一種經濟高效的圖書傳遞自動化設計新方案

【摘要】本文結合我國實際情況，提出了一種圖書資料自動傳遞服務系統設計的新方案。其特點：自動傳遞圖書的機器并非高新智能化機器人，而是由簡單的自帶動力可移式機械自動夾具、觸碰電子開關和電腦控制的軌道搬道叉系統負責共同完成，因該系統無需圖像識別技術和高智能化設計，故大大簡化了設計，降低了成本。

【關鍵詞】移動式自動夾具? 軌道系統? 自動化

一、當今自助圖書館系統及其問題

2002年，美國猶他州J.Willard Marriott自助圖書館實現是借助碼垛機和機器人共同完成的。由碼垛機從立體倉庫中取出圖書，再由移動機器人將其送到借書口。缺點：造價高，僅機器人系統就高達1200萬美元。這種ARC系統還存在一旦自動化系統發生故障，則整個書庫無法運行。

德國洪堡大學圖書館自動化實現，圖書的傳遞是直接使用搬運機器人完成的。機器人在總服務臺與各功能區之間移動，將圖書按照分類搬運到指定位置。特色：機器人的上部設有導軌，可以將收集箱自動卸在固定的位置上。導航是依靠埋設在地面上的磁導引線實現的。缺點：它不能完成圖書的自動上下架操作。

2002年，美國約翰·霍普金斯大學通過推了圖書館機器人實驗裝置（CAPM）來實現自動化。它移動路徑和定位是依靠存儲在機器人主控制器中的電子地圖來實現的。由于存在不足，在此基礎上，新加坡國立大于當年研究出基于RFID定位技術的機器人，同時增加了放置圖書的托盤和改換新型書架與之配合。新型書架裝有若干個有托盤的儲物柜，圖書放置在固定規格的托盤上。由于整個系統改造成本過高，因而沒有得到大范圍推廣。2003 年，西班牙卡斯捷羅大學推出類似的圖書自動存取機器人，又作了改進，其優點：現有書架不需要做大的改動。缺點：機器人更加復雜，造價過高。

在我國，2007年12月，東莞圖書館推出了國內首臺迷你型自助圖書館，這也是當今國內最先進的自助式圖書館或說圖書自動借還服務機，它兼容條形碼和 RFID（Radio Frequency Identification，無線射頻識別）技術，雖說實現了圖書自動外借、還書自動歸架功能，性能還不錯，遺憾的是，它只能容納 500 冊左右的圖書，而且只有在外配人工流動服務車與實體圖書館不斷進行圖書交換，售價較高，不大實用，僅此自動化書架，一種技術的象征。

縱觀以上各國先進設計方案，不難看出，國際上先進的自助圖書館系統，主要還是采用獨立機器人技術方案，靠它獨立完成自動化借還書刊的操作，不足的是，機器人制造復雜，上下架抓取圖書動作是變化的，使用圖像識別完成這樣的工作成本高許多。據了解，截至目前，還沒有很成熟的技術和裝備在實體真實圖書館自動化中得到廣泛應用。其原因主要還是圖書館自動存取操作量較大，涉及到的技術問題多，要想降低制作成本不容易，所以傳統模式難以推廣。

二、系統新設計方案

（一）系統總體設計思路：

圖書館自動完成借還書（自動上下架）系統基本設計思路：其硬件主要由兩個部分組成，移動式自動夾具和軌道控制系統。基本運作過程：以借書為例（還歸則相反）。系統讀取讀者在自助借還書機終端輸入的圖書信息資料后，將自動在館內所藏紙質圖書文獻資料數據庫中搜索，在找到相關圖書信息記錄后，即可讀取其存放的物理地址，以及獲得該書的軌道路徑信息，其后，系統啟動電腦控制的軌道系統，發出無線電信號，由此形成從借書處到達該書位置的唯一的通道，即通往該處的軌道被打開（其余處在關閉狀態）。軌道的岔路口由軌道口上安裝的搬道叉機構實現，這個機構可接受無線電信號，只有搬道與不搬兩個動作二選一，這樣就簡化了操作和控制過程的設計。移動式自動夾具安裝在軌道上，可在軌道上運行，負責傳送讀者所需要的圖書，有獨立前行的動力（自帶電池驅動），能沿軌道行走，方向完全由軌道控制的，到達指定位置停車，是通過碰到軌道上的滑塊觸碰開關實現的，同時自動啟動夾具取書操作，完成的是一種固定動作，即準確抓取或歸還讀者所需圖書，當動作完成，觸碰開關發出信號，軌道系統上的滑塊放行，移動式夾具將繼續向前行走，也就是進入返程狀態，設計行走的軌道是單行線，循環線，由此移動式夾具最終將圖書傳送到服務前臺交讀者。歸還圖書上架原理大致相同。對遠程讀者，解決的基本思路是：再借鑒電子商務快遞運作模式，通過Internet網上借還操作平臺，直接與快遞公司聯網的合作，實現紙質文獻資料的遠程自助借還書服務。

