圖書自動分揀系統(tǒng)在圖書館的應(yīng)用——以廣州圖書館為例

王永東

隨著社會發(fā)展，人們對知識的追求變得更為迫切，圖書館是人們追求知識的重要場所之一。廣州圖書館新館(以下簡稱“廣圖”)投入使用短短一年，接待進(jìn)館讀者4，352，985 人次，借出圖書5，764，512 冊，平均每天圖書流通量(借、還)為3 萬冊左右，高峰時期達(dá)到4.5 萬冊左右。為加快圖書的上架和流通，國內(nèi)外部分圖書館建設(shè)圖書自動分揀系統(tǒng)。廣圖通過建設(shè)圖書自動分揀系統(tǒng)，使還書上架時間由原來的2- 3 天縮短到1- 3 小時，2014 年借書量達(dá)到732 萬冊，平均在架圖書周轉(zhuǎn)率接近3 次/冊.年。筆者以廣圖自動分揀系統(tǒng)建設(shè)為例，對自動分揀設(shè)備在圖書館的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 圖書分揀系統(tǒng)的種類、特點和工作原理

1.1 圖書分揀設(shè)備的種類

圖書分揀設(shè)備分為平面分揀和垂直分揀兩種。平面分揀包括直線和環(huán)形兩種，其中直線包括移載式、翻板式、推塊式和交叉帶分揀機；環(huán)形包括翻板式和交叉帶分揀機。垂直分揀應(yīng)用比較廣泛的是直線形分揀。

(1)直線形移載式分揀機。由獨立模塊聯(lián)結(jié)而成，每一模塊有2- 3 個下書出口，圖書行走方向是條狀輸送帶傳遞方向，出線(出口)是條狀皮帶中間一組滾輪瞬間抬起完成分揀。其優(yōu)點是組合靈活、平穩(wěn)、操作維護(hù)方便、價格相對低；缺點是效率相對較低。

(2)直線形翻板式分揀機。直線形翻板機的每個托盤是由鏈條聯(lián)結(jié)形成的一個垂直方向的循環(huán)體，每個下書口位置設(shè)置氣缸或電磁鐵來控制托盤上的翻板向左或右翻轉(zhuǎn)，從而完成分揀。其優(yōu)點是簡單、操作維護(hù)方便；缺點是下書口較寬(因下書方向無動力)、噪聲相應(yīng)比較大。

(3)直線形交叉帶式分揀機。該分揀機的每一個托盤是由鏈條聯(lián)結(jié)形成的一個垂直方向的循環(huán)體，托盤上有皮帶機，其運動由伺服電機或步進(jìn)電機控制，當(dāng)托盤行走到指定下口時，托盤上的皮帶機會自動工作，保證圖書輸送到指定位置。優(yōu)點是對圖書損害最小；缺點是造價較高。

(4)推塊式分揀機。推塊式分揀機的運動是由聯(lián)板連接鏈條，作上下環(huán)形運動，每個聯(lián)板上有一個推塊，在每個出口位置，推塊式分揀機底部有交叉道軌，其兩邊有轉(zhuǎn)角電磁控制板道岔，使推塊進(jìn)入導(dǎo)軌從而實現(xiàn)分揀功能。其優(yōu)點是實用，造價相對低；缺點是對小本圖書或較薄的圖書資料會容易造成損害。

(5)循環(huán)性環(huán)形交叉帶分揀機。該分揀機的環(huán)形驅(qū)動為若干直線感應(yīng)電機，托盤上皮帶機的動力由伺服電機或步進(jìn)電機控制。其優(yōu)點是運行速度快、效率高(但效率是要靠上書臺數(shù)量來確保每個托盤有圖書)；不足的地方是占地面積大、場地被分割、造價相對高。

(6)循環(huán)性環(huán)形翻板分揀機。該分揀機環(huán)形驅(qū)動同上，翻板形式和控制方法與“直線形翻板式分揀機”相似。與交叉帶相比較，翻板分揀機效率要低一點，下書口位置稍寬，造價較低。

