数字孪生技术助力未来数字孪生图书馆应用探索*

吴银燕 汪英姿

（常州大学图书馆，江苏 常州 213164）

1 引言

近年来，人工智能、云计算、区块链、物联网等新技术推动全球经济蓬勃发展，极大地改变了人们的生活。数字孪生作为一项崭新的前沿技术，也逐渐渗透到各行各业。数字孪生技术是利用物理模型、运行历史等数据对实体装备进行实时、高精度模拟仿真的过程，将作为一种工具运用到多个行业和领域[1]。

图书馆作为公共文化服务机构，运用数字孪生技术可以让图书馆在虚拟空间中建立高度仿真模型，在虚实结合中提高图书馆的服务效能。同时，可以将图书馆的资源和知识转换为更丰富的形式，提高读者的阅览兴趣，增强读者对图书馆的黏性。此外，数字孪生技术的运用将有助于图书馆与其他领域的相互融合，做到图书馆与时代先进科学技术同频发展。

2 数字孪生技术及其特征

2.1 数字孪生技术的起源和发展

2011年3月，美国空军研究实验室在演讲中首次提出数字孪生（DigitalTwin）的概念[1]，随后美国通用电气公司向美国国防部提出数字孪生技术，并将此技术用于航空飞行器的维护。在虚拟数字空间中建立实体飞机模型，利用传感器等技术同步飞机的真实飞行状态数据，从而评估飞机性能，决定能否正常飞行。

2015年，世界各国开始陆续提出制造业战略转型策略，构建物理信息系统，实现物理工厂与信息化虚拟工厂的相互融合，实现智能制造。数字孪生技术作为实现实体工作与虚拟环境交互的工具，被中外学术界和企业家高度关注。随后，有学者提出数字孪生城市概念，通过建立数字孪生城市模型辅助实体城市的规划发展。从此，数字孪生技术开始风靡全球互联网界和产业界。

2.2 数字孪生技术的内涵特征

数字孪生作为一项前沿科学技术，国内外学者对其特征和内涵的认识还存在差异。笔者从概念来分析，认为其特征主要体现在虚拟仿真、实时交互和科学预见3个方面。

（1）虚拟仿真。数字孪生技术实质上是构建一个与物理实体完全一样的高度仿真的虚拟数字孪生体，其所有结构和数据都是参照物理实体构建，与物理实体高度一致。数字孪生体与物理实体之间实行数据交换和传递[2]。

（2）实时交互。数字孪生体通过模拟物理实体在不同场景下的全生命周期过程，实现对物理实体的高精度仿真。在这个过程中，数字孪生体与物理实体之间通过网络传输技术进行实时数据传递。实体的运行数据同步映射到虚拟数字孪生体，虚拟数字孪生体通过人工智能、大数据、机器算法等技术模拟实体的运行过程，同时将数据信息反馈给物理实体[3]。

（3）科学预见。通过高精度模拟物理实体，在虚拟仿真世界中构建数字孪生体，对物理实体的运行状态进行科学预见，便于对实体进行预判与不断修正。当在产品制造过程中出现问题时，可以基于数字孪生体对生产流程进行分析调整，然后基于优化后的生产策略进行下一步生产。

3 建设数字孪生图书馆的内涵分析

3.1 建设数字孪生图书馆的必要性

2022年7月9日，首都经济贸易大学与社会科学文献出版社联合发布《京津冀蓝皮书：京津冀发展报告（2022）——数字经济助推区域协同发展》，报告中显示，数字城市建设是京津冀地区发展数字经济的有力支撑[4]。河北雄安新区数字孪生城市建设已如火如荼展开，首个市场化项目——中国电信智慧城市产业园建设项目（一阶段）率先封顶[5]。数字孪生城市的发展，离不开公共数字文化服务机构的建设，图书馆作为公共文化的建设和服务机构，理应融入数字孪生城市的建设和发展进程中。数字孪生技术是建设未来数字孪生图书馆的新兴手段之一，它将支持未来图书馆走向可持续发展。

从社会与城市长远规划与发展的角度看，高新技术的融入和全面参与，必将使城市的规划建设融入良性的绿色生态建设发展环境中，建立起持续更新和优化的创新服务知识体系。同时，数字孪生城市的建设和发展将带动未来图书馆走向高速发展的快车道。

3.2 建设数字孪生图书馆的内涵分析

构建数字孪生图书馆，是实现实体图书馆在虚拟世界里的高度模拟仿真，是将数字孪生的理念、技术与图书馆空间、资源、服务、管理进行全方位、全过程的沟通和交融[6]。具体见图1。

图1 实体图书馆与数字孪生图书馆数据交互

数字孪生图书馆最大的亮点是它与实体图书馆完全同步，同步规划、同步建设。此外，图书馆物理实体映射到虚拟仿真世界中，孪生图书馆依照实体图书馆的运行状况进行动态更新、实时交互，全面直观地反映整个图书馆的服务和管理流程。

数字孪生图书馆是与实体图书馆完全一致的高仿真模型，能够科学预见图书馆的运行规律和发展趋势。通过实时获取实体图书馆的全过程、全空间数据，运用大数据、人工智能等算法和技术获取和分析实体图书馆的状态、规律，数字孪生模型可以模拟实体图书馆运行状态，分析和发现问题，提出解决办法，从而调整实体图书馆的服务和管理策略，映射到孪生图书馆，再进行模拟运行，直到状态稳定[7]。

