元宇宙視域下數字孿生圖書館全智慧服務機理研究

摘要：在虛擬與現實融合的元宇宙視域下，數字圖書館用戶的實時交互、精準服務以及個性化需求的實現面臨全新挑戰，構建孿生圖書館虛實共生空間成為解決問題的有效途徑。闡述了數字孿生圖書館全智慧服務系統的運行機理，分析了孿生圖書館全智慧服務的重要應用場景，并從技術研發、資源建設、人才培養、標準法規等方面提出全智慧服務發展策略。

關鍵詞：元宇宙；孿生圖書館；多模態交互；全智慧服務

中圖分類號：G250? ?文獻標識碼：A

DOI：10.13897/j.cnki.hbkjty.2024.0012

0 引言

隨著元宇宙第一股在線創作游戲平臺Roblox公司在美國上市，臉書公司更名為Meta并宣布其將聚焦于以元宇宙為主的新型業務，元宇宙迅速在全世界掀起巨大熱潮，并成為科技創新的聚焦點。究竟何為元宇宙？在清華大學發布的研究報告中，元宇宙被定義為融合虛擬現實、數字孿生等多種新技術而形成的虛實相生的三維時空，其基于數字孿生和擴展現實技術實現時空拓展性，運用人工智能和物聯網實現人機融生性，是數字社會的進階形式［1］。作為具有擴展性與交互性的超級虛擬空間，元宇宙使用戶以數字身份在其中進行同步持續交互并體驗與現實世界相似的多元感官效果，具備高沉浸式體驗、新技術整合等特征［2］。在我國提出的十四五規劃“創新驅動發展、建設數字中國”的目標推動下，以及“云數智”賦能的時代背景下，元宇宙、數字孿生等技術成為數字基礎設施的先驅，是國家數字建設智慧轉型的重要內容，將推動社會生產服務模式智慧化創新變革的實現。

數字孿生技術在虛擬世界中復刻真實世界的環境及社會關系，為在元宇宙中實現虛擬與現實的實時動態交互提供數據底座和運行基礎［3］。同時，元宇宙發展對數字孿生技術提出了更高的要求，促進數字孿生技術不斷完善?？梢?，二者相輔相成，互相促進，合力顛覆了圖書館領域用戶傳統的閱讀習慣和信息獲取方式，使圖書館功能在轉變為以用戶體驗為中心的過程中得到拓展和延伸，為智慧圖書館建設與發展提供了新思路與新途徑。在元宇宙場景下，通過構建數字孿生圖書館實現智慧服務發展的最終形態，即用戶、物理空間與虛擬空間的同步互聯與融合互動的全智慧服務［4］。

1 元宇宙場景下數字孿生圖書館的含義與特征

作為元宇宙支撐技術的數字孿生實時虛擬映射

★基金項目：本文系2023年度廣東省哲學社會科學十四五規劃項目“元宇宙場景下基于數字孿生的全智慧服務機理研究” （GD23XTS06）研究成果之一。系統，具有卓越的數據驅動、預測分析、虛擬仿真等效能，將推動元宇宙時代圖書館智慧服務的變革。孿生圖書館是指在元宇宙場景下，以孿生大數據為支撐，依托實體圖書館和智能物聯傳感網絡，構建數字孿生空間和圖書館物理實體之間的虛擬模型，使二者實現多維動態化雙向精準映射，通過動態仿真與精準分析，使智慧服務全周期數據融合的智能決策過程得以可視化呈現［5］，具有數據驅動、多模態交互、虛實融生等特征，成為元宇宙時代圖書館智慧服務的效能提升工具和實現載體。

數據驅動。以數字孿生體域網和智能傳感系統為依托的數據驅動，是實現圖書館資源服務、設施環境實體的全域實時監測和統一管控的核心動力，通過異構多源業務流程大數據的深度融合，推動孿生圖書館全智慧服務的升級發展［6］。

多模態交互。多模態人機交互實時智能系統是數字孿生圖書館的基礎設施，其深度融合數字孿生技術和腦機接口設備、智能可穿戴設備以及沉浸式云XR等交互技術，通過收集動態用戶畫像構建而成，實現用戶多維度的全息沉浸式感知體驗。數字孿生模型支持跨領域跨平臺的數據互聯，支持物理虛擬實體、數據服務與孿生應用多維交互和雙向驅動。

虛實融生。虛擬仿真、數字孿生以及沉浸式云XR等技術賦能孿生圖書館實現物理館和孿生館的同步實時精準映射，有機整合物理實體、虛擬空間與服務應用系統，形成虛實共生的數字孿生圖書館終極形態，使資源服務供給得以優化，重塑智慧圖書館全新發展模式。

