5G時代智慧圖書館知識服務的變革

田麗梅

（渤海大學圖書館，遼寧 錦州 121000）

1 引言

2019年成為第五代移動通信技術（5th Generation，以下簡稱5G）元年，5G不僅僅實現了網絡速度的超越，它將終端全盤納入網絡，高速、泛在、低時延的網絡特點將全社會引入萬物互聯的時代。隨著5G商用的進一步加快，5G的海量技術創新催生出無數的新應用模式，以人工智能、大數據、物聯網、云計算等為核心的智慧圖書館建設成為圖書館界的熱議話題。鄔賀銓院士曾說過：“5G對中國科技與經濟發展是難得的機遇，圍繞5G技術與產業的國際競爭也是嚴峻的挑戰，5G的創新永遠在路上[1]。”同樣，5G對智慧圖書館的發展所帶來的機遇千載難逢，掌握全新技術完備智慧服務模式也將是圖書館所面臨的嚴峻挑戰，面臨5G的全盤布局，圖書館智慧服務的創新永遠在路上。未來的圖書館必將抓住5G時代蘊含的新機遇，創新理念、創新模式、突破發展的瓶頸，提升服務效能、縮小數字鴻溝，建設讀者滿意的智慧圖書館。

2 5G的演變與核心技術

2.1 5G的演變

中國IMT-2020（5G）推進組認為，5G是由標志性能力指標及Gbps用戶體驗速率和一組關鍵技術包括大規模天線陣列（Massive MIMO）、超密集組網、新型多址、全頻譜接入和新型網絡構架（網絡切片）來共同定義的。回顧移動通訊發展歷程，1G采用頻分多址（FDMA）實現模擬語音技術；2G采用時分多址（TDMA）實現數字語音和低速數據技術；3G采用碼分多址（CDMA）實現用戶峰值速率最高達數十Mbps，并支持多媒體數據業務；4G采用交頻分多址（OFDMA）實現用戶峰值速率最高達1Gbps，并支持多種移動寬帶數據業務。5G關鍵能力比前幾代移動通信更加豐富，5G打破了世界萬物原有的聯通界線，所有數據和信息將會在一個數字生態系統里通過最優化的方式進行傳遞。高速度、泛在網、低功耗、低時延、萬物互聯、重構安全體系的特性使其具有超強的數據業務部署能力。因此，5G通信技術顛覆了智慧圖書館中移動信息服務發展在網絡層面的短板因素，并且開辟了更為廣闊的應用場景。

2.2 5G的核心技術作用和價值

5G的網絡結構、網絡能力和要求都有很大的提高，大量技術被融入其中，其主要核心技術簡述如下。

2.2.1基于OFDM優化的波形和多址接入

5G采用OFDM（正交頻分復用）和多址接入相結合的技術，使系統可以有效利用信道進行多徑分集增益，提升系統在衰落信道條件下的性能，實現多個用戶同時共享無線頻譜，增強頻譜效率、降低誤碼率、創建單載波OFDM波形，實現高能效上行鏈路傳輸。5G并不滿足以上需求，還需要通過子載波間隔擴展實現可擴展的OFDM參數配置。LTE（長期演進技術）利用子載波之間固定間隔15KHZ可實現最高20 MHZ的載波帶寬。同時，5G還利用毫米波、非授權頻段等方式來豐富頻譜類型。成熟的5G將被應用于大規模物聯網，這就要求5G要跨參數實現載波聚合，通過OFDM加窗提高多路傳輸效率，利用時域加窗或頻域濾波提升頻率局域化。

2.2.2靈活的框架設計

網絡服務架構是5G能夠迅速滿足垂直行業需求的重要手段，5G依靠網絡服務架構的靈活性來進一步提高服務多路傳輸效率，框架設計的靈活性體現在頻域和時域上，通過靈活的系統設計、新型信道編碼方案以及大規模天線技術等關鍵接入網技術，實現高速率、多業務、多場景、全覆蓋應用。為方便第三方按需設計定制化網絡服務，5G將網絡能力以能力開放接口的方式開放給第三方應 用[2]。5G的TTI比4G的LTE網絡將降低一個數量級的時延，用戶可以根據實際需求向上或向下擴展TTI完成靈活框架設計，從而節省等待時間。5G將網絡功能通過服務方式實現對外提供，各個網絡功能服務之間利用標準接口進行互通，支持按需調用、功能重構，從而提高核心網的靈活性和開放性。

2.2.3先進的新型無線技術

5G必然需要利用現有技術充分創新才能實現，如載波聚合、大規模MIMO、非共享頻等都是5G不可或缺的引用技術。為應對增強型移動寬帶（eMBB）、大規模機器類型通信（mMTC）和超可靠低延遲通信（uRLLC）的挑戰，5G必須克服有源天線系統（AAS）的限制功能：升級MIMO為大規模4*4水平；將頻率大于24GHz以上頻段應用于移動寬帶通信；利用共享頻譜和非授權頻譜，擴展多個維度；提高現有信道編碼技術的性能極限，這些無線技術大幅提升了信道容量和覆蓋面，提高了數據傳輸速率，實現更低的延遲、更好的連接和更少的小區間干[3]。

