馮銀花

（南京信息工程大學(xué)圖書館，江蘇 南京210044）

隨著計算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，圖書館智能化建設(shè)如火如荼地進(jìn)行，圖書館界對于人工智能的研究主要集中在圖書館的智能服務(wù)方面[1]，如智能咨詢機(jī)器人、智能座位預(yù)約、智能盤點(diǎn)機(jī)器人、RFID 智能書架等。關(guān)于圖書館書庫智能盤點(diǎn)、智能書架、智能借還等方面的研究主要集中于RFID技術(shù)，如電子科技大學(xué)申曉亮[2]利用超高頻RFID技術(shù)研究圖書自助借還系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)，開發(fā)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)了圖書的自助流通管理；武漢科技大學(xué)王光輝[3]在圖書館管理中運(yùn)用RFID 技術(shù)，設(shè)計了自助借還系統(tǒng)、圖書整架系統(tǒng)和智能門禁系統(tǒng)。RFID技術(shù)通過在圖書中粘貼電子標(biāo)簽進(jìn)行圖書通訊，以實(shí)現(xiàn)快速館藏清點(diǎn)、讀者自助借還、安全防盜、快速準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)庫檢查和更新功能等，可提高館員的工作效率，加強(qiáng)圖書藏、閱、借一體化的功能，增加圖書館的安全性、準(zhǔn)確性、可靠性和擴(kuò)展性。但RFID電子標(biāo)簽與磁條比成本高，實(shí)際應(yīng)用中RFID 信道存在較高的誤碼率[2]，圖書標(biāo)簽易出現(xiàn)串讀漏讀；圖書自助定位不夠準(zhǔn)確，易引起圖書錯架亂架[4]，需要管理員協(xié)助解決問題。目前圖書館人才隊(duì)伍建設(shè)處于發(fā)展初期，無法完全配合RFID技術(shù)解決問題?；诖?，筆者設(shè)計了圖書館座位智能借還書系統(tǒng)，該系統(tǒng)不涉及RFID 技術(shù)，而是由機(jī)器人與傳輸帶協(xié)助實(shí)現(xiàn)讀者在座位上借還書，即圖書通過機(jī)器人在書庫自動存取、通過傳輸帶在書庫與座位之間流通。讀者在閱覽室借還書無需離開座位，獲取紙質(zhì)圖書如同網(wǎng)絡(luò)資源一樣便捷，節(jié)約了時間，提高了圖書館紙質(zhì)館藏借閱率。

1 座位智能借還書系統(tǒng)的可行性分析

1.1 圖書智能出入庫

2018 年京東物流“亞洲一號”無人倉正式亮相[5]，掀起物流業(yè)人工智能的高潮，無人倉上千個機(jī)器人相互配合完成商品的出入庫與裝載，由小型機(jī)器人將商品分揀至相應(yīng)的轉(zhuǎn)運(yùn)包裹，中型機(jī)器人對轉(zhuǎn)運(yùn)包裹進(jìn)行再次分配與打包，大型機(jī)器人將最終的包裹放入傳輸帶運(yùn)至庫房外的運(yùn)輸車上，無人倉效率是傳統(tǒng)倉庫的10 倍。假設(shè)圖書館書庫是物流倉庫，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人管理圖書出入庫，實(shí)踐中圖書與商品相比體積小、重量輕、抗撞擊性強(qiáng)，圖書的出入庫管理較商品容易許多，因此在技術(shù)上圖書智能出入庫管理是完全可行的。

1.2 圖書智能傳輸

無人餐廳[6]采用自動傳菜系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)菜品在廚房出菜口與餐桌之間的傳輸，消費(fèi)者入座后進(jìn)行手機(jī)掃碼點(diǎn)餐，廚師將其菜品做好后放入傳輸帶玻璃容器從廚房傳輸至餐桌。玻璃容器設(shè)置傳感模塊、驅(qū)動模塊、信號接收模塊等，當(dāng)容器感應(yīng)到餐桌二維碼立刻停止運(yùn)輸，消費(fèi)者將菜品取走，自動傳菜系統(tǒng)節(jié)省餐廳人力，節(jié)約消費(fèi)者等待時間。圖書館讀者座位與書庫出口之間也可運(yùn)用類似傳輸原理運(yùn)書，圖書比菜品更易于運(yùn)輸，無人餐廳成熟的傳菜系統(tǒng)為圖書智能傳輸提供實(shí)踐基礎(chǔ)。

