数字孪生图书馆理论模型、服务场景及未来展望*

2023-12-14朱红艳

图书馆 2023年11期

朱红艳王静

（中国矿业大学图书馆江苏徐州 221116）

0 引言

伴随着5G、物联网、大数据和人工智能等新一代信息技术的不断发展和深化应用[1]，数字孪生技术在工业制造、航空航天、医疗器械等领域得到广泛应用。2021 年3 月，国家“十四五”规划纲要明确提出了要“探索建设数字孪生城市”的目标，为数字孪生技术在城市规划和管理中的应用提供了战略指引[2]。随后，国家陆续印发了一系列规划文件，包括信息技术、工业生产、建筑工程、水利应急、综合交通等领域的“十四五”规划，为各领域如何利用数字孪生技术推动经济社会高质量发展做出了战略部署。

数字孪生技术已成为国家数字化转型的重要手段之一，被世界主要发达国家广泛采纳。通用电气（GE）在航空航天、能源、医疗等多个领域应用数字孪生技术。例如，在航空领域，GE 利用数字孪生技术对飞机引擎进行虚拟建模和监测，实时分析引擎性能和健康状况，预测潜在故障并进行优化维护。在能源领域，GE 数字孪生技术可用于电力设备的监测和管理，实时分析设备运行数据，优化发电效率并降低故障风险。此外，特斯拉、福特、丰田、本田和西门子等公司也将数字孪生技术视为企业战略的重要组成部分，进一步凸显了其重要性和应用前景。欧洲联盟提出了名为“Destination Earth”的项目，旨在建立一个数字孪生地球，以支持可持续发展和环境保护。该项目利用先进的科技手段，将地球的物理、生态和社会系统建模为一个全球性的数字模型。通过整合和分析气象、地理、生态、经济和社会等各领域数据，并运用人工智能、大数据分析和模拟技术，数字孪生地球模型提供了多维、跨尺度的数据，帮助人们深入了解地球上不同系统之间的相互影响和复杂性。可见，数字孪生技术在实现可持续发展和推动各领域创新方面具有巨大潜力。随着技术不断进步和应用范围扩大，数字孪生将为企业和社会带来更多机遇和发展空间。

数字孪生概念还在不断地演化和变化的过程中，不同的领域对它有不同的定义和解释。总体而言，数字孪生是指物理实体、系统或过程的虚拟数字副本。它可以被看作是一个具有实时数据、模型和算法的数字映射系统，用于模拟、分析和优化物理实体的性能、行为和决策过程。

数字孪生图书馆作为数字孪生城市的重要组成部分，具有极大的创新性[3]。然而，在智慧图书馆的建设实践中，对数字孪生的实质内涵和运作模式尚未形成统一认识。基于数字孪生技术探讨图书馆智慧服务的范式重构、场景应用等方面[4]，对智慧图书馆理论与实践发展具有前瞻性意义。本文旨在研究数字孪生图书馆的体系构建、应用场景、面临的机遇和挑战，以及未来的发展方向，为数字孪生图书馆的发展提供有益的探索和建议。

1 数字孪生理论模型

1.1 三维模型

2011 年，Michael Grieves 教授正式提出了数字孪生的概念[5]，将其定义为由物理实体、虚拟体以及物理实体与虚拟体之间的数据交互接口组成的系统体系。该概念的核心思想是通过将实际物理实体与其数字化的虚拟表示相结合，实现实体的实时监测、仿真分析和优化决策。

1.2 五维模型

1.2.1 数字孪生五维模型

2017 年，北京航空航天大学的陶飞等人提出了数字孪生五维技术模型，包括物理实体、虚拟体、孪生数据、连接和服务。该模型通过对物理空间中的目标体进行建模和仿真等过程，在虚拟空间中生成了对应的“虚拟体”，并实时记录和显示物理实体的各项参数。同时，它利用相关数据对物理实体进行分析、诊断、升级与预测[6]。这个五维技术模型强调了物理实体、虚拟体和孪生数据之间的关联和交互，以及连接和服务模块的作用。

