基于数字孪生的智慧图书馆数据融合研究

李庆华 洪丽平 徐姗姗 杨荣成

摘 要：文章介绍数字孪生及其特征，阐述智慧图书馆数据融合的必要性，分析基于数字孪生的智慧图书馆数据融合体系及框架，提出数字孪生数据融合的智慧应用场景。研究发现数字孪生技术为图书馆数据融合打开新局面，对未来图书馆建设具有重大价值。

关键词：数字孪生；数据融合；智慧应用；智慧图书馆

中图分类号：G250.76文献标识码：A 文章编号：1003-7136（2023）04-0036-06

Research on Smart Library Data Fusion Based on Digital Twin

LI Qing-hua，HONG Li-ping，XU Shan-shan，YANG Rong-cheng

Abstract：This paper introduces digital twin and its characteristics， expounds the necessity of data fusion in smart library， analyzes the data fusion system and framework of smart library based on digital twin， and puts forward the intelligent application scenario of digital twin data fusion.The research finds that digital twin technology opens up a new situation for library data fusion， which is of great value to the future library construction.

Keywords：digital twin;data fusion;intelligent application；smart library

0 引言

科技及網络技术的进步，让社会各领域得到飞速的发展。图书馆智慧化建设在区块链、云计算、大数据、6G等技术的加持下正如火如荼地进行。为了实现智慧泛在这一目标，智慧图书馆建设需要利用好其丰富的文献、知识、服务等各类数据。数字孪生能够将对象、模型及数据进行镜像，为图书馆行业数据融合提供新的方向，将智慧图书馆建设推向一个新的高度。基于此视角，本文结合数字孪生技术特征和智慧图书馆建设的需要，重点研究数字孪生技术在数据融合方面的应用。

1 基本概念及相关研究

1.1 数字孪生和特征

数字孪生（Digital Twin）最早源于1969年阿波罗计划，此后不断发展，经过近半个世纪的发展有了数字孪生的概念，并成为十大战略技术趋势，被全世界关注^［1］。其中，2012 年美国航空航天局（NASA）给出了数字孪生的概念描述：充分利用传感器、物理模型、运行及历史等数据，集成多学科、多尺度、多维度的仿真过程，它是实体对象在虚拟空间中的镜像，能够反映相对应物理实体的全生命周期过程。也有学者从产品的角度提出数字孪生主要由产品的设计数据、产品服务数据以及产品退役和报废数据等组成^［2］。数字孪生技术已不仅仅是理论研究，还因其普遍适用性应用于各个领域，如航天航空、产品全周期管理、建筑工程、医学分析等。

通过对数字孪生概念、组成、进展及应用等方面文献的研读，总结概括数字孪生技术特点如下。

（1）高保真全对象映射。这是数字孪生主要的特征，通过传感器等感知设备能够对物理实体的环境数据、业务数据、维护数据、运行数据等进行1∶1的高保真虚拟映射，形成虚拟镜像模型。不仅如此，物理实体的模型、行为逻辑、业务过程、状态变化等全对象都可被映射，在数字世界中能够全面呈现物理实体的状态和行为。

（2）共生演进。数字孪生技术的实时数据能力，使孪生体可精准、动态反映物理对象的状态变化，并贯穿于物理对象运行的始终。孪生体通过实时数据对孪生对象的环境、服务等方面，从设计、实施、运营到停止的整个周期进行数据同步，孪生体可随孪生对象共同生长，不断演进、更新。

（3）全生命周期。数字孪生技术让所有环节具备完整丰富的信息，按照统一的开放标准建立规范和语义化的数字化模型，各环节的模型都能够及时进行关键数据的双向同步和沟通。基于这些覆盖孪生对象全生命周期的数据流，保障了以统一模型为核心的运营贯穿始终。

（4）闭环优化。数字孪生打破以往单向数字化的壁垒，实现孪生体和孪生对象间的双向交互关系。数字孪生中大量的历史、实时数据，结合先进的算法模型，有效地反映物理实体的状态和行为。基于分析与仿真对物理实体发送优化指令或策略，实现对物理实体决策优化功能的闭环。

