数字孪生技术驱动下的新型智慧图书馆建设* 梁荣贤 凌征强 于兴尚（1.广州城建职业学院图书馆 广州 510925；2.广州番禺职业技术学院图书馆 广州 511483；3.四川大学公共管理学院 成都 610065）数字经济代表着新经济的生命力，已成为经济增长和转型升级的主要动力源泉和重要驱动力，是全球新一轮产业竞争的制高点随着数字经济的快速发展，大数据、互联网、人工智能等新技术已经深入人们的日常生活中如果人们每天在数字办公、网络社交、电子商务等活动中投入的时间占据除去睡眠等无效时间的比例超过50%，其数字身份便会比物理身份更真实有效[1]数字孪生技术是数字经济飞速发展的产物，作为一种产品生命周期管理的颠覆性技术，它将是未来实体产业高速发展的重要推动力，并将掀起一场现代工业的新生产要素革命图书馆作为生长着的有机体，近年来一直处于智能化、智慧化的进程中，数字孪生技术已具备落地图书馆的条件数字孪生技术落地图书馆后，图书馆将可以借助立体感知的动态监控、泛在网络的即时响应、软件模型的实时分析和智能决策，解决在建设规划前期、管理发展中期及服务提升后期等全生命周期面临的复杂性、未知性问题。
1 数字孪生及其相关1.1 数字孪生发展历程“数字孪生”（Digital Twin）也被称为“数字双胞胎”“数字镜像”“数字化映射”等，其出现的历史最早可追溯到1969 年美国国家航空航天局NASA 的阿波罗计划项目，NASA 制造了两个完全一样的空间飞行器，留在地球上的飞行器被称为“模拟器”或“孪生体”[2]2003 年，M.W.Grieves 教授在密歇根大学产品生命周期管理课程上最早提出数字孪生概念模型[3]2006—2010 年仍然是数字孪生体的初始阶段[4]，直至2011 年Grieves 才正式提出数字孪生体的概念，起先被美国空军研究实验室应用于飞机结构寿命预测的概念模型[5]2014 年以来，随着各种新技术的发展，尤其是西门子、通用电气等世界知名企业对数字孪生的频繁应用带来的示范效应使数字孪生广为人知，数字孪生踏上了规模化应用的征程[6]2016 年底，数字孪生第一次被Gartner 公司纳入十大战略技术趋势，并连续四年榜上有名2017 年，中国信息通信研究院智慧城市团队提出的“以数字孪生城市推进新型智慧城市建设”的创新理念引起强烈反响2020 年4 月，国家发改委与中央网信办印发的《关于推进“上云用数赋智”行动 培育新经济发展实施方案》多次强调数字孪生技术的重要性，并鼓励开展相关的创新计划[7]。
事实上，印度海德拉巴、新加坡，我国的深圳、雄安，都已展开数字孪生方面的摸索和尝试腾讯的WeTransport、WeCity、微瓴，阿里的“城市大脑”，还有科大讯飞的“讯飞超脑”，都涉足智慧城市和数字孪生领域目前，全球正在掀起一场范围更广、层次更深的科技和产业变革，数字经济蓬勃发展并深刻影响人类社会，而数字孪生技术在其中扮演了极其重要的角色1.2 数字孪生定义与内涵目前，数字孪生还没有形成公认的定义工业4.0”术语编写组认为数字孪生是利用建模和仿真工具构建的覆盖产品全生命周期和价值链的数字化数据流《数字孪生白皮书（2019）》认为数字孪生是整合利用感知、计算、建模等信息技术实现物理空间与赛博空间的交互映射[8]陶飞等[9]认为数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助行为及手段为物理实体增加或扩展新的能力周瑜等[10]认为数字孪生是指构建与物理实体完全对应的数字化对象的技术、过程和方法李璐等[11]认为数字孪生是借助数字化手段建立物理对象动态仿真模型，实时模拟仿真物理对象的状态、行为轨迹等刘大同等[12]认为数字孪生是指在信息化平台内建立、模拟一个物理实体、流程或者系统总的来说，陶飞等研究者关于数字孪生的定义得到了业界的普遍认可，并基本达成了共识[13]。
