元宇宙视域下数字孪生图书馆全智慧服务机理研究

2024-04-09朱维乔

河北科技图苑 2024年1期

摘要：在虚拟与现实融合的元宇宙视域下，数字图书馆用户的实时交互、精准服务以及个性化需求的实现面临全新挑战，构建孪生图书馆虚实共生空间成为解决问题的有效途径。阐述了数字孪生图书馆全智慧服务系统的运行机理，分析了孪生图书馆全智慧服务的重要应用场景，并从技术研发、资源建设、人才培养、标准法规等方面提出全智慧服务发展策略。

关键词：元宇宙；孪生图书馆；多模态交互；全智慧服务

中图分类号：G250 文献标识码：A

DOI：10.13897/j.cnki.hbkjty.2024.0012

0 引言

随着元宇宙第一股在线创作游戏平台Roblox公司在美国上市，脸书公司更名为Meta并宣布其将聚焦于以元宇宙为主的新型业务，元宇宙迅速在全世界掀起巨大热潮，并成为科技创新的聚焦点。究竟何为元宇宙？在清华大学发布的研究报告中，元宇宙被定义为融合虚拟现实、数字孪生等多种新技术而形成的虚实相生的三维时空，其基于数字孪生和扩展现实技术实现时空拓展性，运用人工智能和物联网实现人机融生性，是数字社会的进阶形式［1］。作为具有扩展性与交互性的超级虚拟空间，元宇宙使用户以数字身份在其中进行同步持续交互并体验与现实世界相似的多元感官效果，具备高沉浸式体验、新技术整合等特征［2］。在我国提出的十四五规划“创新驱动发展、建设数字中国”的目标推动下，以及“云数智”赋能的时代背景下，元宇宙、数字孪生等技术成为数字基础设施的先驱，是国家数字建设智慧转型的重要内容，将推动社会生产服务模式智慧化创新变革的实现。

数字孪生技术在虚拟世界中复刻真实世界的环境及社会关系，为在元宇宙中实现虚拟与现实的实时动态交互提供数据底座和运行基础［3］。同时，元宇宙发展对数字孪生技术提出了更高的要求，促进数字孪生技术不断完善。可见，二者相辅相成，互相促进，合力颠覆了图书馆领域用户传统的阅读习惯和信息获取方式，使图书馆功能在转变为以用户体验为中心的过程中得到拓展和延伸，为智慧图书馆建设与发展提供了新思路与新途径。在元宇宙场景下，通过构建数字孪生图书馆实现智慧服务发展的最终形态，即用户、物理空間与虚拟空间的同步互联与融合互动的全智慧服务［4］。

1 元宇宙场景下数字孪生图书馆的含义与特征

作为元宇宙支撑技术的数字孪生实时虚拟映射

★基金项目：本文系2023年度广东省哲学社会科学十四五规划项目“元宇宙场景下基于数字孪生的全智慧服务机理研究” （GD23XTS06）研究成果之一。系统，具有卓越的数据驱动、预测分析、虚拟仿真等效能，将推动元宇宙时代图书馆智慧服务的变革。孪生图书馆是指在元宇宙场景下，以孪生大数据为支撑，依托实体图书馆和智能物联传感网络，构建数字孪生空间和图书馆物理实体之间的虚拟模型，使二者实现多维动态化双向精准映射，通过动态仿真与精准分析，使智慧服务全周期数据融合的智能决策过程得以可视化呈现［5］，具有数据驱动、多模态交互、虚实融生等特征，成为元宇宙时代图书馆智慧服务的效能提升工具和实现载体。

数据驱动。以数字孪生体域网和智能传感系统为依托的数据驱动，是实现图书馆资源服务、设施环境实体的全域实时监测和统一管控的核心动力，通过异构多源业务流程大数据的深度融合，推动孪生图书馆全智慧服务的升级发展［6］。

多模态交互。多模态人机交互实时智能系统是数字孪生图书馆的基础设施，其深度融合数字孪生技术和脑机接口设备、智能可穿戴设备以及沉浸式云XR等交互技术，通过收集动态用户画像构建而成，实现用户多维度的全息沉浸式感知体验。数字孪生模型支持跨领域跨平台的数据互联，支持物理虚拟实体、数据服务与孪生应用多维交互和双向驱动。

