□許鑫 蘭昕蕾 鄧璐薌

圖書館是不斷生長的有機體，從藏書樓到數(shù)字圖書館，再發(fā)展為智慧圖書館，圖書館隨所處環(huán)境的變化不斷更迭。在新技術(shù)支持下，智慧圖書館逐漸成為圖書館發(fā)展的新形態(tài)，呈現(xiàn)出高度的智慧性、數(shù)字化、泛在化等特征，圖書館的業(yè)務(wù)體系也逐漸從圍繞紙本資源展開向以知識資源為主轉(zhuǎn)變。在智慧圖書館理念驅(qū)動下，業(yè)務(wù)的分解和重構(gòu)已成為圖書館日常管理的重要組成部分。圖書館通過對不同業(yè)務(wù)的調(diào)用和組合來提供創(chuàng)新服務(wù)，將業(yè)務(wù)封裝為不同模塊、不同面向的微服務(wù)來更好地服務(wù)用戶。但這種業(yè)務(wù)調(diào)用大多只是基于信息系統(tǒng)的整合、拼裝，業(yè)務(wù)整合主要側(cè)重于信息技術(shù)在實體空間上的優(yōu)化，沒有真正解決圖書館在實體與數(shù)字、現(xiàn)實與虛擬、線上與線下的業(yè)務(wù)融合，充其量只是作為數(shù)字圖書館或智能圖書館生硬的延伸，并未真正實現(xiàn)智慧圖書館的“全面感知、數(shù)據(jù)全覆蓋”，實體和虛擬空間的業(yè)務(wù)也未達到有機融合、協(xié)同創(chuàng)新的標準。數(shù)字孿生(Digital Twin)概念的出現(xiàn)及相關(guān)解決方案的誕生，模糊了現(xiàn)實與虛擬的界限。數(shù)字孿生利用數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)管理來支持目標系統(tǒng)的相關(guān)服務(wù)，具有高效、智能、可持續(xù)的特點[1]，它是物聯(lián)網(wǎng)(The Internet of Things，IoT)技術(shù)的進一步發(fā)展和完善，賦予了圖書館創(chuàng)新的可能，尤其是在智慧圖書館業(yè)務(wù)融合方面起到了重要的作用。

1 基本概念與相關(guān)研究

1.1 數(shù)字孿生概念和應用

數(shù)字孿生指連接物理和虛擬世界的生物(Living)或非生物(Non-living)的物理實體的數(shù)字復制品，實現(xiàn)物理實體和虛擬實體的連接及數(shù)據(jù)無縫傳輸，并允許物理實體與虛擬實體同時存在[2]。數(shù)字孿生概念起源于美國軍方在阿波羅計劃相關(guān)研究中提出的“孿生體”(Twin)概念，即制造兩個完全相同的太空飛行器，其中一個送入太空執(zhí)行飛行任務(wù)，而另一個留在地球用于模擬執(zhí)行飛行任務(wù)的飛行器的各項數(shù)據(jù)及其狀態(tài)，后者被稱為孿生體。在數(shù)字孿生這一概念正式被提出前，2002年美國密歇根大學邁克爾·格里夫斯(Michael Grieves)教授在向行業(yè)介紹產(chǎn)品生命周期管理時，提出“與物理產(chǎn)品等價的虛擬數(shù)字化表達”的概念[3]，隨后經(jīng)過虛擬對應物(Virtual Counterpart)[4]、鏡像空間模型(Mirrored Space Model)[5]、信息鏡像模型(Information Mirroring Model)[6]等概念的演變，最后發(fā)展為數(shù)字孿生。數(shù)字孿生解決方案主要通過收集某一物體的組成、運作數(shù)據(jù)和對環(huán)境做出反應的數(shù)據(jù)，以及物理世界中傳感器提供的數(shù)據(jù)，來分析和模擬現(xiàn)實世界，進而對變化做出反應，并加以改進操作并增加價值[7]。