1.2.2 数字孪生图书馆五维运行模型

基于陶飞等提出的数字孪生理论模型，并结合图书馆业务实际，王璐等人提出了数字孪生图书馆五维运行模型[7]（见图1）。数字孪生图书馆由物理实体、虚拟体、孪生数据、数字孪生服务以及实时双向映射与交互的连接五部分组成，构成了一个数字孪生体。孪生数据是从物理实体和虚拟体中获取的实时数据，包括图书馆的访问数据、借阅数据、馆藏数据等。这些数据用于更新虚拟体的状态，并提供给连接和服务模块进行分析和处理。服务模块利用孪生数据进行分析、个性化推荐、互动交流等任务。通过服务模块，图书馆可以提供在线资源检索、远程学习环境、虚拟展览等服务，以满足用户需求并提升用户体验。

图1 数字孪生图书馆五维运行模型

2 数字孪生图书馆研究综述

数字孪生技术作为新兴的智能化技术[3]，为图书馆的创新服务和发展提供了新的思路和动力，专家学者们从不同的视角进行研究，积极探索数字孪生环境下的图书馆管理模式、服务方式以及发展机遇[8]。我们将“数字孪生图书馆”作为研究主题，通过对检索到的文献进行梳理，总结出有关“数字孪生图书馆”研究的热点和趋势[8]。

2.1 研究概况

通过在中国知网“中国期刊全文数据库”中进行检索，使用检索式“篇名=‘数字孪生’ ＊ ‘图书馆’ + 关键词=‘数字孪生’ ＊ ‘图书馆’”，截至2023 年4 月27 日，共得到26 条相关数据。从数据中可以得知，数字孪生图书馆从2020 年开始受到学者关注，2020 年发文5 篇，2022 年发文最多，为13 篇，这表明2022 年数字孪生图书馆的研究在图情领域开始蓬勃发展。根据知网数据推测，2023 年以数字孪生图书馆为主题的论文将达到16 篇。

自数字孪生图书馆的概念提出以来，相关研究还在不断延伸和发展[1]，数字孪生图书馆的理论模型以及数字孪生技术在图书馆的应用成为数字孪生图书馆研究的主要关注点[8]。

2.2 研究热点

通过研读文献资料，我们发现目前国内学者关于数字孪生图书馆的研究主要关注以下5 个方面：

2.2.1 模式研究

数字孪生图书馆是图书馆未来的发展模式，学者们对数字孪生图书馆的定义、范围、应用等进行了理论研究。研究者张艳丰等研究了“云数智”融合视域下数字孪生图书馆场景化服务模式[9]。另外，冯川玉等研究了数字孪生图书馆的系统模型，基于图书馆用户服务的个性化与精准化需求，分析了数字孪生图书馆的服务场景，设计运行机制，并提出了服务模式[3]。

2.2.2 体系架构

专家学者着重探究如何构建数字孪生图书馆的架构体系。王璐等提出了数字孪生图书馆的五维模型[7]。有学者提出数字孪生图书馆智慧管控系统模型，并从物理图书馆、虚拟图书馆、图书馆孪生大数据、孪生智慧管控平台4 个方面进行了阐述[10]。此外，研究者翟秀凤等提出了数字孪生图书馆虚实空间多维融合模型系统。实体空间通过数字孪生数据中心采集、融合、仿真、建模、评估等数字化处理，形成双向映射、智能交互的孪生空间。虚实空间中各要素、资源、服务的融合协同，衍生出空间场景、学习场景、服务场景和文化场景[11]。这些研究为数字孪生图书馆的建设提供了总体的设计思路及方法[3]。

2.2.3 空间再造

数字孪生技术被应用于对物理图书馆的空间利用和管理，对其软硬件设施进行全生命周期监测。研究者提出了数字孪生在图书馆空间再造的应用模式，以提高图书馆的空间利用和满足用户的个性化需求[12]。还有学者认为数字孪生技术与其他智能技术的整合将促进图书馆虚拟空间和物理空间的融合，构建更加智慧的图书馆空间，促进用户发展[13]。