虚实融生。虚拟仿真、数字孪生以及沉浸式云XR等技术赋能孪生图书馆实现物理馆和孪生馆的同步实时精准映射，有机整合物理实体、虚拟空间与服务应用系统，形成虚实共生的数字孪生图书馆终极形态，使资源服务供给得以优化，重塑智慧图书馆全新发展模式。

2 面向元宇宙孪生图书馆的全智慧服务系统运行机理

元宇宙场景下，孪生图书馆以数字孪生技术为基础，依托智能传感网络和数据赋能闭环体系，深度融合虚拟现实、全息仿真等领域，构建数字孪生模型，实现孪生馆与实体馆之间的双向实时映射和智慧耦合，进而感知管控物理图书馆的整体运行态势。对用户动态孪生画像进行具象化分析，采集资源运行轨迹，提供海量资源接口并进行知识推送，有效提升个性化服务质量和响应效率，进而重塑智慧服务内容和模式，拓展服务广度和深度。通过对多源异构大数据进行高效融合，实现对全智慧图书馆运行规律的精准研判［7］。全智慧服务作为智慧服务的终极形态，其用户身份由自然人扩展为虚拟数字人，数据采集终端由移动智能设备扩展为脑机接口等人机交互设备，资源获取来源扩展为数字孪生大数据。孪生图书馆全智慧服务的体系构建由孪生大数据驱动层、元宇宙技术支撑层、孪生数据仿真映射层与多模态人机交互层组成，如图1所示。

2.1 孪生大数据驱动层

孪生大数据驱动层的数据来源，是元宇宙场景下全智慧服务体系构建的基础，包括图书馆物理实体资源（如图书期刊和软硬件基础设施等）数据、信息物理空间的场景构建数据以及智能感知设备获取的用户特征与交互行为数据。运用泛在智能传感与全域数字标识技术，全面精准映射用户交互服务的供需情况，实现多源异构孪生大数据的挖掘融合、存储传输以及模拟映射等功能，为孪生图书馆全智慧服务体系提供数据支撑。主要任务包括孪生大数据的特征表示，在异构资源间建立语义关联。驱动层首先对孪生大数据进行整合统一，并通过多模态资源的语义关联实现检索内容的协同表示，通过用户孪生画像分析其行为特征与需求，将用户情境数据嵌入到索引模块并返回视觉检索结果。海量多源异构大数据具有虚实融合、物理感知等特征，动态满足孪生图书馆的多元存储和计算运行等需求，推动实现数据驱动的孪生图书馆全智慧管控。

2.2 元宇宙技术支撑层

孪生图书馆智慧服务体系的技术支撑层运用沉浸式云XR等元宇宙技术进行多模态数据处理，推进孪生空间和物理实体间的深度学习、双向映射和融合共生，驱动全智慧服务模式的高效有序运行。

（1）物联网。物联网通过智能传感器、RFID等数据采集技术，实现全域智能感知功能，使孪生大数据实时高效传输的同时具备可追溯性，进而使孪生图书馆智慧服务安全性得到保障。

（2）沉浸式云XR。虚拟现实VR、增强现实AR和混合现实MR等技术的统称即为沉浸式云XR，是孪生图书馆服务数智融合的技术底座。其中，VR技术通过动态多维大数据建模，利用虚实映射模型完成实体馆的动态可视化展示，使用户的沉浸式感官体验得以实现；AR技术通过情景大数据匹配实现虚实同步融生，如实物资源模拟展示等；MR技术融合匹配现实和虚拟环境，通过虚拟模型提升物理实体的智慧引导与检测认证功能。此外，沉浸式云XR也使在虚拟空间远程处理实体馆设备故障问题成为现实，如，运用设备控制交互机器的检测维护。

（3）多源异构孪生模型构建体系。包括全域数字标识、泛在物联智能感知以及深度学习等技术，其为虚实交互融合提供智慧高效的支撑体系，助力数字孪生图书馆的全域资源协同、态势智能感知与服务精准预判成为现实。泛在物联智能感知是孪生图书馆虚实映射的连接体系，为在非结构化异构海量大数据处理、需求预测感知算法优化等应用中具备显著优势的深度学习技术提供数据支持。