數(shù)字孿生從工業(yè)延伸到其他領(lǐng)域是其發(fā)展的必然結(jié)果。近年來，數(shù)字孿生在理論和技術(shù)方面取得了巨大進展，由航空航天、生產(chǎn)制造等領(lǐng)域向模擬仿真、虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實/混合現(xiàn)實(Vitrual Reality/Augmented Reality/Mixed Reality，VR/AR/MR，以下簡稱3R)等領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，在產(chǎn)品生命周期中的適用階段也逐漸由仿真建模向規(guī)劃、管理、運維等其他階段延展，尤其在實時數(shù)據(jù)采集和仿真數(shù)據(jù)處理兩方面具有強大的潛力和優(yōu)勢[8]。數(shù)字孿生源于仿真技術(shù)，但既區(qū)別于傳統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計(Computer Aided Design，CAD)，也區(qū)別于以傳感器為基礎(chǔ)構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，它更多的優(yōu)勢體現(xiàn)在能夠很好地展現(xiàn)出完整的數(shù)字環(huán)境和過程狀態(tài)[9]。Gartner 2018年新興技術(shù)成熟度分析，數(shù)字孿生預計將在未來5-10年內(nèi)達到高峰期。當前，數(shù)字孿生理念及技術(shù)已在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域形成了較為成熟的模型體系，如Oracle數(shù)字孿生業(yè)務(wù)體系，主要圍繞Oracle的物聯(lián)網(wǎng)云相關(guān)技術(shù)實施，具體分為虛擬孿生(Virtual Twin)、預測孿生(Predictive Twin)和投影孿生(Twin Projection)三個步驟，分別對應構(gòu)建實體模型參數(shù)、實體未來狀態(tài)和行為建模、實體狀態(tài)和業(yè)務(wù)應用預測性商業(yè)洞察[10]；以及微軟基于Azure云提供的數(shù)字孿生服務(wù)，可對企業(yè)能源、建筑、空間的占用和使用、設(shè)計和建造、用戶體驗[11]進行優(yōu)化，構(gòu)建最優(yōu)解決方案，提高整體運營效率。

1.2 圖書館業(yè)務(wù)

隨著技術(shù)的發(fā)展和時代的變遷，圖書館逐漸從最初以藏為中心，到以流通為中心，直至如今的以知識交流為中心、以用戶為主導、全面智能化的第三代圖書館，建設(shè)目標也遵循“傳統(tǒng)圖書館—數(shù)字圖書館—智慧圖書館”的趨勢進行轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)圖書館的業(yè)務(wù)中心以印刷型文獻資源為主，業(yè)務(wù)主要圍繞文獻資源展開，包括采編、典藏、流通、借閱、參考咨詢等，本質(zhì)是基于實體文獻的業(yè)務(wù)體系。數(shù)字圖書館階段，信息技術(shù)的發(fā)展使圖書館工作方式發(fā)生了極大變化，引入計算機輔助的信息系統(tǒng)，代替了原本要人工重復進行的工作。同時，紙質(zhì)資源的全面數(shù)字化進一步推進了業(yè)務(wù)變革、業(yè)務(wù)間相互融合優(yōu)化，但實質(zhì)上圖書館的業(yè)務(wù)重心和工作基本流程并未發(fā)生變化，只是由紙質(zhì)資源轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮淤Y源，業(yè)務(wù)間融合也只是基于系統(tǒng)的簡單整合。目前大多數(shù)圖書館的主要業(yè)務(wù)大體分為六類，分別為資源建設(shè)、參考咨詢、網(wǎng)絡(luò)運營、信息應用、讀者服務(wù)及行政管理，并在業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上衍生出不同的職能部門。如今的圖書館在辦館理念、核心體系上發(fā)生重大改變，圖書館相關(guān)業(yè)務(wù)圍繞著信息流(數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng))和物質(zhì)流(圖書、用戶、空間)展開，兩種業(yè)務(wù)分別由不同部門負責。這樣的業(yè)務(wù)體系下，信息流與物質(zhì)流間進行單向或淺層次交互，用戶、資源、服務(wù)相互割裂。因此，在當下圖書館的業(yè)務(wù)實踐中，很難將用戶、資源與服務(wù)結(jié)合，實現(xiàn)“你中有我，我中有你”的深度融合。

1.3 智慧圖書館

智慧圖書館指以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的信息技術(shù)為基礎(chǔ)[12]，將此類信息技術(shù)應用于圖書館的建設(shè)、業(yè)務(wù)、服務(wù)過程中，以達到用戶、資源、空間智能化的拓展和融合。智慧圖書館作為未來圖書館發(fā)展趨勢，以互聯(lián)、高效、便利為其建設(shè)宗旨，核心業(yè)務(wù)涉及資源、館員、用戶、空間、服務(wù)五個實體。在數(shù)字化環(huán)境下這五個實體間以技術(shù)手段進行交互、聯(lián)系。雖然智慧圖書館概念已提出許久，但大多所謂“智慧圖書館”均停留在高級復合圖書館階段，從本質(zhì)上來說還未達到智慧水平，如在數(shù)字和實體圖書館之間仍存在明顯邊界，線上線下活動割裂，線上獲得的數(shù)據(jù)無法合理應用于線下實踐中，二者無法實現(xiàn)深度融合，圖書館未構(gòu)成一個泛在的智慧化服務(wù)環(huán)境，尚停留在發(fā)展的不完全階段。顯然，這樣的組織管理架構(gòu)和業(yè)務(wù)設(shè)置不符合智能、高效的智慧圖書館的服務(wù)理念。因此，在向智慧圖書館轉(zhuǎn)變的過程中，圖書館除了應在資源、服務(wù)、技術(shù)等方面及時做出調(diào)整規(guī)劃，同時也應注意業(yè)務(wù)的融合和優(yōu)化，實現(xiàn)物理數(shù)字、現(xiàn)實虛擬、線上線下的互聯(lián)共通。