2.2.4 场景应用

2022 年，科技部等六部门印发了《关于加快场景创新以人工智能高水平应用促进经济高质量发展的指导意见》[14]。该指导意见提出，着力打造人工智能重大场景，提升人工智能场景创新能力，加快推动人工智能场景开放。借助数字孪生技术构建智慧化应用场景，创设一个智能服务空间，能极大提升图书馆的智慧化水平[15]。研究者石婷婷等提出数字孪生技术在智慧图书馆中面向用户及馆员的应用场景，以支持虚实融合、泛在智慧、多维感知、多感官全息交互的虚拟体验馆舍空间，并赋能创客空间、创新阅读服务、支持教学科研、提供健康服务等，为用户提供多元服务[16]。研究者刘晓波认为通过构建虚拟景区和VR 主题场馆，可以让人文历史景观、名人故居、文化遗址等重现，提供清晰音质和现实感视景，达到文脉赓续的效果[17]。此外，还有研究者认为数字孪生技术在智慧图书馆应用场景中的运用是一个基于场景的闭环过程，涉及海量数据、高性能算力、信息模型、数字仿真等，并贯穿于场景的全生命周期[15]。

2.2.5 技术驱动

技术驱动是智慧图书馆发展的核心动力，数字孪生等新兴技术为智慧服务提供了技术基础[1]。专家学者讨论了图书馆对数字孪生技术的合理应用。有学者认为数字孪生技术在图书馆的建筑与空间、资源与服务、管理与防控、用户服务与体验、馆员职业与发展等方面都有广泛的应用和重要影响，将加速图书馆实体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[18]。研究者樊孟松认为利用数字孪生技术，可以从理论、数据和技术三个维度构建数字孪生图书馆场景模型[19]。

2.3 研究趋势

近年来，关于数字孪生图书馆的主题研究逐渐增多，取得了一定的成果[8]，但由于ChatGPT 等技术的出现，数字孪生图书馆的研究热度可能会暂时趋缓。尽管如此，未来依然需要持续推进和发展相关研究。我们预测，学术界和业界将以新的视角、观点和方法开展更多研究工作，文献数量和质量将会持续增长和突破[8]。

3 未来数字孪生图书馆的服务场景

随着万物互联时代的到来，数字孪生技术嵌入图书馆建设中，对图书馆运行和管理方式将产生深远影响。未来的数字孪生图书馆将超越实体空间和资源的限制，为用户提供沉浸式的虚拟空间和服务，实现虚实相映、即时连接和动态交互。这将推动图书馆服务的转型升级，拓展图书馆服务的领域、模式和效果[8]。以下是我们对未来数字孪生图书馆可能实现的一些潜在虚拟服务应用场景的展望。

3.1 3D 数字模型的空间重建

图书馆数字孪生空间重建是将图书馆物理空间进行数字复制的过程[12]。通过使用传感器、摄像头和其他数据源收集图书馆布局、家具和其他物理特征的信息，可以创建空间的3D 数字模型。这些模型不仅可以优化空间使用和规划未来需求，还能帮助图书馆员更好地了解用户与空间的互动方式，从而改善用户体验。在数字孪生图书馆中，读者用户可以通过AR/VR/MR/XR 等设备清晰地查找各种书籍、报刊等文献资料的位置和详细信息，提高文献和信息获取的效率[8]。图书馆工作人员可以使用数字孪生模型测试不同的家具布置或照明配置，确定最佳的图书馆空间布局，提高图书馆空间的功能性和可用性。通过创建这些虚拟空间，图书馆可以扩大其服务范围，用户不再受时间和地域的限制，可以随时随地通过虚拟环境访问图书馆资源。这将提高读者用户对实体图书馆的使用感受和效率，实现图书馆的虚实相生发展[8]。