1.2 智慧图书馆

现阶段智慧图书馆研究及建设都处于欣欣向荣的繁盛期。国内外智慧图书馆研究主要集中在技术与实践应用、智慧服务、馆员培养、图书馆管理、理论研究和智慧图书馆发展与建设六个方面^［3］。其中技术与实践应用与智慧图书馆发展建设是智慧图书馆研究的主要方面。例如从对象视图等层面探讨基于边缘计算的公共图书馆智慧化建设路径^［4］；结合区块链的技术特征，将其应用于图书馆的数字资源管理^［5］；设计出基于物联网技术的智慧图书馆书目管理系统，用于提升书目分类管理准确性与管理效率^［6］；利用“大数据+小数据”模式构建用户画像模型，实现智慧图书馆海量学习资源与用户确实需求之间的精准匹配^［7］；以人工智能三大基础要素为切入点，实现图书的智慧采访^［8］。

此外，因数字孪生技术的特点为解决智慧图书馆的各类问题提供了新的视角，从而涌现出大量数字孪生与智慧图书馆的相关研究。例如将数字孪生的镜像特性应用于智慧图书馆的管理服务、设备监测等场景中，丰富了智慧图书馆的应用场景^［9］；提出数字孪生为虚拟数字资源大范围流通提供了可行性，能够助力馆藏资源共享^［10］；数字孪生对虚拟文献库的数据统计与可视化分析可以为改进图书馆借阅服务、实现精准知识服务及优化纸质文献资源库提供决策辅助^［11］；利用数字孪生技术实现实体空间与孪生体交互，以智慧图书馆业务分解和融合重构为切入点，实现图书馆业务有机融合^［12］。

1.3 数据融合研究

数据融合这一概念最早是在20世纪70年代美国军事领域内提出的，之后被广泛应用于工业、农业、交通、医疗等领域。在中国知网中检索“数据融合”，文献研究集中在数据融合相关的算法研究，主要应用于自动化、互联网等领域，图情领域的研究数量不多。有学者提出利用互联网、3D建模、数据融合等新型的技术体系构建数据中心智能运维平台，能够有效避免信息孤岛等情况^［13］；有人认为“数据共享”“数据打通”甚至“数据融合”已经成为企业数字化转型或者发挥数据资产价值最大化的重要工作^［14］；也有人通过数字孪生技术提供底层技术支撑，建立物理、虚拟模型的数据融合模型和交互关系，提出跨营区数据融合应用构想^［15］。通过多源多维数据融合的文献分析，梳理出数据融合的研究方向，包括理论研究、方法研究及应用研究的现状^［16］。数据融合理论算法的研究为其在更多的领域应用打下坚实的基础，而图情方面的数据融合文献研究指出，数据融合在智慧服务方面的应用依然有很大的潜力，未来可以从各领域智慧服务的具体问题切入，不断增强数据融合应用的广度与深度。

总体来看，数字孪生和智慧图书馆的研究文献数量较多，主要研究智慧图书馆建设过程中的各类问题或通过数字孪生改善智慧图书馆的业务及服务，而针对智慧图书馆数据融合及应用场景的研究较为缺乏。本文在这些研究基础上，试图用数字孪生技术打破智慧图书馆数据融合困局，探讨其在数据融合方面的优势、融合体系框架及智慧应用场景，从数据融合角度进行图书馆智慧化建设的研究。

2 智慧图书馆数据融合的重要性

由于图书馆功能系统的烟囱化布局，数据孤岛无处不在，跨越孤岛的数据均需重新转换和配置。结合用户需求、图书馆管理需求，让多源异构数据全面融合成为智慧化建设过程中的最大难题。

智慧图书馆用户日益增长的需求对数据融合有更高的期待。一方面，5G普及、6G网络技术兴起的网络时代，让图书馆的资源、服务及业务从有限的物理空间扩展到无限的网络空间，用户行为更多地由线下活动转变为线上活动，对于线上图书馆服务的方式、效果要求更加严苛。另一方面，随着智慧图书馆建设的推进，用户对智慧泛在的要求与日俱增。对于用户而言，仅是馆藏自动化借阅、智能导航、空间预约等功能已无法满足需求，符合行业主流的前瞻性的个性化知识服务更容易获得青睐。而这两个方面都需要以智慧图书馆数据全面、充分融合为基础。