2 智慧圖書館業(yè)務(wù)融合的數(shù)字孿生框架

數(shù)字孿生理念是基于物理系統(tǒng)建模和分布式實施過程數(shù)據(jù)，在預生產(chǎn)階段生成系統(tǒng)的權(quán)威數(shù)字設(shè)計[13]。因此，智慧圖書館可利用數(shù)字孿生理論解決其效率和邊界問題，并利用相關(guān)技術(shù)打通實體與數(shù)據(jù)信息的隔閡，構(gòu)造立體互聯(lián)、全面感知、智慧服務(wù)[14]的圖書館智慧生態(tài)環(huán)境。將數(shù)字孿生相關(guān)理論應用于智慧圖書館的業(yè)務(wù)管理具有一定的可操作性，智慧圖書館可通過數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)，復制圖書館的物理世界，關(guān)聯(lián)數(shù)字世界和物理世界進行深度業(yè)務(wù)融合，形成真正智慧的數(shù)據(jù)和知識生態(tài)體系。智慧圖書館也可充分利用數(shù)字孿生理念，將物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、機器學習、軟件分析與空間網(wǎng)絡(luò)集成[11]，構(gòu)建生動的、可隨實體圖書館的變化而實時更新的數(shù)字仿真模型。此外，數(shù)字孿生具有的可視、預測、可分析、可理解和易連接的特性為智慧圖書館賦予了新的內(nèi)涵和目標。在圖書情報領(lǐng)域，數(shù)字孿生理論及其相關(guān)技術(shù)對智慧圖書館在數(shù)字人文、虛擬空間、館藏資源數(shù)字化等方面的探索和實踐具有巨大的現(xiàn)實意義和應用價值。

2.1 智慧圖書館數(shù)字孿生模式

根據(jù)數(shù)字孿生理論，可將智慧圖書館按其空間形態(tài)劃分為三個部分(如圖1)。實體空間指線下空間，主要由到館用戶(人)，以及廣泛存在于館內(nèi)的各類感知、操作、交互設(shè)備(機)和館內(nèi)的紙質(zhì)資源、智能書架書桌等固定資產(chǎn)(物)組成。虛擬空間對應于圖書館的線上空間，是利用各類信息技術(shù)構(gòu)建的線上虛擬平臺，包含館內(nèi)已有的數(shù)字化知識資源和用于數(shù)據(jù)計算與空間實體仿真的模擬，可視為連接實體空間與對應實體業(yè)務(wù)之間的“中介”。智慧圖書館業(yè)務(wù)則是根據(jù)虛擬空間反饋的結(jié)果，進行業(yè)務(wù)上的調(diào)整和優(yōu)化，并將結(jié)果作用于實體空間?？梢哉f，三者間是相互繼承、相互協(xié)同的關(guān)系。

圖1 智慧圖書館數(shù)字孿生模式圖

依據(jù)上述空間劃分，可將智慧圖書館的整體業(yè)務(wù)模式按照功能劃分為感知、分析、模擬、實踐四個階段。感知階段將空間中各實體的屬性、特征、方法、行為等相關(guān)數(shù)據(jù)納入整個業(yè)務(wù)體系采集的范圍，有效利用傳感設(shè)備、移動設(shè)備、操作設(shè)備等裝置獲取用戶和空間的各項數(shù)據(jù)，從用戶進入圖書館就開始對應的感知和數(shù)據(jù)收集工作。分析和模擬兩個階段主要是在虛擬平臺完成的中間過渡層，是數(shù)字孿生重要的支撐部分，對上一階段輸入的數(shù)據(jù)進行深入分析，一方面從數(shù)據(jù)中分析、挖掘出有價值的信息，進行空間和業(yè)務(wù)優(yōu)化，另一方面基于接收到的數(shù)據(jù)構(gòu)建仿真模擬空間，對空間主體進行軌跡、偏好、屬性等多方面的模擬，或?qū)I(yè)務(wù)流程實施映射，推演方案的可行性、評估能效，從而實現(xiàn)快速響應和個性化服務(wù)。實踐階段指對通過數(shù)字孿生仿真模擬的業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)進行實際運用。這樣的業(yè)務(wù)模式可以預先對館內(nèi)的決策、服務(wù)流程等方面進行科學評估，防止在規(guī)劃、測試、驗證上花費過多人財物力，以更低的成本、更快的速度、更優(yōu)的結(jié)果推動智慧圖書館內(nèi)各項措施落地。

2.2 智慧圖書館數(shù)字孿生架構(gòu)