3.2 未来阅读推广服务场景

阅读是图书馆的核心功能。利用数字孪生技术，图书馆的阅读推广活动可以采取多种形式。其中一种方式是创建虚拟读书俱乐部，让用户与其他读者联系，讨论书籍、分享阅读体验并提供反馈。虚拟读书俱乐部可以根据需求定制不同的流派或主题，并为用户提供接触不同观点和文化的机会。此外，图书馆还可以举办在线作者讲座和图书阅读活动，利用数字孪生技术创造出身临其境、引人入胜的体验，让读者能够在虚拟环境中与作者互动。这种互动体验不仅能够增加读者的参与度，还能够让读者更深入地理解作品背后的故事。数字孪生技术还可以用于举办虚拟写作研讨会，帮助读者发展写作技能，并与他人分享自己的作品。通过这种方式，阅读和写作将变得更加有趣和富有创意。数字孪生技术给读者带来体验式、沉浸式的新型阅读服务场景，使阅读不再是孤独的体验，阅读有大家相伴，将变得更有乐趣。

3.3 未来虚拟教育学习场景

数字孪生技术在图书馆中可以为教育活动提供沉浸式体验工具，使用户的学习体验更加丰富有趣。数字孪生技术可以用来创建虚拟教室，复制实体物理教室的体验。这对那些无法亲自参加课堂的远程学习者尤其有帮助。虚拟教室可以定制，以反映特定课程的需求，具有交互式白板、多媒体资源和聊天等功能，可以用来为学生创造个性化的学习体验。此外，还可以用来跟踪学生的进步及学习偏好，并根据个人需求定制学习资源，有助于提高学生的参与度。学生可以在虚拟学习空间里共同完成学习任务，共享资源，并协作完成作业。数字孪生技术能够收集学生表现的数据，并对其进行分析，以用于评估学生的学习效果和老师的教学效果。这些信息可以用来改进教学方法和学习资源。数字孪生技术可用于提供对虚拟图书馆资源的获取，如电子书、电子期刊和多媒体资源等，可以帮助那些无法访问物理图书馆资源的远程学习者。虚拟图书馆资源也可以定制，以满足特定课程和学习目标的需求。

新生培训与引导是学校教育中的重要一环。利用数字孪生技术可以开展线上的新生入学教育活动，新生在拿到录取通知书后，可以通过扫描二维码进入虚拟图书馆，让新生在游戏化场景中体验图书馆，从而在真正到达实体图书馆时感到熟悉和自信。可见，数字孪生技术为实现教育的数字化转型提供了重要途径。

总之，数字孪生技术可以为大众提供多元化的教学和服务平台。塑造全新的虚拟化、沉浸式教学场景，为用户带来开放式、互动式的教学体验[8]。尽管该技术仍处于早期阶段，但仍可能对在线教学产生重大影响。

3.4 互动式参考咨询服务场景

参考咨询服务是图书馆的一项基本职能，数字孪生技术将来可以为图书馆带来更加智慧化、可视化、专业化的虚拟参考咨询场景，并进一步提升用户体验[6]。

利用数字孪生技术可以创建智能虚拟参考咨询台，并建设一个庞大的参考咨询知识库。用户可以通过虚拟参考咨询台与“虚拟馆员”联系，图书馆工作人员以及各领域专业人士都可以在数字孪生图书馆中担任“虚拟馆员”角色，为用户提供具有专业服务和情感交互的虚拟咨询服务[8]。随着知识库的不断丰富，它能够提供更加精准的答案。此外，我们还可以为每个读者提供一个专属的虚拟数字人作为参考咨询馆员，为其提供个性化的服务。

公共图书馆和高校图书馆可以通过设立地区共享域和加入CALIS 分布式联合数字参考咨询服务体系的方式实现联合参考咨询。虚拟参考咨询台可以方便地满足图书馆用户的需求，并可以随时随地进行访问，从而有效地提高图书馆的服务效率。

3.5 高效馆际互借服务场景

馆际互借服务允许图书馆代表其用户从其他图书馆借阅资料。数字孪生技术的应用有助于简化和提高馆际互借服务的效率。

使用数字孪生技术可以促进数字资源在图书馆之间的共享，例如电子图书、电子期刊、数字媒体等，使用户方便地访问本地图书馆所没有的资源。这解决了区域发展不平衡的问题。例如，农村落后地区图书馆的用户可以通过使用数字孪生技术从附近城市的一个更大的图书馆访问数字资源。

