带来更为多元、个性的使用体验。尤其是虚拟现实技术带来的沉浸式体验可以为图书馆用户营造良好的人机交互使用环境，为用户复原真实的图书馆场景。数字孪生图书馆通过用户行为数据进行智能分析，精准描绘用户画像，实现智能、精准向用户推送与其当下需求或潜在需求高度匹配的信息资源。用户对于图书馆所推送信息资源的精准性、时效性以及接受服务所获得的感知体验[26]较以往将得到空前的提升，这是因为数字孪生图书馆将不仅仅为用户提供听觉和视觉的使用方式，而且还拓宽到触摸感知、肢体动作感知、压力感知、重力感知等感知领域。

3.5 馆员职业与发展

3.5.1 催生智慧馆员

图书馆的形态不管如何变化，馆员都不会消失，而且越来越需要智慧型馆员。随着各种新技术在图书馆的不断渗透，馆员这一职业将面临前所未有的挑战。馆员必须紧跟图书馆发展步伐，主动了解、熟悉、掌握各种可以促进图书馆事业发展的新技术，并不断提升自身专业素养和职业能力，真切了解、满足用户个性化、多元化的需求，努力成长为数字孪生时代的智慧馆员。

3.5.2 助推智慧事业

早在10 年前，王世伟就指出智慧图书馆将成为图书馆创新、转型及可持续发展的新理念、新实践，他认为智慧图书馆是互联、高效、便利的图书馆，具体表现为全面感知、立体互联、共享协同、节能低碳、灵敏便捷、整合集群、无线泛在、就近一体、个性互动[27]。10 多年以来，智慧图书馆建设如火如荼，智慧图书馆基本成为现实。可以预见，未来的图书馆事业将是充满智慧的事业，智慧的事业需要大批的智慧馆员参与其中，才能确保图书馆事业取得健康、快速和可持续的发展。

4 数字孪生图书馆研究展望

数字孪生图书馆是技术创新、多方参与、现有行政关系改革、资源配置不断优化等一系列问题相互交织、演化的复杂系统，不是一劳永逸的“交钥匙工程”。即使再先进的技术，其本身也难以独自驱动社会的伟大变革，而是需要与政策变革、组织关系调整、各相关要素的整合等紧密结合起来才可以促成伟大的变革。同时，要清晰认识到目前数字孪生技术存在的局限性（如与其他技术的融合度有待加强实践、应用场景还比较有限、大规模实际应用还有较长的路要走等），在科学研究和实际建设工作中不能一拥而上，以避免走向另一种技术极端。此外，数字孪生图书馆在采集用户个人信息及各种数据的过程中，必须充分考虑采集渠道的合法性、合理性，以切实保护用户个人隐私不受侵害。数字孪生图书馆应避免用一串冰冷的数字符号来给每个用户打标签，而是应该通过数字孪生技术更好地认识、理解、尊重每一个个性化、鲜活有温度的用户。

展望未来，数字孪生图书馆将伴随着数字孪生城市的积极推进而取得跨越式的发展。科技突飞猛进的发展使数字化标识、自动化感知、平台化服务、智能化应用、网络化连接取得了长足进展，使数字孪生技术落地图书馆成为可能。数字孪生图书馆将作为智慧图书馆的高一级形态，其功能和服务将比智慧图书馆更全面、多元。智慧图书馆借助智慧平台将图书馆的实体空间和虚拟空间连接起来，为用户提供智慧化服务[28]，使图书馆不再是冰冷的建筑，而是有思维、有情感的有机生命体[29]。数字孪生图书馆则是在智慧图书馆的基础之上，将基于图书馆具体场景的海量数据、高性能算力、信息模型、数字仿真等方面贯穿于图书馆的全生命周期，进一步促进图书馆物理空间和虚拟空间的融合，为用户提供更加全面、智慧的知识服务。