图书馆智慧化管理需要。智慧图书馆一定程度上改善了图书馆管理的现状，空间管理、RFID、纸电一体化平台等系统让图书馆从人力管理发展为人机联合管理。通过智慧图书馆平台来管理尽可能多的图书馆业务平台，研发数据接口对接部分业务系统的核心数据进行的可视化展示，帮助管理人员随时了解图书馆主要业务的运营状况。尽管如此，还是存在图书馆业务分割严重、图书馆其他物质资产管理不够系统、图书馆数据可视化展示不够全面及细致等问题。如果需要改善这些问题，图书馆所有的多源异构数据都需要统一化、标准化，方便各类平台和设备读取，这样才能进行各维度数据的深度挖掘和充分应用。在数据清洗后的元数据池的基础上，智慧图书馆平台才能够打破因各部门业务系统不同而数据不同的壁垒，一目了然地了解图书馆的所有业务工作进展，及时进行调整、部署和反馈。只有整合图书馆各类资产数据，智慧图书馆平台才能系统地管理图书馆纸质文献、电子资源、设备、平台等各类资产。可视化展示不再局限于各类图表的网页展示，可以通过三维模型、数字孪生体等更加翔实、准确的数据呈现方式来展示图书馆的全业务状态，以便为图书馆管理提供可靠的智慧决策辅助支撑。

3 基于数字孪生的智慧图书馆数据融合体系

图书馆界已意识到数据融合的重要性，进行了图书馆主要业务系统数据融合的可视化展示，并将可视化展示作为智慧化建设中的重要组成。但仅是图书借还、空间使用等系统数据融合就需要多个系统耗时数月研发数据接口来完成，并且不一定能确保数据实时交互。不少学者认为数字孪生的数据特性对智慧化圖书馆建设虚拟空间有重大意义。例如，有学者以雄安新区图书馆为例提出数字孪生图书馆的概念及模型，并探讨了孪生图书馆的要素及其特征，还进行了孪生图书馆运行机制、服务模式等相关研究^［17-19］。但是从技术理论研究到应用的时间及系统框架灵活性考虑，部分研究人员选择将数字孪生作为智慧图书馆的重要组成部分，探讨基于数字孪生的智慧图书馆管控模型^{［20， 21］}。结合现阶段图书馆数据融合现状与数字孪生能够将多源异构数据标准化的特性，本文提出基于数字孪生的智慧图书馆数据融合体系，其中，数字孪生是解决智慧图书馆数据融合不足问题的技术手段。数据融合是整个体系的主要任务，孪生图书馆是数据融合的重要产物。智慧图书馆通过对融合数据的智慧化应用提升智慧管理水平和服务效果是最终目的。

基于数字孪生的智慧图书馆数据融合体系（见图1）主要包含实體图书馆、孪生图书馆、数字孪生一体化平台及智慧图书馆数据应用平台。在融合体系中，数字孪生一体化平台从实体图书馆采集数据时，数字孪生技术能够将实体图书馆中资源、环境、应用及各类感应数据以统一的格式标准存入一体化平台，打破异源数据融合的壁垒，打通实体图书馆中各系统的孤岛数据，从而形成数据融合海洋，通过孪生图书馆和数据应用平台对融合数据进行深度再利用。

实体图书馆是图书馆现实世界中开展服务的主体，包括物理环境、空间、业务、资源、软硬件设施、机构设置、馆员、方法规则及准则等全要素的运行数据及历史数据。实体图书馆的全域配备数字标识，利用传感器、RFID标签、图像识别等软硬件设备将实体图书馆的运行数据和历史数据通过有线及无线网络上传至数字孪生一体化平台。同时，它也是数字孪生一体化平台建模推演、策略优化、服务调整、资源调动、人员匹配等方面的实施对象。

孪生图书馆是数字孪生技术最直接的体现，是实体图书馆在网络中的高保真虚拟镜像。孪生图书馆是通过实体图书馆的全要素数据建模而成，是与实体图书馆实时数据交互，共同生长的有机体，也是更加清晰、准确、全面的智慧图书馆数据可视化展示形式。另一方面，它可以根据获取的实时、历史数据建立的馆藏资源模型、空间模型、业务模型等展示图书馆管理效果，是进行实体图书馆业务、布展、资源结构调整、推演及优化的“沙盘”。