2 座位智能借還書模塊介紹

2.1 智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)提供了一個信息集成、反饋、分析為一體的平臺[7]，本控制系統(tǒng)主要完成館藏圖書存取與傳輸帶運(yùn)書兩部分任務(wù)。書庫圖書存取由控制系統(tǒng)指揮機(jī)器人完成，傳輸帶運(yùn)書由自啟動電機(jī)帶動滾輪轉(zhuǎn)動完成，兩個過程都需要監(jiān)控設(shè)備（C-MOS攝像頭、激光掃描儀）協(xié)助完成，攝像頭采集傳輸帶運(yùn)行實(shí)況，激光掃描儀采集圖書運(yùn)輸軌跡，如圖1所示。

圖1 智能控制系統(tǒng)整體框架

近年來機(jī)器視覺技術(shù)被廣泛運(yùn)用于生產(chǎn)流水線，本系統(tǒng)利用機(jī)器視覺完成傳輸系統(tǒng)實(shí)況監(jiān)測與問題報警。如圖1 所示，傳輸帶安裝了多個CMOS 攝像頭采集圖片，圖片上傳控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，它是智能控制系統(tǒng)的“眼”。智能控制系統(tǒng)分析圖片預(yù)警流程如圖2所示，如果攝像頭拍攝單張圖片中圖書數(shù)量＞5，控制中心將標(biāo)紅該條傳輸線，后續(xù)路徑規(guī)劃會避讓該線路；圖片中傳輸帶與樣本模型圖片差異若大于30%（如傳輸帶滾輪變形、擋板掀倒等），系統(tǒng)傳輸線路圖中該支線將會閃動并報警，運(yùn)維人員到現(xiàn)場查看實(shí)況；攝像頭拍攝圖片中若出現(xiàn)除圖書以外的異物（如人為將其他物體帶入傳輸帶），控制系統(tǒng)將啟動樓層傳輸帶報警系統(tǒng)，樓層巡視人員到現(xiàn)場查看情況。

傳輸帶上激光掃描儀實(shí)時掃描傳輸帶上運(yùn)輸?shù)臅?，將掃描結(jié)果傳給智能控制系統(tǒng)。運(yùn)輸途中圖書與書盒二維碼進(jìn)行綁定，可獲得圖書實(shí)時位置。系統(tǒng)根據(jù)圖書規(guī)劃路徑判斷是否需要轉(zhuǎn)向、終止傳輸，需要選擇“是”，啟動電動裝置改變圖書傳輸方向，不需要選擇“否”，圖書繼續(xù)傳輸，過程如圖3所示。

圖2 圖像分析

圖3 掃碼識別分析

2.2 座位智能借還書流程

即讀者通過手機(jī)掃描座位二維碼將借還書請求發(fā)送至控制系統(tǒng)，如圖4 所示，借書時控制系統(tǒng)會調(diào)用書目數(shù)據(jù)庫以獲取圖書館藏信息（可借復(fù)本、館藏地址），當(dāng)可借復(fù)本大于0 時，控制系統(tǒng)接受借書請求。具體而言，首先系統(tǒng)將圖書、讀者、座位三者信息綁定，其次指揮機(jī)器人到圖書館藏地址取書，機(jī)器人取書完畢后將書放入書盒運(yùn)輸，最后由傳輸帶將圖書運(yùn)輸至目標(biāo)座位。還書情況類似：讀者座位掃碼發(fā)送還書請求，控制系統(tǒng)給圖書分配館藏地址，目標(biāo)地址產(chǎn)生后，讀者將圖書放入傳輸帶上的書盒里，再由傳輸帶運(yùn)回書庫。入庫前機(jī)器人會對圖書進(jìn)行損壞檢測（重量、封面檢測），檢測通過后機(jī)器人將圖書存入目標(biāo)館藏地址，讀者還書成功；檢測不通過，圖書被機(jī)器人放入舊書回收處，系統(tǒng)向讀者發(fā)送損壞圖書賠償金額。

