面向全周期管理的数字孪生图书馆理论模型、运行机理与体系构建研究

王璐 张兴旺

摘   要：数字孪生技术为实现图书馆全周期管理与信息物理融合提供了一种全新的策略与方法。文章提出了数字孪生图书馆五维模型，围绕全周期管理理念对其运行机理、体系架构、关键技术、协同驱动框架及其数字孪生模型构建等进行了分析，并在理论基础上，对相应的应用情境进行了分析。研究认为：数字孪生图书馆主要由图书馆物理实体、数字孪生模型、数字孪生服务体系、孪生大数据与各部分间连接等五个部分组成;其全周期管理主要由知識服务生命周期环、数字孪生模型周期环和知识服务内容周期环等三个环组成。

关键词：全周期管理;数字孪生;数字孪生图书馆;虚实融合;以虚控实

中图分类号：G250.7   文献标识码：A   DOI：10.11968/tsyqb.1003-6938.2020085

Abstract Digital twin technology provides a new strategy and method for the realization of the integration of library full cycle management and Information Physics. This paper puts forward the five-dimensional model of digital twin library， analyzes its operation mechanism， architecture， key technology， collaborative driving framework and digital twin model construction around the concept of full cycle management， and analyzes the corresponding application situation on the basis of theory. The research shows that the digital twin library is mainly composed of five parts： the physical entity of the library， the digital twin model， the digital twin service system， the connection between the twin big data and each part; its full cycle management is mainly composed of three parts： the life cycle of knowledge service， the cycle of digital twin model and the cycle of knowledge service content.

Key words full cycle management; digital twin; digital twin library; virtual reality integration; virtual control of reality

1   研究背景

图书馆物理实体与虚拟信息空间的深度融合是实现其智慧服务体系构建的关键所在。在5G/6G、人工智能、数字孪生等新一代信息技术飞速发展的技术背景下，智慧服务模式的诞生给现有知识管理、知识生产模式带来了重大变革与机遇。用户智慧化知识服务需求与信息物理融合、泛在智能传感与人工智能技术的深度融合逐渐成为未来图书馆建设与发展的重要趋势[1]，但其在知识管理与知识服务的智慧化程度、能力、效率与水平等方面难如人意，始终面临着一个巨大瓶颈——图书馆物理实体与虚拟空间的有效融合与交互，为此提出了数字孪生图书馆全周期管理的解决策略。

数字孪生（Digital Twin，DT）作为实现图书馆信息物理融合及其生命周期管理目标的一个重要方法，为图书馆智慧服务体系构建提供了一种新思路与新途径。该概念最早在2003年由美国M.Grieves教授在介绍产品全生命周期管理时提出，直至2011年才引起政府、学界的广泛认同与关注[2]。自2016开始，Gartner连续四年将其列入十大颠覆性战略技术趋势[3]。自此其逐渐成为全球信息技术发展与科技创新的焦点话题，并被多个国家上升至国家战略层面，视为国家智慧化建设与数字化转型的重要内容，如德国工业4.0计划、美国工业互联网战略等，进而提出数字孪生城市建设规划与发展目标[4]，如雄安新区数字孪生城市、虚拟新加坡、数字孪生巴黎等。因此，数字孪生技术为图书馆未来建设与发展提供了新思路与新途径，采用数字孪生技术可对其智慧服务过程进行高效系统地模拟仿真、预测分析与全域管控。

2   理论分析

2.1    全周期管理与数字孪生图书馆

2020年3月10日、3月31日国家领导人在湖北武汉、浙江杭州调研时提出“树立‘全周期管理意识”[5]“推动城市治理体系和治理能力现代化”[6]。因此，将“全周期管理”意识引入图书馆基层治理体系，为努力探索其治理能力现代化新路子，尤其是为疫情之后图书馆管理与服务体系创新，提供了新思路与新理念。