2.3 孪生数据仿真映射层

数字孪生空间通过对现实物理空间的动态映射，实现虚拟和现实空间异构资源的聚合。作为物理实体在元宇宙空间的数字表征，孪生数据仿真映射分析层可视为数字孪生图书馆的人工智能中台，其为各类智能决策与智慧服务应用提供有效支撑。通过全息仿真和AI深度学习等方法，对数字孪生空间的历史数据与实时数据进行挖掘，构建孪生数据仿真模型并融合用户画像模型、资源画像模型等模块，对知识进行关联分析等智能化处理，进而在数字孪生系统中完成物理空间中实体的虚拟映射，塑造与物理实体对应的孪生馆舍、孪生馆员与孪生用户，对数字孪生体的动态变化过程进行可视化表达，以实现目标活动的场景化，进而为服务场景匹配和动态趋势预测等功能提供信息载体，提升图书馆在场景匹配、服务评价以及资源建设等方面的效率。

2.4 多模态人机交互层

多模态人机交互层可实现物理世界和虚拟空间的对接，为用户和管理人员提供智能交互终端和业务管理界面。在元宇宙沉浸式可视化场景下，资源获取便捷性的提升需要跨越人机交互的技术鸿沟，多模态人机交互层通过虚拟现实等技术实现沉浸式交互体验，应用沉浸式云XR、基于VR技术的可穿戴设备、脑机接口等交互终端进出元宇宙虚拟空间，通过采集脑电波信号等方式为用户提供虚拟场景的沉浸式体验。集成动作感知、触摸感知等泛在智能感知技术构建智慧孪生空间多维虚拟场景，在虚拟场景中为用户提供资源位置、索引信息等，支持虚实空间的多感官全息交互，为用户赋予多感官沉浸式体验，使其可通过多元终端获取个性化推送资源，构建回溯式个性化知识体系，并实现虚实共生空间的交互切换。馆员与用户之间可通过虚拟数字人化身进行多场景实时交互，使知识资源在不同情境间的流动共享成为现实，使全智慧图书馆成为提供沉浸式交互体验的虚拟现实融合系统，突破现实和虚拟之间的壁垒，实现用户“可见即可感知”的目标，提升深层次沉浸式交互服务效果。

3 面向元宇宙孪生图书馆的全智慧服务场景实现路径

元宇宙孪生图书馆的全智慧服务场景，是依托沉浸式云XR技术体系支撑构建的沉浸式可视化场景。通过为用户创造沉浸式服务效果，从不同维度完成信息的获取，充分发挥元宇宙交互界面的优势，使用户的感官体验更为多元化，将文字、图像等信息转化为数字孪生场景信息，实现智慧服务各主体之间的实时高效协同。与此同时，数字孪生技术完成实体馆场景要素的虚拟映射，利用多元数据和算法模型构建实体与虚拟数据互通的孪生图书馆智慧空间［8］，从而为用户提供全过程可呈现的沉浸式VR智慧阅读、个性化精准推荐、移动视觉搜索以及虚拟数字人智慧咨询等全智慧服务。

3.1 基于沉浸式交互的VR智慧阅读服务

VR智慧阅读是元宇宙赋能数字孪生图书馆的重要应用场景，使具备沉浸感和交互性的全场景阅读成为现实，是全智慧服务的创新突破口。在元宇宙场景下，用户以虚拟数字人身份在孿生图书馆的虚拟空间中漫游，浏览馆藏资源，实现沉浸式VR阅读，通过虚拟现实设备感受身临其境的真实体验。如上海图书馆以馆藏红色文献为基础编列红色经典行程路线，使用户通过VR设备体验动感单车骑行的红色之旅线路，实现沉浸式实景体验并进行交互［9］。该服务模式运用VR、AR等技术构建实体与数字资源的3D模型和三维位置并将其导入检索系统，以确保用户可以随时查询图书信息，并可通过虚拟馆员确认是否为用户所需资源。VR阅读在丰富读者感知要素的基础上实现更好的阅读感知效果，并为用户提供更具深度的信息传递形式，进而推动阅读高效引导全智慧服务的优化升级和高质量发展［10］。

3.2 基于用户孪生画像的个性化精准推荐服务

元宇宙环境下，孪生图书馆个性化推荐包括场景推荐与服务推荐。其中，前者通过映射类和接入类技术，根据用户的历史偏好进行推荐，用户接受后可以直达该虚拟空间场景［11］；后者通过获取用户行为特征数据，对其进行刻画、分析并建立孪生画像模型，根据用户检索内容、虚拟空间访问等数据构建个性化3D路径图，从而为其推荐个性化资源。全智慧服务实现的重点场景之一体现在个性化推荐服务方面，通过用户需求的分析实现资源精准推送，如根据对历史数据的分析，当用户进入虚拟图书馆时以增强现实的形式呈现其所偏好的资源，运用数据挖掘和智能监测技术采集用户动态孪生数据，结合算法模型对用户运行轨迹数据进行自动分析与规律获取，通过模拟规律仿真推测用户潜在服务需求，进而形成个体数据集映射至孪生虚拟空间，同时嵌入与用户画像相匹配的网页推荐功能，最终实现用户需求和资源服务的智能耦合，提升全智慧图书馆的精准服务能力。