圖4 座位借還書流程

2.3 書庫圖書自動存取

2.3.1 圖書物理地址

本系統(tǒng)借用筆者前期研究成果[8]，將書架、書庫分成格子狀，布置如圖5、6所示。書架每層分成大小一致的格子，按照格子的層數(shù)（第幾層）以及格數(shù)（第幾格）給格子編號；情況類似，按照書架位列書庫的排數(shù)與列數(shù)給每個書架編號，如第幾排幾列，將書架編號生成二維碼置于書架一側(cè)地面，“書架編號+書格編號”為書格中圖書物理地址。例如圖5書架中標(biāo)黃圖書書格編號為0606，圖6顯示該書架編號為0402，標(biāo)黃圖書在系統(tǒng)的物理地址為04020606。圖書館藏不按中圖法排架，由控制系統(tǒng)按編碼規(guī)則分配地址。

圖5 格子書架

圖6 格子書庫

2.3.2 機(jī)器人存取圖書

書庫機(jī)器人地面移動方式為90°、180°直轉(zhuǎn)、原地旋轉(zhuǎn)，垂直高度自動舉升，機(jī)器人激光掃描儀實(shí)現(xiàn)二維碼導(dǎo)航，激光障礙傳感器與機(jī)械防撞裝置給機(jī)器人提供安全防護(hù)[9]。當(dāng)控制系統(tǒng)向機(jī)器人發(fā)送存取書指令，機(jī)器人利用激光掃描儀掃描地面二維碼導(dǎo)航至目的書架，再利用距離測量器測量垂直方向爬行的高度h，相對于編號起點(diǎn)的水平方向距離S。假設(shè)圖書所在書格為第n 層第m格，書格固定寬度為a、層高固定為b，當(dāng)m-1＜S/a＜m+1，且n-1＜h/b＜n+1時，機(jī)器人停止移動，并利用機(jī)械手夾持裝置存取圖書。

2.4 傳輸帶運(yùn)書

圖書在書庫與座位之間通過傳輸帶流通，智能控制系統(tǒng)借助傳輸帶監(jiān)控設(shè)備、通訊設(shè)備、動作設(shè)備將圖書準(zhǔn)確送達(dá)讀者座位。為避免運(yùn)輸中圖書的損壞，本系統(tǒng)將圖書裝入書盒運(yùn)輸，每個書盒設(shè)置唯一的二維碼，運(yùn)輸中圖書、座位、書盒三者信息會進(jìn)行綁定。機(jī)器人將書放入書盒，利用機(jī)械手夾持裝置[10]將書盒夾入傳輸帶，運(yùn)輸前控制系統(tǒng)以座位為目的地規(guī)劃書盒運(yùn)輸路徑，根據(jù)運(yùn)輸距離、運(yùn)輸帶擁堵情況、運(yùn)輸分岔路口數(shù)量，系統(tǒng)規(guī)劃最佳路徑與備選路徑，運(yùn)輸途中若遇運(yùn)輸線擁堵、報警等突發(fā)情況，系統(tǒng)會及時改選備選路徑。

2.4.1 傳輸帶軌道

傳輸帶軌道由獨(dú)立轉(zhuǎn)動的滾輪并排構(gòu)成（見圖7），傳輸帶滾輪采用空心管，既省材料又減重量，滾輪直徑與轉(zhuǎn)速根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定。每個滾輪由電機(jī)帶動，采用直流無刷電機(jī)，電壓低、平穩(wěn)、噪音低。當(dāng)攝像頭監(jiān)測到書盒時，控制中心發(fā)出弱電信號，驅(qū)動器通電啟動電機(jī)，滾輪轉(zhuǎn)動，傳輸帶工作；當(dāng)傳輸帶無書盒時，控制中心斷電，驅(qū)動器斷電，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，傳輸帶停止。

圖7 傳輸帶軌道

2.4.2 傳輸帶圍擋

傳輸帶軌道兩側(cè)有寬度一致的長方形薄板圍擋，薄板與底部軌道架通過拉桿相連，左右兩側(cè)薄板間相互獨(dú)立，座位處圍擋薄板可向外側(cè)打開（見圖8）。薄板上安裝C-MOS攝像頭與激光掃描儀，攝像頭為智能控制系統(tǒng)提供視頻監(jiān)控，實(shí)時監(jiān)測傳輸帶實(shí)況；激光掃描儀用于識別書盒二維碼，實(shí)時定位運(yùn)輸中圖書。