图书馆全周期管理是指将图书馆所有元素视为一个自主生产、全面开放、关联融合、动态演化的有机生命体，从业务逻辑、系统要素、体系结构、过程监管、结果反馈等方面对其进行全要素统筹、全流程管控和全周期管理，从而确保其整个管理与服务体系从初期的预测分析、中期的决策实施、后期的评价反馈，每一步都能按系统思维，将建设、管理和服务维度与各种要素进行有机融合，建立智慧化、标准化、系统化的全周期管理体系与机制。

自20世纪60年代全生命周期（Life Cycle）理论被提出以来，其逐渐在航空航天、智能制造、智慧城市与知识管理等领域得到广泛关注与应用[7]。数字孪生衍生自全生命周期管理理论[8]，自2003年诞生之日起，就围绕着数字化、智能化、虚实共生、以虚控实等关键问题展开[9-10]，可用于实现不同应用领域中相应知识资源的全周期管理、信息资源整合与智慧服务，并提供相应的决策优化支持[11]。陶飞等[12]对数字孪生概念、内涵与特征等进行了分析，并提出数字孪生是以数据驱动的全要素、全流程、全业务集成与融合。向峰等[13]认为数字孪生是从要素、物理、行为、规则与集合等方面对相关实体资源进行模拟，实现其实时和高保真的虚拟映射、全生命周期的数据管理与模拟融合、多维的虚实交互与大数据驱动;陶飞[14]等提出了物理实体、虚拟实体、服务、孪生大数据、各部分间连接的五维数字孪生模型;赵浩然等[15]对数字孪生技术的内涵、体系结构与发展趋势进行了分析，并指出数字孪生既是一种思想与理念，也是一种技术与方法。

2.2    数字孪生图书馆五维模型

数字孪生图书馆主要是指利用图书馆物理实体模型、泛在物联智能传感体系，及其相应的建设、管理、服务历史数据与运行实时数据，在对应的虚拟知识空间中以数字化、模型化形式建立图书馆物理实体的多维、多尺度、多物理量的动态虚拟模型，来反映其相应的要素、对象、属性、行为、规则与逻辑的全生命周期管理过程。其主要由图书馆物理实体、数字孪生模型、数字孪生服务体系、孪生大数据与各部分间连接等五个部分组成[16]。

依据陶飞等提出的数字孪生理论模型，结合图书馆管理与服务实际，提出相应的数字孪生图书馆五维模型（见图1），该模型以智慧服务资源的协同开发贯穿于其全周期管理过程，并通过相应的孪生大数据驱动，将图书馆物理实体与虚拟信息空间进行有效融合。其模型表示为LibDT={Lpe，Vis，Dtd，Tst，Cit}。

该模型能满足其图书馆全周期管理的新需求。其中，LibDT表示一个通用型的数字孪生图书馆体系架构，可应用于图书馆所有相关要素与对象，其五维模型能将图书馆及其已有知识资源、服务资源、软硬件设施、网络环境、信息技术、业务规则、管理与服务行为等进行有效融合与集成，来满足其物理实体与信息空间的实时双向映射、虚实融合与交互等需求。Lpe表示图书馆物理实体，是数字孪生图书馆的物理基础，是LibDT建设与发展、管理与服务的前提。Vis表示图书馆数字孪生模型，是对图书馆物理实体的完全映射，是图书馆所有资源、要素、过程、行为、规则与逻辑的数字孪生模型集合，主要包括几何模型（Gs）、物理模型、行为模型、规则模型和要素模型等。Tst表示数字孪生服务体系，主要指数字孪生图书馆运行过程中所有相关数据、服务、应用、模型、业务与规则等业务逻辑，以及相关接口、中间件、业务引擎与工具模块等功能模块的集合，主要对该模型的运行进行智能管控与协同驱动。Dtd表示孪生大数据，是数字孪生图书馆正常运转的驱动力，主要包括图书馆物理实体相关大数据，数字孪生模型相关大数据，数字孪生服务体系相关大数据，以及该模型运转所产生的其他所有相关大数据。Cit表示Lpe、Vis、Dtd与Tst各部分之间的相互连接。

