曹文

摘要：现研究如何将AIoT技术和数字孪生技术应用于智慧图书馆的构建，从图书馆数字孪生体的构建着手，阐述了智慧图书馆中AIoT技术集成的相关内容，分析了两项技术如何在图书馆的智慧服务创新和管理运营优化方面发挥作用，并提出了具体的实施步骤。

智慧图书馆是现代图书馆发展的新阶段，它融合了人工智能（AI）、物联网（IoT）、数字孪生（Digital Twin）等先进技术，可以提高图书馆的服务质量、管理效率和用户体验。关于智慧图书馆的建设，已有不同研究方向的多项成果，如邓李君等从建设目标、内涵、效用等方面研究了图书馆空间转型策略[1]，周力虹等对比研究了国内外高校图书馆关于虚拟现实（VR）技术的应用[2]，任萍萍提出了通过智慧服务应用场景与智慧平台模型构建，创新重构智慧服务整体生态链[3]，王娜、李璐等研究了数字孪生技术在智慧图书馆中的相关应用[4-5]，王春迎等则研究了如何通过数据驱动图书馆的智慧服务[6]。智慧图书馆狭义上的定义是指一种新型的智能化建筑，AIoT和数字孪生是智慧图书馆进行智慧化管理和服务的有效手段[7]。AIoT（人工智能物联网）是人工智能（Artificial Intelligence,AI）和物联网（Internet of Things,IoT）的结合，通过AI的计算机视觉和语音识别等技术，IoT设备可以更好地理解和解释收集到的数据，同时，利用AI算法对IoT收集的数据进行分析，作出智能决策并自动控制设备。通过数字孪生技术，可以创建图书馆的虚拟副本，实时监控实体图书馆的运行状态，包括读者流量、设备运行情况、环境参数等，从而实现对图书馆的精细化管理。本文将从两种技术的关键内容着手，结合图书馆业务特点，探究AIoT技术和数字孪生技术如何帮助图书馆实现智慧服务创新和管理运营优化，并尝试提出智慧图书馆项目的通用实施步骤。

数字孪生构建技术

目前，数字孪生的实现方式主要由三部分组成，分别是物理场景三维建模、业务信息系统集成和实时数据对接。

三维模型构建技术

三维模型构建的技术实现主要包括通过创建和编辑曲面构建模型，适用于创建表面平滑的曲面模型；通过编辑多边形网格构建模型，适用于创建复杂的几何形状的多边形模型；基于体素（体积像素）进行建模，适用于需要详细内部结构展示的模型；通过定义参数和规则生成模型，便于模型的修改和优化；通过编写算法或使用特定工具生成模型，适用于大范围场景的过程式建模。

从三维模型的数据格式类别来看，传统用于创建数字孪生模型的技术主要有广泛应用于工程和建筑设计领域的计算机辅助设计（CAD）技术；可以快速、精确获取实体对象三维数据的激光扫描或结构光扫描技术；运用Autodesk 3ds Max、Maya、Blender等三维建模软件进行复杂三维模型创建的技术；包含建筑的三维几何信息和建筑组件的属性信息，适用于建筑领域的建筑信息模型（BIM）技术；可以用于创建交互式对象的三维引擎实时渲染技术，代表软件有Unity、Unreal Engine等；可以提供沉浸式交互体验的增强现实（AR）和虚拟现实（VR）技术；适用于城市级大范围场景建模的倾斜摄影处理技术。

近年来，神经辐射场（Neural Radiance Field,NeRF）和三维高斯溅射（3D Gaussian Splatting,3DGS）等可微分渲染技术的出现为三维建模技术带来了新的变革[8]。本文根据以往智慧图书馆项目的建设经验，结合文献查阅，对图书馆数字孪生建模技术的适用场景、主要特点、成本进行了比较，结果如表1所示。

根据各类三维建模技术的对比结果，图书馆数字孪生体的构建可采取以下策略。图书馆外立面模型可以采用倾斜摄影的方式。在图书馆室内模型方面，如果项目资金充足，可以选择三维建模软件Autodesk 3ds Max或BIM建模；如果项目资金较为紧张，可以选择三维激光扫描或3DGS等可微分渲染技术。

业务信息系统集成

数字孪生图书馆可以集成的业务信息系统主要有图书馆自动化系统、读者服务系统、馆藏管理系统、分析报告系统、设施管理系统、互动与沟通平台等。其中，图书馆自动化系统主要包括图书馆集成管理系统和电子资源管理系统；读者服务系统主要包括门禁系统、座位预约系统和自助借还书系统；馆藏管理系统主要包括图书定位系统和藏品管理系统；分析报告系统即数据分析和报告工具，用于生成图书馆运营的统计报告，如借阅率、读者行为分析等；设施管理系统包括建筑管理系统（BMS）、安防监控系统等；互动与沟通平台主要有图书馆网站、移动应用等。

