高校圖書館智能服務機器人的設計與實踐

鮑劼 宋迎法 都平平

〔摘 要〕[目的/意義]人工智能技術飛速發(fā)展，已被越來越多地應用于智慧圖書館的研究與實踐。實現(xiàn)高校圖書館智能服務機器人的智慧化服務，可有效提升高校圖書館的服務效率，為智慧圖書館建設提供可行的參考案例。[方法/過程]運用語音技術、四元麥克風陣列、語音知識庫、機器人運動控制等技術，以中國礦業(yè)大學圖書館為例，設計與實現(xiàn)了高校圖書館智能服務機器人，并探討智能服務機器人提供智慧化服務的新模式。[結果/結論]實踐證明，智能服務機器人可實現(xiàn)語音互動、智能咨詢、信息播報、路線導引等智慧化服務，為讀者提供智能化的互動體驗，創(chuàng)新高校圖書館智慧服務模式，是高校圖書館向智慧化方向發(fā)展的重要探索。

〔關鍵詞〕高校圖書館；智能服務機器人；智能咨詢；語音技術；運動控制

DOI：10.3969/j.issn.1008-0821.2018.10.017

〔中圖分類號〕G250.7 〔文獻標識碼〕A 〔文章編號〕1008-0821（2018）10-0115-06

〔Abstract〕The rapid development of artificial intelligence technology has been increasingly applied to the research and practice of smart libraries.Realizing the intelligent service of intelligent service robots in university libraries could effectively improve the service efficiency of university libraries and provide a feasible reference case for the construction of smart libraries.Using speech technology，quaternary microphone array，speech knowledge base，robot motion control and other technologies，the library of China University of Mining and Technology was taken as an example to design and implement the intelligent service university library robot，and to explore new ways for intelligent service robots to provide intelligent services.Practice proved that intelligent service robots could realize intelligent services such as voice interaction，intelligent consultation，information broadcast，route guidance，etc.Providing readers with intelligent interactive experience and innovating the intelligent service mode of university libraries was an important exploration for the development of university libraries in the direction of intelligence.

〔Key words〕university library；intelligent service robot；intelligent consultation；speech recognition；sport control

隨著“智慧地球”、“智慧城市”等概念的提出，“智慧圖書館”的相關研究與實踐在國內(nèi)外圖書館界也隨之展開。早在2003年，芬蘭奧盧大學圖書館就已提出“SmartLibrary”概念[1]；2010年，中國華僑大學廈門校區(qū)提出“智慧圖書館”概念[2]；2011-2012年，王世偉先后發(fā)表學術論文探討智慧圖書館的三大特點、核心要素、主要特征等問題[3-4]。國內(nèi)外關于智慧圖書館相關問題的探討和研究不斷升溫，涉及智慧圖書館的構建、智慧圖書館的相關技術、智慧圖書館的實踐等多個方面[5-11]。同時，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術的快速發(fā)展，為智慧圖書館的發(fā)展奠定了技術基礎，實現(xiàn)了從自助借還、24小時智能自助圖書館，到門禁人臉識別、智能座位預約等系統(tǒng)，再到現(xiàn)在的機器人的應用，如內(nèi)布拉斯加大學林肯分校的圖書館聊天機器人[12]、南京大學圖書館的盤點機器人[13]。智慧圖書館將成為未來圖書館發(fā)展的新趨勢、新模式，也將成為圖書館創(chuàng)新、轉型、發(fā)展的新實踐。

筆者所在的中國礦業(yè)大學圖書館（以下簡稱我館），運用語音識別、機器人運動控制、四元麥克風陣列等AI技術，設計與實現(xiàn)了高校圖書館智能服務機器人。該機器人的實踐應用，不僅為讀者提供了更加便捷地咨詢、播報、引導服務；同時，還減輕了館員部分咨詢服務的工作量。智能服務機器人為讀者提供了智能化的互動體驗，也是中國礦業(yè)大學圖書館提供智慧化服務的進一步實踐；同時，也是中國礦業(yè)大學圖書館智慧化發(fā)展的一次探索。

1 智慧服務機器人的設計——以中國礦業(yè)大學為例

1.1 需求分析

咨詢服務是高校圖書館提供的一項重要服務，目前存在3個方面問題：1）咨詢服務提供時間：工作時間可以較好地提供咨詢服務，而節(jié)假日或非工作時間往往不能有效地、及時地解答問題；2）配備的咨詢館員數(shù)量有限：近年，我館館員人數(shù)一直在下降，各部門人員配比非常緊張，但同時工作量、服務強度卻有增無減；3）普適性、重復性問題居多：用戶咨詢的問題中存在一大部分簡單重復的普適性問題。針對以上3個方面問題，我館考慮運用智能服務機器人來解答用戶提出的簡單重復的普適性問題，其工作時間可以貫穿整個開館時間，一方面可以減少咨詢館員的配備；另一方面把咨詢館員從解答簡單重復的普適性問題的工作中解放出來，以便有更多的精力投入到更深層的參考咨詢服務中。