2.2.4基于SON（Self-Organizing Netwerk，自組織網絡）技術的超密集異構網絡

為了實現網絡的高流量密度、高峰值速率性能以及用戶體驗速率的性能指標，5G采用縮小基站間距，在熱點高容量典型場景中利用宏微異構的超密集組網架構進行部署，利用SON技術的自規劃、自配置、自優化和自愈合的功能來完成系統維護并提高網絡效率，從而減少運營商的支出和運營成本投入。

除此之外，5G還有許多不可忽視的核心技術，如切分邏輯網絡、按需求向用戶提供網絡服務、管理體系、服務體系、計費體系的網絡切片技術；緩解網絡擁塞，縮短響應時間，提高用戶體驗的內容分發網絡技術；減輕基站負擔，降低端到端的傳輸時延，提升頻譜效率，降低終端發射功率的設備到設備通信技術；靠近物聯網邊緣進行計算、處理、優化和存儲并與云計算技術并肩作戰的邊緣計算等。4G改變生活，而5G改變社會，它將是社會進步、產業推動、經濟發展的助推器。

3 5G技術推進圖書館智慧服務的創新

數字技術推動智慧圖書館不斷創新，5G極致的體驗和更大的容量，將開啟物聯網時代，它將和大數據、云計算、人工智能等技術一道迎來智慧圖書館的黃金時代。

3.1 5G技術助推圖書館智慧服務手段創新

3.1.1 5G與ML（機器學習）+AI（人工智能）技術

云計算、虛擬化和大數據技術的出現為AI提供了良好的成長土壤。“信息技術應用的高級形態就是智能化，一個智能化的圖書館反映在服務上就是智慧圖書館。”這是上海圖書館館長劉煒曾說過的一句話，他認為要想完善智慧圖書館服務，必須不斷融入“機器學習+人工智能”技術，實現無延時應對讀者的情境需求。機器學習是通過利用已有數據訓練出模型，而后利用模型預測的一種方法，它是讓計算機利用數據而不是發號指令來完成工作任務。5G所具備的大帶寬、低延時、廣聯接的特性，促使機器學習在智慧圖書館服務中可以深度挖掘用戶海量數據信息，預測用戶需求方向進而提供智慧化服務。隨著科技的不斷發展，計算機通過大數據進行深度學習和機器學習，逐漸形成數據驅動的人工智能，并在國家戰略、應用普惠、技術突破、數據集聚的驅動下進入迅速發展階段。人工智能不斷地挑戰著人們的感知與認知的極限，引起了圖書館界的高度重視。理論方面，早在2013年首版的《國際圖聯趨勢報告》（IFLA Trend Report）即提出：人工智能的進展使互聯網設備能夠與語音識別、機器翻譯和語音合成相結合，從而支持實時多語言語音翻譯；2016年報告進一步指出人工智能既擁有加強已有的圖書館功能的能力，也有代替這些功能的能力。實踐應用的成功案例比比皆是：2017年9月，百度教育和武漢大學聯合共建AI圖書館，重新定義“借書”，不但解決了傳統圖書館信息存儲介質、空間大小以及服務過程中人為干擾因素等諸多問題，而且實現了大數據和語音識別與讀者完美互動，成功推動了圖書館向知識開放獲取機制的人工智能方向轉型；2018年1月，機器人館員“圖小靈”在上海圖書館一樓大廳辦證咨詢處正式上崗；2019年11月，天津大學研發的AI“智圖”機器人順利完成圖書盤點操作任務。人工智能給圖情界帶來了諸如業務重構和事業轉型等方面的挑戰，同時也迎來了提升用戶個性化深度服務體驗的多場景應用機遇。筆者認為，圖情事業迎接人工智能的步伐必將堅實又矯健！

3.1.2 5G與VR/AR（虛擬現實/增強現實）技術

5G領域的技術研發和網絡部署世界領先，虛擬技術協同增強現實技術伴隨著人工智能的發展，正全力打造智慧圖書館全新的服務模式，即“沉浸式互動體驗”模式，它將為用戶融合多種感官體驗的沉浸式閱讀，拓展廣闊的閱讀載體和場景。智慧圖書館利用AR技術，將文獻與數據庫中的圖像、音頻、視頻等進行有效疊加，根據用戶需求為其提供相應的背景和資料支撐，使讀者沉浸于文獻中描述的虛擬與現實相融合疊加的3D場景，增強用戶閱讀體驗。美國北卡羅來納州立大學圖書館學習空間和服務部門的負責人伍德伯里指出：“VR技術直接與計算機科學及設計學科相關，在心理學和教育學等學科中具有很高的實踐價值。圖書館是這些學科交叉的關鍵點，在學習新的沉浸式技術之時，各個學科都可以找到合適的內容，這也促進了不同學科協作解決問題的能力提升。”[4]在美國，VR技術在圖書館館藏和空間兩大重點服務領域大展拳腳，對社會文化教育產生了極大的推動力。國內圖書館在VR技術應用到智慧化管理和人性化感知方面早有成功案例。早在2008年，國家圖書館上線的“虛擬現實系統”標志著國內圖書館虛擬現實技術成功起步，隨之各高校圖書館數字閱讀體驗區層出不窮。在5G網絡布局下，圖書館借助VR技術為用戶提供融合多場景的知識體驗，運用VR/AR技術與地圖軟件或圖書館模型相結合，根據讀者實際位置及需求給出到達其所需資源位置的最優路徑，然后通過射頻技術將資源呈現到讀者的移動終端上，并實現一站式的查詢、借閱、參考咨詢等在內的一系列可視化、實時交互的立體服務，增強讀者用戶對智慧圖書館現實環境的理解與體驗。

