基于CiteSpace的数字孪生图书馆研究热点与趋势分析

2023-09-18刘晓叶

现代信息科技 2023年15期

刘晓叶

摘要：数字孪生图书馆是数字孪生技术应用于智慧图书馆建设的一种新形态，在New IT等多元信息技术的综合作用之下，形成虚实相融、协同交互、开放共享的图书馆智慧化信息服务平台。文章以中国知网数据库（CNKI）关于数字孪生图书馆的研究文献为样本数据，使用CiteSpace软件进行可视化分析。结果表明，数字孪生图书馆文献发文量总体呈上升趋势，研究主题集中在以数字孪生为核心技术驱动的元宇宙图书馆概念和内涵分析、虚实共生的智慧化服务生态体系构建和具体应用场景设计方面。

关键词：数字孪生图书馆；智慧服务；CiteSpace；可视化分析

中图分类号：TP391.1；G250.7 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）15-0141-06

Research Hotspots and Trend Analysis of Digital Twin Library Based on CiteSpace

LIU Xiaoye

（Library of Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： Digital twin library is a new form in which digital twin technology is applied to the construction of smart library. Under the comprehensive effect of multiple information technologies such as New IT， an intelligent information service platform of library is formed， which is the fusion of virtual and real， collaborative interaction and open sharing. Based on the research literature about digital twin libraries in CNKI of China， this paper uses CiteSpace software for visual analysis. The results show that the number of documents published in the digital twin library is generally on the rise， and the research topics focus on the concept and connotation analysis of the meta-cosmic library driven by digital twin technology， the construction of the intelligent service ecosystem of virtual and real symbiosis and the design of specific application scenarios.

Keywords： digital twin library; smart service; CiteSpace; visual analysis

0 引言

數字孪生（Digital Twin， DT）：通过构建与物理实体世界高保真的数字化虚拟模型，在数据和模型双驱动下进行仿真、预测、优化、远程监控和执行，面向产品全生命周期过程，在连接物理实体世界和虚拟信息世界上发挥桥梁和纽带作用，从而实现两者之间的虚实映射与双向交互，进而达到“数据感知—实时分析—智能决策—精准执行”实时高效的智能闭环工作模式[1]。数字孪生是继虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实（MR）之后，在New IT（包括5G、人工智能、大数据、云计算和物联网、AR/VR等）技术发展下催生的又一关键技术，也必将与New IT技术进行更加深入的融合发展，在科学研究、智能制造、农业科技、医药卫生、教育文化、社会管理等各行各业发挥更大的作用，推进整个社会智慧化发展进程。我国学者陶飞[2]、刘大同[3]、兰国帅[4]等关于数字孪生关键技术研究和创新应用设计自2017以来，进行了广泛深入的研究探索。

随着New IT技术集群的发展，数字孪生在各行业呈现出爆发式增长。数字孪生图书馆的研究和应用也已经在全球范围内得到快速发展。本文将借助CiteSpace软件对数字孪生图书馆相关文献进行可视化分析。通过研究分析和归纳阐述，旨在发现数字孪生图书馆的研究热点，探究其发展趋势，为数字孪生图书馆的进一步研究设计和创新应用提供理论和实践参考。

1 数据来源与数据分析

1.1 数据来源

笔者以中国知网数据库（CNKI）为数据来源，在数据库中设置“TS（主题）=（数字孪生AND图书馆）OR孪生图书馆”，时间范围不限，期刊来源类型选择全部期刊，检索日期2023年3月6日，共得到74条有效数据。为了更清晰的呈现已有研究情况，将近年来关于数字孪生图书馆研究的国内文献进行筛选与整理，并利用CiteSpace软件对相关研究文献进行可视化分析并生成知识图谱。

1.2 数据分析

通过对样本文献进行可视化分析，绘制发文量分布图、发文作者和机构共现图谱，分别如图1和图2所示。从发文量看自2017年开始，伴随着数字孪生技术在自然科学领域的研究，图书馆领域首先由桂林理工大学的张兴旺老师开始进行探索性的研究。经过两年在自然科学领域的研究积累，从2020年开始图书馆领域的研究发文量明显增加，2022年年度发文量快速上升至42篇。目前，在数字中国建设背景下，随着新一代信息技术的迭代快速发展，数字孪生图书馆的研究将会进一步深入，发文量也会进一步提升。但是，目前的研究还比较分散和独立，如图2所示。排名前三的机构分别为桂林理工大学、湘潭大学和上海图书馆，发文量在3篇以上；整体来看各研究机构的力量还相对薄弱，机构间未形成较强的科研合作关系。