我們這里構思設計的系統，實際上由四大部分組成：

（1）自助借還書機。它是讀者與圖書館服務系統交流信息的一個實體電腦操作平臺，與當前某些圖書館使用的自助借還書機外觀上大致相同。不同的是，它左右連接有傳送軌道，有啟動通往該書存放位置的軌道系統開關，開通出一條直達存放該書位置的唯一軌道。

（2）移動式自動夾具。傳統設計，這部分常稱之為機器人。這里設計相對簡單許多，并非機器人，它是由圖書運輸小車和自動式機械夾具組成的一個裝置，一種機械機構，沒有智能，是運送圖書的載體，但自帶動力，可通過其上方安裝的碰撞開關，完成固定的機械動作，實現取下和放回操作。

（3）軌道系統。它是運輸圖書移動式自動夾具行駛的軌道。和平時看到軌道不同的是，它不僅是航線，是引領小車到達指定位的位置通道。通道的生成，由各路口上安裝的搬道叉決定。搬道信息是電腦系統發出的無線電信息控制，這些信息來自于館藏圖書數據中，當需要的書一旦被確定，各道口信息其實也被唯一確定了。

（4）多媒體模擬演示系統。這是一種模擬仿真的軟件系統，也是本設計構思的一大特色，啟用的目的，為的是讓讀者能在機器檢索過程中有身臨其境之感，虛擬化更貼近生活。

下面就整個系統設計要點分別闡述我們這些設計中的主要思路和其中的一些具體做法。

（二）自助借還機系統設計方案：

這里所講的自助借還書機，是指圖書紙質文獻自動借還系統的服務電腦終端操作機，是讀者與系統對話的操作平臺。由一臺普通電腦的終端（用來檢索查尋輸入和反饋顯示信息），一個射頻卡感應器或掃描儀（用于讀取讀者借閱卡信息），一臺小型打印機（給讀者提供借還清單），和一個擁有“投取書刊口”，后方連接有一條專用導軌，有一出一進的循環線，上面有一個可移動式機械夾具共同組成的裝置。借書時，讀者只需將借閱卡放入射頻卡感應器上感應或掃描儀上掃描一下，讓電腦讀取借閱卡中信息，驗證讀者身份，其后，讀者就可在電腦顯示屏上看到館藏相關提示信息，讀者可根據需要，在電腦上選擇任何一種排架法，檢索自己所需文獻（圖書），按下確定按鈕，當該書信息出現后，表明檢索成功，此后電腦系統啟動移動式自動夾具，以及軌道控制系統（電腦開始向各軌道路口搬道叉及滑塊發出信號）和運行多媒體動畫模擬演示系統。這時電腦顯示屏畫面將以三維動畫形式展示出整個物理檢索全過程。動畫與移動式自動夾具實際行走經過的情況大致基本相同。為節省資金，我們也可在移動式自動夾具上安裝攝像頭，把一路經過的情況反饋顯示到電腦顯示屏上，讓讀者看到移動式自動夾具行走過程中看到的書庫及架位情況。若研發經費緊，多媒體動畫模擬演示系統則可省去，用攝像頭傳遞的視頻信號取代。

圖書歸還，即圖書上架，其原理與借書（下架）基本相同，讀者只要將要歸還的書刊按要求投入到“投取書刊口”，當掃描儀掃描到書上提供的計算機條形碼后，則自動修改相應數據庫中數據，并打印出歸還信息清單到讀者，打開通往該書存放位置的唯一通道。

（三）移動式自動夾具設計方案

這里所講的移動式自動夾具，它是由動力運送小車，夾具（包含掛鉤的機械式機構）等配件所組成的裝置。它可以有多個行駛輪，比如：前面輪起支撐運輸作用，卡在其行駛的工字型軌道上不脫軌。后輪子為動力輪，它會根據碰撞開關，即當遇到有一定壓力的接觸或無壓力下，會自動與軌道分離或接觸，實現不斷電情況下完成停車和行駛動作。（注：借或還任何一本書都只有維一條行駛通道，圖書存放地址決定，由此，搬道方向二選一也是明確的）。夾具上的取放圖書的掛鉤機構無需智能化圖像識別技術，因為每本書的存放位置是固定的，夾具由滑塊精確定位停車。故它的上下架動作是固定的，使用現有電動機旋轉動力，通過曲柄滑塊機構來實現。為保證夾具抓取的上架下動作準確，我們對書刊擺放要求是：標準化、規范化，即位置必須是相對固定的，其措施是，每本書都配有書套，取、還圖書時，是連同書套一起的。

