数字孪生技术如何革新高校图书馆学科服务

李淑红?孙晓琳?杨菁?多朵

摘要：随着信息技术的迅速发展，高校图书馆正面临从传统服务模式向智慧服务模式转型的挑战。数字孪生作为一种新兴的技术手段，在许多行业领域内已经显现出其巨大的潜力和价值。基于此，现针对图书馆在学科服务中存在的问题，提出基于数字孪生技术构建学科服务体系和数字孪生学科服务模型，探讨数字孪生技术在高校图书馆学科服务中的应用，同时从基础设施建设、数据整合与管理、知识管理与服务、用户体验设计四个方面阐述实现数字孪生在学科服务中的实施策略，旨在为高校图书馆提供更加准确、高效与个性化的学科服务。

新时期，国家在教育领域作出了巨大改革，尤其是在高等教育领域，习近平总书记在主持中共中央政治局第五次集体学习时强调，“建设教育强国，龙头是高等教育。要把加快建设中国特色、世界一流的大学和优势学科作为重中之重，大力加强基础学科、新兴学科、交叉学科建设，瞄准世界科技前沿和国家重大战略需求推进科研创新，不断提升原始创新能力和人才培养质量”[1]。由此可见，高等学校的学科建设直接关乎人才培养的质量和社会服务的能力，推动学科建设是高等学校履行职能的最基本体现。图书馆作为高校知识交流、学术研究、信息素养培训和文化建设的重要基地，对于推动学校全方位学科建设具有不可替代的作用。学科服务作为高校图书馆面向不同学科师生的一个综合性平台，正逐步从以藏书为中心的理念向以用户为中心的理念方向转变，但也在数字化转型、信息素养、个性化服务、学科整合与跨学科服务、专业人才培养、空间优化等领域面临巨大的挑战。

随着高校教育模式的转变和数字化技术的发展，以数字孪生为代表的技术为高校图书馆学科服务的创新提供了新的思路和方法。数字孪生技术是一种通过创建物理实体的虚拟副本以模拟、预测和优化物理实体在现实世界中的行为和性能的技术。在高校智慧图书馆领域，2020年，赵艺扬[2]基于数字孪生技术提出了新型智慧化图书馆的建设思路，探析了数字孪生图书馆的运行机制，确定了运行策略。2021年，牛青[3]针对目前图书馆的现状，从个性化服务、全方位管理等角度提出了数字孪生与图书馆运行的融合机制。2022年，吕丰华，姜继红等[4]运用数字孪生技术优化了读者借阅服务、精准服务，提高了馆藏资源利用率，王家玲，王伟赟[5]也通过研究数字孪生构建了图书馆精准服务体系。2023年，李淑红，孙晓琳等[6]从数字孪生角度提出了智慧图书馆建设的理论模式，重点分析了图书馆的决策模式。

在高校图书馆领域，数字孪生技术在智慧图书馆建设中起着不可估量的作用，这意味着可以创造一个虚拟的图书馆学科服务环境，实现资源的最优配置和服务的个性化设计，对于推动学科建设与发展具有极其重要的意义。本文立足于新时期高等教育快速发展的背景，研究分析数字孪生技术在高校图书馆学科服务模式中的应用策略。

数字孪生技术概述

数字孪生的定义

数字孪生（Digital Twin）是一种虚拟模型技术[7]，以数字化的形式创建了一个物理实体的多维度、多空间、多尺度、多学科的动态虚拟模型，通过虚拟模型刻画和仿真现实物理实体的性能、状态和动态行为。简单来说，数字孪生就是将真实世界中的物体、过程或系统与其数字复制品连接起来，允许我们对物理实体进行分析、测试和优化，而不会影响实际的物体或系统。这个概念最早由美国密歇根大学Michael Grieves教授提出[8]，初期主要应用于飞机零件的生命周期管理，主要包括工艺流程的改进、生产效率与质量的提高方面。近年来，它被广泛应用于智慧城市建设、卫星空间通信、制造车间、车辆船舶、智慧物流、医疗健康等多个领域。

数字孪生的关键技术

数字孪生技术之所以能够精确地反映物理实体的状态、行为和过程，主要依赖于一系列先进技术的融合系统，其中，物联网（IoT）、云计算和人工智能技术（AI）是实现数字孪生的关键技术。物联网技术通过互联网将各种信息传感设备和网络相连接起来，利用嵌入在物理对象中的各种传感器，收集环境中的设备参数、状态及操作参数，还可以接收控制指令，实现对物理实体的远程操控。云计算主要提供了强大的计算资源和存储能力，保证了数据的长期可访问和安全性，同时可以快速地处理并分析收集到的数据，允许用户在世界各地都能访问数字孪生模型。人工智能技术主要用于智能化的分析和决策辅助，通过机器学习算法从历史数据中学习并识别出特定的行为模式，预测设备的未来行为并提出优化的建议，实现整个系统的自动化决策和物理实体的实时响应。