在明確智慧圖書館業(yè)務(wù)融合的數(shù)字孿生模式后，就可規(guī)劃設(shè)計智慧圖書館的數(shù)字孿生架構(gòu)。該架構(gòu)主要包括規(guī)劃實體圖書館與數(shù)字孿生理念結(jié)合的具體業(yè)務(wù)、技術(shù)與設(shè)計方案。依據(jù)數(shù)字孿生的技術(shù)體系以及圖書館業(yè)務(wù)指標劃分，依次為用戶體驗層、孿生功能層、建模計算層和數(shù)據(jù)保障層[15]。每一功能業(yè)務(wù)層都是在下層的基礎(chǔ)上加以完善，是對下層功能的進一步完善和擴展。智慧圖書館的數(shù)字孿生架構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 智慧圖書館數(shù)字孿生架構(gòu)設(shè)計圖

數(shù)據(jù)保障層作為整個技術(shù)體系的基礎(chǔ)，支撐著智慧圖書館實體和孿生體的上層體系運作，是開展后續(xù)功能業(yè)務(wù)的關(guān)鍵要素。它主要由實時數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)傳輸反饋以及全生命周期數(shù)據(jù)管理[16]三部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)的收集和傳輸主要依靠高精度傳感器完成，大量分布在實體空間中的各類型高精度傳感器構(gòu)成了智慧圖書館數(shù)字孿生體的“感覺器官”，并通過分布式的傳感器持續(xù)不斷向?qū)\生體提供所需的數(shù)據(jù)、信息、方法和算法的最新狀態(tài)[17]。數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生體系運作的基礎(chǔ)，不僅包含由傳感器采集到的實體空間的數(shù)據(jù)，還包含數(shù)字化資源、用戶等數(shù)據(jù)，這類隱藏的數(shù)據(jù)對整個體系的運行同樣重要。

完成數(shù)據(jù)采集后，建模計算層是能夠利用機器學習、深度學習等方式進行多物理尺度建模和一體化計算平臺構(gòu)建的保障。這一功能業(yè)務(wù)層承擔了孿生體的建模和計算功能，是模擬、仿真技術(shù)的重要優(yōu)化[18]。建模計算層的業(yè)務(wù)意義在于，它將成為跨越整個價值鏈的集成工程網(wǎng)絡(luò)，以更智能的方式連接智慧圖書館的各個部門和各項業(yè)務(wù)，關(guān)聯(lián)實體與虛擬空間，并為數(shù)據(jù)、知識產(chǎn)品、知識服務(wù)創(chuàng)造一個良性的圖書館生態(tài)系統(tǒng)。多物理尺度建模是在對采集到的數(shù)據(jù)進行概念解析和邏輯分析的基礎(chǔ)上進行建模，通過測試調(diào)試使構(gòu)建的模型能夠準確、同步反映圖書館實體空間的一切變化。同時，在此基礎(chǔ)上完成的一體化計算平臺可以提供基于建模的一系列算法和技術(shù)支持，確保建模的精度與時效。

孿生功能層核心在于實時監(jiān)控和全周期管理。相較于數(shù)據(jù)保障層和建模計算層，孿生功能層更偏重于為智慧圖書館的實際運營、使用、監(jiān)控、維護等方面提供相應的功能支持，如社會效益評估、績效運營評估、系統(tǒng)維護保障、服務(wù)過程監(jiān)控、輔助決策，以滿足圖書館的日常業(yè)務(wù)需要。在數(shù)字孿生體系運作下，孿生功能層不斷記錄目標圖書館的最新狀態(tài)，并展開針對圖書館自身的功能評估，這樣的機制能夠較好地降低圖書館的決策失誤、人力資源緊缺、系統(tǒng)維護困難等現(xiàn)實問題壓力。此外，它還可確認不同的環(huán)境參數(shù)和用戶行為對圖書館整體的運作、性能等產(chǎn)生的影響，從而控制圖書館的狀態(tài)和行為，甚至能夠根據(jù)實時數(shù)據(jù)預測圖書館的人流流向、容納限度、設(shè)備故障等[19]。

用戶體驗層通過虛擬數(shù)字集群、用戶交互界面、3D虛擬映射向圖書館用戶提供可視化的人機交互環(huán)境，使用戶獲得沉浸式體驗，在圖書館向?qū)?、參考咨詢、技術(shù)體驗等方面有著重要的意義。由于用戶體驗層是與用戶直接接觸的功能業(yè)務(wù)層，要尤其注重用戶使用感和界面的友好設(shè)計。同時，該層也在不斷累積用戶的行為數(shù)據(jù)，可進一步分析用戶偏好以及對某方面知識的訴求。

3 智慧圖書館業(yè)務(wù)融合的數(shù)字孿生規(guī)劃

對數(shù)字孿生視閾下智慧圖書館業(yè)務(wù)融合的規(guī)劃，可從規(guī)劃原則、規(guī)劃策略、運行邏輯三部分分別論述。

3.1 規(guī)劃原則

根據(jù)智慧圖書館業(yè)務(wù)融合的數(shù)字孿生模式和架構(gòu)，數(shù)字孿生相關(guān)理論技術(shù)具體應用于智慧圖書館業(yè)務(wù)實踐中，需要遵循以下三個原則：

