基于智能機器人技術的智慧圖書館建設研究

摘 ?要：引入智能機器人技術，將極大提高圖書上下架的工作效率，拓展參考咨詢服務的時空限制。在建設智慧圖書館的過程中，采用圖書自動存取機器人及IM咨詢機器人系統對傳統圖書館的基礎設施和服務進行改造，在分析這些系統原理和優缺點的基礎上，可得出圖書自動存取技術和IM咨詢系統最適應圖書館管理系統，且圖書自動存取機器人技術可解決圖書館智能機器人技術的瓶頸問題，推動圖書館向智慧圖書館轉型升級。

關鍵詞：自動存取裝置;自定位系統;IM咨詢系統;智能機器人技術;智慧圖書館

中圖分類號：TP242.6;G250.7 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）21-0127-04

Research on the Construction of Smart Library Based on Intelligent Robot Technology

ZHU Tingting

（Library of Changchun Institute of Technology，Changchun ?130012，China）

Abstract：The introduction of intelligent robot technology will greatly improve the efficiency of book loading and unloading，and expand the time and space constraints of reference consulting services. In the process of building a smart library，the system of book automatic access robot and IM consulting robot is used to transform the infrastructure and services of the traditional library. Based on the analysis of the principles，advantages and disadvantages of these systems，it can be concluded that the book automatic access technology and IM consulting system are most suitable for library management system，and the book automatic access robot technology can solve the bottleneck problem of library intelligent robot technology，and promote the transformation and upgrading of library to smart library.

Keywords：automatic access device;self-positioning system;IM consulting system;intelligent robot technology;smart library

0 ?引 ?言

伴隨各類圖書館豐富多樣的館藏資源迅速增長，圖書館專業技術工作人員補充不足，采取傳統的人工操作已經不能適應現代圖書館的服務要求。以長春工程學院圖書館為例，在開架書庫中讀者經常遇到亂架現象，導致找不到需要的圖書，而圖書館員因借閱圖書歸還數量大，人工上架費時費力、經常遇到圖書理架串架、倒架難等問題，或是在借還書、參考咨詢等服務上仍然采用人工服務，上述情況很容易被館員人數、服務質量、時間空間等多種因素制約，使讀者不但體驗不到以人工智能技術為基礎的智能化服務環境，也使讀者的信息安全和個性化、精準化服務質量得不到保障。究其深層原因在于目前的圖書館仍然依靠最原始、最傳統人工服務，沒有真正進行智能化、智慧化的圖書館建設，長春工程學院在推進智慧校園建設工作的同時，把智慧圖書館建設作為智慧校園的工作重點。通過分析如何將圖書定位識別技術、圖書自動存取技術、IM智能咨詢系統應用到圖書館圖書定位盤點的基礎服務和參考咨詢的深層次服務中，以減輕長期以來圖書館工作人員的高強度勞動，減少圖書館人工運營成本，改善圖書館基礎設施自動化、智能化水平，提升圖書館個性化、精準化服務質量，打造具有智能場館、智能感知調節、精準推送服務體驗的智慧圖書館。

1 ?圖書館智能機器人關鍵技術

1.1 ?圖書自動存取機器人設計方案

長春工程學院在改造傳統圖書館，構建智能場館的實施過程中，需要前期設計與規劃好圖書定位與圖書自動存取技術，才能實現圖書被系統感知與精確自定位以及圖書自助搬運與讀者交互兩大關鍵問題。在圖書館閱覽區與館藏區的前期改造設計中，應盡量做到空間分離，在圖書借還區，讀者可以對圖書自動存取機器人發出指令，完成借書或還書的命令，而圖書的識別、定位、搬運、存取都由圖書自動存取機器人獨立完成，實現管理系統自動管理圖書。

