基于区块链的数字孪生图书馆管理与服务模式研究

王家玲　查道懂　张春梅

摘 要 数字孪生技术在智慧图书馆建设中独具优势，但其中心化存储方式以及孪生体数据可被无限复制等特点给智慧图书馆带来了数据不可靠、读者隐私和知识产权问题。论文梳理数字孪生和区块链技术特点及在智慧图书馆的应用现状，提出将数字孪生与区块链技术深度融合，利用区块链的非中心化、数据不可篡改等特点存储智慧图书馆数字孪生数据，在保证孪生数据可靠性、读者隐私和知识产权安全的前提下，将智慧图书馆的空间资源、设备资源、纸电资源、读者资源、人才资源全局规划、深度整合、智慧管理，探析智慧图书馆的管理与服务新模式，为智慧图书馆的绿色发展提供全新的研究视角和实践路径。

關键词 区块链；数字孪生；智慧图书馆

分类号G250.7

DOI 10.16810/j.cnki.1672-514X.2023.05.010

Research on Management and Service Mode of Digital Twin Library Based on Blockchain

Wang Jialing， Zha Daodong， Zhang Chunmei

Abstract Digital twin technology has unique advantages in the construction of smart libraries. However， its centralized storage mode and the infinite reproduction of twin data bring problems of data unreliability， reader privacy and intellectual property rights to smart libraries. This paper combs the characteristics of digital twin and block chain technology and its application status in smart library， proposes the deep integration of digital twin and block chain technology， and uses the characteristics of block chain such as decentralization and unalterable to store the digital twin data of smart library. On the premise of ensuring the reliability of the twin data， the privacy of readers and the security of intellectual property rights， the overall planning， deep integration and intelligent management of the space resources， equipment resources， paper and electricity resources， reader resources and talent resources of the smart library are analyzed， and the new management and service mode of the smart library is explored， so as to provide a new research perspective and practice path for the green development of the smart library.

KeywordsBlock chain. Digital twin. Smart library.

0 引言

大数据与人工智能的快速发展，使得大数据技术与人工智能技术逐步融合，共同发展，出现了数字孪生、区块链、5G网络、物联网等技术。数字孪生具有实时双向映射、全面动态仿真、智能闭环驱动等特点，在智慧图书馆建设中有着独特的优势，研究者们纷纷将其引入智慧图书馆中，并从不同角度分析其在智慧图书馆中的应用场景。然而，读者隐私保护和知识产权是保障智慧图书馆绿色发展的基本前提，但数字孪生体的中心化存储方式及数据可被无限复制等特点给智慧图书馆带来了数据安全、读者隐私和知识产权问题，而目前几乎没有文献对该问题进行探讨。区块链技术非中心化的存储模式和数据不可篡改等特点，可用于数据共享、数据监护、数据溯源等方面。研究者尝试将其引入图书馆，用其对图书馆的元数据、数字资源或场景化数据等进行管理。但目前为止，很少有研究者将区块链技术和数字孪生技术深度融合，让区块链技术融入到智慧图书馆全生命周期的管理中。对此，文章提出将数字孪生与区块链技术深度融合，探析智慧图书馆管理与服务新模式，为智慧图书馆绿色发展提供全新的研究视角和实践路径。

1 数字孪生在智慧图书馆研究及运行机制

早在2003年，美国密歇根大学Grieves教授在“PLM开发联盟”成立时对业界所作的陈述中就提到了数字孪生的雏形，2011年Grieves教授正式将数字孪生的概念提出[1]。数字孪生技术最初被应用于航天航空领域的飞行器的维护与保障，自2017年，该技术连续三年被Gartner列入《十大战略性技术趋势》，由此引起社会各界的广泛关注。

1.1 数字孪生的概念和特点

数字孪生又称数字镜像或信息镜像模型，是充分利用数字建模、大数据分析、数据挖掘、人工智能、虚拟现实等技术，在虚拟空间中为物理实体构建相应的数据模型，从而反映物理实体的全生命周期。