（3）在員工對“社會文化的發(fā)展”滿意度評價中，本文依據(jù)文獻，設(shè)計出如下二級評價指標：企業(yè)公益慈善(U331)、企業(yè)推動社會可持續(xù)發(fā)展(U332)、企業(yè)社區(qū)共建(U333)。

(1)能夠映射真實的空間情況。根據(jù)系統(tǒng)論，圖書館主體是智慧圖書館業(yè)務(wù)融合研究的基本點，其包括用戶及與系統(tǒng)相關(guān)的所有物質(zhì)載體。因此，對真實空間的準確映射成為整個融合體系規(guī)劃的重點，要求對實體空間的靜態(tài)和動態(tài)內(nèi)容進行完全映射。靜態(tài)內(nèi)容包括圖書館的紙質(zhì)資源、電子資源、固定資產(chǎn)、區(qū)域分布、樓層設(shè)置等靜態(tài)數(shù)據(jù)要素。動態(tài)內(nèi)容則指包括用戶行為、移動軌跡、能源消耗、資源增補、交互等實時動態(tài)數(shù)據(jù)流。數(shù)字孿生技術(shù)要求使用多維度展示方法，對實體空間進行可視化展現(xiàn)，使實時監(jiān)控空間和服務(wù)成為業(yè)務(wù)優(yōu)化的基礎(chǔ)。

(2)以數(shù)據(jù)要素流為中心。數(shù)字孿生視角下的智慧圖書館是以數(shù)據(jù)驅(qū)動的，借助數(shù)據(jù)保障層和建模計算層來實現(xiàn)智慧圖書館業(yè)務(wù)融合，完成實體空間和虛擬空間的一體化和資源共通。這要求在智慧圖書館業(yè)務(wù)融合的規(guī)劃中對孿生體有完整、全面的認知，進而依賴于數(shù)據(jù)的交互與反饋。數(shù)字孿生根據(jù)各類傳感設(shè)備收集實體空間的信息，再通過終端設(shè)備以可視化的形式呈現(xiàn)出來，從而使數(shù)字孿生體系下的智慧圖書館實現(xiàn)業(yè)務(wù)融合。對于映射模型和業(yè)務(wù)服務(wù)來說，無論是靜態(tài)數(shù)據(jù)要素還是實時動態(tài)的數(shù)據(jù)流，都可以為業(yè)務(wù)的整體體系以及相應人員提供信息參考和決策支持。

(3)空間優(yōu)勢推進業(yè)務(wù)整合優(yōu)化。相較其他理論指導的智慧圖書館，數(shù)字孿生體系下的智慧圖書館在空間感知、空間變化、空間管理方面更具優(yōu)勢。它通過在實體空間配置傳感設(shè)備以達到對空間的監(jiān)控、管理功能，并將分析計算的結(jié)果傳遞給對應的接收設(shè)備，使智慧圖書館在智能感知、反饋、分析以及業(yè)務(wù)的輔助決策等方面有所提升。在此基礎(chǔ)上進行業(yè)務(wù)整合的深度優(yōu)化，可進一步加強薄弱空間領(lǐng)域的業(yè)務(wù)服務(wù)能力。也可借助數(shù)字孿生的認知機制和仿真推演的特性假設(shè)業(yè)務(wù)場景，在預判狀態(tài)后進行業(yè)務(wù)體系的調(diào)整和迭代，與業(yè)務(wù)深度融合，將空間優(yōu)勢最大化。

3.2 規(guī)劃策略

在當下圖書館的架構(gòu)體系建設(shè)中，通常將實體圖書館的主要業(yè)務(wù)部門根據(jù)業(yè)務(wù)功能簡化成六部分，分別為資源建設(shè)部、參考咨詢部、網(wǎng)絡(luò)運營部、信息應用部、讀者服務(wù)部和辦公室，包含了實體圖書館提供的大部分服務(wù)和管理內(nèi)容。這些內(nèi)容與智慧圖書館產(chǎn)生的虛擬、線上業(yè)務(wù)有所關(guān)聯(lián)，但關(guān)聯(lián)不深，存在明顯割裂。根據(jù)數(shù)字孿生理念構(gòu)建的智慧圖書館體系的核心思想是實現(xiàn)實體與虛擬空間數(shù)據(jù)的實時傳輸和交換，實現(xiàn)業(yè)務(wù)的深度融合，以更好地實現(xiàn)圖書館業(yè)務(wù)的智慧互聯(lián)。考慮到目前圖書館部門設(shè)置和部門的功能定位有關(guān)，即與具體的業(yè)務(wù)開展相關(guān)，因此，可以依據(jù)現(xiàn)有圖書館業(yè)務(wù)的功能架構(gòu)映射至智慧圖書館的數(shù)字孿生體系中，得到智慧圖書館業(yè)務(wù)整體框架。