2 面向元宇宙孿生圖書館的全智慧服務系統運行機理

元宇宙場景下，孿生圖書館以數字孿生技術為基礎，依托智能傳感網絡和數據賦能閉環體系，深度融合虛擬現實、全息仿真等領域，構建數字孿生模型，實現孿生館與實體館之間的雙向實時映射和智慧耦合，進而感知管控物理圖書館的整體運行態勢。對用戶動態孿生畫像進行具象化分析，采集資源運行軌跡，提供海量資源接口并進行知識推送，有效提升個性化服務質量和響應效率，進而重塑智慧服務內容和模式，拓展服務廣度和深度。通過對多源異構大數據進行高效融合，實現對全智慧圖書館運行規律的精準研判［7］。全智慧服務作為智慧服務的終極形態，其用戶身份由自然人擴展為虛擬數字人，數據采集終端由移動智能設備擴展為腦機接口等人機交互設備，資源獲取來源擴展為數字孿生大數據。孿生圖書館全智慧服務的體系構建由孿生大數據驅動層、元宇宙技術支撐層、孿生數據仿真映射層與多模態人機交互層組成，如圖1所示。

2.1 孿生大數據驅動層

孿生大數據驅動層的數據來源，是元宇宙場景下全智慧服務體系構建的基礎，包括圖書館物理實體資源（如圖書期刊和軟硬件基礎設施等）數據、信息物理空間的場景構建數據以及智能感知設備獲取的用戶特征與交互行為數據。運用泛在智能傳感與全域數字標識技術，全面精準映射用戶交互服務的供需情況，實現多源異構孿生大數據的挖掘融合、存儲傳輸以及模擬映射等功能，為孿生圖書館全智慧服務體系提供數據支撐。主要任務包括孿生大數據的特征表示，在異構資源間建立語義關聯。驅動層首先對孿生大數據進行整合統一，并通過多模態資源的語義關聯實現檢索內容的協同表示，通過用戶孿生畫像分析其行為特征與需求，將用戶情境數據嵌入到索引模塊并返回視覺檢索結果。海量多源異構大數據具有虛實融合、物理感知等特征，動態滿足孿生圖書館的多元存儲和計算運行等需求，推動實現數據驅動的孿生圖書館全智慧管控。

2.2 元宇宙技術支撐層

孿生圖書館智慧服務體系的技術支撐層運用沉浸式云XR等元宇宙技術進行多模態數據處理，推進孿生空間和物理實體間的深度學習、雙向映射和融合共生，驅動全智慧服務模式的高效有序運行。

（1）物聯網。物聯網通過智能傳感器、RFID等數據采集技術，實現全域智能感知功能，使孿生大數據實時高效傳輸的同時具備可追溯性，進而使孿生圖書館智慧服務安全性得到保障。

（2）沉浸式云XR。虛擬現實VR、增強現實AR和混合現實MR等技術的統稱即為沉浸式云XR，是孿生圖書館服務數智融合的技術底座。其中，VR技術通過動態多維大數據建模，利用虛實映射模型完成實體館的動態可視化展示，使用戶的沉浸式感官體驗得以實現；AR技術通過情景大數據匹配實現虛實同步融生，如實物資源模擬展示等；MR技術融合匹配現實和虛擬環境，通過虛擬模型提升物理實體的智慧引導與檢測認證功能。此外，沉浸式云XR也使在虛擬空間遠程處理實體館設備故障問題成為現實，如，運用設備控制交互機器的檢測維護。

（3）多源異構孿生模型構建體系。包括全域數字標識、泛在物聯智能感知以及深度學習等技術，其為虛實交互融合提供智慧高效的支撐體系，助力數字孿生圖書館的全域資源協同、態勢智能感知與服務精準預判成為現實。泛在物聯智能感知是孿生圖書館虛實映射的連接體系，為在非結構化異構海量大數據處理、需求預測感知算法優化等應用中具備顯著優勢的深度學習技術提供數據支持。

2.3 孿生數據仿真映射層

數字孿生空間通過對現實物理空間的動態映射，實現虛擬和現實空間異構資源的聚合。作為物理實體在元宇宙空間的數字表征，孿生數據仿真映射分析層可視為數字孿生圖書館的人工智能中臺，其為各類智能決策與智慧服務應用提供有效支撐。通過全息仿真和AI深度學習等方法，對數字孿生空間的歷史數據與實時數據進行挖掘，構建孿生數據仿真模型并融合用戶畫像模型、資源畫像模型等模塊，對知識進行關聯分析等智能化處理，進而在數字孿生系統中完成物理空間中實體的虛擬映射，塑造與物理實體對應的孿生館舍、孿生館員與孿生用戶，對數字孿生體的動態變化過程進行可視化表達，以實現目標活動的場景化，進而為服務場景匹配和動態趨勢預測等功能提供信息載體，提升圖書館在場景匹配、服務評價以及資源建設等方面的效率。