3   面向全周期管理的数字孪生图书馆运行机理

3.1    运行机理

面向全周期管理的数字孪生图书馆服务体系结构主要由知识服务生命周期环、数字孪生模型周期环和知识服务内容周期环等三个环组成（见图2）。其中，知识服务生命周期环包括服务需求、服务行为设计、服务模型构建、服务资源协调、服务执行优化、服务过程管控、服务结果评价等阶段;数字孪生周期环包括服务需求全内容、服务行为全流程、服务资源全要素、服务资源协调全过程、服务执行全业务等数字孪生体;知识服务内容周期环包括面向空间资源/设施资源/设备资源的服务、面向数据资源/信息资源/知识资源的服务、面向学科服务/阅读推广/专业服务的服务等。

在面向全周期管理的数字孪生图书馆服务体系结构中，知识服务生命周期环是物理环，数字孪生模型周期环是虚拟环，知识服务内容周期环是其核心环，支撑着知识服务生命周期环与数字孪生模型周期环的运行。三者彼此融合与交互，按照五维模型的运行模式，在其全周期管理的不同阶段进行实时双向映射和迭代优化，支撑着整个数字孪生图书馆的运行。

3.2    知识服务生命周期环

知识服务生命周期环与服务内容周期环之间是深度融合、协同驱动的关系（見图3）。其服务需求、需求认知与服务行为设计、服务模式构建与技术设计等环节基本确定了图书馆所需空间资源、设施资源与设备资源。数据资源、信息资源、知识资源的筛选与整合主要在服务资源协调、配置、执行优化与匹配等环节完成，并根据实际需求协调配置相应的空间资源、设施资源与设备资源，以满足用户的多元化、智慧化知识服务需求。服务运行、检测与管控环节是面向具体的服务形式与服务内容，对其空间资源、设施资源与设备资源等运行状况、性能、故障等进行预测与分析，进而对其管理与服务模式进行优化设计。

3.3    数字孪生模型周期环

庄存波等[17]认为行为数字孪生体是指物理实体的运行状况和行为规则在虚拟信息空间中的全要素、全流程与全业务的实时映射与数字化重构，是用来预测、管控、模拟和监测物理实体在现实世界中的状况与行为。

数字孪生模型是与图书馆物理实体完全映射的数字模型，能全业务、全要素、全流程的实时双向映射物理实体的要素、对象、属性、行为、规则与逻辑。数字孪生模型周期环为虚拟环，与知识服务生命周期环是实时双向映射与交互的。在用户服务需求环节构建的虚拟数字模型与空间称之为服务需求全内容数字孪生体。在服务行为设计环节构建的虚拟数字模型与空间称之为服务行为全流程数字孪生体。在服务模式构建与技术设计环节构建的是服务资源全要素数字孪生体，包括所有相关的对象、属性、行为、规则与逻辑等图书馆全要素的虚拟数字模型，这些资源要素彼此之间相互协调与兼容，才能有效支撑数字孪生图书馆的有效运转。在服务执行优化与匹配阶段构建的是资源协调全过程数字孪生体，它与后续的服务执行全业务数字孪生体一起支撑服务执行状况的管控与监测，并对可能出现的问题进行预测与处理。

3.4    知识服务内容周期环

知识服务内容周期环主要包括面向空间、设施与设备资源的服务;面向数据、信息与知识资源的服务;面向学科服务、阅读推广与专业服务等一系列服务内容，支撑着相应的图书馆服务体系的全周期管理的运行与发展。同时，也基于所有数字孪生体进行服务资源协调配置与服务过程执行管控，来满足不同类型用户的多元化、智慧化知识服务需求。

4   面向全周期管理的数字孪生图书馆体系构建

4.1    体系架构与关键技术

数字孪生图书馆是一个多学科、多技术、多领域融合的复杂生命体，其本质是智慧化孪生大数据驱动的数据闭环赋能体系，通过图书馆物理实体与虚拟信息空间的实时双向映射与交互达到虚实融合、以虚控实的目的。在其五维模型与运行机理基础上，构建相应的体系结构，共分为三层（见图4）。