3.3 基于深度学习的移动视觉搜索服务

元宇宙环境下，视觉数据应进行逻辑分析和处理才能为孪生图书馆移动视觉搜索功能提供资源支撑，将视觉图像特征运用深度卷积神经网络进行有效提取，通过特征编码生成视觉图像的描述，再结合用户情境信息与卷积特征对图像进行物体识别分类以及图像的语义分析［12］，并将分析结果嵌入到移动视觉搜索服务过程中。在元宇宙赋能下构建可视化资源检索系统，应用脑机接口技术确定用户所需的主题内容，对孪生图书馆资源进行3D模型预览，并运用云计算、边缘计算技术进行资源整合以实现统一检索与知识发现，构建可视化虚拟检索模块［13］，进而提升元宇宙孪生图书馆的资源使用效率。

3.4 基于虚拟数字人的智慧咨询服务

在元宇宙时代，传统参考咨询服务由于互动性较低已难以满足用户需求，人工智能技术驱动的虚拟数字人成为孪生图书馆咨询场景的重要角色。虚拟数字人是综合运用元宇宙技术对人的生理属性与社会属性进行的全方位模拟化身，是具备社交功能的服务提供者。其依据馆藏资源和用户交互日志数据，使咨询交互服务被赋予思想性、情感性等全智慧特征，对用户需求给予个性化反馈［14］，迅速检索与用户学科背景相关的多模态信息，并以三维立体形式将其呈现给用户，实现咨询服务的全智慧化。此外，虚拟数字人之间的互动交流有助于实现全智慧服务推广的社群效应，进而提升孪生图书馆的空间服务水平。

4 面向元宇宙孪生图书馆的全智慧服务发展策略

4.1 开展技术研发，强化系统支撑

元宇宙孪生图书馆全智慧服务系统的构建与运行对核心支撑技术提出较高要求，加速技术规模化布局是元宇宙图书馆由愿景转化为现实的根基。当前元宇宙核心技术发展成熟度不足，瓶颈有待突破，可见孪生图书馆全智慧系统建设需要持续的技术研发创新和融合为其提供保障。

一方面，人工智能底层技术与元宇宙图书馆的应用需求之间存在一定差距，需要更为精准的数字孪生建模技术、更为全面的物理实体感知技术以及更为稳定的深度学习技术等。元宇宙孪生图书馆需融合AI、XR、物联网等技术模块，构建多维技术体系，提升多模态数据融合与数据仿真的运行效率。

另一方面，元宇宙孪生图书馆集沉浸式云XR入口、现实场景映射等要素于一体［15］，沉浸式云XR等硬件技术的发展使虚拟世界更为拟真、人机交互方式更具沉浸感，因此需要首先优化当前的扩展现实设备和沉浸式装备，使增强现实技术通过情景数据采集匹配等方式实现孪生图书馆全时空虚实同步，如VR全景导览和物理馆图像辨识等。与此同时，全脑成像等技术发展将颠覆传统的交互服务方式，以意识传输提升智慧创造效率。其中，脑机交互、情感交互是人机交互技术的发展方向，其使多用户交互成为可能，进而推动全智慧服务的实现。

此外，用户高沉浸感体验的实现需要低成本算力资源与稳定的算法支撑，同时加速5G、6G通信网络和元宇宙核心技术的融合，进而为用户提供低延迟的高效服务。由此可见，完善元宇宙孪生图书馆建设中的核心支撑技术是赋能全智慧服务向纵深发展的关键动力［16］。

4.2 加强资源开发，推动基础设施建设

元宇宙环境使图书馆面临信息资源建设变革创新的挑战。实体资源、数字资源以及用户行为数据等数字孪生大数据都成为孪生图书馆资源的组成部分。与此同时，元宇宙赋予用户知识资源的创作生产权限，用户创造内容将多维度呈现在元宇宙全智慧服务场景之中，成为元宇宙图书馆资源开发的全新视角。应当发挥图书馆在知识组织和资源利用方面的优势进行资源体系整合，加强资源开发和加速数字资源虚拟化，并应用虚拟仿真技术使虚拟资源立体化呈现，使用户能直观获取所需资源［17］。此外，可以通过资源集约方式减少重复建设和不当配置导致的资源浪费，积极构建区域图书馆联盟和跨领域项目合作平台，使具备不同资源优势的机构合作实现资源互补，保证孪生图书馆各项资源建设的可持续性推进。