数字孪生主要包含四个元素：物理空间、虚拟空间、从物理空间到虚拟空间的数据流链接、从虚拟空间到物理空间和虚拟子空间的信息流链接[2]。数字孪生具有全面动态仿真、实时双向映射和智能闭环驱动三大特点。全面动态仿真是指数字孪生体通过行为逻辑数据、业务过程数据、状态变化数据等对物理实体全生命周期的状态和行为进行动态监测、精确表达、全面呈现。实时双向映射是指数字孪生技术将物理实体映射到虚拟空间构建各种数字模型，模型与模型之间、模型与实体之间可以双向映射、实时动态交互。智能闭环驱动表现在数字孪生体实时监测物理实体的状态数据，根据模拟分析，图书馆实体不断优化，优化的图书馆实体同时被动态映射到孪生空间，从而形成一个闭环系统，智能驱动。

1.2 数字孪生在智慧图书馆的研究现状及运行机制

随着大数据和人工智能技术的快速发展，智慧图书馆的建设进入了更高级阶段。基于数字孪生技术的独特优势，研究者们纷纷将其引入智慧图书馆，并从不同角度分析其在智慧图书馆中的应用场景。孔繁超分析了数字孪生技术在图书馆空间重构的可能性和优势，探讨其在图书馆的应用场景[3]。石婷婷等分析数字孪生技术在智慧图书馆的应用场景，提出数字孪生图书馆的建设策略[4]。王东波探索了基于数字孪生的智慧图书馆应用场景架构、运行机制和建设思路[5]。李璐等从物理图书馆、虚拟图书馆、图书馆孪生大数据、孪生智慧管控平台四个方面进行阐述，给出基于数字孪生技术的图书馆智慧管控系统模型[6]。张艳丰等提出将数字孪生技术融入智慧图书馆服务，探析数字孪生技术下智慧图书馆场景化服务路径及模型[7]。许鑫将数字孪生技术融合到图书馆业务，构建了智慧图书馆业务融合方案[8]。

数字孪生体的构建依赖大量的数据计算，而目前数字孪生体都采用中心化存储方式，数据的可靠性得不到保障，导致模拟仿真不准确，预测结果不可信。此外，数字孪生体因其数字形式，可被无限复制，将导致读者个人数据及受版权保护的文献资源可被无限复制，带来读者隐私泄露和知识产权等问题。这些数据安全问题将严重影响数字孪生技术在智慧图书馆中的应用。

1.3 数字孪生在智慧图书馆的运行机制

数字孪生图书馆是运用数字孪生技术在虚拟空间为图书馆物理实体构建一个完全一样的数字孪生体，并实现孪生体与物理实体的双向映射和动态交互，主要由图书馆物理实体、图书馆数字孪生体、数字孪生控制中心与孪生大数据四个部分所组成[9]，如图1所示。

数字孪生控制中心负责对整个数字孪生图书馆进行规划部署、执行监控和管理协调。图书馆物理实体是指现实世界中图书馆各类资源和运行过程的集合，其主要任务是各类图书馆实体资源的数字化，同时依据数字孪生体仿真模拟提供的策略，不断优化图书馆的管理与服务。在虚拟空间为图书馆物理实体构建完全一样的，实时双向映射的数字模型就是图书馆数字孪生体，其主要任务是通过对数字孪生体数据的挖掘和模拟得出最佳执行策略，为图书馆物理实体的建设提供决策支持，这也是数字孪生图书馆的核心。图书馆孪生大数据是驱动数字孪生图书馆正常运行的主要动力，图书馆数字孪生体的构建、物理实体的迭代优化、孪生体系的运转都依赖于图书馆孪生大数据，所以图书馆孪生大数据的可靠性、安全性至关重要。

2 基于区块链技术的图书馆数字孪生数据的安全性分析

2008年，区块链一词因田本聪的比特币[10]而进入人们的视野。区块链相当于数据库，本质是数据的存储服务，在存储的基础上利用信息安全技术对数据进行加密，保障数据安全，通过去中心化方式进行传输，是分布式网络、点对点传输、加密技术的结合体。链上的任何一个节点都可以成为中心，各节点的权利和义务对等，形成自治运转的一个生态链。每个区块链都会保存前一个区块链的哈希值，数据不可篡改。除了私有的加密数据外，任何节点都能获取全网的总数据。区块链能有效防止信息泄露，以授权方式设置访问权限，保护数据安全。