实时数据对接

数字孪生图书馆对接的实时数据，主要是指通过IoT设备实时采集图书馆内的环境数据、人流数据等。常见的图书馆可对接物联网设备有电子标签（RFID）读取器和自助借还书机，能够监测图书在书架上的位置和状态的智能书架，门禁系统传感器，座位管理系统传感器，温湿度传感器、空气质量监测器等环境监测设备，根据室内光线强度和读者位置自动调节亮度的智能灯具，用于监测和控制电器能耗的智能插座和电表，用于监控图书馆安全状况的摄像头，用于紧急情况下预警的烟雾探测器、火灾报警器，无线网络接入点（Wi-Fi），自助打印/复印/扫描设备，信息发布屏，帮助读者在图书馆快速找到特定书籍或区域的导航设备。

智慧图书馆中的AIoT技术集成

AIoT中的AI技术

图书馆作为知识传播的重要阵地，积累了大量的文字、图像、视频等数据，在此背景下，AIoT中可能用到的AI技术有机器学习、深度学习、计算机视觉、自然语言处理、语音识别、专家系统和认知计算。机器学习用于从数据中学习模式和作出预测，包括监督学习、无监督学习、强化学习等；深度学习作为一种特殊的机器学习方法，使用多层神经网络学习数据的复杂模式；计算机视觉能够从图像或视频中获取和处理信息，包括图像识别、物体检测、场景理解等；自然语言处理能够理解、解释和生成人类语言；语音识别可以将语音信号转换为文本或命令；专家系统可以模拟人类专家的决策能力解决特定问题；认知计算则靠模拟人类大脑的思维过程解决复杂问题。

AIoT中的IoT相关技术

AIoT的基础是IoT，图书馆可能用到的相关技术有传感器技术、嵌入式系统、通信技术、网络基础设施、数据管理和设备管理、安全与隐私技术。图书馆中的IoT通过各类传感器收集温度、湿度、光照、声音、位置等环境数据；通过集成在设备中的嵌入式系统处理和传输数据。数据传输是IoT中的重要一环，因此，Wi-Fi、Bluetooth、Zigbee、LoRa等通信技术也是IoT中的重要组成部分。支持IoT设备连接和通信的网络架构是网络基础设施，如边缘计算、云计算平台。数据管理包括对IoT相关数据的收集、存储、处理和分析，以支持决策和智能操作；设备管理则包括对IoT设备进行配置、监控、更新和维护。此外，为确保IoT设备和数据的安全，安全与隐私技术也是需要着重考虑的内容，包括身份验证、加密、访问控制等。

AI和IoT的融合

通过两类技术的集成，AIoT在智慧图书馆中可以实现以下内容。安装智能书架、智能门禁、环境监测等传感器以实现智能IoT设备部署；通过结合AI的计算机视觉和语音识别技术，IoT设备可以更好地理解和解释收集到的数据，实现智能感知与识别；利用AI算法对IoT收集到的数据进行分析，实现自动控制设备的智能决策；利用AI分析IoT数据，优化系统性能，并预测未来的趋势和需求。此外，还可以通过边缘计算，在数据生成的边缘进行部分AI处理，以降低延迟。在此基础上，推动图书推荐系统、智能问答机器人、语音助手等AI应用开发，并利用大数据对用户行为等数据进行处理和分析，据此优化图书馆相关服务。

智慧服务创新和管理运营优化

通过AIoT和数字孪生的集成，可以实现图书馆的智慧服务创新和管理运营优化。将图书馆自动化系统中的数据实时反映到数字孪生模型中，实时同步图书借阅状态、读者流量等数据。通过数字孪生技术模拟图书馆的借阅、归还、咨询等业务流程，从而优化服务。利用数字孪生模型进行数据分析，预测图书馆的未来需求，如馆藏增长、空间规划等。结合安防监控系统，模拟紧急疏散路径，实施应急响应措施。

智慧服务创新

基于AIoT和数字孪生技术可实现的图书馆智慧服务创新有个性化推荐、智能导览、自助服务等。个性化推荐的核心内容为推荐算法的设计与实现，以及对个性化服务效果的评估；智能导览包括虚拟导览系统开发和用户交互体验优化；自助服务主要由自助服务设备集成和流程优化组成。

管理运营优化

基于AIoT和数字孪生技术可实现的管理运营优化有智能监控、资源管理和能源管理等。智能监控的核心组成部分为监控系统，在此基础上可实现安全事件预防与处理；资源管理包括AI在图书盘点中的应用和馆藏结构优化策略；能源管理的核心组成部分为智能控制系统，在此基础上可实现能耗分析与节能效果评估。