笔者认为，数字孪生是物理实体的真实数字表示，即物理实体拥有一个数字孪生模拟和跟踪它的实体版本，利用实时数据来实现理解、学习和分析，并通过同步的频率使物理实体和数字模型趋于一致2 数字孪生图书馆2.1 数字孪生图书馆的定义数字孪生图书馆是整合了多个领域、学科、技术的结合体[14]，其实质是借助孪生大数据驱动构建智慧化数据闭环赋能体系，通过物理图书馆与数字孪生图书馆实时双向映射与动态交互起到虚实融合、以虚控实的功用国内研究者从不同角度对数字孪生图书馆进行了定义，赵艺扬[15]认为数字孪生图书馆是深度融合大数据、人工智能、物联网、区块链等技术，构建与物理图书馆实体完全映射的数字孪生模型，实现数字孪生模型—物理实体实时双向映射的一种新型智慧图书馆翟秀凤等[16]认为数字孪生图书馆是借助数字化手段构建与物理图书馆内容、性质、结构完全相同的仿真模型，通过关联物理图书馆和孪生图书馆之间的数据和信息，实现“人—机—物—环境”智能交互融合2.2 数字孪生图书馆的特点2.2.1 数字驱动1997 年7 月，由国家图书馆、上海图书馆等6 家公共图书馆参与的国家重点科技项目“中国试验型数字式图书馆项目”标志着我国数字图书馆建设的开始。
20 多年来，我国数字图书馆的建设取得了长足进展数字孪生图书馆是数字图书馆的一种新态势，将构建一个智慧化数据闭环赋能体系图书馆孪生数据主要由图书馆物理要素属性数据（包括图书馆规格、功能、性能、关系等）、图书馆动态过程数据（包括图书馆运行状况、环境参数、实时性能、突发扰动等）、图书馆几何模型相关数据（包括图书馆几何尺寸、装配关系、位置等）、图书馆行为模型相关数据（包括图书馆驱动因素、环境扰动、运行机制等）、图书馆知识数据（包括专家知识、规则约束、行业标准、常用算法库与模型库等）以及对上述数据进行转换、预处理、分类、关联、集成、融合等处理后获取的衍生数据在精准、高效的数字驱动下，数字孪生技术将筑牢图书馆的数字底座2.2.2 精准可视数字孪生图书馆最直观、最典型的特征是数字表达的精准可视化，通过将物理图书馆按1：1 的比例还原，做到视角上和运行规则上的等比还原，实现表里如一、全息镜像图书馆里的楼层、书架、图书、桌椅、电子设备、用户等各类实体和全部设施设备，在数字孪生图书馆模型中都可以实现极致可视化由于数字孪生图书馆所有数据都来自物理图书馆实体采集，这些数据借助机器学习和各种自动化工具，可以实现3D 快速建模。
除了不可移动物体的静态可视化展现，数字孪生图书馆还可以实现对光线变化、气流变化、读者人流变化、图书馆内发生的各种事件等进行动态呈现2.2.3 虚实交互数字孪生图书馆的虚实融合、虚实交互离不开物联感知，数字孪生图书馆的建设首先要由实入虚图书馆部署好全馆的传感设施，数字孪生模型借助大数据、虚拟现实、增强现实、模拟仿真等新技术对物理图书馆实体的各种数据和要素进行实时采集、精准映射同时，数字孪生图书馆也会根据实时数据对物理图书馆的运行状况进行监测、分析、优化，达到以虚控实，以虚拟服务现实的目的可以说，传感设备布下的“天罗地网”，将使图书馆的前世今生尽在掌握之中，实现过去可追溯，当下知冷暖，未来可预期的图书馆精细化管理2.2.4 智能定义数字孪生图书馆要实现对物理图书馆实体的精准映射和智能管理，物理图书馆实体首先要可感可控以泛在标识感知体系、泛在互联接入体系、泛在边缘计算体系[17]及智能化的图书馆基础设施为要素构建的、面向未来智慧图书馆发展的新型信息基础设施，将重塑图书馆物理形态，改变图书馆风貌，实现智能定义图书馆的一切2.2.5 柔性仿真实时柔性仿真能力将是未来数字孪生图书馆极其重要的能力，其重要性甚至超越大数据，对物理图书馆实体产生更加深远的影响。
