数字孪生图书馆：基于数字孪生技术的新型智慧图书馆建设
【摘要】 ?数字孪生技术是2020年的五大技术趋势之一，它与智慧图书馆相结合催生数字孪生图书馆，是推进新型智慧图书馆建设的新思路。文章对数字孪生技术的定义、特征和技术架构予以介绍，分析数字孪生技术在智慧图书馆建设中的应用价值与场景，对数字孪生图书馆的内涵和运行机制进行描述，提出推进数字孪生图书馆落地的策略。
【关 ?键 ?词】数字孪生;图书馆;智慧图书馆;运行机制
【作者单位】赵艺扬，郑州大学新闻与传播学院。
【基金项目】国家留学基金委资助（CSC NO.201807040020）。
【中图分类号】G250.7【文献标识码】A 【DOI】10.16491/j.cnki.cn45-1216/g2.2020.10.024
建设智慧城市，是推进城市治理体系和治理能力现代化的重要举措。作为智慧城市建设的重要组成部分，图书馆肩负着智慧城市信息处理中心的重任[1]，诸多图书馆也明确提出了智慧图书馆建设方案。德勤发布的《技术趋势2020报告》中文版提出，2020年的五大技术趋势之一为连接现实与数字世界的数字孪生技术。2017年，中国信通院首次提出“以数字孪生城市推进新型智慧城市建设”的创新理念。在2019年中国数博会上，“数字孪生城市”概念受到各界广泛关注。数字孪生城市是城市信息化发展的高阶阶段，这一阶段以物联网、人工智能、虚拟现实、大数据等技术的综合运用为主，形成与物理城市相对应的数字孪生城市，充分利用前期形成的城市全域大数据，为城市综合决策、智能管理、全局优化等提供支持。如果数字孪生技术与智慧城市结合可以形成新型智慧城市建设的创新理念，那么，数字孪生技术是否能应用于智慧图书馆建设，具体应该如何操作？本文将对此问题进行探讨。
一、数字孪生概述
关于数字孪生还未有统一定义，国外研究机构包括德勤、埃森哲、密歇根大学等都对其进行过研究和界定，国内的专家学者如宁振波、赵敏、林诗万、陶飞等也对其做过定义。本文选用中国电子信息产业发展研究院（赛迪集团）推出的《数字孪生白皮书（2019）》中对数字孪生的定义，即数字孪生是综合运用感知、计算、建模等信息技术，通过软件定义，对物理空间进行描述、诊断、预测、决策，进而实现物理空间与赛博空间的交互映射[2]。
数字孪生技术具有五大典型特征。一是数字驱动。数字孪生的本质是在比特的汪洋中重构原子运行轨道，以數据的流动实现物理世界的资源优化。二是模型支撑。数字孪生的核心是面向物理实体和逻辑对象建立机理模型或数据驱动模型，形成物理空间在赛博空间的虚实交互。三是软件定义。数字孪生的关键是将模型代码化、标准化，以软件的形式动态模拟或监测物理空间的真实状态、行为和规则。四是精准映射。数字孪生通过感知、建模、软件等技术，实现物理空间在赛博空间的全面呈现、精准表达和动态监测。五是智能决策。未来数字孪生将融合人工智能等技术，实现物理空间和赛博空间的虚实互动、辅助决策和持续优化。
数字孪生的技术架构分为物理层、数据层、模型层和功能层。从应用视角来看，数字孪生主要应用于智能工厂、车联网、智慧城市、智慧建筑、智慧医疗等应用场景;从功能视角来看，主要包括描述、诊断、预测、决策四个能力等级;从部署视角来看，主要包括设想、确定方案、试运行、产业化、效果后评价五个阶段。
二、数字孪生技术应用于智慧图书馆建设的价值与场景
1.数字孪生技术在智慧图书馆建设中的应用价值
数字孪生技术将图书馆物理空间与虚拟空间有机衔接，全面感知图书馆物理环境，建立了智能舒适的阅读和学习环境，实现了二维三维一体、虚实一体的图书馆精细化管理，为图书馆实现实时交互、精准服务和满足用户个性化需求提供了可能。
由于数字孪生技术通过模型与用户交互，因此网络形态的知识需要转化为用户可以理解和接受的可视化形态。未来，图书馆空间和系统都拥有智慧化的特征，通过主动感知和动态监测形成对某一用户、资源或服务的深度洞察。数字孪生技术加持下的智慧图书馆进入了图书馆信息化发展的高阶阶段。微观上，数字孪生技术下的智慧图书馆会形成了用户—用户孪生体、用户孪生体自演化、用户—物孪生体、物孪生体自演化四种形式，使用户与其孪生体、群体孪生体、空间或系统孪生体之间形成数据交换与群智协作[3]，从而使图书馆的资源、服务、空间和活动以具象化的形式来满足用户的个性化需求，帮助图书馆改进资源和服务，帮助用户改善和提升自身，以更好地获取知识。中观上，图书馆物理空间中的所有功能和设施将被激活并构建孪生画像，为用户提供自适应个性化空间，同时与社会各领域进行连接，使图书馆成为重要的知识管理和服务平台。宏观上，数字孪生技术下的智慧图书馆与数字孪生校园、数字孪生城市等进行连接，成为未来数字孪生时代的重要组成部分。