圖8 傳輸帶圍擋

2.4.3 傳輸分岔路口

智能控制系統(tǒng)方向控制設(shè)備由電機(jī)、推桿以及一系列通訊設(shè)備組成，電機(jī)與推桿安裝在分岔路口圍擋上，推桿在分岔路口將書盒往規(guī)劃路徑方向推進(jìn)（見圖9）。當(dāng)書盒運(yùn)輸至分岔路口時，圍擋上激光掃描儀掃描書盒二維碼，獲得系統(tǒng)規(guī)劃的書盒路徑，當(dāng)規(guī)劃路徑顯示需要轉(zhuǎn)向時，系統(tǒng)向圍擋上電機(jī)驅(qū)動器發(fā)出弱電信號，電機(jī)轉(zhuǎn)動產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩支起推桿，將書盒往規(guī)劃方向推進(jìn)，書盒完成轉(zhuǎn)向后繼續(xù)前進(jìn)。

圖9 傳輸帶分岔路口

2.4.4 傳輸終點(diǎn)

控制系統(tǒng)通過激光掃描儀掃碼識別書盒，定位圖書實(shí)時位置，當(dāng)圖書到達(dá)目標(biāo)座位時，控制系統(tǒng)啟動圍擋薄板上的電機(jī)，支起薄板底部拉桿，將薄板向外側(cè)掀開，架在座位與軌道之間形成滑板，同時軌道另一側(cè)薄板上電機(jī)啟動支起推桿，將書盒推離軌道，通過滑板滑向座位（見圖10）。讀者在座位上取書，智能控制系統(tǒng)解綁書盒、圖書、座位三者信息，讀者個人管理系統(tǒng)中添加圖書借閱信息。圖書被取，薄板上電機(jī)驅(qū)動器斷電，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，拉桿收緊，打開的薄板立起，空書盒重回軌道，被傳輸帶運(yùn)回原地。

若圖書超過10 分鐘未取，拉桿收緊、薄板立起，書盒中圖書被運(yùn)回書庫。智能控制系統(tǒng)重新給圖書分配空余書格，機(jī)器人利用夾持裝置將書盒放回原地，取出圖書并將其放回系統(tǒng)分配的書格。座位還書與圖書超時未取類似，讀者線上還書請求發(fā)送后，控制系統(tǒng)將空書盒運(yùn)至讀者座位處，讀者將圖書放入書盒，傳輸帶再將圖書運(yùn)回書庫。

圖10 傳輸帶終點(diǎn)

3 傳輸系統(tǒng)館內(nèi)布局

3.1 傳輸線路布局

相對于館內(nèi)其它建筑，密集書庫是一個獨(dú)立的建筑結(jié)構(gòu)，館舍建筑呈現(xiàn)“回”字形，樓層傳輸線路俯視圖如圖11 所示，密集書庫坐落于“回”字形中央，在每個樓層有東南西北4 個出口，類似湖心亭結(jié)構(gòu)。機(jī)器人穿梭于密集書庫，通過出口與各樓層傳輸帶主線銜接。傳輸帶主線沿“回”字形內(nèi)側(cè)圍成一圈，傳輸主線分出許多支線，從主線往外延伸，繞一圈再回到主線，使傳輸帶形成一個閉環(huán)，這樣有利于圖書循環(huán)流通。

圖11 樓層傳

3.2 座位布局

圖12 座位布局示意

4 傳輸管理系統(tǒng)

4.1 座位管理

座位管理主要功能是對圖書館座位資源后臺數(shù)據(jù)庫的管理與座位資源的信息管理。座位資源后臺數(shù)據(jù)庫管理主要負(fù)責(zé)后臺所有數(shù)據(jù)的修改和維護(hù)，包括讀者座位權(quán)限修改、指定管理員等，該模塊由超級管理員維護(hù)。座位資源信息管理主要負(fù)責(zé)閱覽室座位信息的查詢、增加和刪除等，維護(hù)座位資源的更新，該模塊由管理員完成[11]。

4.2 讀者管理

讀者管理包括讀者個人信息的管理與讀者借閱信息的管理，讀者個人信息管理由用戶與管理員共同完成[11]，個人密碼、個人證件照片、出生年月、籍貫、學(xué)號、專業(yè)、聯(lián)系方式等信息由個人完善，管理員負(fù)責(zé)個人信息的審核與維護(hù)，保證讀者信息有效。讀者借閱信息管理主要由管理員完成，負(fù)責(zé)讀者借閱信息分析，包括讀者座位借還書信息與違約信息。系統(tǒng)統(tǒng)計讀者借還書信息用于分析讀者閱讀興趣，主動向讀者推送新書。對于座位借還書超時違約行為，系統(tǒng)規(guī)定：讀者座位借書超時未取發(fā)生1次，推送警告消息；發(fā)生2次，禁止座位借還書一個月；3次以上暫停座位借還書權(quán)限，讀者本人向圖書館遞交情況說明，并在館內(nèi)承擔(dān)一定義務(wù)勞動，如修補(bǔ)損壞圖書、整理書桌、打掃地面等才能恢復(fù)座位借還書權(quán)限。