移動式自動夾具行駛路線，基本上要走四段路，過三個路口。第一段是從借書處到達書庫指定樓層，在選擇不同樓層時出現一個路口分支，軌道系統有一次軌道搬道決定方向。第二段是，到達指定書庫書第一書架底端，這時開始出現第二個路口分支，搬道決定是繼續向前找書架，還是開始往上爬行到達指定書架層。第三段是行駛到達指定書架層時，有一次軌道搬道，決定繼續上爬找到書架層，還是開始水平移動尋書。第四段路是水平運動尋書，它的停車（定位）由該軌道段上安裝的滑塊位置決定，而滑塊位置又是由電腦系統讀取到的該書位置信息相應字段后，發出的信號確定的。這個滑塊定位技術，實際上是十分成熟的技術，有現成的可用，如：當前無人機定位技術的應用，網絡定位技術應用，均可實現。

這里要說明的是，移動式自動夾具還書（上架），其動作也是固定的。如何讓夾具判斷是執行上架還是下架動作，以可以移動式自動夾具是否是空載為標準，若為空車，即夾具放書觸碰開關不受壓，到達指定位置是下架操作，否則是上架動作，而這兩個動作正好是相對的，由上安裝的電機正反轉決定。移動式自動夾具和我們平時看到的火車一樣，只管順軌道向前行駛，無需智能管理，只有遇到滑塊阻擋，即到達指定位置，因觸碰到開關自動停車，啟動夾具對圖書的上下架操作是連貫的動作。

（四）軌道系統設計方案

軌道系統是引領移動式自動夾具到達指定位的指揮系統，也是圖書傳送的導航路線。為提高工作效率，軌道上同時可有多臺這樣的移動式自動夾具工作。為防止發生堵車現象，設計采用單行線方案、循環線方案設計，前車通過搬道叉后，搬道機構會恢復默認狀態，以便后續移動式自動夾具不受前車影響。移動式自動夾具只有碰到滑塊阻擋才會啟動上下架操作，若碰到前車受阻，僅此停車（識別是通過不同位置的碰撞開關確定的）。軌道設計的另一特點是，它的起點與終點分別與自助借還書機左右口相連。軌道系統的任務是引領小車到達指定所需要書擺放的位置。其軌道布局：我們參考做法是：沿著所有排書架每層底邊布軌。這里講的書架可以是指書架聯合體，即，同一排所有書架左右相連的，它可以很長，可以從書庫的最左端一直排到最右端，也可以轉彎，軌道可以在不同排書架的同一層上設計成S形狀，邏輯上把各排書架連為一體。當取還書動作完成后，小車順軌道繼續前進，由于是循環線，故自動進入返程狀態。這個返回軌道設計與進入軌道大致相同，相對對稱，相當于一個在左，一個在右。軌道系統得到電腦系統讀取的信息指令后，連接書庫的軌道上變換軌道的搬道叉會根據該書位置在數據庫中提供的信息做出相對應變道搬道操作，這個操作控制同樣有現成技術可用，如當今遠程搖控玩具小汽車的無線電控制技術，僅此開關，0/1二選一動作。

三、結束語

通常需要智能高科技機器人才能完成的導航搬運工作，我們的方案則是通過搬運圖書夾具和軌道自動搬道叉變道實現，而所有搬道信息，包括滑塊到達指定位控制夾具停車，又都是通過計算機系統事先從已經存放在圖書館建立的數據庫中相應書對應字段中獲取的，通過電腦發出遠程無線電搖控信號，指揮軌道上丁字路口的搬道叉，用簡單的0/1動作變道指揮，實現夾具導航。滑塊定位，由此取代傳統的運送機器人智能化尋找，也就是說，只要系統讀取到該書的信息，位置就被確定了，移動式自動夾具行走的軌道路線就被唯一確定了。移動式夾具只管往前行駛，到達指定位置會有一個滑塊阻擋，這個滑塊負責在書架存放該本書位置起定位作用。因為是單行線，循環線設計，所以沒有倒車問題和擁堵問題發生，即使有堵車，也是暫時性的。通過軌道系統實現自動化，這是本系統與國內外自助圖書館系統在實現同一功能上在設計上的最大不同之處。由于實現方案相對簡單，只是設計思路上的創新，無需要新技術研發，運用現有已成熟的技術，這就大大降低了制造成本，是個完全可行的經濟方案，使大規模推廣普及成為了可能。

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基金項目：2019年江西省文化藝術科學規劃項目（項目編號：YG2018027）。