数字孪生技术使得图书馆能够实时检查其他图书馆提供的资料是否可用[18]，从而快速有效地满足馆际互借的请求。图书馆可以利用数字孪生技术自动简化借阅流程，以便快速有效地满足馆际互借请求，并跟踪借阅资料的状态。图书馆联盟也可以借助数字孪生技术共享资源和协调馆际互借服务，实现图书馆间的资源共享服务。

3.6 体验式文化游览场景

数字孪生图书馆具有创新和创造一系列虚拟文化旅游场景的潜力。利用数字孪生技术打造智慧文旅新业态，构建线上线下协同的文旅消费产业新生态，建设综合信息服务平台。构建沉浸式、情境化、探秘主题的体验场景，人脸属性检测的个性化路线定制，沉浸式特色文化情境体验景区等。整合各方资源，将新技术融合到智慧文旅的建设中，打造全方位的、多角度的应用体系。数字孪生图书馆可以创建历史图书馆建筑的3D 模型，为用户提供虚拟游览体验。用户可以在虚拟空间中探索并了解图书馆的建筑、艺术品以及其他历史特色。此外，数字孪生图书馆还可以创建其收藏的珍本书和手稿的虚拟展览。用户可以浏览数字版本的展品，查看高分辨率的图像，并了解所关注的每件展品背后的历史和故事。通过这种方式，人们可以受到优秀历史文化的熏陶。

数字孪生图书馆通过提供多样化的资源、多元化的体验和沉浸式的服务[3]，为文化游览提供丰富的内容和体验。如黄山图书馆的“人文黄山”“画说传统”项目，结合了黄山的本地特点，在智慧文旅发展路径方面进行了有益的探索。在智慧文旅融合背景下，数字孪生图书馆将创新虚拟文化游览场景，促进自然历史人文资源的数字化与开发利用、信息共享以及线上线下融合互通，推动新型基础设施支撑的跨时空、跨地域、跨领域、低成本、高效率、平台化、数字化的智慧文旅产业新生态的建立。创建虚拟现实体验，让用户沉浸在不同的文化环境中，同时也使图书馆的功能更加丰富、多元。

3.7 互联互通的共享服务场景

数字孪生图书馆可以建立互联互通服务机制，实现数字孪生图书馆之间的服务协同。通过构建数字孪生图书馆开放平台，不同的数字孪生图书馆之间可以互联互通，实现服务共享。例如可通过开发共享应用程序设计接口、开放数据接口等方式实现资源共享。同时，可以建立数字孪生图书馆联盟，促进资源共享和协同服务，推动数字孪生图书馆的整体优化和协同发展。在互联互通的数字孪生图书馆中，用户可以以“虚拟分身”的形式在各个虚拟图书馆空间自由“穿梭”，轻松地获取不同的数字资源、参与各种文化活动，并与不同的专家学者进行对话[8]。利用数字孪生技术也可以跨界合作，数字孪生图书馆可以与其他领域的机构和平台进行合作，共同推动资源共享和服务互通。例如，与博物馆、艺术机构、学术研究机构等合作，共同举办展览、开展研究项目，为用户提供多元化的文化体验和学术资源。通过这样的互联互通机制，数字孪生图书馆不会成为服务孤岛，而是能够为用户提供更广泛、丰富的虚实融合、即时连接、动态交互的良好服务体验。这种互联互通的资源共享服务场景不仅可以推动数字孪生图书馆的发展，也能让用户获得更全面、便捷的服务。

4 数字孪生图书馆的未来发展展望

数字孪生技术将会为图书馆带来全新的数字空间，为图书馆智慧服务和数字化发展创造新的场景和动力[8]。然而，这种发展也伴随着一些新的问题和挑战需要我们应对。

4.1 数字孪生图书馆未来可能的发展方向

数字孪生图书馆将进一步发展增强现实（AR）和虚拟现实（VR）技术，为用户创造更身临其境的图书馆体验[20]。通过AR 和VR 技术，用户可以参观虚拟图书馆，参与交互式展览以及使用支持AR 的学习资源。数字孪生图书馆可以整合人工智能技术，以改善用户体验和优化图书馆服务，包括提供用户支持的聊天机器人、提供相关资料的智能推荐系统以及帮助图书馆员管理和分析图书馆数据的机器学习算法。数字孪生图书馆可以利用用户数据提供个性化的图书馆服务，包括定制的阅读建议、个性化的研究帮助和学习资源。数字孪生图书馆也可以发展成为一个社交互动平台，通过建立协作社区等方式来促进用户之间的知识共享，包括在线论坛、合作研究平台和社交媒体的参与等方式，实现图书馆用户之间的互动与社群建设。