4.3 圖書管理

圖書管理是典型的信息管理系統(tǒng)，主要包括后臺的數(shù)據(jù)庫建設(shè)和維護(hù)以及前臺應(yīng)用程序的設(shè)計，對于前者，要求數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一、多元，安全性、可靠性高；對于后者，要求應(yīng)用程序功能完備，操作簡單實(shí)用[12]。

后臺數(shù)據(jù)庫是一個實(shí)體，它能夠合理保管數(shù)據(jù)內(nèi)容，按照一定的結(jié)構(gòu)集中應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，使之更便于統(tǒng)一管理[7]。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)體包括圖書題名、編著、出版發(fā)行項(xiàng)、中圖分類號、書刊狀態(tài)、封面、出版年份、ISBN 及定價、物理地址等。為盡可能體現(xiàn)實(shí)體特征，加入了詳細(xì)的關(guān)鍵章節(jié)、提要文摘附注、導(dǎo)語、載體形態(tài)項(xiàng)等信息（見圖13）。

圖13 圖書信息

圖書借還應(yīng)用程序界面如圖14、15所示，圖書題名、編著、出版發(fā)行項(xiàng)、中圖分類號等均可作為檢索項(xiàng)，如選擇檢索項(xiàng)為“題名”，輸入“人工智能”，檢索出所有題名包含“人工智能”的圖書，圖書下方有編著、出版社、索書號、條碼號、館藏復(fù)本、可借復(fù)本等，點(diǎn)擊藍(lán)色字樣“提要文摘附注”，鏈接更詳細(xì)的文字介紹。讀者座位掃碼后點(diǎn)擊圖書右側(cè)紅色按鈕，向系統(tǒng)發(fā)送圖書借閱請求。信息智能控制系統(tǒng)接收請求后調(diào)用書目數(shù)據(jù)庫，若館藏可借復(fù)本數(shù)量大于0，將讀者信息、圖書信息、座位信息綁定，調(diào)用書庫機(jī)器人取書。還書情況類似，讀者座位掃碼后點(diǎn)擊“我的圖書館”，查看借閱歷史欄圖書列表，點(diǎn)擊圖書右側(cè)“還書”按鈕，向系統(tǒng)發(fā)送還書請求，控制系統(tǒng)接收請求，給圖書分配空余書格，運(yùn)空書盒至座位，將圖書運(yùn)回書庫，指揮機(jī)器人將圖書存入分配的書格。

圖14 借書

圖15 還書

5 總結(jié)

圖書館座位智能借還書系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一站式服務(wù)，增強(qiáng)了圖書館智慧服務(wù)的體驗(yàn)效果，可以提高讀者借還書效率，增加圖書借閱量，開拓了圖書館智慧服務(wù)的新領(lǐng)域。與RFID技術(shù)相比，本系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：RFID 技術(shù)是基于圖書電子標(biāo)簽與RFID 閱讀器通訊[13]完成圖書清點(diǎn)等工作，RFID 技術(shù)通訊系統(tǒng)對圖書本身有依賴，實(shí)際運(yùn)行中需要不斷檢測與維護(hù)圖書電子標(biāo)簽的通訊質(zhì)量，而本系統(tǒng)密集書庫機(jī)器人能夠根據(jù)智能控制系統(tǒng)指示，自動完成圖書清點(diǎn)、整理、上架、存取，系統(tǒng)通訊對圖書沒依賴。但本系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用中也存在許多不足之處，如運(yùn)輸過程中傳輸帶滾輪轉(zhuǎn)動有噪音，需在不影響傳輸速度的基礎(chǔ)上進(jìn)行減噪處理；傳輸帶穿插于座位之間，占用自習(xí)座位空間，考試高峰期圖書館座位資源供不應(yīng)求的局面更嚴(yán)峻；座位智能借還系統(tǒng)涉及館舍改造、樓層重新布局，需要大量經(jīng)費(fèi)，會給原本資金緊張的圖書館帶來更大壓力。因此座位借還書系統(tǒng)需分步分區(qū)域?qū)嵤瑥木植康秸w，在實(shí)踐中不斷完善。