基于物联网和机器人技术的智能图书馆

 

1 引言

传统图书馆是以纸质图书为基本馆藏的实体图书馆。从手工借还到引入单机版图书管理系统，再到汇文、丹诚等公司推出的基于局域网的图书管理系统应用到图书馆中，再到Ex Libris Aleph500、SirsiDynix Unicorn等大型图书管理系统逐步在图书馆中普及，传统图书馆一步一步向信息化、自动化、智能化方向迈进^[1-4]。在此过程中，作为图书馆信息化水平标志之一的图书管理系统不断更新，蕴含在其中的技术对传统图书馆产生持续推动作用，使得传统图书馆能够跟上并适应信息化的发展脚步。然而，自大型图书馆管理系统应用于传统图书馆之后，传统图书馆的发展开始遭遇瓶颈，相对于日新月异的IT技术发展已显露落后态势。以天津市高校图书馆为例，自2002年前后引入SirsiDynix Unicorn图书管理系统后，图书馆的主要业务由该系统支撑完成^[3,4]。多年来该图书管理系统没有本质的改进和跨越式的提高，其中蕴含的IT技术对传统图书馆发展的推动作用已呈强弩之末，图书馆自动化、智能化总体发展缓慢。要打破传统图书馆发展中遇到的瓶颈，促使传统图书馆进一步向自动化、智能化图书馆发展，就必须从多个方面引入新的IT技术，依赖新的IT技术推动图书馆的信息化、自动化和智能化。

2 图书管理系统分析

       为叙述方便，先给出以下两个概念：

概念一：称仅以图书书目为基本管理对象的图书管理系统为传统图书管理系统。比如，SirsiDynix Unicorn 2003图书管理系统。

概念二：称除图书书目以外，还将图书、书架、书库等图书馆实体对象作为基本管理对象，并能进行自动管理的图书管理系统为现代图书管理系统。

对于使用诸如丹诚、SirsiDynix Unicorn等此类传统图书管理系统的图书馆，无论是开架借阅还是闭架借阅方式，读者通过图书管理系统提供的检索工具进行检索，得到的检索结果只是一个关于所需图书的索书号，而不是关于所需图书在书库中的准确位置，需要读者或馆员根据得到的索书号再次在书库中进行查找，才能得到所需要的图书。造成传统图书管理系统出现这种状况的原因有两个：第一，图书在书库中的位置是动态变化的，而不是固定不变的，并且系统无法通过计算得到。在对书库中的图书进行管理的过程中，图书摆放的具体位置可能发生变化，如新书入库、图书清点、整理等操作，都能引起图书的具体位置发生变化，而这种位置变化无法反映到图书管理系统中。此外，由于图书的外形尺寸不同，尤其是图书的厚度不尽相同，使得图书管理软件本身无法通过计算动态得到某一图书的具体位置。第二，图书馆书库及书库中的藏书设备作为图书馆的基础设施，没有纳入图书管理系统中，从而无法对这些基础设施自动进行有效管理。传统图书馆的发展过程中，作为图书馆基础设施之一的书库及书库中的藏书设备发展和更新最为缓慢，从手工借还到单机管理，从局域网管理再到广域网管理，书库及其中的藏书设备变化不大，书库环境也只是为适应开架借阅而有所完善。同时，书库及其中藏书设备本就不是传统图书管理系统的设计目标，不属于传统图书管理系统的管理范畴，因而，当前使用中的传统图书管理系统并不能对这些实体对象进行自动管理。再对以上两个原因进行辨识，不难发现，第一个原因是直接原因，表明当前的图书管理系统是传统图书管理系统，无法对纸质图书本身进行有效管理，真正能够进行有效管理的只是图书书目，图书管理系统对图书的管理深度不够，需要深化对图书的管理；第二个原因则是根本原因，表明在图书馆基础设施和图书馆管理这两个层面，信息化、自动化和智能化水平存在巨大差异，发展程度极不均衡。正是信息化发展程度上的这种差异和不均衡从根本上制约了当前图书管理系统的发展，进而制约了以纸质图书为基本馆藏的实体图书馆的总体发展。

