RFID圖書盤點(diǎn)智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)與開發(fā)

倪劼

摘 要 隨著圖書館數(shù)字化進(jìn)程的加快，RFID技術(shù)在圖書館廣泛應(yīng)用。論文探討了使用RFID設(shè)備進(jìn)行圖書盤點(diǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。使用該設(shè)備將大幅降低圖書館員在圖書盤點(diǎn)工作中所花費(fèi)的時間，在一定程度上能夠促進(jìn)圖書館服務(wù)方式的轉(zhuǎn)變，為智慧圖書館的發(fā)展起到一定的推動作用。

關(guān)鍵詞 圖書館 RFID 圖書盤點(diǎn) 機(jī)器人

分類號 G280.78

DOI 10.16810/j.cnki.1672-514X.2017.02.017

Abstract With the acceleration of library digitization process， RFID technology is widely used in library. This paper discusses the key technologies of book inventory by using the RFID equipment. The use of the equipment will greatly reduce the time cost by the librarians in the book inventory， and promote the transformation of library service mode and the development of wisdom library in a certain extent.

Keywords Library. RFID. Book inventory. Robots.

RFID作為一種無線射頻技術(shù)，可以無需機(jī)械及光學(xué)接觸，即可通過無線電訊號對需要識別特定目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫，并且具有快速、安全、重復(fù)使用等諸多優(yōu)勢，在當(dāng)今備受許多行業(yè)的青睞。到2016年RFID技術(shù)在我國圖書館實(shí)踐運(yùn)行使用已經(jīng)整整十年時間，從當(dāng)初零星之火到如今在圖書館業(yè)內(nèi)的廣泛應(yīng)用，可以說RFID技術(shù)在圖書館的深入應(yīng)用，促進(jìn)了圖書館服務(wù)模式、管理平臺、服務(wù)內(nèi)容等多方面的發(fā)展和變革，不僅使傳統(tǒng)的流通方式發(fā)生了很大的變化，更拓展了服務(wù)的空間和時間。對圖書館員來說，使用RFID技術(shù)同樣減輕了工作的難度，提高了服務(wù)的效能。圖書館與RIFD技術(shù)的結(jié)合無疑給讀者及圖書館員都帶來了很大的便利性，在未來RFID技術(shù)必定在智慧圖書館的發(fā)展中繼續(xù)扮演著重要的角色。

1 圖書館盤點(diǎn)圖書工作現(xiàn)狀與局限

1.1 圖書館盤點(diǎn)圖書的重要性與現(xiàn)行主要方式

圖書盤點(diǎn)作為圖書館的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，對圖書館員了解本館紙質(zhì)資源的情況非常重要。通過及時對在架圖書進(jìn)行盤點(diǎn)，可以準(zhǔn)確掌握到圖書的數(shù)量、位置等情況，既讓圖書館員及時了解圖書在架情況，又方便了讀者的圖書查詢。目前盤點(diǎn)圖書的方式主要有人工清點(diǎn)、條碼掃描盤點(diǎn)、RFID設(shè)備盤點(diǎn)等。以南京圖書館為例，開架外借圖書分布于兩個樓層，在架流通圖書約90萬冊，全年借還總流通量超過300萬冊。面對巨大的流通量，如何保證流通資源的準(zhǔn)確性，提高圖書流通環(huán)節(jié)的效率，這些問題都是靠圖書盤點(diǎn)工作來實(shí)現(xiàn)。作為讀者服務(wù)中重要的環(huán)節(jié)，從早期的人工清點(diǎn)，到現(xiàn)在使用RFID手持設(shè)備盤點(diǎn)，使得圖書館員以及讀者能夠準(zhǔn)確地了解到紙質(zhì)資源的情況，提高了圖書館讀者服務(wù)工作的質(zhì)量。