（1）图书馆物理实体层。该层是图书馆物理实体资源的主体，主要包括实体建筑、空间资源与人员等实体资源，图书、期刊、报纸、数据、信息与知识资源等知识资源，RFID软硬件设施、智联物联传感设施与泛在智能网络等设备设施资源，相关要素、行为、规则、逻辑、对象与属性等业务逻辑资源，将其进行有效融合，为实现数字孪生图书馆的建设、管理与服务活动提供支持。

（2）数字孪生模型层。该层是数字孪生图书馆的关键与核心，由孪生大数据与数字模型组成。其中数字模型是相关实体资源的数字化映射，是实体资源几何特征、物理属性等全要素表达的真实映射。孪生大数据主要由图书馆物理实体大数据、数字孪生模型大数据、数字孪生服务体系大数据、与其他相关大数据组成。将二者有机融合在一起就形成其相应的数字孪生模型。其是对图书馆建设、管理与服务过程的数字化重构，主要是在虚拟信息空间中对物理实体资源的要素、行为、规则、逻辑、对象与属性等进行实时双向映射。该层主要解决其物理实体资源在虚拟信息空间中的虚拟化模拟仿真、协同分析、泛在感知、迭代优化与智能决策等功能。

（3）应用服务层。该层主要面向用户，通过数字孪生模型在虚拟信息空间中实时映射其实体资源建设、管理与服务过程，从而实现其实体资源数据信息的快速测绘采集、图书馆实体资源数据的真实“读写”、海量孪生大数据的实时处理、图书馆自我学习智慧成长的智能推动、图书馆“前世今生”的精准描述与图书馆未来运行态势的智能推演。

4.2    关键技术分析

根据以上分析构建的数字孪生图书馆体系结构，其应用服务层的功能是其目的，相应的孪生大数据的获取、数字孪生模型的构建、实体资源实时双向映射是整个体系结构的核心与关键。由此可认为其关键技术主要包括以下四个方面：

（1）数字孪生模型构建技术。数字孪生模型是数字孪生图书馆建设的核心，是精准描绘图书馆物理实体与服务过程细节、精准描述其发展历程、预测其未来发展态势的智能化信息载体。该模型构建需要搭建统一的标准化业务逻辑框架，针对其多样化的实体资源类型、智能化的服务资源协调与多元化的孪生大数据，构建相应的数字孪生模型。

（2）图书馆物理实体多源异构的孪生大数据采集技术。图书馆物理实体资源涉及面非常广，包含了相应的物理建筑、基础设施、空间资源、网络环境、人员与知识资源等不同类型要素，且相同要素也存在大量不同标准、规格和技术的设备设施，这些类型、规模、特征各异的设备设施所蕴含或产生的数据类型、规模与结构也各不相同。为有效实现其虚拟信息空间与物理实体的实时双向映射与交互，智能精准、安全可信、稳定高效的数据采集技术就显得更为重要。因此，多源异构的孪生大数据采集技术是数字孪生图书馆体系构建的关键与基础。

（3）实体资源及其数字孪生模型之间的实时双向映射技术。一方面，实体资源状况实时映射到其对应的数字孪生模型中，能够实现对其全面、精准刻画与映射，达到虚实融合的目的;另一方面，数字孪生模型对物理实体的实时映射，能够对图书馆物理实体的运行态势、发展规律进行预测，并根据预测分析结果对实体资源的行为、动作与状况进行协调管控，达到以虚控实的目的。所以，二者实时双向映射是达到虚实融合、以虚控实的关键所在，能为数字孪生图书馆建设提供基础性技术与服务支撑。

（4）数字孪生图书馆的自我学习智慧成长技术。自我学习、智慧成长是数字孪生图书馆典型的两個特征。它通过搭建的全方位的泛在智能物联感知体系，给所有相关要素、资源、流程与规则等分别赋予唯一数字标识，结合所构建的全域智慧服务体系，实现其全域协同治理、态势智能感知决策、服务需求提前预判、问题智能感应处理与服务资源智能协调等功能，来达到自我进化与智慧生长的目的。因此，相应的自我学习智慧成长技术就成为其关键技术之一。