从上述分析可知，仅从图书管理系统着手进行改进，只能强化图书馆基础设施和图书馆管理系统之间在信息化程度上的差异和不均衡，根本解决不了问题。对当前图书管理系统的改进、对图书馆管理的提升，需要从消除当前图书馆发展的根本制约因素入手，采取有效措施改造和提升图书馆基础设施，使之匹配当前图书管理系统的发展要求，支持现代图书管理系统，同时促使传统图书管理系统向现代图书管理系统转变。因此，不但要引入新的IT技术，而且引入的IT技术必须是能改造当前图书馆基础设施，提高基础设施信息化、自动化、智能化水平的那些技术。基于这一思路对当前图书馆及其图书管理系统的改进和提升，其最终结果必然是建立一种自动化、智能化的图书馆。

3 物联网及其技术

物联网（The Internet of things，IOT）是指通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统（GPS）、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络^{[5, 6]}。物联网作为一种新的网络，其主要的支撑技术包括了传感器技术、网络和通信技术、GPS技术、电子产品代码（EPC）、RFID和其他识别技术等技术，其中RFID、EPC、激光识别、传感器技术等的发展和应用尤其迅速^[5,7,8]。作为众多IT新技术中的一类新技术，物联网技术从基础上解决了物理实体的自动识别、互联访问和自动管理问题，使物理实体信息化、网络化、智能化，物联网与互联网的对接与融合，极大地拓展了互联网的覆盖范围，促进泛在网络的形成，丰富了网络基础上的信息系统的功能和运行模式。因此，将物联网及其相关技术引入到图书馆中，对图书馆的建筑、书库、书架等基础设施进行改造，乃至对馆藏图书进行包装加工，能够使图书馆中原本不能被现有信息系统管理的物理对象，纳入到信息管理系统中。事实上，近些年来物联网及其相关技术已经在以深圳图书馆、汕头大学图书馆为代表的一些图书馆中得到初步应用，并且获得了一些比较好的实际效果^[9,10]。因此，从技术上来讲，物联网技术是改造和提升图书馆基础设施的最佳选择。使用物联网技术并辅助以机器人技术将会很好地解决当前传统图书馆及传统图书管理系统在发展中遇到的问题。

4 智能书库的一种实现方案

书库是图书馆的核心之一，智能书库也是智能图书馆的核心之一。基于物联网技术实现的智能书库系统由四个基本部分构成：书库建筑、智能书架、图书存储盒、机器人系统。如图1所示：

 

图1 智能书库及其在系统中的位置

其中，书库建筑是适合安装图书储藏设备和储藏图书的智能化的场所。智能书架是一种能够安装若干个图书存储盒的设备，并且可以对自身的剩余空间进行管理。此外，智能书架上可以安装有多个RFID读写设备。当存储盒被安装到智能书架上时，书架能感知存储盒的存在和位置，并更新自身数据以便对自身剩余空间进行管理，同时可以通过网络与图书管理系统通信，实现与图书管理系统交互。图书存储盒是用于存放图书并方便机器人抓取和搬运的包装盒，存储盒上安装有RFID标签，每个盒内可以放置一本图书。存储盒能被安装到智能书架中，也可以从智能书架上拆卸下来，可以与智能书架配合完成识别和定位功能。机器人系统是智能书库中的搬运系统，是智能书库与读者、馆员之间的交互接口。机器人上装有RFID读写设备和光学识别设备，主要用于书库中图书存储盒的搬运、装卸，与读者配合完成自助借还活动，与馆员配合完成新书的入库和旧书剔除工作，与智能书架配合完成图书的自动清点、整理等书库日常维护工作。此外，图书管理系统及图书与智能书库密切相关。其中，图书管理系统位于智能书库系统之上，属于图书馆管理系统的一部分，是智能书库在全局的控制管理层和服务层，一方面在智能书库各组成部分之间提供通信和协调，另一方面为读者提供检索、自助借还服务，为馆员提供图书的入库和出库等服务。智能书库中的图书，可以使用现有的条码技术或光学标签技术作为图书识别技术，以便降低图书加工和维护成本，并提高整个系统的安全性。