2 研究热点与趋势分析

2.1 研究热点

2.1.1 关键词共现分析

关键词体现了某一研究领域的主题，因此对关键词的统计分析能够有效揭示该领域的研究热点。通过CiteSpace软件对相关文献的关键词进行统计分析，得到关键词共现知识图谱，如图3所示。图中关键词所属节点和字体的大小代表该关键词出现频次的高低，中心性的大小用来衡量关键词的重要性，频次高且中心性大的关键词可以作为研究热点词。由图3来看，图书情报领域学者围绕“数字孪生”“图书馆”“元宇宙”“智慧服务”“体系架构”的构建，从关键支撑技术包括“虚拟现实”“增强现实”“人工智能”和“区块链”等到图书馆“智慧空间”的打造和“服务场景”的应用分析展开多维度的研究和讨论。

2021年，“元宇宙”作为一个网络热词火遍全网。它代表了一种社会发展形态，也代表了一定时期的学术潮流，是在新一代信息技术（New IT）高速发展下催生出的一种新型社交网络空间。它不是凭空出世，是社会科技进步的结果，也将随着科技的进步不断的发展和完善。“数字孪生”技术通过“模拟仿真”实现对“物理实体”高保真数字化虚拟模型的构建。随着无线移动通信技术5G商用和6G的进一步研究，“虚拟现实技术”更焕发出新的生机和蓬勃发展之势，智慧图书馆建设也将进一步发展；随着新一代“智慧平台”打造和运营，人工智能、大数据、云计算和物联网等New IT技术深层开发和应用，未来图书馆物理实体与数字虚拟模型之间实现“虚实融合”“以虚控实”，在图书馆相关“政策”指引下促使各种“技术融合”，从而实现图书馆“空间”“重构”和“空间融合”，形成更加优良稳健的“运行机制”，最终实现图书馆以人为本、以用户为中心全力打造更加优质高效的“智慧服务”。

2.1.2 关键词聚类分析

为进一步分析数字孪生图书馆研究领域的主题分布，运用CiteSpace软件将关键词进行聚类处理，共得到包含6个聚类的数字孪生图书馆研究聚类知识图谱，如图4所示，并绘制关键词聚类结果统计表，如表1所示。

对各聚类进行对比分析可以将数字孪生图书馆的研究领域大致分为概念和内涵的分析、智慧平台的构建、政策指引和关键技术支撑、应用场景分析四个大类：

1）概念和内涵的分析：#0元宇宙。元宇宙的概念起源于美国科幻作家尼尔·斯蒂芬森的科幻小说《雪崩》。随着5G无线移动通信技術、虚拟技术VR/AR、人工智能的广泛应用，以及数字孪生技术的深入研究和实践探索，2021年元宇宙的概念再次火遍全网。元宇宙[5]是一个时间和空间的概念，在元宇宙中可以创造出一种可以虚实交互的数字空间；元宇宙又是一个技术人类学概念，依托于数字孪生、人工智能、大数据、扩展现实和物联网等新一代信息技术，实现元宇宙中人、物、信息、思想四种形态主体的超时空自由流动。元宇宙是一种处于快速成长和进化的生态体系，需要物理实体世界和数字虚拟世界的共同作用、协调发展，是社会信息化和虚拟化的必然趋势。在元宇宙各要素中，“沉浸感”和“虚实相生”成为元宇宙最为关键的特征。

从纯技术的角度看，元宇宙是由数字孪生、AR/VR、人工智能、物联网和云计算等New IT技术支持的一个更加自由和顺畅的虚拟网络世界。元宇宙图书馆的实现需要底层关键技术的支撑[6]，数字孪生是构成元宇宙生态的重要关键技术之一。在数字孪生技术的催生之下，图书馆经历数字镜像路线的数字时代，正走向具有“心电感应”的数字孪生时代[7]。数字孪生图书馆是数字孪生技术应用于智慧图书馆建设的一种表现形式，具有虚实协同共生、“模型—数据”双驱动、多模态人机交互、全域智能监测管控四大典型特征[8]。