1.2 功能確定

智能服務機器人的應用，要能夠和讀者進行語音互動，回答讀者的普適性、常見性問題；要能夠和讀者進行百科類、日常類問題的交流。同時，機器人還可以為我們提供更多的服務，如對我館主辦的重要活動、講座、培訓等，進行語音播報；能夠進行簡單的運動控制，人體感應，為讀者進行簡單的路線引導服務。因此，我館在智能服務機器人一期設計開發(fā)上，實現(xiàn)5個功能（見圖1），分別是：信息播報、語音互動、智慧咨詢、引導服務、屏顯系統(tǒng)。

1.2.1 信息播報

智能服務機器人能夠對圖書館當天開展的重要活動、學術報告、各種講座進行實時的信息播報，進館的讀者能夠非常便捷地了解到我館當天的重要活動、學術報告、各種講座等，可以根據(jù)自己的興趣選擇參加。

1.2.2 語音互動

智能服務機器人基于語音識別、語音合成、自然語言理解等技術能夠和讀者就知識百科、時間天氣、新聞等日常問題進行語音交會，回答讀者的日常問題，在解決讀者問題的同時也給讀者帶來智能化、擬人化的體驗。

1.2.3 智能咨詢

智能服務機器人能夠對圖書館的基本概況、常見問題、普適性問題等進行回答，和讀者就這些簡單重復問題進行交流。一方面讓讀者能夠便捷、快速地獲得咨詢服務；另一方面減輕了我館咨詢館員在普適性問題解答上的工作強度，可以有更多的時間和精力開展更深層次的咨詢服務。

1.2.4 路線引導

通過對智能服務機器人進行運動控制，使其能夠在一個樓層范圍內(nèi)，為讀者提供引導服務，根據(jù)讀者咨詢的相關物理位置問題，能夠進行簡單的引導，使讀者快速地找到要去的地方。

1.2.5 屏幕顯示系統(tǒng)

智能服務機器人胸前設置一塊屏幕，讀者通過觸摸，可以感受一些功能，例如：館舍圖片展示、圖書館視頻播放、音樂播放、機器人舞蹈四項功能。開學季可以播放新生入館教育宣傳片，日常可以播放圖書館的微電影系列，重要活動、會議時，可以播放相關宣傳片。

1.3 手辦定制

通過市場調(diào)研現(xiàn)有的研發(fā)機器人的公司，我們最終確定和我校學生創(chuàng)新團隊合作完成這次智能服務機器人的開發(fā)與設計。機器人的外觀、身高均由我們自主設計。考慮到如果機器人太矮、頭部擺動角度有限等問題，會造成讀者操作不便，需蹲低或彎腰遷就機器人高度，因此最終確定機器人高度為120公分，讓讀者站立時就能輕松地和機器人進行交流，同時能輕松地操作機器人胸前的屏顯系統(tǒng)。機器人外形要符合現(xiàn)在年輕學子的審美需求，色彩上采用藍白色，體現(xiàn)我校的“礦大藍”。最終，我館設計的機器人外形（見圖2）。

2 關鍵技術

2.1 語音識別及合成

實現(xiàn)智能服務機器人的一項關鍵技術就是語音技術，包括語音識別和語音合成。語音識別就是讓機器人“聽懂”人類的語言，能將人說話的內(nèi)容和意思轉換為機器可讀的文字或字符序列等。語音合成就是讓機器人具有“說”的能力，能將文字或字符序列轉換成語音信息，“說”給人類聽。我們設計開發(fā)的智能服務機器人的語音處理系統(tǒng)框架如圖3所示。

語音處理系統(tǒng)主要包括了語音輸入設備（如麥克風）、語音識別模塊、語音數(shù)據(jù)庫、語音合成模塊和語音輸出設備（如揚聲器）。語音識別模塊、語音數(shù)據(jù)庫和語音合成模塊，我們統(tǒng)稱為語音技術平臺，在這里，我們采用語音技術二次開發(fā)平臺來實現(xiàn)機器人與用戶的語音互動。

現(xiàn)在，國內(nèi)主流的語音技術平臺，有科大訊飛、云知聲、思必馳、出門問問、百度的度秘；國際上有Google的Google Now、微軟的Cortana、蘋果的Siri。但是，在垂直領域，使用這些平臺通用識別的數(shù)據(jù)進行識別，效果都較一般，必須要針對應用的領域做數(shù)據(jù)定制，如圖書館行業(yè)就需要做圖書館相關知識的數(shù)據(jù)定制。面對這么多的平臺，選擇一個相對成熟、穩(wěn)定、適應自身應用環(huán)境的語音技術平臺非常重要。考慮中文語境應用，對國內(nèi)主流語音技術平臺從識別率、識別速度、生僻詞識別率、連續(xù)輸入和斷句、垂直領域五個方面進行比較分析，結果見表1。