(7)垂直型單本分揀機。垂直型單本分揀機是通過柔性、帶有凸出乳膠的皮帶夾緊書本來完成垂直輸送。每一層面垂直方向的夾送皮帶通過氣缸可以將該段夾送皮帶線打開，使圖書順利到達(dá)要去的層面。其優(yōu)點簡捷、造價低；不足是效率較低、只能單向分揀。

各分揀設(shè)備的效率、速度及優(yōu)缺點見表1。

表1 自動分揀設(shè)備的特點

1.2 分揀設(shè)備工作原理

自動分揀系統(tǒng)設(shè)備包括圖書的條碼或RFID(無線射頻技術(shù))識別系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、分揀系統(tǒng)和樓層提升系統(tǒng)。原理是在每一冊圖書安裝RFID 電子標(biāo)簽或條形碼作為圖書的識別碼，在圖書進(jìn)入圖書自動分揀設(shè)備后，RFID 電子標(biāo)簽中的圖書分類信息被設(shè)備上的RFID 天線讀取，然后經(jīng)過系統(tǒng)判斷將圖書傳送到相應(yīng)分類的分揀口進(jìn)行歸類，并輸送到指定的樓層(地方)。

1.3 自動分揀系統(tǒng)選取原則

選擇圖書自動分揀系統(tǒng)(設(shè)備)時，必須結(jié)合所在圖書館的實際條件，充分發(fā)揮分揀系統(tǒng)的優(yōu)勢?？傮w來說有以下原則：(1)根據(jù)借還圖書的數(shù)量，確定分揀設(shè)備速度；(2)根據(jù)圖書館場地的大小來確定使用直線分揀還是環(huán)形分揀方式；(3)根據(jù)服務(wù)樓層的高低來選擇水平、垂直還是混合型分揀方式；(4)根據(jù)經(jīng)費及自動化的程度，選擇半自動還是全自動的系統(tǒng)。如果分揀數(shù)量不大，要求不高，可以選擇簡單、費用不高的分揀系統(tǒng)(設(shè)備)；反之，則須選擇效率較高的分揀設(shè)備。

2 廣州圖書館圖書自動分揀系統(tǒng)建設(shè)分析

2.1 背景

廣圖總建筑面積10 萬平方米，其中地下面積為3.75 萬平方米，地面面積為6.25 萬平方米；地面高度為50 米，地下二層，每層高7 米，地上北樓十層，南樓八層，層高4.9 米，南北二樓通過連廊相連。在平面布局上，北樓首層至八樓為讀者借閱區(qū)，九樓的西面為讀者閱讀區(qū)，東面為采編中心。南樓首層為閱讀體驗區(qū)，二至四層為青少年借閱區(qū)，五樓為電子信息區(qū)，六樓為多媒體閱讀區(qū)，七、八樓為個性化閱覽區(qū)?？紤]到地上用地面積較緊張，首層只設(shè)立還書的投入口，在首層與負(fù)一層分揀間之間設(shè)置一個圖書下傳裝置，預(yù)留井道尺寸為2.5m×1.95m(長×寬)。圖書自動分揀設(shè)備間設(shè)在負(fù)一層，長約為20m，寬約為10m。圖書經(jīng)分揀后，垂直分揀設(shè)備由負(fù)一層提升到各個樓層，提升高度約51 米。經(jīng)過前期調(diào)研，目前國內(nèi)外廠家都難以實現(xiàn)一次性提升到這個高度且造價昂貴，為此，在設(shè)計之初，將垂直輸送井道分為二段，第一段在負(fù)一層至四層，第二段在四層至九層，各預(yù)留一個尺寸為2.5m×1.4m(長×寬)的井道，第四層為兩個井道的轉(zhuǎn)換層。

2.2 分揀輸送方式的選擇

確定分揀輸送方式是制定方案的前提，需要根據(jù)分揀量，并結(jié)合機器參數(shù)進(jìn)行選擇。根據(jù)新館的建筑特點和布局，有兩個方案可供選擇。方案一：圖書一冊冊地從還書設(shè)備終端經(jīng)過提升設(shè)備和自動分揀設(shè)備直接輸送到各樓層。方案二：圖書先一冊冊地從還書設(shè)備終端進(jìn)入平面自動分揀系統(tǒng)，經(jīng)分揀后，批量放置圖書箱中，然后通過垂直輸送系統(tǒng)將圖書箱運送到各樓層。方案一的投入費用少，但分揀效率低，不能滿足新館對分揀量的需求。方案二可以很好地滿足新館對分揀量的需求，但投資費用比方案一高。由于樓層高、開放借閱程度高，預(yù)計供讀者開放借閱的圖書將接近300 萬冊/年，因此分揀效率需大于等于3000 冊/小時。新館定位是區(qū)域性的中心館，將來還要承擔(dān)起廣州地區(qū)圖書通借通還物流的需要，通過綜合對比，選取了方案二。