高校图书馆学科服务的现状

当前高校图书馆在学科服务中主要提供文献检索、索引编制、学科指导、数据库电子资源等服务，尽管学科服务具备了一定的发展规模，但是随着物联网、云计算和人工智能技术的发展，在高等教育学科发展中已经出现了诸多问题。安徽建筑大学图书馆林赞声，马洁[9]以安徽15所高校图书馆为调查对象，在学科馆员、学科服务及平台建设方面对图书馆学科服务进行了梳理；黑龙江省黑河学院图书馆马春花[10]对当前图书馆的资源建设和学科服务进行了分析，指出了学科服务过程中的不足之处；长沙理工大学邓婕从非双一流高校图书馆发展的角度分析了学科服务的内容及现状，并提出将学科服务嵌入各个服务窗口的机制。综上分析，目前学科服务主要存在服务学科不够全面、信息素养教育落后、学科馆员严重匮乏、资源整合能力有限、个性化服务不足等情况。

笔者以新疆理工学院各学科建设为例，通过知网数据库分析了2020年以来以新疆理工学院为第一单位的作者发表论文（如图1所示）。根据图1可知，发表论文各类学科情况为：高等教育215篇，占总比37.33%；农业经济62篇，占总比10.76%；计算机软件及应用61篇，占总比10.59%；轻工业手工业36篇，占总比6.25%；体育36篇，占总比6.25%；有机化工33篇，占总比5.73%；旅游32篇，占总比5.56%；环境科学与资源利用31篇，占总比5.38%；中国语言文字27篇，占总比4.69%；贸易经济26篇，占总比4.51%。新疆理工学院学科建设以工为主，理、工、经、管、文、法多学科交叉融合发展，通过以上数据可以在一定程度上反映当前学科发展的一个趋势，在高等教育这一方面发展相对较好，但是与理工类的学科发展相比仍存在一定的差距。对此，图书馆在学科服务中可以采取一系列促进措施，了解读者及院部师生的多样化需求，充分促进资源、团队、管理等的融合发展。

基于数字孪生的学科服务模式

数字孪生在学科服务中的应用

通过构建学科服务的数字孪生模型，精准实现不同用户的多样化需求，明确学科服务的发展目标，使物理图书馆与虚拟图书馆学科服务体系更加完善。根据笔者前期研究的数字孪生图书馆五维框架模型[11]，以用户为中心，构建数字孪生学科服务应用体系（如图2所示）。

数字孪生学科服务应用体系主要由学科服务孪生体与终端用户组成，而学科服务孪生体主要包括数字孪生图书馆和学科服务平台，终端用户包括院部机构、师生用户、学科馆员。其中，数字孪生图书馆为学科服务体系提供基础资源，主要由物理图书馆与虚拟图书馆交互而成，通过物联网、云计算将物理实体、虚拟实体、孪生数据相融合，是整个学科服务体系运行决策的大动脉。

学科服务平台是通过庞大的数据信息和先进的人工智能算法模拟实现的，主要涉及数据信息的储存与处理，这些数据用来教授人工智能算法如何识别模式和预测，目前较为成熟的算法有卷积神经网络、递归神经网络、长短期记忆网络以及生成对抗网络，其平台通过这些算法的训练，实现学科服务体系的智慧分析、智慧决策、智慧管理以及智慧服务。

终端用户院部机构是承载学科发展的一线教学单位，在这一过程中，服务平台主要应用于教育教学，通过创建精确的实验室设备和实验过程虚拟模型，让学生完成风险指数较高的科学实验，避免人身安全受到伤害。通过数字孪生技术指导学生远程实现复杂的操作和流程，提供全面的学习资源。也可以在医学领域使用数字孪生技术进行手术模拟，帮助学生在安全的环境中磨练技能。师生用户不仅是学科服务的接受者，同时也是学科服务的反馈者，可以利用数字孪生平台模拟复杂的物理系统或产品性能，评估优化解决现实生活中的技术难题。通过师生用户的学习、研究和兴趣需要，充实学科服务需求的方向和内容，师生用户在使用服务过程中产生的反馈，是学科服务持续改进和创新的关键。而在整个学科体系服务中，学科馆员具有非常关键的作用和地位，他们是连接图书馆资源与用户（如学生、教师和研究人员）的桥梁，同时也是推动图书馆服务创新和学科知识发展的重要力量。在其应用体系中，学科馆员应具有资源开发与管理、信息素养教育、学术交流与合作、参考咨询以及个性化服务的基本技能，确保服务体系的正常运行及各院部机构的交流合作，以更好地支持教学和研究的共同发展。

