高校图书馆5G 沉浸式智慧空间建设体系研究*——以中国矿业大学图书馆建设需求为例

边永涛 尹良伟 王 静 姜元鹏

0 引言

随着大数据、云计算、人工智能等新兴技术的快速发展和广泛运用，人类社会逐步进入智能化时代。尤其是近几年5G 第五代移动通信技术技术的飞跃式发展，为智慧空间融入图书馆智慧服务体系创造了良好的条件。党中央、国务院高度重视5G 发展，多次做提出要加快5G 等新型基础设施建设，丰富5G 技术应用场景。在这一背景下，图书馆正经历着向智慧化方向发展的转变。当前公共图书馆和高校图书馆普遍聚焦于智慧图书馆建设，这成为今后图书馆实现智慧化转型和发展的重要推动力。目前，部分高校在智慧校园建设中融入5G 应用，产生了良好的效果。然而，相比于智慧校园建设，高校图书馆鲜有较大规模的5G 应用案例。究其原因在于图书馆5G 应用尚处于理论研究阶段，缺少系统性的建设方案和较为清晰的建设路径。本研究针对上述问题，以中国矿业大学图书馆为例，对智慧图书馆发展趋势、高校5G 推广现状、沉浸式空间的典型场景应用及图书馆5G 专网架构设计开展研究，归纳出高校图书馆5G 沉浸式智慧空间建设体系，为今后高校图书馆智慧空间建设及5G 技术在智慧图书馆的落地实施提供一定的思路和借鉴。

1 5G 图书馆发展及存在问题分析

1.1 智慧图书馆发展趋势

既有文献显示，国内外对于智慧图书馆的研究大致经历三个阶段。

（1）从国外智慧图书馆概念的提出到国内学者的深层次研究。自芬兰学者Aittola M 在2003 年提出“SmartLibrary”即“智慧图书馆”概念以来，智慧图书馆逐渐走近人们的视野。随着信息技术的发展，图书馆先后历经了传统图书馆、复合图书馆、数字图书馆和智慧图书馆几个重要的发展阶段[1]。智慧图书馆融合智慧服务的理念和技术两大要素，借助新理念和新技术为读者提供智慧化、个性化服务[2]。智慧图书馆将智慧化理念注入图书馆的各个层面，是物联网技术与数字图书馆相结合形成的新型发展模式[3]。

（2）借助5G、物联网等新技术手段促进服务创新。智慧图书馆的构建以读者为中心，通过技术手段获取读者信息，提取读者特征，并为读者提供主动式服务。5G、物联网等技术对智慧发展具有重要的支撑与推动作用[4]，将会成为图书馆服务模式创新发展的重要途径。同时，5G 时代的信息服务将是多平台协同工作、数据有效共享、提供高速存取和计算，并且具备快速响应能力[5]。

（3）提出智慧空间理论，并应用于图书馆建设实践。国外学者提出“空间即服务”理论，并且予以大胆尝试（荷兰国家图书馆、芬兰赫尔辛基图书馆、洛克菲勒大学图书馆、新加坡国立图书馆、西伯利亚联邦大学科学图书馆）[6]。国内学者提出“空间再造”理论，空间再造包含物理空间、虚拟空间、创新空间和智慧空间，依托5G 等新技术将空间再造与智慧服务相融合，优化图书馆服务模式，是当前图书馆实现转型与发展的重要途径[7-8]。

1.2 5G 图书馆发展及存在问题分析

随着新一代通信技术5G 的加快部署，5G应用已由传统工业制造逐步向文化教育等领域扩展，推动社会全要素、全链条的深刻变革。我国高度重视5G 发展，并将其纳入国家战略[9]。在5G 图书馆的建设方面，国内学者对于智慧图书馆的研究虽然起步较晚，但对于5G、物联网等新技术与智慧图书馆的融合应用认识更为深刻，进步更加显著。尤其是最近几年，与智慧图书馆、5G 图书馆建设相关的研究论文数量明显多于国外。在智慧图书馆、5G 图书馆研究取得巨大进展的同时，我们也注意到其中的一些不足之处。2021 年复旦大学建成“5G 虚拟校园网”[10]，南京邮电大学建成“5G 校园专网”[11]。相比于5G 技术在智慧校园中的应用，5G 技术在智慧图书馆的应用推广较为滞后，目前尚未见较大规模案例。刘晓峰对近五年基于5G 技术的图书馆研究文献做了梳理，认为基于5G 技术的图书馆研究已引起图书情报领域专家高度重视，但当前对5G 智慧图书馆的应用研究尚停留在理论层面，缺乏具体的建设实践方案[12]。今后在5G 技术与智慧图书馆的建设方面，应加强方案的整体性和典型场景应用研究。通过构建较为完善的建设体系，切实解决智慧图书馆建设需要面对的问题。