4.2 数字孪生图书馆未来发展面临的挑战

数字孪生图书馆的发展需要先进的技术基础设施和专业知识，包括高速互联网连接、基于云的存储解决方案和强大的网络安全措施。图书馆可能面临资金供给问题，以确保维护和更新技术基础设施；或者可能面临缺乏熟练IT专业人才来管理和维护这些系统。数字孪生图书馆可能会收集和存储大量关于图书馆用户的个人数据，包括他们的阅读习惯和研究兴趣。这会引起个人隐私和数据安全问题，并可能要求图书馆实施强有力的数据保护措施。例如，图书馆可能需要遵守数据隐私法规，如我国的《中华人民共和国个人信息保护法》、《中华人民共和国数据安全法》以及欧盟的《通用数据保护条例》（GDPR），以规范个人数据的收集、使用和保护。数字孪生图书馆在处理知识产权和版权问题方面可能面临挑战，特别是在数字借阅和版权资料共享方面。这就要求图书馆工作人员对版权法律法规有深入透彻的了解，并确保遵守这些法律。例如，图书馆可能需要实施数字版权管理的系统，以防止未经授权访问和共享受版权保护的资源。数字孪生图书馆可能会对残疾、低文化水平或互联网接入有限的用户带来可访问性和包容性挑战。这就要求图书馆确保数字孪生图书馆在设计时考虑到可访问性和包容性，以满足不同用户的需求。例如，图书馆可能需要为视障用户提供替代格式，构建盲人数字图书馆，并确保其网站针对屏幕阅读器和其他辅助技术进行优化。

总体而言，数字孪生图书馆的发展受到一系列的挑战，涉及技术、法律、版权和资金等方面的考虑。应对这些挑战将需要图书馆专业人员、IT 专家、法律顾问和其他相关者相互合作协调，以保障信息传播的畅通。

4.3 建立数字孪生图书馆的规范标准

建立数字孪生图书馆的规范标准对确保不同图书馆系统之间的互操作性、兼容性和可扩展性至关重要。省级以上图书馆行业主管部门和行业学会应根据实际需求制定数字孪生图书馆构建、运行和服务的基础标准、技术规则以及服务规范等，加强信息化、数字化和智能化的建设指导，并完善基础性、配套性和服务性的监督机制，提升数字孪生图书馆的监管能力[8]。

首先，需要确定参与标准制定和实施的相关人员，并进行需求评估，以确定数字孪生图书馆所面临的具体要求和挑战。根据需求评估的结果，可以定义数字孪生图书馆各个方面的标准和协议，包括数据模型、元数据标准、互操作性协议和安全措施等。然后，在现实环境中对这些标准和协议进行测试和验证，以确保其有效性和功能性。最后，建立标准组织或委员会，建立治理和监督机制，为标准的开发和采用提供持续的支持和指导，以执行和维护数字孪生图书馆的规范标准。

4.4 数字孪生图书馆的数据安全治理

数据安全治理是数字孪生图书馆的关键组成部分，因为这些系统通常需要处理与用户、资源和交易相关的敏感和机密信息。数字孪生图书馆应该遵守相关的数据安全法规和指南。使用加密安全机制，以保护敏感数据免受未经授权的访问或披露，包括对静态和传输中的数据进行加密，采用安全的数据传输协议，并实施数据安全策略，确保数字孪生图书馆具备强大的访问控制和授权机制，让只有获得授权的个人才能访问敏感数据。数字孪生图书馆需有可靠的数据备份和恢复机制，确保在系统故障、灾难或网络攻击的情况下能够恢复关键数据，包括定期进行数据备份、制定灾难恢复计划和建立数据冗余措施。数字孪生图书馆应具备强大的网络安全监控和响应机制，以检测和应对网络威胁和攻击。