数字孪生赋能的图书馆智慧服务场景研究

摘要：數字孪生技术能够提升图书馆智慧服务的精准性、实效性和科学性。文章在分析数字孪生技术优势及图书馆智慧服务场景特征的基础上，根据数字孪生赋能图书馆智慧服务场景的特征与基本要求，设计了数字孪生赋能的图书馆智慧服务场景模型，最后结合实例从个性化资源应用、交互式精准推荐、情境交融的人文服务三个方面对数字孪生赋能的图书馆智慧服务场景进行描述。

关键词：数字孪生；图书馆；智慧服务场景

中图分类号：G217.5   文献标识码：A

DOI：10.13897/j.cnki.hbkjty.2023.0010

数字孪生（Digital Twins）最早由美国五角大楼提出，是对物理空间、现实世界和实体系统数字化的过程［1］。其在综合应用大数据、物联网、数字传感器和数字模拟仿真技术的基础上，能够在数字世界映射出与现实空间或物理实体对应的虚拟空间，能对现实世界和物理实体的变化情况在“虚拟世界”清晰反映出来［2］。当前，数字孪生技术中包含的传感器、数字仿真、数字模拟、实时定位、大数据分析、移动通信、人工智能在内的技术机制被应用于图书馆智慧服务中。与传统的服务模式相比，图书馆“数字孪生体”更能精准感知用户的个性化需求，根据用户的行为动态和阅读偏好精准匹配智慧服务场景，使用户沉浸式阅读、交互式学习，带给用户更高效的智慧服务体验。

1 数字孪生技术与智慧服务场景概述

1.1 数字孪生技术概述

美国麻省理工大学智能研究院J.Peter认为数字孪生技术是超越现实世界的技术，借助多种复杂的数字仿真技术、数字模拟技术可以在虚拟空间完成实体空间映射，从而反映物理实体全生命周期活动［3］。龙玉江等（2022）认为，数字孪生技术是融合了传感、通信、数字仿真、数字控制等多领域技术成果的系统性工程，其目标是基于数字智能和数据的虚拟仿真实现物理实体的多元化建模和全景镜像［4］。宋学官等（2022）提出，数字孪生技术是基于物理模型、传感器及运行历史数据，集成多学科、多领域、多物理量、多要素的数字仿真过程，将物理实体在数字虚拟空间映射，从而将对应物理实体全生命周期动态化展现的过程［5］。毛子骏等（2021）在研究数字城市构建过程提出，数字孪生技术是超越现实的过程，可以看作是单独物理实体或多个密切联系物理系统的数字映射系统［6］。向玉琼（2021）认为，数字孪生技术是一种数字化技术手段，以物理模型和数据模型的高度集成和融合为核心，通过在数字虚拟空间实时构建“数字孪生体”进行数据整合，分析、模拟、预测、验证物理实体全生命周期的技术机制，推进物理实体形成智能决策的优化闭环［7］。徐子冰（2022）认为，数字孪生是物理实体数据实时反馈与数字空间仿真建模交互的过程，需要应用传感器技术、人工智能技术、无线射频技术、大数据分析技术、实时定位技术 、移动通讯技术、数字仿真技术和数字模拟技术［8］。张新长等（2021）研究城市“数字孪生体”构建过程中提出，传感器技术、大数据技术给数字孪生提供了数据支持，人工智能系统实现了“数字孪生体”与物理实体的实时交互，数字仿真和数字模拟技术构建了物理实体的数字镜像，无限射频技术和实时定位技术使物理实体的位置变化数据实时更新，移动通讯技术让多源数据紧密关联，实时共享，更精准反馈出物理实体的全生命周期变化特征

［9］。对于图书馆而言，数字孪生技术能促进图书馆构建“数字孪生体”，在虚拟空间针对图书馆各物理实体要素形成数字化映射，针对不同的用户群体智能匹配智慧服务场景，催生新的服务范式，提升图书馆智慧服务效能提升。