2 沉浸式智慧空间建设理念

在图书馆早期的空间设计中，主要注重学习氛围的营造。比如空间布局合理，错落有致，灯光柔和，让人能够在安静舒适的环境下进行读书和学习。然而，随着互联网、短视频、游戏App、娱乐信息的普及，使得影响人们阅读学习的因素除了学习本身，还有身边的环境因素。现代图书馆设计中更多关注读者的体验感，在空间营造方面融入更多的沉浸式设计元素。“沉浸式”指的是人们在参与活动时全身心融入设计者所营造的情境之中，注意力高度集中，能够有效屏蔽周边不相关因素，进入一种沉浸式状态。沉浸式技术的综合运用，使读者在亲身参与中实现良好互动，也让知识的呈现更加生动有趣。

在智慧图书馆建设过程中，图书馆通过加强智慧空间建设研究，将沉浸式智慧空间作为读者获取知识途径的一个有效补充，创新服务模式，提升服务质量。在沉浸式智慧空间打造方面，目前业界存在多媒体交互技术、机械控制装置技术、虚拟现实技术和空间传感技术等四种主流实现方式[13]。其中，多媒体交互技术主要由文字、图片、多媒体互动和触控屏等组成，是使用较为普遍的一种沉浸式空间构建方式。机械控制装置技术则是在多媒体交互技术的基础上，通过增加自主操控装置，实现与多媒体设备的互动虚拟现实技术（简称VR）是指借助多媒体投影和计算机技术，通过多通道投影融合，利用虚拟环境全息投影，生成逼真三维视觉空间幻影成像的展示手段。空间传感技术则是在虚拟现实基础上的进一步提升，通过动态传感设备与后台高速运算，读者有效肢体动作（步态、手势、语音等）能够得到媒体的动态反馈，由此获得的体验感与参与感更为强烈，对知识的诉求与获取也变得更加容易。

3 图书馆沉浸式智慧空间典型应用

图书馆沉浸式智慧空间建设应以学科发展为导向，以读者服务为宗旨，在项目建设过程中紧密结合高校专业特色、图书馆服务特色，借助典型场景应用，帮助读者了解学科前沿信息，巩固所学知识。根据中国工业大学（简称“中国矿大”）图书馆矿业服务特色，结合业界主流沉浸式空间建设模式，拟重点以“弧幕漫游”“魔墙互动”“AR&VR 互动体验”“全息互动投影”“5G 空间定位导航服务”等五大特色应用为主，开展项目研究。

（1）弧幕漫游。“弧幕漫游”采用弧幕投影，结合环境光线、立体音响设备、投影视频的特殊处理，可以获得超强的体验感和沉浸感。采用弧幕漫游，结合校情校史制作第一视角宣传片，可以帮助读者更好地了解学校历史、文化及学习环境。结合图书馆业务工作，制作带入性强的宣传片，可以帮助读者了解服务流程，更好地利用图书馆相关资源。结合矿业学科研究方向，制作矿井环境体验、采煤工作流程展示等专业教学视频，可以帮助读者更好地了解我校专业特色，巩固所学知识。

（2）魔墙互动。“魔墙”通过高分辨率、高饱和度显示，结合多点触控技术，使其具备多窗口、多内容动画交互特效。读者可根据兴趣对展示内容进行拖拽浏览，也可手写识别查询特定内容或通过扫码获得良好的数字化展示、信息查询体验及辅助虚拟导览服务。采用魔墙可以对学科专业设备图片、视频等进行动态展示，便于读者及时获取最新知识。可以对学校文化保护价值较高的数字化文献资源、学者著作等内容进行互动展示。可以对图书馆与各界的合作、协作与交流情况进行动态展示，呈现项目成果及未来发展愿景。

（3）AR&VR 互动体验。在“AR&VR 互动体验”区，读者通过与屏幕投影等载体的互动，用手势动作对展示内容进行抓取和浏览，从而实现交互式体验。该空间对虚拟仿真教学、文化遗产保护等特色资源进行定制设计，借助AR/VR[14]设备可同时进行多人交互式体验。读者个人移动终端（手机、平板等）安装AR 软件，可在特定区域体验AR 资源。