2.1 区块链与图书馆

2016年，区块链作为战略前沿技术被写入国家信息化规划。图书馆作为专业的信息服务机构，将区块链引入图书馆的数据管理和数据服务是图书馆信息化重要内容。研究者将区块链技术引入图书馆，尝试用其对图书馆的元数据、数字资源或场景化数据等部分数据进行管理。张兴龙等提出区块链技术可解决读者信息收集、分析和挖掘过程中数据安全问题，构建了图书馆元数据的管理体系[11]。周耀分析了区块链技术在智慧图书馆建设中的应用优势，并设计了4个基于区块链技术的智慧图书馆应用系统[12]。王梦丹基于区块链技术，探究在高校图书馆网络教育和学习场景的应用[13]。只莹莹将5G和区块链技术结合，分析其在未来圖书馆智慧服务中的应用场景、应用模式和互补优势[14]。杨群等提出了一种区块链技术驱动智慧增值服务模式及应用路径，有效解决智慧图书馆在信息资源收集、安全存储和共享传播等方面的问题[15]。张媛媛等利用区块链技术构建图书馆场景化服务平台，主要从场景识别、场景记录与存储、场景判断与预测、情境配置、价值创新等五个方面进行分析[16]。魏大威等将区块链技术引入智慧图书馆的数字资源管理中[17]。但目前，还没有研究者将区块链技术和数字孪生技术深度融合，让区块链技术融入到智慧图书馆全生命周期的管理中。

2.2 区块链为图书馆数字孪生体的构建提供可信数据

数字孪生图书馆的关键是依据图书馆孪生大数据在虚拟空间中构建图书馆的数字孪生体，而图书馆数字孪生体与物理实体的重要不同之处是数字孪生体具有可修改性，因此数字孪生体能够模拟复杂变化的图书馆物理实体，通过调整不同环境不同场景的实体参数，来反复模拟得出最佳执行策略，为实体图书馆的优化提供决策参考。如果构建数字孪生体的数据的安全性得不到有效保障，数字孪生体就不能切实地反映物理实体的当前状态，导致依据数字孪生体进行模拟预测的结果不准确，无疑给图书馆实体依据预测结果进行的决策带来极大的威胁。然而目前图书馆孪生大数据都采用中心化的存储方式，需要对中心化系统高度信任，若中心系统出现故障、管理者操作不当或管理者为了达到自己的非法目的恶意篡改数据，都会导致构建孪生体的数据不可信，使得依据数字孪生体模拟结果进行的预测出现偏差，进而致使决策失误。

区块链是一种以链式数据结构来存储数据的数据库，并通过一些加密算法来保证所存储数据的真实性和可靠性。区块链是由一个一个区块，通过哈希指针链接而成。每个区块都包括块头和块体两个部分，每个块头在存放自身的哈希值的同时还会存放前一个块的哈希值，两个区块链之间因此形成链接。块体是一个装载空间，里面存储具体的数据，区块链的链接方式如图2所示。

区块链中每个区块的哈希值是对整个区块进行哈希计算得出的，而每个区块的块头都包含了两个哈希值，本区块的哈希值和前一区块的哈希值，这样的结构使得只要任何一个区块被改动，它的哈希值就发生变化，那么下一个区块的块头中相应的哈希值就和这个对应不上，这就表示上一区块内容被篡改。对照图2，假设Block1和Block2是两个相邻的区块，Block1的整个区块的哈希值会保存在Block2的块头信息中，Block2块头中还保存着本区块的哈希值，同时Block2这个区块的哈希值会保存在Block3的块头中。这样，如果Block1的数据有改动，Block1的哈希值就发生改变，那么Block2块头中存放的Block1的哈希值就与Block1本身的哈希值不一致，同区块哈希值的不一致是数据被篡改的主要判断依据。

通过上面的分析可知，区块链上任何一个区块的数据若被篡改，都会被整个区块链系统发现，以此来保障链上的数据安全可靠。若将图书馆数字孪生体的孪生大数据使用区块链的这种链式结构来保存，就能够保证构建图书馆数字孪生体的数据不可篡改，真实可靠，以此构建的数字孪生体能够切实地反映物理实体的当前状态，依据数字孪生体进行模拟预测的结果准确可信。

2.3 区块链保障图书馆读者隐私和知识产权安全

数字孪生体是以数据形式存放的数字模型，具有可复制性，这个特点使得数字孪生体在模拟测试中使用起来更加便利。比如图书馆空间规划布局、场景化服务等可以通过数字孪生体的可复制性进行多次模拟试验，以得到最佳决策方案，优化图书馆物理实体。但是，若读者的个人信息或受版权保护的文献资源在数字孪生空间被恶意复制，将给图书馆带来读者隐私泄露风险和知识产权问题。