1.2 数字孪生赋能的图书馆智慧服务场景概述

图书馆应用数字孪生技术可针对不同用户群体的需求匹配不同的智慧服务场景，一方面，通过对目标用户群体兴趣习惯、行为偏好、社交网络情况的动态分析，以标签集合的形式精准、有效、科学地对目标用户群体的兴趣特征描述、分析、记录和存储，依靠对用户动态变化特征的精准捕捉，实现对用户服务需求的精准定位，为不同用户匹配智慧服务场景［10］；另一方面，需要在虚拟空间实现对图书馆物理空间及运作流程的有效映射，借助数字镜像实时分析与探查图书馆的动态，以实现对各类数字资源、知识资源、馆藏资源的精准识别与标记，为面向不同用户匹配的智慧服务场景提供资源支持。值得注意的是，图书馆资源具有多样化特征，受到资源数据存储结构的影响，图书馆资源识别与标记的覆盖范围与精准程度会存在较大差异。为保障面向用户的智慧服务场景有足够的资源支持，需要对图书馆资源的变动态势和使用情况进行实时的数字映射，通过在虚拟空间建立与实体图书馆对应的“数字孪生体”，使图书馆资源的变化态势和使用情况实时反馈到虚拟空间，使智慧服务场景具有更丰富的内容，满足机构的多元化需求。目前，包括高维仿生、模拟仿真、3D模拟在内的数字孪生技术已经可以实现对图书馆物理实体空间的数字化映射和仿真模拟，可以将图书馆管理架构、运转流程、组织体系、功能部门及资源变化趋势映射到“数字孪生体”上，给智慧服务场景提供了有效的资源支持，使数字孪生技术得到了更有效的应用［11］。

2 数字孪生赋能的图书馆智慧服务场景设计

面对用户越来越多元化的学术服务和科研服务需求，图书馆需要结合用户服务需求在数字虚拟空间构建反映用户行为动态和兴趣偏好的数字镜像模型，匹配更多元的智慧服务场景，提供更精准、更智能、更多样的学术科研服务。从当前数字智能技术的应用趋势来看，数字孪生技术能增强图书馆的智慧服务功能，为机构提供全景映射、全息模拟、虚实交互、智慧共享、泛在感知的“数字孪生空间”，构建多种服务场景深度融合的智慧服务模式，满足机构快速变化的学术科研服务需求。

2.1 数字孪生赋能的图书馆智慧服务场景类型

面向用户的智慧服务场景可以划分为三类：一是智慧空间服务场景。应用数字孪生技术可以实现对图书馆物理空间的高维仿真，将图书馆物理空间映射到数字虚拟空间，建立图书馆的“数字孪生体”，实现图书馆物理空间的智慧管理。借助图书馆“数字孪生体”可以为用户提供多类型和全学科领域的知识资源，能实现对用户需求的精准感知，嵌入到用户学术科研的全过程，为用户提供一站式智慧服务解决方案［12］。二是智慧学术和科研服务场景。数字孪生赋予了图书馆强大的数据采集与分析能力，能实现对用户情境数据、动态信息、静态数据的全面搜集，通过数字孪生系统中的智慧管理平台，分析和预测用户的学术和科研需求，从而实现学术资源和科研数据的个性化精准推荐［13］。三是智慧导航服务场景。基于数字孪生技术，图书馆可实现对其室内空间的立体还原，通过建立数字三维模型，依靠可穿戴设备、移动终端、共享终端实现用户习惯偏好的精准识别与验证，突破物理空间限制，建立虚实交融的智慧服务场景，实现用户智慧服务与图书馆智能书架、智能座椅、门户网站、馆藏资源数据库、门禁系统、内部网络的全景联通，便于用户借助移动客户端的智慧导航系统在线浏览图书馆全景空间，便捷获取数字资源［14］。

2.2 数字孪生赋能的图书馆智慧服务场景模型设计

数字孪生赋能的图书馆智慧服务场景的构建与匹配，不仅需要大量算法工具的支持，更需要图书馆技术人员对用户的个性化服务需求有充分的认知，了解用户的阅读偏好和行为动态，同时对智慧服务场景推荐的学术资源、科研数据和知识内容也要有更专业的理解，这样才能更加精准、高效地针对用户的需求精准匹配智慧服务场景，从而提升图书馆智慧服务能力。笔者根据智慧服务场景的类型以及数字孪生技术的特点，构建了数字孪生赋能的图书馆智慧服务场景模型，如图1所示。