2.数字孪生技术在智慧图书馆中的应用场景
数字孪生技术在智慧图书馆中的可应用领域繁多，正处于无限设想阶段，笔者无法穷尽，只能做简单的场景划分与描述。首先，图书馆可以通过数字孪生体即数字孪生模型来对图书馆资源进行优化配置，提升图书馆设备的使用效率。如通过数字孪生体对物理图书馆的空间利用进行合理分配，对物理图书馆的软硬件设施进行全生命周期监测与管理以及定期检测，及时排除故障，保障设备的正常运转。其次，数字孪生体可以作为物理图书馆的可视化工具，助力图书馆创客空间建设。如用户可以通过VR、AR等技术进入沉浸式的可视化场景，在高仿真环境下对知识进行自由探索、应用与创造，满足其个性化需求。再次，通过馆员孪生体建设更好地为用户服务，以最快的速度和最低的成本解决用户在检索和阅读过程中出现的各种问题。此外，馆员孪生体还可以实现图书馆在线学习功能，与用户实时互动，为用户提供个性化的知识体系。最后，可建立图书馆能耗系统的数字孪生体，对图书馆能耗进行精细化和可视化管理，以及建立馆员、用户、空间与系统的能耗关联，辅助建设绿色图书馆。
三、数字孪生图书馆的运行机制
1.数字孪生图书馆的内涵
数字孪生图书馆是指综合运用感知、计算、建模等信息技术，通过软件定义以及对图书馆物理实体空间进行描述、诊断、预测、决策，进而在虚拟信息空间中构建与物理图书馆实体完全映射的数字孪生模型，以在“人—机—物—环境”智能交互融合环境中实现数字孪生模型—物理实体实时双向映射的一种新型智慧图书馆。
数字孪生图书馆是数字孪生技术在图书馆层面的应用，通过数字孪生模型可以在网络虚拟信息空间中完全映射出物理图书馆内部的复杂生态系统，呈现真实的运行状况，诊断运行问题，预测运行轨迹，调整运行方向，从而实现物理图书馆与虚拟图书馆之间的实时双向映射和动态交互反馈，并在物联网、大数据、云计算、区块链、人工智能、空间通信、全息智能交互、多感官混合现实等信息技术支持下，实现图书馆全要素虚拟化与数字化、服务状况可视化与实时化、管理决策智能化与协同化，从而形成物理图书馆与虚拟图书馆之间的协同交互、同生共存、虚实交融的发展新模式。
2.数字孪生图书馆的运行机制
数字孪生图书馆的运行主要依靠物理图书馆、虚拟图书馆、数字孪生系统与图书馆孪生大数据四部分，如图1所示。
（1）物理图书馆是现实世界中图书馆的实体集合，包含图书馆、资源与用户等，主要负责接收数字孪生体系所下达的各类数字化执行任务，并按照图书馆数字孪生模型模拟仿真后计算出最佳执行策略，执行相应实体的建设、管理与服务任务，需具备较强的多源异构数据智能传感互联和实时交互感知能力，以及“人—机—物—环境”要素建设与融合能力。
（2）虚拟图书馆是图书馆物理实体在虚拟信息空间中的数字化映射，其实质是图书馆所有资源与过程的数字模型集合。该模型包括对人、机、物、环境等数字化、模型化的生产要素模型，对建设、管理和服务行为的时序性、并发性、相关性进行映射的行为模型，以及依据图书馆复杂的运行与发展规律建立的执行、优化、预测、溯源、评估等规则模型。
（3）数字孪生系统是图书馆孪生大数据驱动下各类数据、服务、应用、业务、模块与规则的系统功能集合，主要负责整个体系的执行部署、规划设计、执行监控的智能化管控与协调。
（4）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驱动力，主要由物理图书馆大数据、虚拟图书馆大数据、数字孪生系统大数据以及三者融合产生的大数据等组成[4]。