智慧图书馆的实施步骤

数字化和信息化项目的标准实施流程主要包括项目立项、技术研发、试点运行、全面推广和效果评估。

项目立项

在项目立项阶段，首先需要明确智慧图书馆建设的目标、范围和预算。这一阶段是整个项目的关键起点，涉及以下详细步骤。

需求分析：深入分析图书馆的服务现状，以及用户和馆员的具体需求。

目标制定：基于需求分析，设定智慧图书馆的建设目标，如提升借阅体验、优化图书管理流程、提高用户满意度等。

服务范围：确定智慧图书馆将提供哪些服务，如个性化推荐、智能问答、自动化借还书等。

功能规划：根据服务范围，规划系统的具体功能模块，如用户管理、图书检索、数据分析等。

成本估算：根据功能规划和目标设定，估算项目所需的硬件设备、软件开发、人员培训等成本。

资金筹措：确定资金来源，包括政府资助、企业赞助、自筹资金等，并制订详细的资金使用计划。

技术研发

技术研发阶段是智慧图书馆项目从概念走向现实的关键步骤，主要包括以下内容。

模型构建：利用先进的建模技术，构建图书馆的数字孪生模型，确保模型与实体图书馆的高度一致性。

数据集成：开发数据集成接口，实现图书馆与数字孪生模型之间的实时数据交换。

感知层设计：设计并实现物联网设备的感知层，包括传感器、摄像头等设备的选型和部署。

网络层构建：搭建稳定的网络层，确保数据传输的实时性和可靠性。

应用层开发：开发AI驱动的应用系统，如智能推荐、自动化管理等，并确保其与数字孪生平台的无缝对接。

试点运行

技术研发完成后，智慧图书馆系统将在部分区域或服务中心进行试点运行，具体步骤如下。

设备安装：在选定的试点区域安装物联网设备和用户交互设备。

系统调试：对系统进行全面调试，确保所有功能正常运行。

用户培训：对试点区域的用户进行培训，使其熟悉智慧图书馆的新服务。

数据收集：在试运行期间收集系统运行数据，包括用户行为、设备状态等。

用户反馈：收集用户对智慧图书馆系统的意见和建议。

系统评估：评估系统在实际运行中的稳定性，及时发现并解决问题。

全面推广

根据试点运行情况，对智慧图书馆系统进行调整优化后，全面推广服务。

系统改进：根据试点运行中收集的数据和反馈，对系统进行必要的调整和优化。

人员培训：对图书馆全体员工进行系统操作和维护方面的培训。

设备部署：在图书馆所有区域部署物联网设备和用户交互设备。

服务上线：正式上线智慧图书馆服务，向所有用户开放。

效果评估

全面推广后，通过定量和定性的方法对智慧图书馆的实施效果进行评估。

服务数据：统计分析智慧图书馆服务的使用数据，如借阅量、访问量等。

用户满意度：通过问卷调查等方式，量化用户对智慧图书馆服务的满意度。

案例研究：选取典型用户案例，深入分析智慧图书馆对用户行为和体验的影响。

专家评审：邀请行业专家对智慧图书馆项目的实施效果进行评审，提出改进建议。

本文研究了基于AIoT和数字孪生的智慧图书馆实现路径，旨在探索如何通过AIoT和数字孪生技术构建高效、智能、互动的图书馆服务与管理体系。我们认为，将AIoT与数字孪生技术相结合，可以为智慧图书馆的发展提供有效助力。首先，利用AIoT技术实现图书馆资源的智能感知、采集与处理，提高图书馆的服务效率；其次，借助数字孪生技术构建图书馆的虚拟模型，实现对实体图书馆的实时监控与优化；最后，通过AI算法对图书馆的运营数据进行深入分析，为图书馆的管理决策提供有力支持。总而言之，基于AIoT和数字孪生的智慧图书馆实现路径，为我国图书馆事业的发展提供了新的思路和方法，有助于推动图书馆向智能化、个性化、高效化方向发展。

江苏省高校哲学社会科学研究一般项目“基于AIoT的数字孪生图书馆平台建设和实践研究”（项目编号：2022SJYB1712）。

（作者单位：南通大学）

参考文献：

[1]邓李君,赵英.智慧环境下高校图书馆空间转型研究[J].图书馆,2021(12):52-59.

[2]周力虹,韩滢莹,屠晓梅.国内外高校图书馆虚拟现实技术应用对比研究[J].图书与情报,2017(04):1-7.

[3]任萍萍.5G技术驱动下的智慧图书馆应用场景与智慧平台模型构建[J].情报理论与实践,2020,43(07):95-102.

[4]王娜.基于数字孪生技术的图书馆馆藏资源共享模式研究[J].图书馆学刊,2022,44(01):73-76.

[5]李璐,尹玉吉,李永明.基于数字孪生的图书馆智慧管控系统模型构建研究[J].图书馆学研究,2021(04):29-37.

[6]王春迎,苏超萍,宋宁远.多源数据驱动下的图书馆智慧服务研究[J].图书馆学研究,2021(22):49-55.

[7]霍星明,尤江东.AIoT技术驱动下智慧图书馆建设思考[J].河南图书馆学刊,2020,40(09):97-98+104.

[8]高建,陈林卓,沈秋,等.基于三维高斯溅射技术的可微分渲染研究进展（特邀）[J].激光与光电子学进展,2024,61(16):163-175.