2.4 多模態人機交互層

多模態人機交互層可實現物理世界和虛擬空間的對接，為用戶和管理人員提供智能交互終端和業務管理界面。在元宇宙沉浸式可視化場景下，資源獲取便捷性的提升需要跨越人機交互的技術鴻溝，多模態人機交互層通過虛擬現實等技術實現沉浸式交互體驗，應用沉浸式云XR、基于VR技術的可穿戴設備、腦機接口等交互終端進出元宇宙虛擬空間，通過采集腦電波信號等方式為用戶提供虛擬場景的沉浸式體驗。集成動作感知、觸摸感知等泛在智能感知技術構建智慧孿生空間多維虛擬場景，在虛擬場景中為用戶提供資源位置、索引信息等，支持虛實空間的多感官全息交互，為用戶賦予多感官沉浸式體驗，使其可通過多元終端獲取個性化推送資源，構建回溯式個性化知識體系，并實現虛實共生空間的交互切換。館員與用戶之間可通過虛擬數字人化身進行多場景實時交互，使知識資源在不同情境間的流動共享成為現實，使全智慧圖書館成為提供沉浸式交互體驗的虛擬現實融合系統，突破現實和虛擬之間的壁壘，實現用戶“可見即可感知”的目標，提升深層次沉浸式交互服務效果。

3 面向元宇宙孿生圖書館的全智慧服務場景實現路徑

元宇宙孿生圖書館的全智慧服務場景，是依托沉浸式云XR技術體系支撐構建的沉浸式可視化場景。通過為用戶創造沉浸式服務效果，從不同維度完成信息的獲取，充分發揮元宇宙交互界面的優勢，使用戶的感官體驗更為多元化，將文字、圖像等信息轉化為數字孿生場景信息，實現智慧服務各主體之間的實時高效協同。與此同時，數字孿生技術完成實體館場景要素的虛擬映射，利用多元數據和算法模型構建實體與虛擬數據互通的孿生圖書館智慧空間［8］，從而為用戶提供全過程可呈現的沉浸式VR智慧閱讀、個性化精準推薦、移動視覺搜索以及虛擬數字人智慧咨詢等全智慧服務。

3.1 基于沉浸式交互的VR智慧閱讀服務

VR智慧閱讀是元宇宙賦能數字孿生圖書館的重要應用場景，使具備沉浸感和交互性的全場景閱讀成為現實，是全智慧服務的創新突破口。在元宇宙場景下，用戶以虛擬數字人身份在孿生圖書館的虛擬空間中漫游，瀏覽館藏資源，實現沉浸式VR閱讀，通過虛擬現實設備感受身臨其境的真實體驗。如上海圖書館以館藏紅色文獻為基礎編列紅色經典行程路線，使用戶通過VR設備體驗動感單車騎行的紅色之旅線路，實現沉浸式實景體驗并進行交互［9］。該服務模式運用VR、AR等技術構建實體與數字資源的3D模型和三維位置并將其導入檢索系統，以確保用戶可以隨時查詢圖書信息，并可通過虛擬館員確認是否為用戶所需資源。VR閱讀在豐富讀者感知要素的基礎上實現更好的閱讀感知效果，并為用戶提供更具深度的信息傳遞形式，進而推動閱讀高效引導全智慧服務的優化升級和高質量發展［10］。

3.2 基于用戶孿生畫像的個性化精準推薦服務

元宇宙環境下，孿生圖書館個性化推薦包括場景推薦與服務推薦。其中，前者通過映射類和接入類技術，根據用戶的歷史偏好進行推薦，用戶接受后可以直達該虛擬空間場景［11］；后者通過獲取用戶行為特征數據，對其進行刻畫、分析并建立孿生畫像模型，根據用戶檢索內容、虛擬空間訪問等數據構建個性化3D路徑圖，從而為其推薦個性化資源。全智慧服務實現的重點場景之一體現在個性化推薦服務方面，通過用戶需求的分析實現資源精準推送，如根據對歷史數據的分析，當用戶進入虛擬圖書館時以增強現實的形式呈現其所偏好的資源，運用數據挖掘和智能監測技術采集用戶動態孿生數據，結合算法模型對用戶運行軌跡數據進行自動分析與規律獲取，通過模擬規律仿真推測用戶潛在服務需求，進而形成個體數據集映射至孿生虛擬空間，同時嵌入與用戶畫像相匹配的網頁推薦功能，最終實現用戶需求和資源服務的智能耦合，提升全智慧圖書館的精準服務能力。