數(shù)字孿生視閾下智慧圖書館業(yè)務(wù)功能整體框架如圖3所示，實體圖書館的資源建設(shè)部對應于智慧圖書館的數(shù)據(jù)保障層，主要功能是基于傳感器采集實體圖書館的各項數(shù)據(jù)支撐整個體系的運行，例如流量、定位、運維、能源消耗等數(shù)據(jù)；辦公室現(xiàn)有的業(yè)務(wù)功能經(jīng)擴展和延伸，與智慧圖書館的建模計算層對接，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的進一步加工，模擬仿真圖書館空間，映射物理實體運行周期全過程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理、監(jiān)視、部署、分析等處理過程；參考咨詢部、網(wǎng)絡(luò)運營部、信息應用部經(jīng)網(wǎng)絡(luò)化形成孿生功能層，是整個體系的核心部分，提供評估、優(yōu)化、分析、決策服務(wù)；讀者服務(wù)部的可視化對應于用戶體驗層，用戶通過可視化直觀感受圖書館整體空間格局，進行各種創(chuàng)新體驗。此外，實體圖書館利用傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)收集用戶流量、用戶定位、能源消耗、空間占用等數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)實時傳輸交換至數(shù)字孿生智慧圖書館。同時，數(shù)字孿生體系也將處理好的信息及時交互反饋給實體圖書館，以支撐其各種動態(tài)的可視化服務(wù)。整個數(shù)字孿生體系并非恒定的靜態(tài)模型，而是一個會根據(jù)傳感器接收到的數(shù)據(jù)，隨著環(huán)境、行為、外部因素不斷變化的動態(tài)模型[20]，是一個與智慧圖書館的發(fā)展相適應的有機生態(tài)體系。同時，數(shù)據(jù)的實時更新、信息的實時交互反饋也正是數(shù)字孿生思維下智慧圖書館業(yè)務(wù)融合的關(guān)鍵所在。

圖3 智慧圖書館業(yè)務(wù)功能整體框架示意圖

3.3 運行邏輯

根據(jù)微軟Azure云服務(wù)所提供的成熟的數(shù)字孿生方案和實踐案例，再結(jié)合智慧圖書館的現(xiàn)實需要，可以歸納出數(shù)字孿生視閾下智慧圖書館實際運行的三個場景，分別是以空間管理為主的管理場景、智能規(guī)劃與科學評估為主的評估場景以及以人機交互為核心的服務(wù)場景，分別對應實體和虛擬空間中的建筑/空間、資源/數(shù)據(jù)、用戶/知識，在整個體系的作用下平穩(wěn)運行，具體如圖4所示。

圖4 智慧圖書館數(shù)字孿生運行邏輯圖

(1)管理場景：圖書館的空間服務(wù)大多為線下服務(wù)，為用戶提供實體空間的支持，因此可以物聯(lián)網(wǎng)為平臺、各種生物識別和傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合3D圖像與BIM系統(tǒng)，真實映射數(shù)據(jù)，實現(xiàn)空間運維管理。以為用戶提供舒適的學習、閱讀環(huán)境為宗旨，將空間通過技術(shù)手段可視化、模塊化、智能化，進行空間管理的一體化監(jiān)控，將線下的空間管理業(yè)務(wù)與線上的BIM系統(tǒng)融合，提高空間運營的整體效率。通過建立數(shù)字孿生體系，在統(tǒng)一化的操作平臺，對來自高精度傳感器設(shè)備捕獲的行為數(shù)據(jù)及流通管理方面產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行管理，將圖書館運行過程中涉及到的用戶、實體、資源、活動、渠道等要素通過動態(tài)建模實現(xiàn)仿真映射，在此基礎(chǔ)上再根據(jù)咨詢服務(wù)、活動渠道等建立對應的業(yè)務(wù)模型，通過模型與數(shù)據(jù)的交互關(guān)聯(lián)，構(gòu)造智慧圖書館數(shù)字孿生管理模式。當智慧圖書館數(shù)字孿生體系感知到管理活動或用戶行為發(fā)生改變，均會依據(jù)建立的映射模型與實體之間的關(guān)系快速感知變化場景，為用戶或活動的下一環(huán)節(jié)提供聯(lián)想方案，觸發(fā)設(shè)定好的關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)活動，以更好地從運營者角度審視圖書館業(yè)務(wù)模式及用戶行為。

(3)服務(wù)場景：圖書館資源眾多，雖資源建設(shè)的重點已轉(zhuǎn)向數(shù)字資源，但其資源呈現(xiàn)形式仍有較大局限性，尤其是特藏圖書和珍貴展覽品通常僅能通過電子版或照片在網(wǎng)上進行閱覽，難以反映資源在色彩、裝幀、制版等方面的特色。因此，可借助數(shù)字孿生體系下智慧圖書館的智能設(shè)備，實現(xiàn)特藏和珍貴展覽品的3D立體呈現(xiàn)，以及知識資源間關(guān)聯(lián)的立體展現(xiàn)。相比線上資源的不可見和不可觸摸，用戶更傾向于多元的資源呈現(xiàn)方式，多元形式也將為智慧圖書館的發(fā)展帶來新變化。此外，還可改進用戶接入方式，通過多種方式識別用戶身份，如借書卡、人臉識別、Wifi驗證等。圖書館也可聯(lián)合政府征信、微信或支付寶等APP對用戶進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集，進一步了解用戶偏好，融合多系統(tǒng)完善用戶畫像。同時，需注意在個性化推薦時避免出現(xiàn)或減少信息回音室(Echo Chamber)和過濾氣泡(Filter Bubble)的問題[21]。因此，圖書館還應在個性化推薦的基礎(chǔ)上合理引導用戶獲取正確、多樣的信息，塑造系統(tǒng)全面的知識服務(wù)。