2）智慧平台的构建：#1图书馆。“图书馆是一个不断生长着的有机体”，数字中国背景下的智慧图书馆，也是一个多元信息技术交织并不断进化发展的信息生态系统，朱莉[9]讨论构建数字中国背景下的智慧图书馆生态框架。石婷婷[10]等从图书馆空间角度分析和探讨如何实现虚拟和现实的融合互动、同步互联，进而提出数字孪生图书馆的应用场景、体系架构建设和建设策略。田丽梅[11]等提出在虚拟与现实深度融合的元宇宙视域下，智慧图书馆应抓住机遇，打造沉浸式体验创新发展新形态。张兴旺等[12]提出一种面向元宇宙的图书馆信息物理融合模型，为实现图书馆元宇宙“人—机—物—环境”四要素的协同交互与虚实融合提供重要支撑。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、实时交互，建立智能舒适的阅读和学习环境[13]。以数字孪生技术为依托构建起来的元宇宙图书馆，打破空间限制，实现虚实共生、开放互联的智慧化感知服务体验，更利于消除信息鸿沟，促进数字包容。在新一代信息技术的迭代发展下，为用户营造虚实交融、沉浸体验、协同交互、开放共享的知识获取与交流环境。

3）政策指引和关键技术支撑：#2虚拟现实、#3虚实共生、#5数字化。2023年2月，中共中央、国务院相继印发《数字中国建设整体布局规划》[14]和《质量强国建设纲要》[15]，前者指出，“要夯实数字中国建设基础。打通数字基础设施大动脉，加强传统基础设施数字化、智能化改造”；后者提出“大力推动图书馆、博物馆等公共文化场馆数字化发展，加快线上线下服务融合”。智慧图书馆建设是数字中国战略的一部分，积极发展智慧图书馆也将进一步加快数字社会建设步伐。智慧图书馆和数字中国在实现知识传播、促进文化交流、提升社会生产力等方面都具有重要意义。数字中国的实施推进了智慧图书馆的现代化建设，而智慧图书馆的发展也有助于数字中国建设的顺利推进。

数字孪生技术的发展加速数字中国建设的数字化进程，融合各种虚拟技术，连通现实物理世界和数字虚拟世界，达到同频共振、虚实共生的数字生态系统。由数字孪生等New IT技术构建起来的元宇宙图书馆更容易跨越数字鸿沟，打破物理场馆等基础设施建设周期长、费用高的羁绊，随着5G/6G等无线移动通信技术的部署和进一步研究，更易构建高速泛在安全可靠的新型图书馆数字基础设施，使数据、信息和文献等突破时空限制实现智慧流通，使处在不同地域和时空中的用户，方便快捷的享用到图书馆丰富的智慧服务项目。

从技术层面来讲，数字化是一切工作的基础，是将物理实体世界中的万物转化为计算机可识别和处理的数据对象，虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，广泛应用于图书馆建筑的虚拟化展示，服务场景的虚拟化呈现，文献资源的虚拟展示等。虚实共生是指通过数字孪生、物联网和人工智能、云计算等New IT技术将真实物理世界和数字孪生世界相互连接和交互，实现虚拟与实际环境的融合。在数字孪生图书馆建设中，通过各种传感器、RFID等技术对图书馆内各项数据进行实时采集和监测管理；通过图书馆系统的信息化、智能化管理，提供更加高效、精准、科学的智慧化服务。

4）数字孪生图书馆应用场景分析：#4应用场

景。基于数字孪生技术的智慧图书馆面向用户、馆员和图书馆连通各个业务子系统实现各个环节的一体化智能运作。孪生图书馆场景是一个利用实时数据进行虚拟服务的人性化场景，孪生图书馆具有深度学习和自主学习并具备自我调节和优化能力，樊孟松[16]从理论引导、数据和技术驱动三个维度对数字孪生图书馆的场景模型构建进行了全面的剖析。