3.3 基于深度學習的移動視覺搜索服務

元宇宙環境下，視覺數據應進行邏輯分析和處理才能為孿生圖書館移動視覺搜索功能提供資源支撐，將視覺圖像特征運用深度卷積神經網絡進行有效提取，通過特征編碼生成視覺圖像的描述，再結合用戶情境信息與卷積特征對圖像進行物體識別分類以及圖像的語義分析［12］，并將分析結果嵌入到移動視覺搜索服務過程中。在元宇宙賦能下構建可視化資源檢索系統，應用腦機接口技術確定用戶所需的主題內容，對孿生圖書館資源進行3D模型預覽，并運用云計算、邊緣計算技術進行資源整合以實現統一檢索與知識發現，構建可視化虛擬檢索模塊［13］，進而提升元宇宙孿生圖書館的資源使用效率。

3.4 基于虛擬數字人的智慧咨詢服務

在元宇宙時代，傳統參考咨詢服務由于互動性較低已難以滿足用戶需求，人工智能技術驅動的虛擬數字人成為孿生圖書館咨詢場景的重要角色。虛擬數字人是綜合運用元宇宙技術對人的生理屬性與社會屬性進行的全方位模擬化身，是具備社交功能的服務提供者。其依據館藏資源和用戶交互日志數據，使咨詢交互服務被賦予思想性、情感性等全智慧特征，對用戶需求給予個性化反饋［14］，迅速檢索與用戶學科背景相關的多模態信息，并以三維立體形式將其呈現給用戶，實現咨詢服務的全智慧化。此外，虛擬數字人之間的互動交流有助于實現全智慧服務推廣的社群效應，進而提升孿生圖書館的空間服務水平。

4 面向元宇宙孿生圖書館的全智慧服務發展策略

4.1 開展技術研發，強化系統支撐

元宇宙孿生圖書館全智慧服務系統的構建與運行對核心支撐技術提出較高要求，加速技術規?；季质窃钪鎴D書館由愿景轉化為現實的根基。當前元宇宙核心技術發展成熟度不足，瓶頸有待突破，可見孿生圖書館全智慧系統建設需要持續的技術研發創新和融合為其提供保障。

一方面，人工智能底層技術與元宇宙圖書館的應用需求之間存在一定差距，需要更為精準的數字孿生建模技術、更為全面的物理實體感知技術以及更為穩定的深度學習技術等。元宇宙孿生圖書館需融合AI、XR、物聯網等技術模塊，構建多維技術體系，提升多模態數據融合與數據仿真的運行效率。

另一方面，元宇宙孿生圖書館集沉浸式云XR入口、現實場景映射等要素于一體［15］，沉浸式云XR等硬件技術的發展使虛擬世界更為擬真、人機交互方式更具沉浸感，因此需要首先優化當前的擴展現實設備和沉浸式裝備，使增強現實技術通過情景數據采集匹配等方式實現孿生圖書館全時空虛實同步，如VR全景導覽和物理館圖像辨識等。與此同時，全腦成像等技術發展將顛覆傳統的交互服務方式，以意識傳輸提升智慧創造效率。其中，腦機交互、情感交互是人機交互技術的發展方向，其使多用戶交互成為可能，進而推動全智慧服務的實現。

此外，用戶高沉浸感體驗的實現需要低成本算力資源與穩定的算法支撐，同時加速5G、6G通信網絡和元宇宙核心技術的融合，進而為用戶提供低延遲的高效服務。由此可見，完善元宇宙孿生圖書館建設中的核心支撐技術是賦能全智慧服務向縱深發展的關鍵動力［16］。

4.2 加強資源開發，推動基礎設施建設

元宇宙環境使圖書館面臨信息資源建設變革創新的挑戰。實體資源、數字資源以及用戶行為數據等數字孿生大數據都成為孿生圖書館資源的組成部分。與此同時，元宇宙賦予用戶知識資源的創作生產權限，用戶創造內容將多維度呈現在元宇宙全智慧服務場景之中，成為元宇宙圖書館資源開發的全新視角。應當發揮圖書館在知識組織和資源利用方面的優勢進行資源體系整合，加強資源開發和加速數字資源虛擬化，并應用虛擬仿真技術使虛擬資源立體化呈現，使用戶能直觀獲取所需資源［17］。此外，可以通過資源集約方式減少重復建設和不當配置導致的資源浪費，積極構建區域圖書館聯盟和跨領域項目合作平臺，使具備不同資源優勢的機構合作實現資源互補，保證孿生圖書館各項資源建設的可持續性推進。

