AI-GPT 技术驱动的元宇宙图书馆架构探讨

张 慧，石肖肖，张家榕 （.上海大学文化遗产与信息管理学院，.南京艺术学院文化产业学院）

1 引言

近两年来，元宇宙成为各行各业关注的研究热点，图书馆领域的学者也积极参与其中，围绕“元宇宙图书馆”［1-2］展开一系列研究，推动“图书馆2.0”向“图书馆3.0”转型发展［3］。元宇宙作为一种虚拟空间，可以让用户随时随地获取信息、交流思想，图书馆是其中的知识传播关键节点，构建元宇宙图书馆可以加速知识传播速度、拓宽知识传播广度。人工智能的快速发展引领着全新的信息传播模式，使得图书馆的运营管理模式不断演变，AI-GPT 技术更是为图书馆的元宇宙建设提供了新的思路［4］。AI-GPT技术的突破性发展为元宇宙图书馆注入了新的活力，其强大的自然语言处理能力、大规模的训练数据、丰富的交互体验等有望成为驱动元宇宙图书馆建设的新动力［5-6］。本文结合AI-GPT 技术特点，探讨元宇宙图书馆的技术框架和结构，以助力元宇宙图书馆建设。

2 元宇宙图书馆的技术框架

元宇宙图书馆不仅是一个信息的存储和查询中心，更是一个知识交流和创新的空间，它可以打破地域和时间的限制，让更多的人能够更方便地获取信息和知识。这些功能的实现离不开大数据、区块链、物联网等新兴技术的支持和保障。目前，广受认可的元宇宙六大支撑技术分别是区块链技术、物联网技术、网络及运算技术、人工智能技术、电子游戏技术、交互技术［7］。结合AI-GPT 时代的特点，本文认为元宇宙图书馆技术框架除以上六种技术外，还包括大数据技术和数字孪生技术（见图1）。

图1 元宇宙图书馆技术框架

以上八种技术各有特点，在元宇宙图书馆的建设中发挥着不同程度、不同方面的作用。

2.1 大数据技术

大数据技术可以收集用户在元宇宙图书馆中的行为数据，进行分析整合，构建用户画像，提供个性化服务，同时也可以根据这些行为数据预测用户需求，为图书馆决策和规划活动提供支持。

在元宇宙图书馆中，用户会产生各类行为数据，如借阅记录、检索记录、浏览记录等，借助大数据技术可以挖掘和分析用户的借阅偏好、兴趣领域等。同时，基于数据分析的结果可以构建用户画像，对用户进行细分，从而为用户提供个性化的推荐服务和阅读建议，提高用户满意度。利用大数据技术，图书馆可以更好地了解和预测用户需求，进而为用户提供智慧化服务。

2.2 区块链技术

元宇宙的技术是区块链技术的应用［1］。区块链技术集成了哈希算法及时间戳、数据传播及验证机制、共识机制、分布式存储、智能合约、分布式账本等多项技术，具有匿名性、可追溯性、不可篡改、去中心化、透明性等特点。

元宇宙图书馆包含海量的数据，用户在元宇宙图书馆中也会持续产生数据，哈希算法可用于保护用户隐私。通过将元宇宙图书馆中用户的个人信息数据和行为数据转化为固定长度的哈希值，隐藏原始数据，从而保护用户的数据安全。同时，哈希算法和时间戳技术还可以保护用户在元宇宙图书馆中创作的内容的版权。通过用户创作内容的哈希值和时间戳生成数字签名，可以确定该内容的创作时间和所有权归属，有助于保护用户的合法权益，打击盗版和侵权行为。另外，元宇宙图书馆中的数据可能存放于不同的服务器和节点上，数据传播机制可以保障数据的同步性和一致性。数据验证机制可用于验证元宇宙图书馆中数据的真实性，并结合数字签名、哈希算法等技术确保数据的可信性和可靠性。当元宇宙图书馆中产生新数据或者旧数据发生变动时，共识机制可以协调各个节点之间的信息交换，以形成对于新数据或旧数据的统一认知。此外，元宇宙图书馆可借助分布式存储技术，通过扩展存储容量来满足不断增长的数据存储需求。分布式存储将数据分散存储在不同的节点上，不仅可以防止数据丢失，确保数据存储的安全性和可靠性，还可以实现并行访问和快速数据检索，提高数据访问速度和效率。结合分布式账本和智能合约等机制，用户可以管理元宇宙图书馆中自有数据的权限，确保数据的安全性和隐私性。