数字孪生赋能的图书馆智慧服务场景模型可以划分为物理实体层、数据驱动层、数字孪生仿真层、智慧场景应用服务层四个部分。

（1）物理实体层。该层是智慧服务场景模型的重要支持层，包括图书馆内部实体空间的各类硬件设施、功能空间分布、实体馆藏资源、网络设备、数据采集设备、运行流程资源等。通过在图书馆内部安装各类传感器设备建立包括用户、馆员、空间环境、资源全面交互的数字虚拟空间和资源服务实体［15］。物理实体层可依靠数字孪生系统对各类情境数据、动态数据采集与分析，精准感知图书馆内部各要素变化态势，为数字孪生体和智慧场景的构建提供支持。

（2）数据驱动层。这一层包括数据整合和数据分析两个功能，是驱动智慧服务场景构建与匹配的核心功能层。该层可通过各类传感器设备、密集计算网络、异构协同的传感计算技术和多元分布的移动云网络建立覆盖机构全场域和图书馆全空间的数据采集网络体系，针对机构的静态数据、动态数据、关联数据进行搜集、清洗、挖掘、治理，并建立图书馆“数字孪生体”进行全景虚拟映射，保障物理实体空间、智能设备、学科馆员、智能终端实时交互映射、数字资源的动态分配和系统模块自动化集成，实现双向反馈。

（3）数字孪生仿真层。该层是图书馆基于数字孪生技术实现智慧服务场景构建与匹配的核心部分，具有高维建模、模拟仿真、知识可视化呈现及智慧管理等功能。该层主要由空间功能规划、数据映射、场景建模、场景匹配、资源分配、数据加密管理等技术模型组成，通过对各类知识资源元数据分解，各类数据的解构分析及用户数据的多源融合实现物理实体层与“数字孪生体”间的多维交互与反馈，实现图书馆面向用户智慧服务的全生命周期的管理。

（4）智慧服务场景应用层。智慧服务场景应用层借助数字孪生技术、智能设备对用户服务需求精准感知、管理、预测、决策和精准匹配场景，精准感知和智慧分析用户学术和科研需求，并通过用户的动态数据实时掌握用户需求的变化趋势，根据学术科研发展态势及变化趋势，对用户的资源获取、科研咨询、科技查新、学术问答快速匹配场景提供支持，并将“用户—实体—空间—场景—服务”的全过程映射与交互，实现用户智慧服务“数据—场景”的双驱动。

3 数字孪生赋能的图书馆智慧服务场景描述

3.1 个性化的资源应用服务场景

以往的图书馆智慧服务场景，往往是图书馆占据主导地位。基于数字孪生的图书馆智慧服务场景能精准映射图书馆物理实体空间，本质是图书馆知识资源与智慧服务的虚实交互的服务体系。个性化的资源应用服务场景则是将服务主导权从图书馆过渡到用户，是完全根据用户需求动态变化及精准预测形成的场景化服务模式［16］。图书馆基于数字孪生模型和智慧服务场景模型，满足用户远程进入及沉浸式体验式的服务要求，依托“数字孪生体”感知用户使用图书馆的动态变化趋势和发展规律，实时把握用户的变化状态，向用户个性化推荐学科资源与科学数据。在实践层面，国内外一些图书馆针对个性化资源应用服务，依靠3D虚拟场景技术、沉浸式交互技术、VR/AR面向用户建立沉浸式的服务交互场景，通过构建知识图谱实现各类资源的深度关联，通过全息投影，针对用户服务需求将资源融入到多元化的场景，建立个性化的资源应用服务场景。当前，大数据分析技术已经可以实现基于机构画像的多类数据聚合与分析，能精准预测用户需求，三维模拟、虚拟现实技术也已经广泛应用到虚拟图书馆建设，通过多感官混合识别技术对用户多维特征统一识别分析，实现个性化资源应用服务场景的“量身定制”。