2.3 流程設(shè)計

2.3.1 科學(xué)設(shè)計圖書分揀流程

首先要確定圖書分揀口的任務(wù)和數(shù)量，根據(jù)新館的功能布局和業(yè)務(wù)情況，設(shè)置如下圖書分揀入口：(1)讀者的還書通過首層自助還書設(shè)備(自助投入)——經(jīng)輸送系統(tǒng)將書刊送達(dá)負(fù)一層圖書分揀間進(jìn)行圖書分揀(自動分揀設(shè)備)——通過垂直輸送系統(tǒng)直接到達(dá)指定樓層；(2)工作人員在首層總服務(wù)臺(人工投入)通過輸送系統(tǒng)將圖書送達(dá)負(fù)一層圖書分揀間進(jìn)行圖書分揀(自動分揀設(shè)備)——通過垂直輸送系統(tǒng)將書刊、音像資料等直接到達(dá)指定樓層；(3)工作人員在九層將加工好的書刊音像資料(人工投入)通過垂直輸送系統(tǒng)直接送達(dá)指定樓層；(4)工作人員在各樓層將非本樓層的書刊音像資料(人工投入)通過垂直輸送系統(tǒng)直接送達(dá)指定樓層，或?qū)Y料通過自動分揀系統(tǒng)重新分揀后再送到指定樓層；(5)工作人員在負(fù)一層分揀間(人工投入)將書刊資料放進(jìn)自動分揀設(shè)備內(nèi)進(jìn)行分揀，然后送至各指定樓層。

2.3.2 采用無人干預(yù)全智能化的管理

要求自動分揀設(shè)備圖書箱滿箱時自動傳輸?shù)酱怪狈謷C，然后直接輸送到指定樓層；空箱時會自動進(jìn)入到空缺位置進(jìn)行補箱，實行全自動的無人干預(yù)管理。

2.4 分揀設(shè)備的選型原則：高效、智能、節(jié)能

需求確定后，就進(jìn)入選擇設(shè)備的階段，新館對設(shè)備的選擇原則是：盡可能選擇占地面積小、噪音低、效率高；對分揀策略可靈活設(shè)置，方便對分揀口進(jìn)行靈活調(diào)整；在圖書磨損小和維修方便的基礎(chǔ)上盡可能采用造價低的分揀設(shè)備。

2.4.1 采用自助式的投入口及投入模式

設(shè)備有兩個投入模式：第一種是由工作人員對已辦理館內(nèi)人工還書業(yè)務(wù)的書籍進(jìn)行投放，由于圖書已辦理還書手續(xù)，不需要經(jīng)過還書系統(tǒng)設(shè)備就可以直接放入皮帶輸送設(shè)備；第二種是由讀者通過帶有RFID 識別系統(tǒng)的自助還書設(shè)備投入口投放圖書，圖書由設(shè)備自動辦理還書業(yè)務(wù)后，自動進(jìn)入皮帶輸送設(shè)備。新館在首層自助服務(wù)區(qū)設(shè)置了5 個讀者還書投入口，讓讀者自助還書。每個投入口的最大還書效率為600 冊/小時，5個投入口還書的最大效率達(dá)3000 冊/小時。另外在總服務(wù)臺內(nèi)設(shè)置一個圖書投入口，用于投放從服務(wù)臺人工歸還的圖書和館外24 小時歸還的圖書。自助投入模式主要是通過還書終端和皮帶傳輸來實現(xiàn)。

2.4.2 采用節(jié)能式的投入口和傳輸系統(tǒng)