数字孪生技术是实现物理图书馆与虚拟图书馆之间信息融合的一种有效方法，从三个方面拓展了图书馆的未来发展模式：（1）采用数字化、智能化技术与方法在物理图书馆之外构建了一个物理特征、内容特性、性质属性、业务逻辑与运行机理完全一致的数字孪生模型——虚拟图书馆;（2）引入虚拟图书馆，使所有资源、用户、管理、服务与过程等要素都可在其中呈现，使物理图书馆与虚拟图书馆能够有效实现实时映射与交互;（3）客观直接地实现了虚实交融、協同交互、同生共存的先进理念与执行策略。
四、推进数字孪生图书馆落地的策略
1. 顶层设计
世界主要发达国家已经将数字孪生技术作为国家数字化转型的新抓手，我国也先后提出“雄安新区数字城市”“杭州数字大脑”等建设目标。美国的特斯拉、福特，日本的丰田、本田，德国的西门子以及中国的百度、华为、腾讯、阿里巴巴等公司先后将数字孪生提升到企业战略高度的位置，可见其重要性。我国要做好数字孪生技术发展规划和设计，不仅要持续出台一系列优惠政策和措施，从财税和融资等各方面加大对数字孪生技术产业的支持力度，扶持龙头企业，树立示范项目，推动数字孪生技术的普及;还要组织专家团队、科研院所、骨干企业进行集体攻关，不断完善技术，争取掌握核心技术，优化生产工艺，努力降低生产和使用成本[5]。
2. 技术操作
要立足于图书馆系统本身，物理图书馆中运行成熟的管理系统，负责设施的管理、资源的管理、人员的管理和业务的运转，将这些管理系统进行实景三维建模，建立与之对应的信息模型，并将已经成熟运行的管理系统叠加到信息模型上，以信息模型集成各类数据对管理系统进行重塑，实现从二维到三维、从平面到立体、从静态到动态的升级，使管理更加可视化、精细化、智能化。越来越多的图书馆管理系统与三维信息模型进行嫁接，可以实现管理能力的快速升级。
3. 人才培养
专业人才是创新的主力军，是行业发展的决定性力量。数字孪生技术涉及物联网、大数据、云计算、区块链、人工智能等众多新技术。随着数字孪生城市、数字孪生医疗、数字孪生农业等建设的加速，各行各业对数字孪生技术人才的需求缺口加大，培养和储备数字孪生技术人才显得刻不容缓。
国家层面，要加大对数字孪生技术人才的培养力度，打造多层次、多类型的专业人才队伍体系。首先，要在高等学校、职业学院中开设数字孪生技术专业，通过相关教学与实践对人才进行系统化培养。其次，要建立国家、地方各级数字孪生科研中心、实训基地，鼓励社会各界学者、科研人员、企业开展应用研究和技术攻关，在实践中培养实用型人才。再次，要推动国际交流与合作，与国际接轨，培养高层次人才。
图书馆层面，要加快自身数字孪生技术人才队伍建设。首先，要与科研单位、软件公司、设备供应商进行紧密合作，通过相关产品和服务的使用培训提升馆员技能，使其尽快发展成为数字孪生技术的实用型人才。其次，要加强与各类型图书馆、档案馆、文化馆、科技馆、博物馆等文化机构的交流合作，关注行业内数字孪生技术应用的成功案例，积极组织相关人员进行实地观摩和学习。再次，要积极引进具有数字孪生技术背景的高层次人才到图书馆工作。
图书馆的每次变革都伴随新技术的驱动：计算机技术、互联网技术和移动信息技术推动了数字图书馆、移动图书馆的发展，物联网、大数据技术、云计算、人工智能、机器学习、区块链等技术推动了智慧图书馆的出现与发展，数字孪生技术的出现将智慧图书馆推向更高阶的信息化阶段。图书馆应抓住技术变革的重要机遇，积极探索，勇于实践，以数字孪生技术为突破口和支点，通过与图书馆各项业务的深度融合，加速推进数字孪生图书馆的落地，以推动智慧图书馆向数字孪生图书馆的转型升级。
|参考文献|
[1] 任娟莉，王若鸿. 5G布局下图书馆多场景VR服务构建[J]. 出版广角，2019（18）：70-73.
[2] 赛迪：2019年数字孪生白皮书 [EB/OL]. （2020-01-15）[2020-03-24]. http：//www. 199it. com/archives/988856. html .
[3] 孔繁超. 基于数字孪生技术的智慧图书馆空间重构研究[J]. 情报理论与实践，2020（2）：21-31.
[4] 秦晓珠，张兴旺. 数字孪生技术在物质文化遗产数字化建设中的应用[J]. 情报资料工作，2018（2）：103—111.
[5] 武洪兴. 基于物联网的智慧图书馆应用构想[J]. 图书馆工作与研究，2020（3）：85-91.