1.1.1 ?圖書自動存取機器人的設計要求

用戶通過觸摸屏或鍵盤、鼠標向圖書自動存取機器人發送借還書操作命令后，圖書自動存取機器人會先確認圖書是否在館并針對指令來信息處理。假如圖書還在館，會查找該書的詳細方位。利用感知系統來確定圖書自動存取機器人所在位置，構建地圖，制定具體行進路徑。移動小車會按路徑指令，行駛到該書所在書架位置，鎖定該書在書架中具體層數后，機械手對該層書籍進行搜索查找，明確目標后執行取書操作，結束后，機械手會將該書放入指定位置，移動小車返回原位，完成本次借書操作。圖書自動存取機器人接收到還書命令后，會先識別該書的信息，確定該圖書應歸還位置的書架號和層數，然后駛到書架所在位置，機械手將圖書放置在書架的正確位置，本次還書操作完成，圖書自動存取機器人將歸位等待系統的其他命令。圖書自動存取機器人一次可接受一個或多個命令，接受命令的多少取決于固定時間段讀者對借還書的要求。當接受多個命令時，圖書自動存取機器人需要對命令進行預處理，區分借書和還書指令。執行指令時，先還書，再借書，可最大限度地節省時間和能源。圖書自動存取機器人功能如圖1所示。

對圖書自動存取機器人進行方案設計時，首先要考慮工作環境，圖書自動存取機器人進行圖書自動存取的工作空間為兩書架之間，空間比較狹窄，設計時應考慮圖書自動存取機器人的最大寬度。另外，其可移動性、易操作性、安全性、輕便性、經濟性、工作效率等因素也是需要考慮的重要因素。

1.1.2 ?圖書自動存取機器人的自定位系統

圖書自動存取機器人的自定位系統包括兩個部分：一是移動小車的自定位;二是機械手的自定位。移動小車的任務是將載有的機械手準確的帶到圖書所在的書架前。移動小車得到指令后，按照預先規定的路線行走，而機械手的定位則需要借助于攝像頭提取的圖書標簽、書脊等圖像來定位。

（1）移動小車定位。移動小車采用的是電磁導引方式控制和定位。在圖書館地面上鋪有銅線、磁卡。銅線按照移動小車的行駛路徑鋪設，并加載導引頻率，在對導引頻率進行識別后，完成對移動小車的定位導引。移動小車左右對稱安有兩個電磁傳感器，電磁傳感器負責接收電磁信號，通過接收的電磁信號的強弱來判斷移動軌道的偏移程度。鋪設在地面上的每一圈銅線都有不同的頻率，移動小車接到移動命令后，選擇銅線頻率，確定行駛路線。圖書館的每個書架都有唯一編號，這個編號不光標注在每個書架側面，同時記錄在書架前鋪設的可存儲書架信息的RFID磁卡中，通過RFID確定圖書自動存取機器人位置，并更新圖書自動存取機器人的方位角θrotation，其中θprevious->current代表預計至當前到達方位，θprevious->current代表當前至目標到達方位，（xprevious，yprevious）為預計目標坐標，（xcurrent，ycurrent）為當前目標坐標，（xgoal，ygoal）為目標坐標，如式（1）所示：

（1）

圖書自動存取機器人再根據方位角θrotation調整角度，通過RFID掃描確定當前具體方位的同時，繼續推進，當（xcurrent，ycurrent）符合條件時，即可認定圖書自動存取機器人到達最終目標方位，其中threshold為閾值，判斷條件為：

（2）

如根據判斷到達目標方位，可刪除路徑表中位于第一列的標簽，將（xgoal，ygoal）的值設為更新后表中位于第一列標簽的坐標。如列表中沒有剩余的標簽，表明圖書自動存取機器人最終到達目標方位，導航結束;否則還將重復上述操作。通過使用電磁導引的原理改造圖書館自動化、智能化設備，在地板下鋪設銅線和磁卡，可以確保場館中隱蔽布線，并且不易污染和破損，還可以降低改造成本，非常適合圖書館環境。