3.1.3 5G與SI技術

體感交互技術在圖書館中的應用已經不是熱門話題，但是5G賦予體感交互技術的新技能又一次讓智慧圖書館心動。0.1Gbps-1Gbps的用戶體驗速率、10Tbs/km2的流量密度、時速高達500km/h的移動通信環境讓體感交互設備在智慧圖書館中的應用場景更加廣泛。智慧圖書館利用生物認證傳感器的面部識別認證功能優化圖書館服務，通過光學感測、慣性感測和光學聯合感測捕捉并生成復雜、可靠且難以篡改的生物認證身份，避免了讀者用戶攜卡的不便，同時也加強了圖書館的安全管理。智慧圖書館的移動服務端可為用戶提供手勢識別、運動捕捉、面部表情識別、眼球追蹤等服務內容，并動態捕捉用戶的心理行為特征，進而為讀者提供個性化定制服務[5]。

3.2 5G技術助推圖書館智慧服務方式創新

5G網絡通信技術利用算法分析對信息源進行融合，帶給用戶研究領域的全方位進展和整體態勢，最大限度地滿足用戶的信息需求。借助5G核心技術，圖書館為用戶提供針對性強的高質量服務，進而推進終端與用戶間的良性互動，有助于創新多源信息融合的智慧服務。

3.2.1打破數據壁壘，開啟移動視覺搜索服務

移動視覺搜索（Mobile Visual Search，簡稱MVS）是將移動智能終端的信息獲取設備所采集到的視覺數據作為檢索對象進行輸入，經過預處理和特征提取程序得到關聯信息的一種信息檢索模式。圖書館利用神經網絡工作平臺將各類學術資源融入用戶情境信息和反饋數據中，讓用戶從海量的視覺資源中快速獲取關聯內容。智慧圖書館MVS服務平臺利用視覺檢索數據和用戶歷史行為生成視覺檢索數據圖集和用戶特征向量并轉化為連續函數，最終形成用戶和視覺檢索數據索引，通過GPS、傳感器、網絡監控器等設備感知讀者位置信息和網絡環境等動態情境，運用Hadoop云計算分布式框架和Ma-pReduce分布式編程模型等技術對海量數據進行高效處理，匹配讀者興趣區域，精準定位搜索目標，為用戶提供智慧型知識服務，提升讀者體驗、完善智慧圖書館知識服務體系[6]。

3.2.2構建數據網絡，打造智慧流媒體服務

流媒體服務對于智慧圖書館來說并不陌生，5G標準全力支持360°VR流媒體服務為圖書館開展智慧服務拓寬了新的領域。2018年4月，教育部印發的《教育信息化2.0行動計劃》[7]中明確了人工智能技術將成為智慧教育中最大的動力引擎。智慧圖書館可利用增強現實技術進軍移動端教育培訓領域，包括入館教育、專業教育和信息素養教育等，打破傳統的面對面傳授方式，用戶利用智能手機作為接入設備，聯合圖書館數字教育模型展開形象生動的虛擬化場景教育，為用戶模擬實體概況、空間向導等信息資源，并開通跨屏數據，利用聚類算法綜合分析用戶心理情境，打造更為智能的精準學習方式。

3.3 5G技術助力圖書館智慧服務的體系創新

5G概念白皮書指出：連續廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠是5G的四大主要技術場景。萬物互聯、深度挖掘、智慧數據將成為5G時代智慧圖書館的主流服務體系。5G的新特性必然會帶動云服務質量的全面升級，無論在網絡架構方面、基礎設施方面、業務服務方面，智慧圖書館都將加快推進全面云化網絡構建，依托多接入邊緣計算（MEC），打造云網融合支撐的智慧服務體系，實現“云+網”一體化服務模式。

4 結語

圖書館保存和傳播人類文化知識的主題永恒不變，圖書館的歷史見證了人類文明的傳承與智慧的行蹤，每一次信息技術革命都將顛覆圖書館傳統的服務方式。5G是當代高新技術的制高點，是圖書館拓展智慧服務新領域的重要支柱。信息交互模式的改變，意味著整個信息服務、知識服務環境的改變，未來圖書館將以大數據、人工智能、云計算、物聯網為支撐，不斷豐富智慧服務的內涵，改革創新，推進圖書館事業向前發展。