另一方面，基礎設施建設是元宇宙孿生圖書館全智慧服務的保障?；A設施作為實體資源的主體層，包含建筑空間、服務資源等要素，支撐元宇宙孿生圖書館功能的實現，包括圖書館外觀建筑和內部空間布局、公共設施等實體資源；圖書、期刊等知識資源；RFID軟硬件系統、智能傳感器、監控設備終端等網絡設施資源［18］?？赏ㄟ^對孿生館的仿真運行發現實體資源建設的不足，推動物理實體館與數字孿生館的雙向優化，應當完善基礎設施建設，尤其是推動元宇宙云基礎設施和通信系統，以及圖書館智能樓宇和設備的建設工作，為元宇宙孿生圖書館全智慧服務的可持續發展提供資源保障。

4.3 培養智慧館員，優化交互服務

元宇宙環境下，信息傳遞效率和場景得以拓展延續，虛擬現實技術使館員工作方式突破物理世界的限制，其通過沉浸式設備在虛擬環境中高效工作成為現實［19］。人工智能技術驅動的虛擬數字人作為智慧館員的虛擬化身，成為孿生圖書館咨詢交互場景的主角。用戶在孿生空間中通過虛擬化身交互模擬現實，保存、使用元宇宙圖書館虛擬資源［20］，館員的數字分身通過頭戴式顯示器、跟蹤器等追蹤用戶行為并進行交互服務呈現，即孿生館員依托AI深度學習和XR沉浸服務體驗賦能，可與用戶進行視聽覺交互，實時響應用戶需求，并依據用戶檢索偏好等數據量身定制個性化智慧服務推送。由此可見，全智慧服務場景要求館員具備較高水平的技術能力和創新思維，能充分對接虛實館員工作，將意識融入元宇宙作為解決溝通效率問題的關鍵，適應全智慧服務模式不斷創新的節奏。

因此，積極引進高質量技術人才梯隊、加強培養智慧館員成為元宇宙圖書館的發展策略之一。亟需拓展館員學習渠道，定期開展業務培訓加強館員學習能力，通過產學研生態鏈培養智慧館員，使其在實踐中迅速提升為元宇宙技術人才，具有精準把握用戶需求和情感動態的能力，針對用戶偏好匹配資源和開展全智慧服務，進而推動數字孿生圖書館全智慧服務系統的建設和運轉，為其提供人力資源保障。

4.4 完善技術標準，構建法規體系

元宇宙環境下，完善標準法規體系構建是孿生圖書館全智慧服務取得長足發展的基礎前提，包括元宇宙技術標準規范體系與法律法規體系的構建［21］。

首先， 基于元宇宙行業標準化需求，確立孿生圖書館領域統一的軟硬件、技術服務等關鍵應用的標準體系。 此外，元宇宙孿生圖書館全智慧服務系統構建需要采集孿生大數據，為此面臨用戶隱私和信息安全的嚴峻挑戰。針對虛實融合的元宇宙智慧圖書館產生的海量數據安全治理、隱私風險規避以及知識產權保護等問題，需要采取相應的防范解決對策，即構建元宇宙智慧圖書館的數據治理體系。同時，落實數字科技立法工作，建立健全適用于元宇宙圖書館的相關法律制度。

5 結語

虛擬現實融合的元宇宙賦能孿生圖書館復刻現實世界的場景與社交，使其具備高度沉浸式感知體驗，顛覆了用戶的信息交互模式，使其體驗到更為多元化的個性化服務，為智慧圖書館建設帶來新的發展契機。本文分析了元宇宙環境下數字孿生圖書館的特征并構建了孿生圖書館全智慧服務系統模型，結合元宇宙應用場景，提出孿生圖書館的全智慧服務實現路徑，從技術研發、資源建設、人才培養、標準法規等方面提出全智慧服務發展策略，為數智時代全智慧服務發展的理論體系優化提供借鑒。

元宇宙理論和應用研究目前仍然面臨諸多難題和爭議，如數據安全、數字鴻溝、用戶隱私保護等問題，隨著相關技術的持續發展完備，上述難題的有效解決方案將成為學界深入探索的重要方向。

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作者簡介：朱維喬，女，碩士，廣州航海學院圖書館副研究館員。研究方向：人工智能應用與圖書館智慧服務。

（收稿日期：20231208 責任編輯：馬玉娟）