選用螺旋式的傳送裝置，將圖書從首層傳送到負(fù)一層的自動分揀間，優(yōu)點是設(shè)備可以采用漸進(jìn)式管理，圖書在傳輸線上一冊一冊地進(jìn)行間斷式的啟動，待整條傳輸帶裝滿圖書時，才直接傳送到自動分揀設(shè)備，并啟動水平分揀設(shè)備進(jìn)行分揀，這樣可以最大限度地節(jié)省設(shè)備的運行成本。

2.4.3 選用全自動、智能式的水平分揀設(shè)備

由于新館自動分揀系統(tǒng)建設(shè)比土建建設(shè)滯后，圖書分揀間和提升井道只是根據(jù)土建建設(shè)情況預(yù)留，而自動分揀系統(tǒng)的設(shè)備是非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的。根據(jù)新館的業(yè)務(wù)量和已建成的井道，在選擇平面自動分揀設(shè)備時，由于受到場地的限制，只能選擇唯一可行的直線型分揀，為讓圖書磨損最小，最終選擇了交叉帶式的分揀設(shè)備。該設(shè)備可處理圖書的參數(shù)：最大尺寸：320mm ×210mm×50mm(長×寬×厚)，最小尺寸：203mm×140mm×5mm(長×寬×厚)；圖書重量：0.1kg～2.5kg；輸送光盤盒尺寸(存儲多張光盤)最大為270mm×145mm(長×寬)，最小為195mm×135mm(長×寬)；機械效率≥7000 冊/小時；實際分揀效率≥5500 冊/小時。

主要設(shè)備選好后，就要考慮物理分揀口的數(shù)量，根據(jù)場地的布置，最多只能設(shè)置32 個分揀口。為節(jié)省人力資源，采用無人干預(yù)的全自動化操作，換箱時間一般只需要8 秒鐘左右，效率可達(dá)到400- 600 箱/小時左右。通過圖書滿箱自動搬運及分揀機的空箱自動補格和解鎖，以實現(xiàn)分揀系統(tǒng)的無瓶頸、無人干預(yù)的全自動作業(yè)。

2.4.4 先進(jìn)的低噪音垂直分揀設(shè)備

垂直升運系統(tǒng)設(shè)備是目前多層傳輸效率最高的設(shè)備之一，廣泛用于在多樓層及同一樓層多層面的傳輸中。其優(yōu)點為占地面積??；在不同層面中被傳輸?shù)奈矬w可以同時“進(jìn)”“出”(“升”“降”)，并且可連續(xù)、循環(huán)工作；每臺最大處理效率為900 箱/小時，故而在現(xiàn)代物流設(shè)備領(lǐng)域中有著較高地位。垂直分揀設(shè)備采用叉式傳送裝置翻叉用氣缸作為動力，由PLC 輸出端口直接驅(qū)動電磁閥；進(jìn)出口采用電機帶滾筒的傳輸，由固態(tài)繼電器作為驅(qū)動元件；其提升裝置采用四條精密滾子鏈，采用ABB 的變頻控制器為驅(qū)動。垂直分揀機可實現(xiàn)最大重量50kg 的整箱圖書輸送，圖書周轉(zhuǎn)箱可在負(fù)一層分揀間至9 樓的10個樓層之間的任意方向進(jìn)行自動連續(xù)搬運，從而完成圖書輸送以及空箱調(diào)度。

3 圖書分揀策略分析

分揀設(shè)置的過程比較復(fù)雜，往往會遇到各種意想不到的事情。因此，要采用靈活多變的策略，以應(yīng)對各種狀況。

3.1 利用不固定的分揀口策略來擴(kuò)充分揀口數(shù)量

圖書分揀從復(fù)雜程度上可分為簡單分揀、復(fù)雜分揀。簡單分揀只是對圖書進(jìn)行一次性的分揀，而且分揀口基本上是固定的。復(fù)雜分揀可以對圖書進(jìn)行多次分揀，分揀口是不固定的，可隨機分配?？紤]到場地小的因素，如果采用固定的分揀口，最多只能設(shè)32 個，不能適應(yīng)新館的需求。因此，新館選擇了不固定的分揀口方式，當(dāng)圖書進(jìn)入投入口時對圖書進(jìn)行分析，自動根據(jù)批量圖書的分類計算結(jié)果得出此批圖書的最佳分揀口配置，以達(dá)到最理想的分揀效果。