2.3 物联网技术

物联网技术通常可以分为感知层、网络层、云平台层、应用层。感知层是物联网技术的最底层，包括各种传感器等，主要负责数据采集和感知；网络层负责将感知层采集到的数据传输到目标位置；云平台层负责数据存储、处理和分析；应用层负责具体的应用和服务。

在元宇宙图书馆中，物联网技术可以通过传感器实时采集物理图书馆的各种数据，如温度、湿度、光线等环境参数，并将其同步到元宇宙图书馆中，实现线上线下互联互通，在元宇宙图书馆中为用户提供与真实环境一致的体验。结合物联网技术和定位技术，元宇宙图书馆可以为用户提供准确的馆内定位和导航服务，帮助用户快速找到所需书籍或到达目标区域，提升用户体验感。

2.4 交互技术

交互技术是帮助用户开启元宇宙图书馆之旅的关键密钥，可以为用户提供沉浸式虚拟现实体验和丰富的交互体验，主要包括虚拟现实技术（VR）、增强现实技术（AR）、混合现实技术（MR）、扩展现实技术（XR）、全息影像技术、脑机交互技术等。

VR 提供了沉浸式的虚拟体验，打造了一个虚拟图书馆空间，用户可通过VR 以身临其境的方式探索图书馆，开展交互式浏览和阅读活动，参观展览和藏品，跨时空参与讲座、研讨会等活动。AR 通过将虚拟信息和物理图书馆相结合，向用户展示一个增强的物理图书馆，并提供丰富的互动体验，用户可通过AR 设备在元宇宙图书馆中进行虚拟导览和浏览、参与虚拟实验、与物理图书馆中携带数字信息的物品进行互动等。MR融合了VR 和AR 的特点，不仅可以让用户感知到物理图书馆中的物品和环境，也可以将虚拟元素实时叠加到用户视野中。XR 则进一步融合了AR、VR、MR 等技术，可以为用户提供更加身临其境、更具互动性的元宇宙图书馆体验。全息影像技术可以在元宇宙图书馆中建立逼真的虚拟人物，进而增强用户的沉浸感。脑机交互技术可以让用户直接通过脑电波与元宇宙图书馆进行交互，提高操作效率。

2.5 网络及运算技术

元宇宙图书馆可以让用户随时随地访问图书馆资源，并与馆员或其他用户进行互动交流，这些场景的实现需要较高的网络传输速度、较低的网络延迟、较大的网络容量，5G 和6G 网络、云计算、边缘计算则可以满足这些需求。

5G 和6G 网络可以实现更快的数据传输速度、更低的延迟以及更大的容量，可以支持元宇宙图书馆中大规模的数据传输和处理。在元宇宙图书馆中，用户可以通过5G 和6G 网络快速访问各类型资源，与馆员或其他用户进行实时互动交流。云计算技术具有强大的数据存储和处理能力，为元宇宙图书馆中数据的组织、检索、访问提供了强有力的支撑，元宇宙图书馆中的大量数字资源可以以虚拟化的方式存储在云端，以便用户通过网络随时随地获取所需资源。边缘计算是指通过离用户最近的设备为用户提供服务，以减少数据传输延迟、降低网络负载，在元宇宙图书馆中，边缘计算可以使用户以更快的速度获取所需资源，以更低的延迟与馆员、其他用户、馆藏等进行交互。

2.6 电子游戏技术

游戏是元宇宙图书馆的呈现方式之一，电子游戏技术可以为元宇宙图书馆中的物品呈现和互动交流提供支持。游戏引擎是电子游戏技术的核心，是一种用于创建和运行游戏的软件框架。用户在元宇宙图书馆的活动类似于玩游戏，如探索未知的事物和场景、获取自己想要的数字资源、与馆员NPC 交互、获取锦囊等。通过游戏引擎，元宇宙图书馆可以打造虚拟场景、人物、物体，为用户提供“玩游戏”式的阅读学习体验。3D 建模也是电子游戏技术的重要技术之一，是利用计算机技术建立物品的三维模型，物理图书馆中的各种场景、物品均可通过3D 建模实现数字化呈现，1∶1 复制到元宇宙图书馆中。对于一些特殊藏品和展览，3D 建模可以使用户更加近距离地浏览、观察，甚至可以结合VR、AR 等交互技术使用户与藏品互动，帮助用户更加深刻地了解这些藏品和展览。实时渲染技术也是电子游戏技术的重要技术之一，该技术可以将3D 建模的物品和场景以更加真实、更加清晰的方式展示给用户，为用户提供更加流畅自然的声光效果，增强用户的沉浸感。