数字孪生一体化平台包括软件平台和数据库。它通过网络采集物理图书馆各种原始数据，进行数据融合处理，推动孪生图书馆各个部分的动态运行，有效地反映图书馆各种业务过程。数字孪生一体化平台把物理的、信息的、服务的要素组合在一起，并且将图书馆的服务链整合成为一个有机整体。它能够结合实体图书馆的数据和管理需求，进行数据建模，在孪生图书馆中推演，根据推演反馈结果优化模型，并反作用于实体图书馆，形成虚实双向闭环的优化机制。

智慧图书馆数据应用平台能够与数据孪生一体化平台进行数据交互，多源异构数据统一标准后的孪生数据能够深度挖掘图书馆的隐性知识和服务，实现管理和服务的智慧泛在。智慧图书馆在数据融合的基础上，从不同维度、不同粒度，不同对象进行数据筛选、重组、利用，形成新的智慧应用系统，例如面向图书馆管理的用户管理系统，馆务数据、资源数据、运营数据等数据系统，面向用户的个人资源系统、个人服务系统、图书馆集成检索系统等。通过智慧图书馆数据应用平台提供贴合读者需求的智慧化服务。

这四个部分组成的智慧图书馆数据融合体系的架构如图2所示。

物理实体层是实体图书馆中包含的资源、环境、系统应用和感知设备。该层主要通过RFID芯片、GPS、GIS、图像识别、各类传感器等技术对实体图书馆的馆藏纸本、电子资源，业务系统数据，设施设备、人员机构等环境数据进行采集。物理实体层是数据融合的基础，同时也是系统优化的对象。

网络传输层是实体图书馆和孪生图书馆之间的数据传输的纽带。数据是数字孪生应用的“血液”，没有多元融合的数据，数字孪生应用将失去动力，而大量的数据传输需要更加快速、稳定的网络保障。无线网络Wi-Fi、蓝牙、NFC等近场通信传输技术，以及5G和6G网络的保障是非常必要的。其中6G网络带来的按需服务的极致体验，即插即用的极简网络，使得数字孪生能从理论真正走向实际应用^［1］。

数据融合层主要包含了从物理实体层采集到的图书馆实体数据和服务应用数据、孪生图书馆的模型参数及模型运营数据、数据挖掘产生的数据或领域知识及以上数据经过融合算法处理后的数据。这些数据之前被保存为不同的格式，存储在不同的系统中，在数据融合层经过规范化处理后，形成统一的数据标准格式。该层是数据智慧化应用的前提，为孪生图书馆和数据融合智慧化应用提供标准化数据原料。

数字孪生层是孪生数据应用的直接体现，主要包括数字孪生一体化平台和孪生图书馆。一体化平台通过人员行为、智能资源、能耗优化等模型将实体图书馆的各项数据镜像在孪生图书馆中，将实体图书馆所有数据在虚拟空间中进行全面、立体的可视化展示，并且根据图书馆需求不断优化模型，在孪生图书馆中验证模型有效性，最终实现实体图书馆和孪生图书馆互相感知、协同优化、共生演进。

智慧应用层是在数据融合的基础上开展智慧化服务，是对孪生数据的深度应用。可以为用户提供更加有针对性的定制服务，如个人数据库、个人服务、集成检索、镜像空间服务等，实现图书馆资源服务“千人千面”，即真正的个人图书馆。对于图书馆管理而言，用户数据不再被分成多个孤岛，不同业务系统不再割裂，管理者可以通过多个维度看得更加全面细致，拥有更大的管理格局，通过用户管理、资源、馆务等全数据系统进行智慧化管理，提供智库决策支撑和针对个人及不同群体的专业定制服务。

交互体验层是智慧应用层用户服务的具体延伸。通过体感设备、智能终端、全息投影等方式将数据融合后，可将具象化的服务用多样化的方式呈现给用户。如古籍、医学影像、文献脉络关系等可以通过AR、VR、MR等技术进行可视化展示。通过体感设备提供多感官的体验，既能保护珍贵资源，又使更多的用户获得了生动、形象的资源服务。