数字孪生在学科服务中的实施策略

为了有效实施基于数字孪生的学科服务，根据数字孪生技术标准体系[12]，图书馆需要结合高校办学特色和办学条件，从基础设施建设、数据整合与管理、知识管理与服务、用户体验设计等方面进行合理部署与规划。

1.基础设施建设

构建数字孪生的学科服务体系需要具备跨学科的知识，涉及信息技术、网络安全、机械工程、软件开发等领域的专业能力。同时，还需要考虑规模经济。例如，物联网（IoT）设备、传感器、计算机设备、数据网络通信设备、数据储存管理设备、数据处理分析平台、可视化工具等。

2.数据整合与管理

组织和整合不同来源的图书馆资源数据，这些数据通常来源于传感器、设备日志、操作系统、业务系统等。确保数据的准确性和实时更新以支持后续的分析和决策，使数据孪生成为可能。同时，对于多样化数据要进行数据标准化和清洗，排除那些错误的、重复的或不完整的信息，确保不同源的数据格式、度量单位和时间戳能多元融合。

3.知识管理与服务

为有效管理和利用学科知识资源，满足各类用户的学习和研究需求，图书馆学科馆员要具备数据收集与整理、信息检索与分析、使用现代技术手段、用户培训与教育、咨询与决策等能力，这就需要图书馆人员加强对知识和技术的不间断学习。

4.用户体验设计

用户体验设计是整个数字孪生学科服务体系平稳运行的关键，需要开发高度个性化、互动性强、界面友好的产品和服务，可以通过用户行为和偏好实时调整界面和交互方式、实时反馈循环设计，构建不同用户场景，提供更加个性化的用户体验。同时，增强现实（AR）和虚拟现实（VR）的集成能够帮助用户更加直观地了解和使用产品或服务。在设计中引入数据保护措施，确保用户数据的安全。

数字孪生技术为高校图书馆的学科服务提供了一种新的发展方向。本文通过分析数字孪生技术的特点和高校学科服务发展的现状，探索性地提出构建学科服务的数字孪生模型，主要由学科服务孪生体与终端用户组成，详细地阐述了两部分应用体系的特点，能够为图书馆提供更加精确和个性化的服务，在提高资源利用效率的同时也能够促进图书馆服务的创新。最后，从基础设施建设、数据整合与管理、知识管理与服务、用户体验设计四方面提出了实现数字孪生在学科服务过程中的实施策略。随着本研究技术的进步和应用实践的深入，基于数字孪生的高校图书馆学科服务将展现出更加广阔的发展前景，为新型智慧化图书馆建设提供一定的新思路。

本文系新疆高校图工委科研项目资助，项目名称：基于数字孪生技术的图书馆服务模式研究，课题编号：TGW-20231201；项目名称：高校图书馆知识服务评价与优化研究，课题编号：TGW-20222404。

（作者单位：新疆理工学院图书馆）

[1]洪向华，张光泽.充分发挥高等教育龙头引领作用，大力推进教育强国建设[N].中国城市报，2023-10-30（19）.

[2]赵艺扬.数字孪生图书馆：基于数字孪生技术的新型智慧图书馆建设[J].出版广角，2020（10）：79-81.

[3]牛青.数字孪生图书馆：未来图书馆发展的新变革[J].四川图书馆学报，2021（06）：11-14.

[4]吕丰华，姜继红，王秀丽，等.数字孪生技术在图书馆借阅服务中的应用[J].青岛大学学报（自然科学版），2022，35（03）：58-63.

[5]王家玲，王伟赟.基于数字孪生技术的图书馆精准服务研究[J].新世纪图书馆，2022（06）：49-53.

[6]李淑红，孙晓琳，黑慧慧，等.高校图书馆资源建设的一剂良药：数字孪生技术[J].文化产业，2023（34）：151-153.

[7]陶飞，刘蔚然，张萌，等.数字孪生五维模型及十大领域应用[J].计算机集成制造系统，2019，25（01）：1-18.

[8] Grieves M，Vickers J.Digital Twin：Mitigating Unpredictable，Undesirable Emergent Behavior in Complex Systems[J].Springer International Publishing，2017.

[9]林赞声，马洁.安徽省高校图书馆学科服务现状、问题与发展对策[J].大学图书情报学刊，2024，42（01）：76-82.

[10]马春花.新形势下，高校图书馆的学科资源建设与学科服务探讨[J].兰台内外，2023（14）：67-69.

[11]李淑红，孙晓琳，黑慧慧，等.高校图书馆资源建设的一剂良药：数字孪生技术[J].文化产业，2023（34）：151-153.

[12]陶飞，马昕，胡天亮，等.数字孪生标准体系[J].计算机集成制造系统，2019，25（10）：2405-2418.