2.7 人工智能技术

近年来，人工智能受到了广泛关注，其分支计算机视觉、机器学习、自然语言处理等技术也在不断更迭，应用范围也更加广泛。GPT 等大型语言模型的发布促使人工智能的发展更上一层楼，并进一步扩展了人工智能应用范围。事实上，人工智能技术在元宇宙图书馆的发展建设中占据举足轻重的位置，可以为元宇宙图书馆中大量的应用场景提供技术支持。

计算机视觉技术不仅可以识别、分类和标记元宇宙图书馆中的数字化实体，帮助用户搜索浏览元宇宙图书馆中的资源，还可以创建虚拟的三维场景，为用户提供更加沉浸的阅读体验。机器学习技术可用于元宇宙图书馆中个性化服务建设，根据用户需求和过往行为记录，为用户提供最相关和最有价值的信息和内容。自然语言处理技术可用于元宇宙图书馆中对话系统的开发及文本处理，使用户可以通过语音或文本进行交流，并为用户提供自动摘要、关键词标记等功能。AI-GPT技术的发展进一步优化拓展了自然语言处理技术在元宇宙图书馆中应用的深度和广度。利用AI-GPT 技术，用户可采用多样化的形式在元宇宙图书馆中进行交流互动，体验该技术提供的多样化功能，如文献综述、文献翻译等。

2.8 数字孪生技术

数字孪生技术将物理图书馆映射到元宇宙图书馆，构建物理图书馆的数字化镜像。无论是物理图书馆中的建筑抑或是环境，均可通过数字孪生技术在元宇宙图书馆中实现虚拟化、数字化，使用户在元宇宙图书馆中感受到与物理图书馆一致的氛围和环境，增强用户的沉浸感。借助于数字孪生技术，元宇宙图书馆可以为用户提供模拟实验和可视化演示功能。模拟实验可以让学生在虚拟实验室中开展模拟研究，提高实验的可重复性，降低实验风险，减少实验损耗，帮助复盘差错。可视化演示可以将抽象的理论和过程以图像等多样化方式展示，帮助学生理解消化知识。

3 元宇宙图书馆的技术结构

AI-GPT 技术受到各个领域的广泛关注，利用AI-GPT 技术，元宇宙图书馆不仅可以根据用户的需求提供精准的信息检索服务，大大提高了检索效率［8］，还可以根据用户的阅读习惯和兴趣，推荐相应的阅读材料，帮助用户提高阅读效果［9］。书理学［10］架构可以作为元宇宙图书馆的构建理论基础，书理学三原则“书是基础、人是关键、用是目的”对应着元宇宙图书馆的“数字资源是基础、数智人是关键、交互创造是目的”的基本理念［2］。基于书理学原则和上述元宇宙图书馆技术框架，本文从数据管理系统设计、用户界面设计、协作与分享平台设计三个方面分析AI-GPT 时代元宇宙图书馆的技术结构（见图2）。

图2 元宇宙图书馆技术结构

图中最外环和次外环为对应支撑技术，最外环的三个技术为共需技术，次外环技术分别对应不同方面建设。

3.1 数据管理系统设计

伴随元宇宙图书馆中数据资源的不断增加，数据管理系统需要能够处理海量数据，并提供高效的数据处理和检索服务。元宇宙图书馆的数据管理系统包含数据采集和存储、元数据管理、数据分析、数据索引、权限管理和访问控制、数据安全等内容。

（1）数据采集和存储。元宇宙图书馆的数据来源主要有三个方面。一是出版社、数据库提供商等内容供应商，如可以通过与内容供应商建立数据共享机制和许可机制，或与内容供应商的API 接口集成，获取丰富的数据资源。二是物理图书馆的实体书籍和文档，如可以利用扫描技术将其转换为数字形式，再利用OCR 技术转换为可编辑的文本数据。三是互联网上图书馆相关网站提供的各种资源，如可以利用网络爬虫技术、AI-GPT 技术采集，采集时要遵守相关法律法规，确保数据的合法合规。数据采集完成后，需要进行清洗、去重等环节，以保证数据的准确性和一致性。采集到的数据包含多种类型，如文档、图片、音频、视频等，可使用关系型数据库、图数据库、文档型数据库等进行存储。

（2）元数据管理。为了方便用户检索和浏览，元宇宙图书馆需要进行元数据管理。元数据是对数字资源的描述，元数据管理可以帮助用户快速找到所需资源。首先，在元数据管理中，要选择合适的元数据标准和模型以确保元数据的一致性、互操作性、可扩展性。其次要确定元数据元素，建立元数据记录和描述机制，并制定元数据控制和规范策略以保证元数据的质量和一致性。再次要建立元数据索引和检索机制，帮助用户快速检索发现资源。最后链接相关的元数据以更好地展示发现资源，并建立元数据质量控制措施，进一步保证数据的准确性、可靠性。同时，定期更新和维护元数据，确保数据的时效性。