4.3    协同驱动框架

根据以上分析，在数字孪生图书馆中，虚拟信息空间中的数字孪生模型与现实物理实体的智慧服务过程通过数字孪生服务体系进行实时双向映射与交互，据此构建了相应的面向全周期管理的数字孪生图书馆服务体系的协同驱动框架（见图5）。

其协同驱动框架体系按系统方法论中的V字型结构，在孪生大数据驱动下围绕其数字孪生服务体系对其图书馆物理实体与虚拟信息空间进行了有效连接。由图5可见，右边是由下至上的图书馆实体资源整合过程，左边是由上至下的虚拟服务设计过程。其中，实体资源整合过程主要包括其相关空间、设施、社会资源、数据、信息与知识资源等实体资源建模、服务资源整合与协调以及相应的数字孪生体生成，分别对应着智慧化设计空间的资源域、整合域、行为域，且均为智慧域的子集。虚拟服务设计过程主要包括相应的服务需求分析、服务行为分析、服务设计执行，分别对应智慧服务空间的用户域、服务域、行为域、体系域。其中，各个环节之间交互与执行是由相应的孪生大数据来协同驱动，且每个服务业务均可采用数学建模、计算机仿真方法对相应服务需求、要素、物理、行为、规则、属性与特征等进行标准化描述与建模，得到相应的数字模型，进而有效组合形成相应的数字孪生模型。

5.2    图书馆智慧管理模拟：形成全貌的一体化治理

数字孪生图书馆可立足于图书馆决策、建设、运营、管理与服务需求，将其各领域相关数据进行深度融合与有效关联，实时展示图书馆运行全貌，形成实时双向映射、虚实交互、精准监测、智慧管理、协同驱动的图书馆一体化治理体系。

（1）基于智能預测推演实现图书馆运行全貌的一体化治理。根据图书馆数字孪生模型及叠加其上的多源孪生大数据，构建智慧、精准、动态的图书馆智慧大脑，通过模拟仿真、智能预测与深度学习，发现图书馆复杂管理服务规律、资源间潜在关联关系、知识组织隐性规律与运行机理，解决存在的各类难题，形成图书馆全貌的一体化治理与协同驱动模式，帮助相关决策者、管理者、馆员与用户们从不同视角来体验与认知其发展历史，分析与掌握其发展现状，预测与推演其趋势规律。

（2）基于全域智能感知实现图书馆全要素的一体化管理。图书馆构成要素管理是其建设与管理的重点与难点。一方面，随着图书馆泛在化、智慧化与虚拟化发展，其构成要素的类型、数量呈指数级增长趋势，管理复杂度剧增;另一方面，图书馆构成要素广泛分布于其管理与服务全流程。在数字孪生图书馆中，通过全覆盖统一标准的全域数字化标识体系、全方位立体部署的智能物联感知体系与全时空安全可信的网络安全环境，为图书馆的全部构成要素、软硬件基础设施，甚至是水、电、空调、服务空间等服务资源赋予唯一的数字化标识体系，实现其全要素的智能感知、实时分析、协同管控与高效处理。

5.3    图书馆智慧服务模拟：体验全新的智慧化服务

数字孪生智慧服务体系具备四个特征：一是从数据与信息资源到服务孪生大数据的跨越;二是知识实体与知识空间的实时双向映射[19];三是信息服务从割裂隔离到深度融合的转变;四是服务体系的自我学习与智慧成长。其智慧服务体系协同驱动的智能化模拟仿真和沉浸式虚实交互，能再造知识生产内容，重构知识服务体系，重塑知识传播形式，进而有效提升其智慧服务效率与质量。

（1）基于数字孪生画像提升智慧服务的精准性。采用数字孪生技术加速构建基于个性化服务需求、多元化服务特征与多维度生理指标的用户数字孪生画像，赋予图书馆“透视”智慧服务能力，提高智慧服务的精准性。通过打造全覆盖的智能物联感知体系，打造图书馆数字孪生智慧大脑，在做好数据与网络安全基础上，智能绘制与监测图书馆、用户与第三方运营者的行为、心理、生理等多维度数据立体画像，搭建以人为本、智慧精准、安全可信、全时空服务的智慧服务体系。