       智能书库的工作原理如图2、图3所示：

图2 入库工作流程

 

图3 自助借书流程

采购图书经馆员编目和加工后，图书的相关信息进入图书管理系统，并且图书被贴上识别条码或者光学标签。识别条码包含的标识是该图书在智能书库及图书管理系统中的唯一标识。馆员将图书放到空的图书存储盒中，机器人自动扫描图书条码，并将读到的图书标识写入到图书存储盒上的RFID标签中。然后，图书管理系统通知智能书架，由智能书架确定一个空闲位置给该存储盒，并引导机器人将装有图书的图书存储盒放置到指定位置上，书架更新自己的数据库，并通知图书管理系统更新图书的位置信息，完成图书入库工作。读者通过图书管理系统检索、浏览到需要的图书并确认借阅后，图书管理系统根据图书的存储位置向智能书架发出指令，智能书架引导机器人到指定位置取下相应的图书存储盒，经过校验后，再由机器人将存储盒搬运到读者跟前并将图书取出交付给读者，最后，机器人清除空存储盒上的RFID标签中的图书标识，并通知图书管理系统更新该图书的相关信息，从而完成一次自助借书活动。读者归还图书时，只需将要还的图书放入空的图书存储盒中即可，余下的过程由机器人来完成，该过程与图书入库过程相似。此外，传统书库中进行的诸如清点、核对、整理等工作，在智能书库中亦可由机器人与智能书架等配合完成。在图书管理系统的控制下，智能书架引导机器人以一定的次序取出图书存储盒，打开存储盒并扫描盒中图书的识别条码，将得到的图书标识与图书存储盒上RFID标签中存储的图书标识进行比较，如果二者相同则校验通过，如果不相同则按照条码标识更新RFID标签中存储的数据，并依据比较结果更新图书管理系统中的相关信息，完成图书的清点核对等工作。

由于物联网技术广泛，可选设备众多，加之智能书库系统分为多个层次来实现，因而，利用物联网技术实现一个自动化、智能化书库的方案是多种多样的。以上给出的仅是众多实现方案中的一种。

5 智能图书馆的特点

上述基于物联网技术实现的智能书库，与现代图书管理系统、图书馆办公自动化系统、图书馆智能建筑系统、图书馆其他信息系统对接并融合在一起就构成了一种完全自动化和智能化的图书馆。这种智能图书馆与当前处于自动化过程中的传统图书馆相比较具有以下几个鲜明特点：

⑴ 图书馆总体运行模式为闭架模式。在与用户的交互中，图书馆如同一台自动柜员机（ATM）。

⑵ 图书馆中没有传统意义上的流通部门，图书的借还由读者自助完成。

⑶ 图书馆中没有传统意义上的阅览部门，阅览室只是智能书库的一种应用。

⑷ 图书在书库中随机存放，无需索书号。

⑸ 图书馆书库中引入了机器人系统，书库中的图书无需人工清点、核对、整理。

6 结 语

传统图书馆及传统图书管理系统的发展要求对图书馆相对落后的基础设施进行改造和提升，而物联网技术作为一种新的IT技术，由于能使物理对象被识别、定位，进而能够被信息系统自动管理，因而可以较好地解决当前图书馆和图书管理系统发展中存在的问题。采用物联网技术对图书馆的基础设施进行改造和提升，并辅以机器人技术，对图书馆的核心部分进行信息化和智能化，将使图书馆整体上实现自动化和智能化，成为智能图书馆。这种智能图书馆在组织机构、图书管理、运行模式等方面与当前传统图书馆相比具有鲜明的特点。从信息化、自动化和智能化程度上看，这种智能图书馆也是传统图书馆——以纸质图书为基本馆藏的实体图书馆发展所能达到的最终形态。

 

附注：这篇文章动笔于2010年10月，成于2011年1月初。费劲周折，几易其稿（此处是文章的初稿！）
，没能在期刊上发表，特此共享于此，与大家共勉！呵呵！