（3）数据分析。为了更好地向用户提供服务，元宇宙图书馆需要分析内部数据资源，如文本挖掘、主题提取、主题建模等，以便对数据资源进行分类和关联。同时，还可以分析用户的行为记录，以便为用户提供个性化服务，为图书馆资源采购等决策提供支持。

（4）数据索引。元宇宙图书馆中包含海量的数据资源，需要建立强大的索引系统以提高检索的效率及准确性。元宇宙图书馆数据管理系统需要对各类索引技术进行组合应用，并根据数据资源的属性和用户检索需求提供适合的索引选择，使用户能够更快速地获取所需资源。

（5） 权限管理和访问控制。在元宇宙图书馆中，不同用户所拥有的权限不同，可访问的数据资源也有所差异，需要建立权限管理和访问控制机制，通过身份认证，如用户名和密码、人脸识别等，确保合法用户才可以访问。根据用户的角色和职责，分配不同的权限级别和访问权限。通过访问控制列表、角色基于访问控制等技术可以对数据资源进行更细粒度的访问控制。设置防火墙和网络隔离，阻断未经授权的访问和外部攻击等。

（6）数据安全方面。元宇宙图书馆中的数据可以分为用户数据和馆藏数据。用户数据属于隐私数据，可以借助区块链技术使用哈希算法等加密技术，确保用户隐私数据的安全性，还可以在用户界面设置用户认证和安全保护机制，进一步保护用户隐私数据。对于馆藏数据，可以将数据存放在不同的服务器和节点，以防数据丢失。此外，还需要定期进行数据备份，确保数据的可恢复性。

3.2 用户界面设计

在元宇宙图书馆中，用户界面设计应坚持人文互利原则［11］，注重用户体验，简洁易用的界面可以让用户更方便地获取和使用信息。图形界面是用户进入元宇宙图书馆最先接触到的部分，该部分的设计关系着用户对元宇宙图书馆的第一印象，影响用户是否进一步深入使用。因此，图形界面需要关注布局、颜色、字体、图标、背景音乐等要素，为用户提供美观、易用的用户界面。除此之外，用户在不同设备访问元宇宙图书馆时，图形界面应保持一致，即在不同尺寸的屏幕上都能进行良好一致的呈现。

进入元宇宙图书馆后，用户可能会产生检索需求，这就需要用户界面提供检索框，以便用户检索所需资源。用户可使用自然语言在检索框中提出检索需求，自然语言处理技术可以帮助系统理解用户输入的检索需求，并将其转化为结构化的检索指令。借助AI-GPT 技术可以使用户以更加便捷的方式表达检索需求，无需在检索框中输入特定的关键词或使用特定的检索语法，降低了用户检索资源的难度。后台收到检索指令后在数据库中检索相关资源，并将结果返回给用户。在将资源返回给用户时，可以借鉴ChatGPT 回复用户问题时的光标闪烁和打字机流式回复，提高用户等待回复过程的趣味性。另外，检索结果可以借助AI-GPT 技术，以图像、文本、音频等方式呈现，帮助用户更加直观地理解内容。根据用户的需求和兴趣，AI-GPT 可以进行文本匹配和相关性计算，帮助用户发现他们感兴趣的内容或相关的内容，为用户提供个性化的检索结果和推荐内容，提升用户的检索体验。此外，用户界面应包含用户评价和反馈区域，收集展示用户的意见和评价，在用户评价下，应允许其他用户进行评论，促进用户之间的互动交流。对于一些解答式评价，可以将其置顶，帮助其他用户更好地使用元宇宙图书馆。由于用户在使用元宇宙图书馆中随时可能会产生问题，所以用户界面也应包括帮助区域，此区域需要清晰地显示在用户界面，并提供电话、在线交流、邮箱等多种交流方式。

总之，元宇宙图书馆需要提供美观、友好的用户界面，以便用户更加方便地浏览、检索、访问相关资源，这就涉及图形界面设计、检索设计、用户评价和反馈设计、帮助设计等多个方面的内容，需要AI-GPT、大数据、区块链、交互等多项技术的支持。