（4）互动投影。“互动投影”是虚拟现实与动感捕捉技术的结合，通过逼真的视觉效果和美妙的动感体验让信息变得触手可及，使读者在操控虚拟影像的过程中欣然接受媒体所传递出的信息。同时，采用互动投影，对井下矿山、工程机械等实现虚拟互动，这种信息从传统单向传播到双向互动的转变，更容易让读者产生情感上的共鸣。在带来沉浸式体验的同时，也更容易激发读者对知识的热爱。

思想政治教育接受研究是思想政治教育研究的重要内容之一，它改变了过去仅以“授”为考虑的研究思路，凸显“受”的规律探讨的重要性，具体探讨思想政治教育接受中存在的问题、隐含的规律。它的理论前提是受教育者主体性的发现，它的理论背景是市场经济条件下人的生存方式的改变，它的研究目的是在新的时代背景下如何提升思想政治教育的实效性。

（5）5G 空间定位导航服务。由于传统导航精度的局限性，位置导航服务一般集中于室外区域。5G 技术诞生以来，其“高带宽、低延时、广覆盖、高容量”的特性，为复杂室内环境下的位置导航服务提供了条件[15]。借助“5G空间定位导航”[16]，可以定位读者在图书馆的实时位置，为读者提供个性化信息引导服务，包括新书发现、周边座位、智能设备、图书馆文化、制度提醒、馆藏定位、智能导览、资讯推送等，帮助读者更好地利用图书馆资源。

4 5G 沉浸式智慧空间系统架构设计

4.1 图书馆5G 专网部署模式

在沉浸式空间建设方面，沉浸感是随着VR 视频交互感的提升而不断增强的过程。现阶段8KVR 视频强交互模式下运动感知时延应小于10ms，弱交互模式下运动感知时延应小于20ms[17]。传统网络难以实现如此高的低时延特性，而5G 专网较好地解决了高带宽、低时延等问题。根据3GPP R16 标准定义[18]，5G 专网分为独立部署模式和公网集成模式。独立部署模式一般需要为网络分配专用频段，由建设方自主建设和运维，不与组织外的机构产生共享，这样的网络被称为“5G 独立专网”。公网集成模式，根据与公网共享程度不同，又分为“与公网端到端共享”和“与公网部分共享（共享RAN 或者是共享RAN 及核心网控制面）”[19]两类。公网集成模式由运营商建设，运维则由运营商和使用方协商进行，具有灵活和快速的优势。与之相对应的网络被称为“5G 虚拟专网”和“5G 混合专网”[20]。

综合考虑建设成本、建设周期、网络性能及运维服务等相关因素，我校图书馆5G 专网优选“5G 混合专网”建设模式。此模式降低了5G 专网部署和管理的复杂度，5G 专网由运营商承建，可以对网络基础设施建设提供良好的技术支持。另外，通过物联网终端直接访问下沉的一体化UPF 和MEC 平台[21]，通过构建虚拟本地RAN 局域网，实现数据不出园区，“本地业务本地解决”，这在提高处理效率的同时有效增强了网络安全与数据安全[22]。图书馆5G 专网组网模式，如图1 所示。

图1 图书馆5G 专网组网模式

4.2 5G 沉浸式智慧空间系统架构设计

5G 沉浸式智慧空间架构分为三个层次，从上往下依次为5G 核心网络、5G 边缘网络和沉浸式智慧空间应用。5G 核心网络是5G业务运行的主体，主要负责MEC 业务管理，运维管理，同时为5G 专网业务运行提供云边协同与运营支撑服务。5G 边缘网络为5G 专网业务运行提供MEC 网络传输、运算能力及应用管理等服务。在上述二个架构的基础上，沉浸式智慧空间应用则直接面向读者，提供沉浸式体验服务。以混合组网为基础的5G 沉浸式智慧空间系统架构，如图2 所示。

图2 5G 沉浸式智慧空间系统架构

该系统架构的各业务运行主要依托图书馆或校园数据中心。MEC 资源的就近部署，为沉浸式智慧空间应用提供了良好的计算和传输服务。网络端到端时延有效控制在15 毫秒以内，部分场景时延甚至小于10 毫秒。这可以充分满足高清视频、VR&AR 互动体验、互动投影及5G 空间定位导航等业务发展需求。

基于混合式组网的5G 沉浸式智慧空间系统架构设计，至少从十个方面体现出应用技术优势，具体归纳为：①良好的网络调用能力；②良好的网络接入能力；③良好的专线扩展能力；④良好的业务部署能力；⑤良好的业务开放能力；⑥良好的自助管理能力；⑦良好的云边协同能力；⑧良好的应用支撑能力；⑨良好的业务集成特性；⑩良好的运维管理特性。