另一方面，基础设施建设是元宇宙孪生图书馆全智慧服务的保障。基础设施作为实体资源的主体层，包含建筑空间、服务资源等要素，支撑元宇宙孪生图书馆功能的实现，包括图书馆外观建筑和内部空间布局、公共设施等实体资源；图书、期刊等知识资源；RFID软硬件系统、智能传感器、监控设备终端等网络设施资源［18］。可通过对孿生馆的仿真运行发现实体资源建设的不足，推动物理实体馆与数字孪生馆的双向优化，应当完善基础设施建设，尤其是推动元宇宙云基础设施和通信系统，以及图书馆智能楼宇和设备的建设工作，为元宇宙孪生图书馆全智慧服务的可持续发展提供资源保障。

4.3 培养智慧馆员，优化交互服务

元宇宙环境下，信息传递效率和场景得以拓展延续，虚拟现实技术使馆员工作方式突破物理世界的限制，其通过沉浸式设备在虚拟环境中高效工作成为现实［19］。人工智能技术驱动的虚拟数字人作为智慧馆员的虚拟化身，成为孪生图书馆咨询交互场景的主角。用户在孪生空间中通过虚拟化身交互模拟现实，保存、使用元宇宙图书馆虚拟资源［20］，馆员的数字分身通过头戴式显示器、跟踪器等追踪用户行为并进行交互服务呈现，即孪生馆员依托AI深度学习和XR沉浸服务体验赋能，可与用户进行视听觉交互，实时响应用户需求，并依据用户检索偏好等数据量身定制个性化智慧服务推送。由此可见，全智慧服务场景要求馆员具备较高水平的技术能力和创新思维，能充分对接虚实馆员工作，将意识融入元宇宙作为解决沟通效率问题的关键，适应全智慧服务模式不断创新的节奏。

因此，积极引进高质量技术人才梯队、加强培养智慧馆员成为元宇宙图书馆的发展策略之一。亟需拓展馆员学习渠道，定期开展业务培训加强馆员学习能力，通过产学研生态链培养智慧馆员，使其在实践中迅速提升为元宇宙技术人才，具有精准把握用户需求和情感动态的能力，针对用户偏好匹配资源和开展全智慧服务，进而推动数字孪生图书馆全智慧服务系统的建设和运转，为其提供人力资源保障。

4.4 完善技术标准，构建法规体系

元宇宙环境下，完善标准法规体系构建是孪生图书馆全智慧服务取得长足发展的基础前提，包括元宇宙技术标准规范体系与法律法规体系的构建［21］。

首先，基于元宇宙行业标准化需求，确立孪生图书馆领域统一的软硬件、技术服务等关键应用的标准体系。此外，元宇宙孪生图书馆全智慧服务系统构建需要采集孪生大数据，为此面临用戶隐私和信息安全的严峻挑战。针对虚实融合的元宇宙智慧图书馆产生的海量数据安全治理、隐私风险规避以及知识产权保护等问题，需要采取相应的防范解决对策，即构建元宇宙智慧图书馆的数据治理体系。同时，落实数字科技立法工作，建立健全适用于元宇宙图书馆的相关法律制度。

5 结语

虚拟现实融合的元宇宙赋能孪生图书馆复刻现实世界的场景与社交，使其具备高度沉浸式感知体验，颠覆了用户的信息交互模式，使其体验到更为多元化的个性化服务，为智慧图书馆建设带来新的发展契机。本文分析了元宇宙环境下数字孪生图书馆的特征并构建了孪生图书馆全智慧服务系统模型，结合元宇宙应用场景，提出孪生图书馆的全智慧服务实现路径，从技术研发、资源建设、人才培养、标准法规等方面提出全智慧服务发展策略，为数智时代全智慧服务发展的理论体系优化提供借鉴。

元宇宙理论和应用研究目前仍然面临诸多难题和争议，如数据安全、数字鸿沟、用户隐私保护等问题，随着相关技术的持续发展完备，上述难题的有效解决方案将成为学界深入探索的重要方向。

参考文献

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