4 数字孪生在智慧图书馆数据融合中的应用场景

4.1 面向图书馆用户

数据融合使图书馆成为一片数据的“海洋”，用户的所有数据将不再封装、存储在不同的系统中，图书馆的万千用户可以根据自己的需求灵活地在这片数据的“海洋”中抓取所需的资源和服务。对于不同的用户，图书馆的资源和服务也会所不同，一万个用户存在一万个图书馆，形成真正意义上的个人图书馆。这里用户登录后可以建立、查看和维护纸本、电子文献、多媒体音视频等资源。不同用户的检索习惯、关注焦点等衍生出用户的潜在信息需求，可以选择图书馆提供的可能感兴趣的设备、空间、知识及信息服务推送方案，形成每个用户的服务方案体系。对于图书馆开放的各项数据，不再局限于纸、电资源的统一检索，用户可以集成检索所有信息的数据，快速定位获取图书馆提供的信息服务。个人图书馆中的资源与他人图书馆的资源有交集关联时，可以帮助用户认识阅读兴趣和科研方向一致的同类，形成不同的圈层。这既联结了不同的个人图书馆资源，又增加了图书馆资源的流动性。在孪生图书馆中，不但能够进行孪生图书馆的浏览及使用，还能享受和实体图书馆一样的资源及服务。不同的个人图书馆有虚拟的独立空间，可以进行不同的场景切换，满足用户的各种空间需求，打破实体图书馆物理空间有限且可塑性不强的限制。

4.2 面向图书馆管理

图书馆管理着“数据海洋”。基于这些数据，从不同的维度考量，不仅能够提供更加智慧化的服务，还能建立简单便捷的管理模式。数据融合后，用户的业务数据不再分散，用户数据可以和所有的业务、设施使用情况、馆藏数据进行关联，形成用户管理系统。管理者在这个系统中可以查看一个用户和图书馆相关的所有业务、资源、服务数据，也可以按业务查看用户情况，能够从不同方面了解用户、业务、服务、资源等要素间不同组合方式的内在联系。通过关联聚类，对不同的类别、圈层提供靶向性的服务，增加用户和图书馆的黏性。馆藏资源系统可以深度挖掘文献与文献、文献与用户、用户与用户之间的脉络关系。通过智慧化服务加强有相似研究方向的用户间的联系，形成图书馆科研社交圈层，提高科研团队对图书馆的依赖性。馆务数据的融合能够帮助管理者全面系统地掌控图书馆流通、采编、信息、技术等业务部门间的交互和反馈，了解图书馆的工作推进情况，有利于发现、解决和优化图书馆中机构设置、人员配备、管理制度或流程问题。孪生图书馆中的环境、设备设施的运营数据能够预测实体图书馆的环境变化、设备设施维护等情况，方便提前计划或预警，实现图书馆的人员、设备、楼宇的智能化管理。通过全数据分析系统形成图书馆的决策智库，实现资源、人员等图书馆重要组成部分智慧化管理，对个人及圈层提供专业级定制服务。

5 结语

数据融合是智慧图书馆的重要组成部分，而数字孪生技术能够跳出不同系统间多源异构数据融合的层层壁垒，为数据的统一应用提供了新的思路。数字孪生数据融合优势让图书馆的智慧化建设进入了新的阶段，介于智慧图书馆和元图书馆^［22］之间。鉴于元宇宙技术实际应用的普及情况，这个中间状态具有一定的现实意义。数字孪生在智慧图书馆的数据融合应用能够建立用户的智慧化服务体系，形成图书馆智慧化管理机制。此外，数据孪生作为元宇宙的重要技术，能够推进智慧图书馆向元图书馆的建设进程。

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作者简介：

李庆华（1987— ），女，硕士，馆员，任职于新疆医科大学图书馆。研究方向：智慧图书馆。

洪丽平（1989— ），女，硕士，馆员，任职于新疆医科大学图书馆。研究方向：数据挖掘。

徐姗姗（1990— ），女，硕士，馆员，任职于新疆医科大学图书馆。研究方向：文献服务、阅读推广。

杨荣成（1992— ），女，硕士，助理馆员，任职于新疆医科大学图书馆。研究方向：图书馆服务。