由表1可以看出，“科大訊飛”平臺在生僻詞識別率和連續(xù)輸入、斷句方面較好，其他3項指標各個平臺均相當，最終我館選擇了“科大訊飛”平臺。“科大訊飛”提供“語音云”，機器人內(nèi)嵌WiFi，通過“科大訊飛”授權的ID號，機器人直接訪問遠程的“語音云”，進行日常、百科、天氣等問題的通用語音交互。

2.2 圖書館語音知識庫

前文提到，語音識別及合成我們采用了“科大訊飛”平臺，但針對圖書館行業(yè)特色的語音知識庫需要數(shù)據(jù)定制。圖書館語音知識庫主要由四部分構成（見圖4）：文本數(shù)據(jù)庫、規(guī)則庫、索引庫和輔助庫。

文本數(shù)據(jù)庫主要存放咨詢類問答庫和圖書館相關信息庫；規(guī)則庫用于存放關聯(lián)規(guī)則、推理規(guī)則、認知規(guī)則等各種規(guī)則；索引庫用于存放各種所以，包括分類索引、主題索引、語音特征索引等；輔助庫主要存放在檢索和維護過程中形成的臨時數(shù)據(jù)、輔助數(shù)據(jù)等。

為了幫助訓練機器人，提高語音識別的準確率，我們在建設QA問答庫時，召集學生志愿者進行了多問一答的QA對處理（見表2）。

通過這樣多問一答的QA處理，使機器人在語義切分上更進一步，提高語音識別的準確率，更好地解答用戶的常見問題。

2.3 四元麥克風陣列技術

考慮到智能服務機器人將在圖書館一層大廳入口處提供服務，這里讀者進出頻繁，機器人將面臨環(huán)境噪聲、人聲疊加、房間混響等問題，此次設計我們采用了四元麥克風陣列來抑制噪聲、消除混響、定向聲源，讓機器人聽得更清晰，提高語音識別的準確率。

麥克風陣列（Microphone Array），是由一定數(shù)目的聲學傳感器（一般是麥克風）組成，用來對聲場的空間特性進行采樣并處理的系統(tǒng)。四元麥克風陣列就是利用4個麥克風接收到聲波的相位之間的差異對聲波進行過濾，能最大限度將環(huán)境噪聲濾掉，只剩下需要的聲波，即從含噪聲的語音信號中提取出純凈語音。四元麥克風陣列排列方式多種，我們采用均勻線陣排列方式如圖5所示，M1、M2、M3、M4表示4個麥克風傳感器，S為聲源，r為麥克風之間的距離，d為聲源據(jù)麥克風的距離。我們設定r為5cm，當d達到3～5米時，仍有很好地識別效果。

四元麥克風陣列系統(tǒng)的硬件部分則主要由4個麥克風傳感器、濾波電路、麥克風專用低噪音放大電路和信號采集部分組成（見圖6）。

2.4 基于語音識別的運動控制

機器人運動控制主要包括：感知、建模、規(guī)劃、決策、行動等多種模塊，我們把語音對話，機器人視覺等比喻成機器人的“大腦”，把機器人的行為控制比喻成機器人的“小腦”，通過不斷完善機器人運動控制的模型，使得機器人的運動更加擬人化、智能化。

我館設計的智能服務機器人可兩輪自由行走，同時內(nèi)部集成多種障礙物檢測技術，互為補充，形成數(shù)據(jù)冗余安全機制，避免任何可能的碰撞危險，做到避障安全。機器人的運動控制系統(tǒng)是基于語音識別的，其總體結構設計，見圖7。

基于語音識別的機器人控制是通過語音輸入設備將圖書館用戶的語音輸入對機器人發(fā)出語音命令來操作機器人，控制其運動。

語音控制端主要以語音識別技術為主，通過端口程序，與機器人通信；智慧服務機器人運動控制端主要以機器人主控程序為核心，通過端口程序接收用戶的語音命令，來完成下達的命令，如前進、后退、向左、向右等。

3 實踐效果

智能服務機器人已在我館投入使用，引起了很多讀者的興趣，嘗試和機器人進行語言交流，咨詢圖書館相關常見問題，感受智能化體驗等；同時，機器人的使用，創(chuàng)新了我館的咨詢服務模式，延長了咨詢服務時間，提高了咨詢效率。我館服務機器人應用前后效果對比，見表3。

4 展 望

智能服務機器人還存在一些問題，需要今后的進一步探究與開發(fā)，例如：圖書館語音知識庫的進一步完善，圖書館語音知識庫的語義切分、機器人深度學習的能力，機器人行為控制等。在功能的后繼開發(fā)方面，我們擬從如何和讀者信息庫對接，通過機器人查詢讀者借還信息；如何利用好機器人，做閱讀推廣活動；如何利用機器人，進行圖書管理等。智能服務機器人的設計與實踐，是我館朝智慧化方向發(fā)展的一次探索，一次寶貴經(jīng)驗的積累，今后我們也將繼續(xù)探索圖書館的智慧化發(fā)展模式。

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（責任編輯：郭沫含）