区块链的通证可解决孪生体数据被恶意复制带来的数据安全问题。区块链的通证是一种可流通的加密数字凭证，对于有价值的数据或隐私数据，系统为其分配通证，每个具有通证的物理实体在数字孪生空间只能构建唯一一个与其对应的数字孪生体，這样就能确保读者的隐私信息和具有产权保护的文献资源不被恶意复制，从而保障它们的安全。因此，将区块链引入到数字孪生图书馆的数据管理中，可有效保证读者隐私和知识产权安全。

3 基于区块链的图书馆数字孪生系统

基于区块链的图书馆数字孪生系统，主要由图书馆物理实体、区块链孪生大数据库和数字孪生体三个部分组成。智慧图书馆物理实体借助RFID芯片、红外线、传感器、可穿戴设备、智能终端设备等不断执行实体数字化任务，实时动态地识别和收集智慧图书馆物理实体的所有信息，将这些数据从各终端上传至孪生大数据的区块链中。智慧图书馆物理实体同时依据数字孪生体模拟仿真的结果进行预测，执行相应的建设、管理与服务任务，不断优化实体图书馆的管理与服务模式。图3给出了基于区块链的数字孪生图书馆系统的管理与服务模式。

数字孪生体的模型可归集为三大类，即要素模型、行为模型、规则模型。要素模型主要指图书馆真实存在的所有实体要素数字化后的模型，包括物理空间模型、资源画像模型、读者画像模型、馆员画像模型等。规则模型主要是指依据图书馆运行与发展规律而建立的优化、预测、评估等规则模型，如服务评价模型、资源优化模型等。行为模型主要是指在读者需求驱动下，分析图书馆管理、服务和建设相关行为，并对其进行映射构建模型，如事件仿真模型、场景仿真模型等。数字孪生体的主要任务是通过对其不断模拟和分析，得出最佳执行策略，为图书馆物理实体建设提供决策支持，同时将其大数据存储在孪生大数据区块链中。

区块链孪生大数据库，是采用区块链结构存储智慧图书馆物理实体、数字孪生体和它们交互产生的所有数据。区块链的链式存储方式保证链上数据的真实可靠，构建数字孪生体是图书馆物理实体的真实体现，因此依据数字孪生体进行模拟预测的结果准确可信。同时区块链的通证可有效保证读者隐私和知识产权安全。

4 基于区块链的数字孪生图书馆管理与服务新模式

以数字孪生模式构建智慧图书馆管理和服务框架，同时融入区块链接技术管理和存储数字孪生大数据，将区块链技术和数字孪生技术深度融合，引入智慧图书馆的管理和服务中，可为智慧图书馆提供全新的管理和服务模式。

4.1 基于区块链的数字孪生图书馆管理新模式

（1）空间资源科学规划。智慧图书馆的空间资源规划目标是“每位读者有其适合的空间资源，每个空间资源都有其适合的读者”，这就需要图书馆充分了解和挖掘读者对空间环境和设备设施的需求和偏好。在数字孪生技术环境下，智慧图书馆的馆舍空间、装修家具和设备实施等物理空间的实体会被数字化，映射到数字孪生空间，构建成可与物理实体双向动态交互的数字模型。数字模型的最大优势在于模拟，通过对虚拟空间图书馆空间环境和设备设施的全方位、多角度模拟，不断优化空间布局和功能分区、完善人性化装修、科学分配设备设施。同时，通过读者画像模型、服务评价模型、场景仿真模型、事件仿真模型等的模拟分析，充分挖掘出读者对空间环境和设备设施的需求和偏好，最终得出满足读者需求的最佳规划方案。图书馆物理实体根据最佳规划方案，从整体上对图书馆空间环境和设备设施进行科学规划。

（2）文献资源整合优化。数字孪生技术下，所有的文献资源在虚拟空间都会构建一个全生命周期的数字孪生体，并将其孪生体数据及其过程数据存储至图书馆孪生大数据库。图书馆孪生大数据打破了不同种类文献资源之间的壁垒，将纸本文献的书目信息、流通轨迹、馆藏目录，各数据库的资源数据、元数据、访问记录等不同数据源的数据进行整理、清洗、关联、分类，深度整合，并将整合结果与读者的学历、专业、工作、年龄、性别、爱好等属性相结合，以此分析和挖掘出读者的实时借阅需求和潜在借阅需求，优化资源配置，实现文献资源的整合优化。