5 5G 沉浸式智慧空间建设体系构建

5.1 5G 沉浸式智慧空间建设路径模型

在智慧图书馆建设中要从过程和结构两个维度构建5G 融合应用智慧空间模型。（1）遵循系统开发规律，建立包括“应用现状分析→应用需求分析→系统架构设计→评估体系构建→完善建设方案”五个阶段动态流程的建设模式，分阶段提出应用对策和解决方案。（2）以“业务需求”“用户身份”“设备类型”“空间场景”为需求结构性要素，以“行业典型案例”“5G特性”为技术结构性要素，强调结构性要素在整个系统周期的需求导向作用。（3）以项目建设的五个阶段为载体，围绕结构要素需求，通过过程、结构的双向耦合，形成5G 融合应用的协同关系，其建设路径模型如图3 所示。

图3 5G 沉浸式智慧空间建设路径模型

5.2 5G 沉浸式智慧空间建设内容

依据所构建的5G 沉浸式智慧空间建设路径模型，按照“先建设后使用”的原则，以中国矿大图书馆大楼5G 物联网建设为例，从“基础设施建设”（5G 转网，5G 接入）和“典型场景应用”（沉浸式阅读空间、空间定位导航、智能送书）两个层面，进行全生命周期项目管理。5G 沉浸式智慧空间建设内容如图4 所示。

图4 5G 沉浸式智慧空间建设内容

在基础设施建设层面，从“建网”和“用网”角度，对“5G 专网建设”和“5G 物联网接入”两项内容开展研究，形成相应解决方案。

（1）5G 专网建设。①针对“建筑结构”、“功能分区”和“人员分布”等，进行建设需求分析；②整理与专网建设相关的5G 边缘计算（MEC）、用户面功能（UPF）和网络功能虚拟化（NFV）、5G 基站等相关文献，结合典型行业应用案例，进行技术路线研究；③完成系统架构设计、基站分布规划和产品选型评估；④汇总研究成果，形成系统化的图书馆大楼5G 专网建设方案。

（2）5G 物联网接入。①根据业务属性和网络接入特征，对图书馆物联网设备进行定性分析；②整理5G、网络安全等相关文献，结合典型行业应用案例，进行技术路线研究；③完成系统架构设计、网络安全规划和产品选型评估；④汇总研究成果，形成普适性物联网设备接入方案。

在典型场景应用层面，根据基础设施建设研究成果，结合我校图书馆建设需求，着重对“5G 沉浸式阅读空间”“5G 空间定位导航”“5G智能送书服务”三种典型场景应用开展，形成相应解决方案。

（1）5G 沉浸式阅读空间。重点从“弧幕漫游”“魔墙互动”“AR&VR 互动体验区”“全息互动投影”“特色资源加工”等五大特色应用开展。针对5G 特性，结合典型行业应用案例，进行技术路线研究。针对各应用完成系统架构设计、业务流程设计和产品选型评估。汇总研究成果，制定5G 沉浸式智慧空间建设方案。

（2）5G 空间定位导航。重点从“电子导视”“手机导航”“图书导览”等三个特色应用开展。整理室内定位导航、5G 特性相关文献，结合典型行业应用案例，进行技术路线研究。完成系统架构设计，业务流程设计和产品选型评估。汇总研究成果，制定5G 空间定位导航建设方案。

（3）5G 智能送书服务。课题借鉴物流无人配送系统的设计理念，在校园内利用5G 智能送书车为读者提供预约送书服务。“无人车”业界已有相对较为成熟的产品与技术，本研究主要借助5G网络特性，结合典型行业应用案例，完成系统架构设计和业务流程设计。汇总研究成果，制定5G 智能送书服务建设方案。

6 结语

以“5G 混合专网”为基础的5G 沉浸式智慧空间系统架构，有效降低了5G 专网部署和管理的复杂度，显著提高了系统运行效率，切实增强了系统安全性。同时，5G 沉浸式智慧空间建设体系需求明确，规划清晰，设计合理，可以为高校图书馆智慧空间建设及5G 技术在智慧图书馆的落地实施提供一定的思路和借鉴。对高校图书馆来讲，5G 沉浸式智慧空间建设是一种全新的尝试，需要不断研究和完善。在项目推进过程中，要积极探索5G 与智慧图书馆融合发展的建设路径、管理方式、推进模式和保障机制，创新建设和运营模式，注重激发图书馆活力，建立可持续发展机制。同时与二级学院、信息化管理部门、设备提供商、电信运营商等建立协同机制，群策群力，共谋创新发展之路。