3.2 交互式的精准推荐服务场景

当前，应用数字孪生技术的图书馆具备了开展智慧场景服务的基础，但目前服务内容和服务形式都较为单一，缺乏有效的交互式精准推荐服务场景。交互式的精准推荐服务场景是指图书馆基于智慧服务场景模型为机构提供多层次、多频次、多主体的交互式精准推荐服务，依靠多元化服务场景为用户提供丰富的资源支持。

图书馆基于“数字孪生体”和“智慧服务场景模型”可以拓展交互服务渠道，从单一的资源供给、学科资源、科学数据获取拓展到学科馆员的全流程嵌入、学术答疑、决策支持、科研辅助等方面，可以将语音、图像、知识可视化、视觉识别等交互终端集成到数字孪生系统，使用神经网络、机器学习、自然语言处理等智能技术，精准捕捉用户需求，实现用户学术问答与数字孪生系统无障碍交流，并使用智能感知设备在“数字空间”和“实体空间”精准推荐场景，为用户提供多元化的学术科研服务。英国利物浦大学图书馆建立了数字孪生系统，通过对学科资源的深度整合搭建了机构知识库，根据个性化推荐算法为汽车工程学院、力学研究所的科研人员实时匹配科研场景，精准推荐学科资源。

3.3 情景交融的人文服务场景

与其他智能技术相比，数字孪生技术具有更强的人文属性，在图书馆数字孪生空间智能系统会给用户更多的人文帮扶。图书馆“数字孪生体”给用户提供全时段、全领域、全学科的学術交流与科研探讨空间，能针对不同用户的学术交流和科研讨论需求提供资源支持，并匹配多种人文服务场景。图书馆数字孪生空间可以针对用户的学科态势、研究领域、学术潜力分析，对学科的构成和科研项目分布态势精准洞察，应用情境感知技术对用户的情境数据实时分析，快速定位用户在不同研究态势中的学科需求，根据用户的科研动态快速匹配可供同领域学者讨论交流的人文场景，使专家学者们在虚拟空间实时交流、实时探讨，推进科研成果创新。同济大学图书馆针对本校超导材料研究问题使用数字孪生系统搭建了“虚拟研究室”，邀请全球各个高校及研究机构的材料专家进行沉浸式全景讨论，共同推进超导材料领域关键技术突破。

4 結语

数字孪生技术为图书馆智慧服务场景构建、匹配和应用赋予了新的动力，不仅能提高图书馆用户需求识别的精准度和清晰度，保障数字空间用户的数字镜像能实时高效反映用户的静态特征、动态特征和需求变化趋势，而且使智慧服务场景模型具有更强的适应性，推动图书馆智慧服务模式变革与创新。本研究在针对数字孪生技术优势和应用特点的基础上，建立图书馆智慧服务场景模型，从资源应用服务、精准推荐服务、人文服务三个方面描述了智慧服务场景的实际应用，为图书馆提高智慧服务的精准性、实效性和科学性提供借鉴。

参考文献

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作者简介：

郭玲（1986-），女，硕士，肥城市图书馆馆员。研究方向：基层图书馆、阅读推广、智慧图书馆等。

（收稿日期：2022-11-03 责任编辑：马玉娟）

Research on the Intelligent Service Scenarios

of Library Enabled by Digital Twin

Guo Ling

Abstract：

Digital twin technology can improve the accuracy， effectiveness and scientificity of library intelligent service.Based on the analysis of the advantages of digital twin technology and the characteristics of librarys intelligent service scenarios， according to the basic requirements and the characteristics of the intelligent service scenarios of library enabled by digital twin， this paper constructs a scenario model of library intelligent service enabled by digital twin. Finally， it describes the intelligent service scenarios of library enabled by digital twin from three aspects： personalized resource application， interactive precise recommendation， and humanistic service with context blending.

Keywords：Digital Twins; Library; Smart Service Scenario