比如，图书馆的空间布局是否合理；各楼层的书架、桌椅的数量及摆放位置是否科学；随着季节和光线的变化，图书馆的空调、照明灯如何实现节能但又要保证用户使用的舒适度；新建公共图书馆的选址、地下停车场建设等问题是否需要调整优化等图书馆管理部门不可能提出100 种方案并逐一试错，但在数字孪生图书馆的仿真系统中，可以实现同时测试成千上万种方案，让系统快速找到最优解，让图书馆的决策变得更加智能、科学，不留遗憾3 数字孪生技术在图书馆的应用3.1 图书馆建筑与空间3.1.1 图书馆实体信息秒级加载图书馆的实体信息包括图书馆空间、人、物等所有要素及各要素相互之间产生的关联信息例如某册图书被借出或归还，公用电脑被使用和闲置数量，阅览桌、研修室被占用、预约情况，图书馆内哪个片区人流量多或少等目前，类似上述的构想已在其他领域成为现实例如香港科技大学打造的数字孪生校园项目，该项目作为智慧校园的一个鲜活实验室，创建了一个校园数字孪生平台，一个静态和动态实物资产及系统的数字孪生体，通过秒级加载的实时数据监测校园，检测或预测各种设备是否存在异常，还可以实现更有效地分配资源[18]这种以数字方式导入真实物理数据，并与建筑管理系统无缝连接打造而成的智慧校园同样适用于数字孪生图书馆的建设。
届时，在先进的传感器技术、分布式传感技术、高带宽光纤技术、分布式云服务器存储技术等赋能下，数据传输时间将极大缩短，图书馆将实现实体信息秒级加载，管理者可以实时获取图书馆的各种信息，而用户通过智能终端设备如智能就可以实时获取所要了解的图书馆信息3.1.2 智能感知呈现真实图书馆随着各种新技术的应用，未来图书馆将是实体图书馆、数字图书馆和虚拟图书馆三合一的复合体早在2008 年，我国国家图书馆就应用VR 技术推出了“国家图书馆虚拟现实系统”，用户通过VR 设备即可便捷地了解图书馆陆颖隽2013 年对VR 技术在数字图书馆的应用基础、VR 系统的构成与实现、VR 技术在数字图书馆应用的必要性与可行性以及VR 技术在数字图书馆虚拟空间、三维信息资源建设、可视化信息检索、虚拟参考咨询、远程遥控技术[19]等方面的应用进行了较为全面的研究探讨数字孪生图书馆智能感知物理图书馆的过程，是云计算、边缘计算、移动计算以及数据和算力、算法的协同，传感器和物联网收集到的各种数据通过数字化模拟，形成物理图书馆全方位的数据模型这个数据模型存储在云端，借助大规模的算力和算法，形成仿真、预测和决策的结果并实时反馈给物理图书馆以便执行和控制。
例如美国马里兰大学教授Romel Gomez 开展的学生远程实验室数字孪生项目体验就是通过应用数字孪生技术，打造了一个实验室数字孪生体，让受新冠疫情影响而不能到实验室的学生进行远程实验[20]，其功能、使用体验和实体实验室并无明显差别，是数字孪生体智能、准确感知物理实体的成功应用可以预见，数字孪生技术落地图书馆后，用户足不出户也能使用图书馆的资源和服务，甚至比亲临实体图书馆更便捷、高效、舒适3.1.3 开启图书馆万物互联时代数字孪生图书馆可以构建出一个一体化感知监测体系，这个一体化感知监测体系包括感知设备、感知网络、感知平台等感知设备由包含物联网感知模块的智能终端构成，网络层的主要功能是使数据从设备层高速传输到平台层，平台层汇集的数据为图书馆大数据分析提供支撑一体化感知监测体系是图书馆万物感知、万物互联、万物智慧的载体、入口和中枢神经具体来说，传感器、可穿戴设备、智能终端设备（如智能）、智能家电等设备是促进图书馆万物互联的基础设备，这些设备能产生海量的图书馆实时数据，同时网络边缘设备可以部署支持实时数据处理的边缘计算平台为图书馆用户提供多元化服务或个性化功能接口，而利用边缘计算模型例如微数据中心、移动边缘计算、雾计算、中科院海云计算等可以高效处理网络边缘设备产生的海量图书馆数据[21]。
届时，物理图书馆和数字孪生图书馆里的一切物体包括图书馆建筑、馆内各种设备、图书、用户、馆员等均可关联起来，将开启物理图书馆和数字孪生图书馆双向映射、虚实交融、万物互联的新时代3.2 图书馆资源与服务3.2.1 加快资源的。