数字孪生图书馆管理系统采用多种先进技术建立智能显示屏，将实体图书馆的实际运行状态按类别显示在屏幕上，便于图书馆员直观地观察和分析各种学术资源、服务空间、推广活动的使用和参与情况，为实体图书馆建设提供参考和反馈。

4 数字孪生技术助力未来数字孪生图书馆发展路径

图书馆馆舍空间建设、读者、服务活动、馆藏资源和人力资源是保障图书馆运行和发展的几个必不可少的因素。笔者将从4个方面探讨数字孪生技术助力未来数字孪生图书馆的发展路径，具体框架见图2。

图2 数字孪生图书馆框架

4.1 图书馆数字孪生空间

利用三维建模技术建立与图书馆物理空间完全一致的虚拟图书馆仿真模型[8]。实体图书馆中的书库、书架、图书、自助借还机、书目展览、数据库推介、阅览室、学习空间、桌椅、办公区等都在图书馆孪生空间中一比一呈现。在虚拟的图书馆孪生空间里，读者可以整体感知图书馆的结构布局、馆藏分布情况，便于读者直观地了解和认识图书馆。另外，在数字孪生图书馆里，可以运用美学思维，结合馆员的经验和智慧，实时调整自助借还机、展览以及各种硬件设施的摆放位置和方式，为实体图书馆进行布局调整提供参考。

为便于新书上架，可在虚拟图书馆空间里统计新书的数量，预估其所占空间，模拟其所需书架分布，实体图书馆即可参照数字孪生图书馆中的排架进行新书上架，减轻调库工作量。另外，对于“党建知识”专题书展这一类活动，可以在孪生图书馆里建立虚拟的党建知识专题书架，从各个书库抽调相关的图书，按类别摆放，设立专门的Logo，从而为实体图书馆设立专题书展提供参考模型。

在实体图书馆管理系统里，分时间、分时段统计图书馆入馆人数、阅览座位使用人数，映射到数字孪生图书馆中，在数字孪生图书馆中利用相关算法预估实体图书馆的人流量和入座率，便于实时调整借阅室开放数量和时间段。考试周前夕、考研阶段、周末、寒暑假期间，可以借助数字孪生图书馆中分析的结果，调整阅览室开放时间。

4.2 读者孪生体

运用数字孪生技术，不仅可以构建虚拟图书馆，模拟图书馆不同的应用场景，还可以构建读者孪生体。从图书馆管理系统中调取读者的姓名、年龄、专业、年级、常用的检索关键词、借阅书目、借阅时间、借阅时长、常用数据库、期刊浏览、论文下载等信息，构建读者孪生体。通过模拟读者在图书馆的各种需求，在虚拟图书馆中实时呈现，挖掘读者在不同场景下的各种隐性需求，做到预见性、针对性服务，为图书馆精准推送服务奠定基础，满足读者的个性化需求，打造读者专属的个人图书馆空间[9]。

针对新生，图书馆可以在管理系统中提取同一专业高年级读者的相关数据信息，结合其借阅历史、检索关键词、下载论文、所学专业等信息，预估新生可能感兴趣的图书、期刊、论文、数据库，在入学之初推送给相关读者，为他们未来的大学学习提供参考和借鉴。对于新入职的教职工，可以根据其研究方向、发表论文、研究课题等关键信息，推送与其专业相关的学术资源，做到有针对性服务。

4.3 数字孪生资源

馆藏资源是图书馆的核心要素。构建数字孪生资源首先需要将图书馆的纸质资源数字化，在虚拟孪生图书馆中呈现数字化资源。在实体图书馆中构建资源画像，建立资源元数据。在图书馆管理系统中对所有数字资源进行标引，建立资源元数据要素，包括资源所属专业类别、资源类型、用户群体、浏览次数、下载次数、用户评价等信息[10]。在孪生图书馆中映射数字孪生资源，运用机器算法将数字孪生资源的元数据要素与读者孪生体的属性进行匹配，为资源寻找目标用户，将实用的资源推送给有需求的读者，方便读者使用图书馆资源，提高图书馆资源利用率。具体如图3所示。

图3 图书馆资源与读者匹配

一些珍贵的古籍文献对庋藏和借阅的要求比较高，运用数字孪生技术生成数字孪生资源，可将原始文献在虚拟世界中真实再现，方便读者阅览，减少借阅过程中对古籍文献造成的损害。

4.4 数字孪生服务活动

图书馆是公共文化服务机构，服务是图书馆的立足之本。近年来，中国图书馆学会联合全国各级公共图书馆在全国范围内大力开展全民阅读推广活动。今后可借鉴雄安新区数字孪生城市建设思路[11]，运用数字孪生技术建设数字孪生图书馆，建立统一的数据管理平台，解决各地区、各级图书馆之间数据不互通的问题，避免“信息孤岛”。

将实体图书馆的服务活动在数字孪生城市或数字孪生图书馆中完整呈现，生成图书馆数字孪生服务活动，根据实体图书馆中的活动情况进行实时分析，开通读者评价反馈渠道，在数字孪生服务活动中对活动方案进行调整，在虚拟世界里打造图书馆服务活动品牌，从而完美呈现在实体图书馆活动中，推动阅读推广活动取得满意的效果。

5 结语

新技术的发展和数字孪生城市的出现必将带动数字孪生图书馆的发展。图书馆作为公共文化服务机构，也必将迎来新的发展机遇。在数字孪生城市和数字孪生图书馆建设中，建设经费和科技是影响数字孪生技术运用的关键因素。图书馆要把握时代发展大潮，着力打造集文化与休闲旅游于一体的高吸引力的未来图书馆，为文化强国贡献图书馆人的力量。