4 智慧圖書館業(yè)務(wù)融合的關(guān)鍵技術(shù)

通過以上研究發(fā)現(xiàn)，數(shù)字孿生理念為智慧圖書館業(yè)務(wù)融合提供了理論和技術(shù)上的支持，數(shù)據(jù)交互為核心的設(shè)計思想為智慧業(yè)務(wù)的融合和優(yōu)化提供了持續(xù)保障，使圖書館整體在數(shù)據(jù)感知、計算、分析、處理上實現(xiàn)智慧化。目前，國內(nèi)外關(guān)于數(shù)字孿生在圖書館中應用的相關(guān)研究較少，下文根據(jù)數(shù)字孿生在工業(yè)領(lǐng)域應用的案例，對其實施的關(guān)鍵技術(shù)進行分析，由宏觀至微觀層次主要包括以下四方面。

4.1 敏捷高效的軟件架構(gòu)技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)下的體系模式是對實體空間的完全映射，對軟件架構(gòu)的要求高，同時這也是支撐整個智慧圖書館業(yè)務(wù)融合系統(tǒng)的基礎(chǔ)。軟件架構(gòu)的構(gòu)建和選擇需要綜合考慮模型、數(shù)據(jù)、空間、業(yè)務(wù)的真實需求?？紤]到在感知層面要管理數(shù)以千計的傳感設(shè)備，敏捷高效是數(shù)字孿生智慧圖書館整體架構(gòu)的基本要求。基于此需求，可選擇開放性好、兼容性強的架構(gòu)，尤其是要將數(shù)據(jù)相關(guān)服務(wù)、接口標準制定納入衡量的范圍。因此，可選用在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)具有應用前景的Serverless架構(gòu)，該架構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)的C/S架構(gòu)模式，是基于FaaS(Function as a Service，函數(shù)即服務(wù))架構(gòu)形成多個相互獨立的組件，并以API向外提供服務(wù)。在編寫函數(shù)后直接部署，不用關(guān)心服務(wù)器后續(xù)操作。這種架構(gòu)依附于第三方提供的云服務(wù)平臺，具有低成本、快速計算、安全高效等特點，尤其是擴展性強的優(yōu)勢能兼容很多智慧圖書館已有的服務(wù)架構(gòu)。Serverless架構(gòu)讓圖書館無需過多考慮設(shè)備資源、服務(wù)器優(yōu)化問題，能更好地將關(guān)注重心放在自身業(yè)務(wù)邏輯上。

4.2 高效計算與處理技術(shù)

智慧圖書館數(shù)字孿生體系采用數(shù)據(jù)/模型的系統(tǒng)工程思想，其核心是數(shù)據(jù)與仿真模型。可運用高性能計算能力和全生命周期數(shù)據(jù)管理，結(jié)合挖掘技術(shù)、知識圖譜等一系列輔助數(shù)據(jù)分析技術(shù)，完整實現(xiàn)整套評估業(yè)務(wù)。高性能的計算能力可依靠構(gòu)建云計算基礎(chǔ)架構(gòu)分布式、并發(fā)處理數(shù)據(jù)[22]，以提供一個快速、高效、智能的數(shù)據(jù)分析處理平臺。邊緣計算的新型數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[23]和多源異構(gòu)加速算法是未來發(fā)展的兩大方向，可緩解云計算的能耗、計算負載的問題。而全生命周期數(shù)據(jù)管理是智慧圖書館數(shù)字孿生體系中重要的支撐環(huán)節(jié)。全生命周期數(shù)據(jù)在類型和數(shù)據(jù)量方面對服務(wù)器的分布架構(gòu)、冗余存儲、數(shù)據(jù)提取效率提出了更高的要求。目前已有多家云服務(wù)提供商，如國外亞馬遜AWS(Amazon Web Services)云服務(wù)IoT平臺使用的Lambda，能夠?qū)崿F(xiàn)實時數(shù)據(jù)流處理，構(gòu)建能更好地進行IoT設(shè)備數(shù)據(jù)遙測與分析的后端；國內(nèi)中國移動OneNET提供NB-IoT和MQTT物聯(lián)網(wǎng)套件架構(gòu)服務(wù)，可為圖書館提供“終端—平臺—應用”的整體解決方案。