（3）读者需求精准预测。读者需求是图书馆存在的意义和建设的动力，对于读者需求的精准预测是智慧图书馆的“智慧”体现。在数字孪生技术下，读者的个人数据、背景数据、科研数据、社交数据、信用数据、行为数据可全方位、多维度收集，存储在图书馆孪生大数据库中。利用聚类、关联规则等数据挖掘方法对孪生数据库中的读者数据进行分析建模，可构建精准的读者画像。精准的读者画像结合服务评价模型、场景仿真模型、事件仿真模型等的模拟分析，能充分挖掘出读者现有需求和潜在需求。因此，通过在虚拟空间实时监测读者孪生体，可以迅速定位读者画像，精准预测读者需求。

（4）人力资源合理配置。这里的人力资源主要指智慧图书馆的馆员。在智慧图书馆模式下，馆员分为研究型馆员、技术型馆员、嵌入型馆员、业务型馆员等不同类型[18]，每种馆员的工作范畴、服务对象都有所不同，馆员队伍的合理构建和调度，直接影响智慧图书馆服利用数字孪生技术，馆员的学历、专业、工作年限、爱好、专长等数据将全方位地映射在虚拟空间，依此可构建精准的馆员画像。通过对读者分布情况和需求，以及与馆员的实时交互全方位地展示和监测，可分析出读者的实时需求和需求倾向，系统依此选择最优的人员调度策略。同时，管理者依据分析结果，结合现有条件，合理引进和培养相关人才，实现图书馆人力资源的合理配置。

4.2 基于数字孪生技术的智慧图书馆服务新模式

（1）全新体验式服务。体验式服务是注重读者的感官体验和心理感受的一种全新的服务方式。现有的体验式服务主要通过环境布置、大屏展示等形式来营造主题氛围。在数字孪生技术背景下，大数据技术和人工智能技术相互融合，出现了全新的体验式服务：沉浸式服务和场景式服务。沉浸式服务利用虚拟现实、增强现实、体感交互、影像捕捉等新技术，营造更加逼真的主题体验，让读者身临其境，甚至可与情景中的人和物实时互动。场景式服务是另一种全新的体验式服务，通过移动可穿戴智能设备和传感器设备等搜集读者当前的场景数据，自动获取和发现读者需求，与数字孪生空间的场景仿真模型、服务仿真模型进行匹配，主动为读者提供资源或服务，让读者感受到图书馆对他们的重视。

（2）一站式知识服务。一站式知识服务是指通过有效的技术手段，对知识进行全面收集、挖掘和重组，利用一站式门户网站为读者提供便捷高效的知识检索方案。图书馆孪生大数据打破了不同种类文献资源之间的壁垒，将纸本文献的书目信息、流通轨迹、馆藏目录，各数据库的资源数据、元数据、访问记录等不同数据源的数据进行整理、清洗、关联、分类，深度整合，为图书馆的一站式检索和知识发现提供了基础保障。因此，利用数字孪生技术，一站式知识服务将是智慧图书馆信息资源服务的主要形式。

（3）精准个性化服务。数字孪生技术将读者的个人数据、背景数据、科研数据、社交數据、行为数据进行全方位、多维度收集，存储在图书馆孪生大数据库中，并依此构建精准的读者画像。精准的读者画像结合服务评价模型、场景仿真模型、事件仿真模型等的模拟分析，能充分挖掘出读者现有需求和潜在需求。然而精准服务和读者隐私往往是相对立的，精准需求的分析建立在读者数据深度挖掘的基础上，读者信息的过渡挖掘很可能导致读者隐私泄露。区块链技术的非中心化存储方式和数据不可篡改的特征，与数字孪生技术结合，能够在保护读者隐私的前提下，深度挖掘读者数据，精准预测读者现有需求和潜在需求。

5 结语

将数字孪生与区块链技术深度融合，利用区块链的去中心化、数据不可篡改等特点存储智慧图书馆数字孪生数据，为智慧图书馆的绿色发展提供全新的研究视角和实践路径。但是，目前数字孪生和区块链在图书馆的研究和应用都处于理论探索阶段，在图书馆的实际应用和推广还需一个长期的过程。对于新兴技术，图书馆应积极探索，勇于尝试，以此驱动图书馆不断发展，跟上时代发展步伐。

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