（2）圖像識別技術。圖書館的圖書圖像識別技術主要是對圖書標簽、書脊索書號的圖像識別，從而獲取圖書的索書號、高度、厚度等信息。在圖書館館藏中每本圖書的索書號是唯一的，讀者可以在圖書管理系統中輸入要查找的書名，從而檢索到與之相對應的索書號，索書號可以準確地確定該書在圖書館書架上的具體排列位置。圖書的索書號標簽一般粘貼在圖書書脊下方，可以利用攝像頭提取到索書號的圖像。當小車到達指定位置后，攝像頭自動開啟。捕捉到書脊圖像后，通過圖像灰度化及清洗過濾、算法邊緣化、二值化、字體定位、圖像分割等圖像識別技術對粘貼在書脊下方的索書號進行識別，確定該圖書的名稱。通過對圖書邊緣的掃描，可以確定圖書的高度及寬度，為機械手抓取做好準備工作。最后將處理好的數據反饋給上位機，開始進行圖書抓取工作。圖書索書號定位是整個識別過程中最重要的環節，其定位的結果直接影響后面步驟的進行。索引號有其獨存的特征：如文字垂直排列、白底黑字、字符高度固定、位于書脊下方等因素，都為其準確定位提供了重要保證。

1.2 ?圖書館IM咨詢機器人技術

長春工程學院圖書館應用IM咨詢機器人目的是為本館讀者提供沒有時空限制的參考咨詢服務，主要是實現參考咨詢館員不在時，能夠全天實時不間斷地提供咨詢服務，從而協助圖書館館員開展自主應答，自動處理讀者信息等服務。主要工作內容可涵蓋圖書館館藏檢索、讀者借閱信息、圖書館電子資源、常見問題解答等服務。通過采用IM咨詢機器人減輕了圖書館參考咨詢工作人員的工作壓力，延長了服務時長，提高了圖書館參考咨詢服務在線實時工作的質量和效率。

目前常用的IM咨詢系統軟件有MSN、QQ、微信等，由于MSN的通信接口更加開放，對于開發使用者更具有方便性，因此長春工程學院圖書館主要選擇MSN機器人技術方案。該方案可選擇兩種開發方式，第一種是選用MSN自身開發的開源庫，第二種選用Bot Platform平臺進行研發。第一種MSN自身攜帶的相對獨立的開源庫，具有操作靈活、用戶使用方便的特點，它可以通過無縫整合多個系統，來實現實時通信，具有無須另外安裝MSN的便捷優勢。另一種開發方式可以選用封裝方式，先對底層通信技術及封裝系統協議進行處理，再對輸入的信息指令進行處理操作，這種操作方式簡單、易于實現，但功能性會稍顯不全，并且由于借助第三方服務平臺進行認證登陸，相對于第一種方式來說穩定性較弱。所以綜合比較后，特別是從系統穩定性等方面考量，采用MSN自帶開源庫的方式進行開發。

1.2.1 ?IM咨詢機器人系統開發方案

（1）建設后臺系統數據庫。IM咨詢機器人系統的后臺由讀者信息庫與知識庫組成，讀者信息庫會存放大量的用戶基本信息，比如讀者的賬號密碼、讀者借閱記錄等信息。讀者在發出咨詢請求指令后，IM咨詢機器人會及時根據指令查找到后臺數據庫中匹配的數據信息，解析整合后依據用戶的需求制定特色化、個性化的服務。而知識庫的內容存儲量則可比作IM咨詢機器人的核心存儲區，其中知識容量的廣度、深度與機器自學習能力則直接決定了IM咨詢機器人服務準確性與工作效率。對于知識庫這種需要不斷更新完善的數據庫，應由圖書館專業館員進行專門管理，及時對數據信息及算法進行更新完善。

（2）IM咨詢機器人系統功能與架構。IM咨詢機器人系統的功能架構從用戶界面、應用配置、數據匹配及服務功能方面入手，如圖2所示。

用戶界面，可以主要提供兩種服務形式，一種是提供咨詢系統賬號，這種方式讀者可通過賬號添加好友，獲得相應的咨詢服務模式，也可稱為好友咨詢。但由于系統的原因，該種方式會限制一定的好友數量，如果添加的好友數超過系統給出的最大限制，讀者則無法加入。第二種是在網頁中嵌入IM功能模塊，這種方式可以在讀者瀏覽頁面時，實時與IM咨詢機器人在對話框中進行交流。這種在網頁對話框中實時咨詢的方式不需添加好友，也沒有系統最大人數的限制，很好地解決了MSN好友人數限制的問題，成為多數圖書館推薦使用的與IM咨詢機器人實時咨詢的服務軟件。