（2）基于数字孪生空间实现智慧服务的全息化。数字孪生图书馆中，智能物联感知体系的高精度感知与全方位部署，结合5G/6G、雾计算与边缘计算等技术，能对其进行全要素精准“绘制”，使得图书馆实体资源的全域感知与全息映射，成为常态。使得图书馆一桌一椅、一书一架、一人一位、一花一草，均能以特定频率更新状况和位置信息，真正形成图书馆“全息”数字孪生空间。将全要素、全业务、全内容与全流程等以文字、图像、声音、视频、模型等多种形式进行智能配置，让知识服务与交互过程可感可视，知识生产、知识服务与知识传播更为高效直观。

5.4    图书馆应急演练模拟：打造全面的虚拟化预案

火灾、疫情等突发事件的不确定性与动态演化性，使图书馆难以预测、消除其带来的潜在威胁与破坏，只能在尽可能情况下减缓或降低其带来的伤害与损失[20]。针对这一情境，数字孪生图书馆可模拟仿真突发事件的真实情境（如火灾、雪灾、暴雨或疫情等），让图书馆与用户能获取沉浸式、情境化体验感受，帮助图书馆及时、有效的应对或预防突发事件带来的损失。

（1）基于“情境-应对”模式实现应急预案仿真。按照“情境-应对”模式构建相应的数字孪生模型。在构建的数字孪生模型基础上对自然灾害、公共安全、事故等突发事件及其应急预案的全要素进行精准“描绘”，对整个突发事件的处理全过程、全业务、全要素进行模拟仿真，并对整个模拟仿真过程、应急资源的协调情况、应急预案的执行效率等内容进行全面、真实、客观的评价。

（2）基于“三维-还原”模式实现应急环境重建。采用新型测绘与智能物联感知技术，真实、客观、迅速地重建自然灾害、公共安全等突发事件引起的应急现场环境，为图书馆决策者、管理者与用户进行局势研判、事件分析、隐患排查、事后重建等业务提供了高精度、高可靠的数据保障，为其应急预案制定提供了有效保障。

（3）基于“演练-模拟”模式实现应急预案演习。针对应急预案的角色定位，在数字孪生空间中分别对其进行模拟演练，从而达到其应急预案优化、用户应急意识培育与图书馆应急措施演练的目的。在具体模拟过程中，预先设置其突发事件激发阈值，一旦触发该事件，则驱动相关用户根据自身角色定位按照既定步骤与要求执行演练，并对其行为产生的一系列影响进行模拟仿真，同时需对整个过程进行评估与优化。

6   结语

数字孪生理念与技术自诞生以来就受到政府、工业界与学术界的广泛关注与高度认同。当前，各领域、各地区对数字孪生理论研究与技术应用的需求非常强烈，但其究竟如何构建，仍是未知之数，其理论体系、技术方法与应用推广亟待统一规范。本文将数字孪生理论与技术引入图书馆领域，提出数字孪生图书馆的全周期管理理念，通过对其所涉及到的理论体系、技术方法、运行机理，以及相应的应用情境进行分析，试图为数字孪生图书馆建设、发展与研究提供一定的参考与借鉴。

从未来发展趋势来看，随着数字孪生理论与技术研究的不断深入与完善，图书馆未来的管理与服务场景将可能会发生巨大变化，超级智慧服务时代即将来临。同时，先进管理服务理念、技术集成创新驱动将可能会给智慧图书馆现有理念、技术与产业格局带来一定变化，促使其发展与研究重心发生偏移。

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作者简介：王璐（1979-），男，中国地质大学马克思主义学院博士研究生，桂林理工大学旅游与风景园林学院副教授;张兴旺（1982-），男，桂林理工大学旅游与风景园林学院研究馆员，硕士生导师。