在具体的应用场景方面，董同强等[17]针对“数智”融合驱动下面向全生命周期管理的图书馆智慧服务生态体系架构进行了设计构建，为图书馆智慧服务应用场景实例的设计提供对策指引。张艳丰等[18]给出数字孪生图书馆应用场景中孪生馆员服务、孪生智库支持、孪生休闲园地和孪生记忆空间的描述。李瑞[19]给出了元宇宙视域下图书馆数字阅读推广的数字孪生场景。吕丰华等[20]介绍了数字孪生技术在图书馆借阅服务中的应用场景和技术优势，并设计了数字孪生文献资源库构建过程。孔繁超分析了数字孪生技术在图书馆设施健康管理、在线学习支持服务再现图书馆文化遗产等领域的应用[21]。任萍萍提到利用数字孪生技术对古籍和历史遗迹实现历史文化场景的虚拟呈现和空间镜像映射，提高用户的全感官沉浸式体验[22]。白苏红等提出利用数字孪生技术协助解决用户使用图书馆资源过程中遇到的信息迷航等问题，使图书馆用户跨越时空限制实现学习利用过程的连续性和系统性[23]。

2.2 研究趋势

利用CiteSpace软件对相关文献的高频关键词进行时区分布分析，绘制关键词时间线聚类图谱，如图5所示，直观反映特定时间范围内与数字孪生图书馆研究主题相关的关键词之间的共现关系、该领域的发展脉络和研究趋势。其中圆圈所在位置为关键词首次出现的时间，圆圈的大小表示关键词出现的频度即热度。由图5看出数字孪生图书馆研究大致经历了技术研究萌芽期（2017年）、沉默生长期（2018—2019年）、应用研究爆发期（2020—2023年）三个阶段。

2017年出现频次较高的关键词是数字孪生和虚拟现实，伴随着数字孪生在智能制造领域的研究，图书馆领域学者也将数字孪生技术作为一项战略技术在数字人文领域开始应用研究；然后经历了2018年到2019年的沉默增长和智能制造业更广范围的研究积累，自2019年随着无线移动通信5G的商用，人工智能、AR/VR虚拟技术、物联网、大数据等信息技术焕发出蓬勃生机，并推动数字孪生在建模、仿真等关键技术领域快速发展；2020年以来数字孪生图书馆进入了应用研究爆发期，主要体现在虚实相融的智慧图书馆空间重构和智慧平台的构建研究，结合应用场景从体系架构和关键技术等方面更加深入地进行建设模式的策略和路径研究。2021年元宇宙的概念一度成为网络热词，也被称为元宇宙元年。元宇宙给智慧图书馆的建设注入了新的活力，在New IT的推动下，打造一个虚实融合共生的知识生态体系和服务体系。

3 结论

本文使用CiteSpace软件对中国知网数据库（CNKI）收录关于数字孪生图书馆的论文进行知识图谱可视化分析。目前研究集中在以数字孪生为核心技术驱动的元宇宙图书馆概念和内涵分析、虚实共生的智慧化服务生态体系和智慧平台构建，以及数字孪生图书馆具体应用场景设计。通过研究，旨在发现数字孪生图书馆的研究热点，并探究其发展趋势，为数字孪生图书馆的进一步研究设计和创新应用提供参考。未来，随着数字孪生基础理论研究的逐步积累和技术方案的成熟，以及智能制造和其他工业化领域的成功应用，数字孪生图书馆的建设以用户需求为目的、落地应用为切入点，根据图书馆实际业务特点，分部门分模块以图书馆智慧管理平台为依托，探索图书馆新兴智能空间中的业务信息应用场景，从而为用户营造虚实交融、沉浸体验、协同交互、开放共享的知識获取与交流环境。

参考文献：

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[3] 刘大同，郭凯，王本宽，等.数字孪生技术综述与展望 [J].仪器仪表学报，2018，39（11）：1-10.

[4] 兰国帅，郭倩，魏家财，等.5G+智能技术：构筑“智能+”时代的智能教育新生态系统 [J].远程教育杂志，2019，37（3）：3-16.

[5] 李洪晨，许可，张闯，等.元宇宙图书馆一座看得见的天堂——“天堂的具象：图书馆元宇宙的理想”论坛综述 [J].图书馆论坛，2022，42（7）：1-6.

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