4.3 多維度空間仿真技術(shù)

數(shù)字孿生要求對實體空間的所有物體進行仿真模擬，這一過程需要動態(tài)更新、快速映射，主要運用到多尺度、多領(lǐng)域動態(tài)建模和數(shù)據(jù)精準采集和感知相關(guān)技術(shù)，其中建模的內(nèi)容包括實體空間與虛擬空間的虛實映射配置建模和多維度復雜時空域下的數(shù)據(jù)建模[24]。多領(lǐng)域建模具體可分為機器建模(Machine Modelling)、虛擬傳感器建模(Modelling of Virtual Sensors)、定義可更新的建模參數(shù)(Definition of Updatable Modelling Parameters)三部分[25]，和普通建模技術(shù)的不同在于，其注重發(fā)掘重要的業(yè)務(wù)領(lǐng)域概念，能夠很好地反映業(yè)務(wù)領(lǐng)域概念之間的關(guān)系。這類技術(shù)要求用于采集數(shù)據(jù)的傳感器擁有絕對的高精度，以確?；趥鞲衅鞯臄?shù)據(jù)模型的實時更新。目前，傳感器技術(shù)的精度和及時性受到環(huán)境條件和網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備的限制，相信未來隨著loT等技術(shù)的應用發(fā)展，數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)男阅軙泻艽筇嵘Ｍㄟ^讀取高精度傳感器或監(jiān)控系統(tǒng)的各類事實數(shù)據(jù)，構(gòu)建遠程化的預測監(jiān)控仿真模型，使用人工智能實現(xiàn)趨勢預測，并基于結(jié)果進行業(yè)務(wù)調(diào)整和優(yōu)化，減少因業(yè)務(wù)流程不合理而造成的用戶粘性下降甚至流失。

4.4 虛實結(jié)合的沉浸式交互技術(shù)

數(shù)字孿生依據(jù)不斷累積的歷史數(shù)據(jù)和全過程采集的實時數(shù)據(jù)實現(xiàn)孿生體與實體間的更新和映射，通過集成圖形、音頻和現(xiàn)實世界的實體對象，運用3R、全息投影等交互技術(shù)實現(xiàn)可視化和數(shù)字孿生的交互，為數(shù)字孿生數(shù)據(jù)提供了直觀和準確的可視化保障[26]。數(shù)字孿生與3R結(jié)合的應用框架可分為三個層面：實體空間層、虛擬空間層及3R應用層[27]，其中實體空間層主要是建立數(shù)字化的物理對象模型、執(zhí)行模塊和物聯(lián)網(wǎng)體系，涉及到RFID、智能儀表、無線網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)技術(shù)；虛擬空間層通過數(shù)字孿生體系的相關(guān)數(shù)據(jù)構(gòu)建虛擬空間，為3R全功能、全流程交互應用提供基礎(chǔ)支撐；3R應用層主要實現(xiàn)應用交互，通過外圍設(shè)備(移動顯示器、數(shù)據(jù)手套、跟蹤器、頭盔、手環(huán)等)將虛擬三維模型投射到實體空間中，實現(xiàn)用戶的交互體驗，如VR通過音視頻內(nèi)容給用戶帶來沉浸式體驗感，用戶不需實地訪問圖書館、圖書館線下活動場所，就能身臨其境體驗各類活動帶來的豐富場景體驗，AR側(cè)重于服務(wù)到館用戶，突出虛擬數(shù)字化信息與真實世界環(huán)境的無縫融合，在線下圖書館中體驗虛擬信息個性化服務(wù)，如感觀觸碰的沉浸式交互可廣泛應用于可視化館藏查詢、圖書館導覽、沉浸式閱讀、虛擬參考咨詢、閱讀輔助等業(yè)務(wù)領(lǐng)域，將圖書館的業(yè)務(wù)范圍由館內(nèi)延伸至用戶可能存在的任何地方，實現(xiàn)圖書館的智慧業(yè)務(wù)泛在化。

5 展望

數(shù)字孿生為延伸圖書館實體空間的功能性、泛在化提供了新的可能，通過數(shù)字孿生技術(shù)可以在虛擬空間中構(gòu)建一個與實體圖書館互為鏡像的虛擬智慧圖書館，對圖書館出現(xiàn)的任何情況，如業(yè)務(wù)流程、流量監(jiān)控等各項運營活動進行監(jiān)控和管理，可以在一定程度上解決當下智慧圖書館存在的業(yè)務(wù)分割、線上線下活動割裂等問題。此外，智慧圖書館也可與3R技術(shù)結(jié)合，疊加虛擬現(xiàn)實維度，提供可視化展示與沉浸式功能體驗，將圖書館的空間、知識、用戶緊密結(jié)合起來。借助數(shù)字孿生技術(shù)，圖書館可在一定程度上提升其社會效益和影響力，進一步完善其社會公共文化服務(wù)體系，為智慧圖書館帶來更多的機遇和可能。