3.3 协作与分享平台设计

协作与分享平台是元宇宙图书馆技术结构中非常重要的一部分，为用户提供了一个自由创造的平台，以实现元宇宙图书馆交互创造的目的。在这里，用户可以分享自己的读书心得、读书笔记等内容，也可以就某一主题互动交流，碰撞知识的火花。平台也可以提供社交功能，通过关注、私信、点赞、评论等操作，促进用户之间的交流。借助AI-GPT 技术，可以帮助用户发现具有相同兴趣、正在阅读同一本书、存在类似难题等各方面的相关用户，进一步促进用户之间的互动及新知识的产生，让用户积极主动地参与到元宇宙图书馆的建设中来，这方面与智慧图书馆建设之智识特征以及智见取向相一致，其核心思想均为给用户提供一个互动、分享并参与建设的智慧平台［12］。

4 AI-GPT 技术作为驱动元宇宙图书馆的动力

AI-GPT 技术的突破性发展正为图书馆趋向元宇宙注入新动力，在图2 所示的各项技术中，人工智能技术作为外层支撑、交互技术作为中层铰链，作用于用户界面、协作与分享等内层机制，落实到元宇宙图书馆的书、人、用核心。

（1）书以数字资源客体形式存在。随着现代信息技术的发展，无论是数据库资源，还是在线课程和教育资源，抑或是电子图书资源等，都在快速增长。这些数字资源是元宇宙图书馆的构建基础，而AI-GPT 技术可以为元宇宙图书馆提供强大的数据资源管理能力。从数据采集和存储，到数据管理、分析和索引，再到数据安全和保护，AI-GPT 技术不仅可以将书籍等文本资源数字化，还可以分析、解读和处理海量的数字内容，助力元宇宙图书馆数据管理系统的构建，帮助元宇宙图书馆更加高效地组织和管理数字资源，从而为用户提供更加便捷高效的服务和体验。

（2）人作为数智人发挥主体能动性。用户是元宇宙图书馆的使用者，其使用体验是元宇宙图书馆需要重点关注的内容。不同于传统图书馆，元宇宙图书馆主要通过用户界面和用户进行沟通交流，回应用户的各种需求，因此用户界面设计直接影响着用户和元宇宙图书馆之间的交流效果。AI-GPT 技术可以为元宇宙图书馆的用户界面带来更多智能化的功能，为用户提供更好的使用体验。借助AI-GPT 技术，元宇宙图书馆可以针对不同用户提供个性化的推荐服务，根据用户历史交互数据、兴趣等因素自动推荐相关内容，使用户可以更加便捷、高效地获取所需内容。同时，AI-GPT 技术还可以为用户提供在线问答、辅助翻译、文本摘要等功能，采用光标闪烁和打字机流式回复对用户需求进行回应，增强元宇宙图书馆用户界面的交互性、实用性和趣味性，为用户提供更加优质的服务体验。

（3）用体现了交互创造之综合目标。元宇宙图书馆打破了时间地域的限制，可以为用户提供一个自由创造、分享和协作的平台。AI-GPT 技术可以促进元宇宙图书馆用户之间的交互创造、协作与分享，利用AI-GPT 技术的自然语言处理和智能对话的能力，元宇宙图书馆用户可以在虚拟空间进行实时交互，共同创造和分享知识。AI-GPT 技术还可以为用户提供在线写作辅助、语音识别以及用户推荐等功能，帮助用户更好地表达和记录自己的想法和创作，发现具有共同点的用户，提高用户在元宇宙图书馆中的参与度和创造力。

书—人—用一体，实现元宇宙图书馆的整体功能。在实现这一整体功能过程中，AI-GPT 技术将以强大的人工智能和自然语言理解能力支撑并连通各环节，成为元宇宙图书馆的核心技术引擎，发挥生成式人工智能优势，驱动元宇宙图书馆不断创新。

5 小结

AI-GPT 技术的突破性发展将为图书馆走向元宇宙注入新的活力。元宇宙图书馆把图书馆的服务扩展到了元宇宙的虚拟空间，实现真正意义上的无障碍信息获取和知识传播。AI-GPT 时代，元宇宙图书馆的技术框架包含大数据技术、区块链技术、物联网技术、交互技术、网络及运算技术、电子游戏技术、人工智能技术、数字孪生技术八个部分，这八个部分在元宇宙图书馆建设中互相融合、互相促进，共同为元宇宙图书馆的建设和发展提供技术支撑。与书理学“书是基础、人是关键、用是目的”三原则相对应，AI-GPT时代元宇宙图书馆的技术结构可包括数据管理系统、用户界面、协作与分享三个部分。书对应数据管理系统，人对应用户界面，用则对应协作与分享。尽管元宇宙图书馆距离最终落地还有很长的路要走，但它指引了未来图书馆的发展方向。未来还需深入探讨元宇宙图书馆的具体建设方式及其理论逻辑，期待元宇宙图书馆的早日落地。

（致谢：叶鹰教授提供研究思路与建议，特此致谢。）