應用配置，大多數IM咨詢機器人系統的應用層為微軟平臺，后臺需要先對IM咨詢機器人賬號密碼、頭像等基礎信息進行配置，就可方便連接各類開發軟件的應用接口。

數據匹配，數據庫層是IM咨詢機器人信息容量、深度學習與IM咨詢機器人智能化的基礎與保障。根據圖書館的應用領域，IM咨詢機器人雖然要存儲大量的數據庫信息，但為了保障數據庫匹配最大的存儲容量，會通過壓縮數據存儲單元的方式來進行存儲。圖書館智能化的IM咨詢機器人數據層應存儲館藏資源、培訓講座、問題咨詢解答等常用信息。

服務功能，是IM咨詢機器人系統開發的重點部分，通過以C語言為開發程序，以.NET為運行環境進行研究，得出工作流程應包括四個方面：

1）接口對接。通過Bot Platform平臺與SDK（軟件開發工具包）接口進行有效對接，可以使系統與用戶之間更便于溝通。

2）解析指令。讀者提交的咨詢請求指令逐層發出后，IM咨詢機器人系統通過解析處理，轉化為可處理的機器語言。

3）數據庫連接。通過DAO（數據訪問接口）等模式連接后臺系統數據庫，將讀者的咨詢請求與讀者的信息相結合檢索查詢相關數據庫。

4）反饋信息。將讀者所需要的信息通過服務接口反饋給Bot Platform平臺，將結果發送至MSN系統頁面供讀者參考使用。

1.2.2 ?IM咨詢機器人的運維技術

為確保圖書館IM咨詢機器人系統在運行中的精確、敏捷與穩定，更好地提高用戶的智能服務體驗，這就需要圖書館專業技術人員掌握后期的運維技術與操作管理，具體如下：

（1）IM咨詢機器人系統的主要維護技術。IM咨詢機器人系統可通過MSN賬號和密碼進入，對接MSN服務器，讀者可直接查看IM咨詢機器人是否在線，如在線，可建立實時在線交流。反之，IM咨詢機器人賬號將被服務器注銷，設為離線狀態，IM咨詢機器人系統將無法正常使用。而這些無法預知的異常情況，就需要圖書館員通過頻繁密集的監測，掌握系統是否正常運行并跟進處理，確保該系統的服務工作有效運行。

（2）IM咨詢機器人系統管理技術。IM咨詢機器人系統的后臺數據庫是存儲咨詢數據與信息的重要部分，后臺數據庫可以查詢與推送信息。圖書館館員可以通過發送維護指令進行自啟動維護，或是采用其他應用程序維護。發送指令后，IM咨詢機器人通過分析提取數據信息并執行操作，所有的操作數據最終存儲于后臺數據庫中。

（3）頁面推送技術。當用戶向咨詢系統查詢詳細書目信息、電子期刊、電子圖書等資源操作時，大量該類信息的傳遞工作無法用對話框的方式來完成，此時可以通過其他方式，如：頁面推送、發送鏈接等，向讀者提供所需的檢索結果的頁面、鏈接，也可采用直接發送相關信息資源的檢索關鍵詞等方式，這樣就可以確保查詢數據信息的全面性及完整性。

1.2.3 ?IM咨詢機器人系統改進

IM咨詢機器人在半小時到一小時內如沒收到會話請求時，一般會自動離線，并且經常是沒有響應事件的，由于發生的具體時間不固定，一般調試起來會比較困難。通過研究大量技術方案，發現如設置MSN服務器定時發送ping命令，可以有效地保證服務器與客戶端的關聯，從而解決自動離線問題。

2 ?結 ?論

智慧圖書館圖書自動存取機器人技術可以代替人工完成圖書館圖書的查找、自動存取、搬運等工作，而智能化的IM咨詢機器人技術則實現了“人-機”的實時交流，為用戶提供了隨時隨地、更加智能化的在線咨詢服務。智能機器人技術作為實現智慧圖書館進程中必不可少的先進技術，必將突破并解決圖書館在服務、管理、發展過程中所面臨的困境與難題，為圖書館可持續發展提供新思路與新方法。

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作者簡介：祝婷婷（1982—），女，漢族，吉林東豐人，部主任，副研究館員，碩士研究生，研究方向：智慧圖書館、信息檢索。