3.2 以投入相對較少的方式來確認(rèn)分揀箱圖書數(shù)量設(shè)置

圖書規(guī)格、厚度和重量不一，如果圖書太輕，雖箱已滿，卻未能達(dá)到指定重量，那么箱子是不會自動進(jìn)入垂直系統(tǒng)。如果按數(shù)量來計算，圖書有重有輕，有大有小，會出現(xiàn)相同數(shù)量的圖書有些箱子裝滿，而有些箱子裝不滿的情況。方案一是在設(shè)備內(nèi)裝置一個重量計算器，按重量來確定；方案二是按數(shù)量來確定?？紤]到成本并經(jīng)綜合衡量后，最終選擇按圖書數(shù)量來設(shè)置參數(shù)。

3.3 以最少的運營成本來設(shè)定分揀區(qū)域或書架數(shù)量

根據(jù)前面所述，理論上固定的32 個分揀口可以擴(kuò)充為無限多個，但圖書或書架分揀數(shù)量是否科學(xué)合理，依然有待解決。因為分揀面積越小、書架數(shù)量越少，越有利于圖書的上架，但如果每次每個分揀口只有1 冊圖書，那要不要運送到指定樓層？如果不運送，會長期占用了分揀口的寶貴資源；如果運送又浪費電費和加速機械磨損，加大了運營成本。所以不能單純從細(xì)分的角度來設(shè)置分揀口，只能根據(jù)實際使用情況進(jìn)行靈活調(diào)整。

4 思考

4.1 設(shè)計工作應(yīng)提前介入

由于圖書自動分揀系統(tǒng)是非標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，只能根據(jù)使用者的需求進(jìn)行設(shè)計和建設(shè)，這樣就要求使用者在土建建設(shè)時就要提前進(jìn)行規(guī)劃，盡早確定設(shè)備供應(yīng)商，利用設(shè)備供應(yīng)商提供的場地面積、井道尺寸和用電負(fù)荷等相關(guān)參數(shù)來安排相應(yīng)的土建項目，以免將來因場地不合而要訂造專門設(shè)備，從而令成本大增，嚴(yán)重者甚至難以實現(xiàn)。由于新館是由南北兩樓組成，北樓區(qū)域面積大，可供讀者借閱圖書多，而南樓區(qū)域面積較小，可供讀者借閱的圖書相對較少，在設(shè)計自動分揀方案時，曾考慮將南樓和24 小時自助圖書館進(jìn)行歸一設(shè)計，但由于自動分揀設(shè)計介入時間太遲，如果采用該方案一來經(jīng)費會增加更多，二來有些地方已經(jīng)沒有空間安裝分揀設(shè)備，現(xiàn)在的解決辦法只能是利用人力將該區(qū)域圖書運送到目的地。

4.2 關(guān)注噪音對圖書館環(huán)境和空間的影響

圖書館要為讀者提供安靜的閱讀環(huán)境，對設(shè)備噪音的要求相對嚴(yán)格。因為圖書自動分揀設(shè)備要大量采用皮帶和滾軸甚至是氣動的設(shè)置，而這些產(chǎn)品的價格相差較大，一些材料價格低的只需要幾十元，而價格高的則要一百多元，低價材料的噪音比高價材料的噪音要高很多。

4.3 充分考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)充性

隨著圖書館業(yè)務(wù)的擴(kuò)大，圖書借閱量會相應(yīng)增加，為適應(yīng)不斷增加的業(yè)務(wù)量，自動分揀設(shè)備在規(guī)劃之初應(yīng)為將來的發(fā)展留下可擴(kuò)充的空間。因此，建議在投入口和分揀間的設(shè)計中預(yù)留空間，以滿足日后不斷增長的分揀需求。

[1] 高風(fēng)格.基于RFID 自動分揀系統(tǒng)在圖書館中的應(yīng)用實例——以廈門圖書館為例[J]. 內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2012（18）：37- 39.

[2] 黃臻雄.自動分揀設(shè)備在圖書館的應(yīng)用前景[J].建筑與環(huán)境，2008（4）：87- 88.