1.2 RFID手持設(shè)備盤點(diǎn)圖書的優(yōu)勢與局限

現(xiàn)階段，使用RFID技術(shù)盤點(diǎn)圖書方式越來越多地被圖書館所采用，這一方式最近幾年在圖書館行業(yè)廣泛流行。因?yàn)镽FID技術(shù)盤點(diǎn)圖書不僅完成了之前可能需要花費(fèi)幾倍時間的工作量，同時還增加了盤點(diǎn)圖書的準(zhǔn)確性，受到了大多數(shù)圖書館員的偏愛。以國家圖書館中文外借室為例，RFID圖書盤點(diǎn)工作分為期末盤點(diǎn)與循環(huán)盤點(diǎn)兩種方式。期末盤點(diǎn)是在閉室情況下進(jìn)行，數(shù)據(jù)有延時性但準(zhǔn)確度較高；循環(huán)盤點(diǎn)是通過固定周期在開放時間進(jìn)行，數(shù)據(jù)及時性高，但循環(huán)周期間隔時間決定著工作的強(qiáng)度[1]。由于可以及時了解在架圖書的當(dāng)前信息，循環(huán)盤點(diǎn)方法在圖書館也被廣泛采用。通過壓縮采集數(shù)據(jù)周期的時間間隔，保證了讀者能夠在借閱時獲取圖書的準(zhǔn)確位置，同時能讓圖書館員了解掌握圖書的完整信息。有的圖書館使用3D呈現(xiàn)的方式，讓讀者能夠在網(wǎng)頁上很直觀地看到圖書所在的架位，極大地方便了讀者對紙質(zhì)資源的獲取。

然而，由于圖書盤點(diǎn)工作的實(shí)施主體依然是圖書館員，RFID只是實(shí)現(xiàn)盤點(diǎn)工作的輔助性技術(shù)手段，因此我們認(rèn)為這依然沒有脫離人工盤點(diǎn)的傳統(tǒng)方式。為了獲取到圖書在架信息的準(zhǔn)確性，往往就要加大盤點(diǎn)的頻率，圖書館員需要花費(fèi)大量的時間來回奔波于書架之間，無形之中增加了他們的基礎(chǔ)勞動時間，從而減少了對讀者直接服務(wù)的時間。

2 RFID技術(shù)與圖書盤點(diǎn)智能機(jī)器人結(jié)合可能性

智慧型圖書館是圖書館事業(yè)發(fā)展的主流方向。智慧型圖書館的重要表現(xiàn)形式之一就是圖書館員知識專題化服務(wù)程度。圖書館員作為讀者與圖書之間的橋梁，應(yīng)當(dāng)更多的將服務(wù)重點(diǎn)放在參考咨詢等媒介工作中，而不是將時間耗費(fèi)在圖書盤點(diǎn)中。因此，如果能將RFID技術(shù)與智能機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一種以RFID為核心技術(shù)的圖書盤點(diǎn)智能機(jī)器人，將極大地改變圖書盤點(diǎn)工作現(xiàn)狀。用智能機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工盤點(diǎn)工作，可以將圖書館員從繁忙的盤點(diǎn)工作中解脫出來，有更多的時間從事知識專題服務(wù)，從而突破圖書館服務(wù)方法的單一模式，促進(jìn)圖書館服務(wù)方式的轉(zhuǎn)變，創(chuàng)造服務(wù)形式的多元化[2]。

近幾年圖像視覺系統(tǒng)以及神經(jīng)元算法的不斷發(fā)展，使得智能機(jī)器人技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，在服務(wù)業(yè)中也逐步嶄露頭角。本文即以RFID技術(shù)與智能機(jī)器人技術(shù)發(fā)展為基礎(chǔ)，探討以RFID為技術(shù)核心的圖書盤點(diǎn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與開發(fā)，其特點(diǎn)是不受時間、空間等因素影響，可在開架環(huán)境中通過圖書館員下達(dá)的盤點(diǎn)指令，自動的對目標(biāo)書架進(jìn)行圖書盤點(diǎn)工作。在初期開發(fā)階段，智能機(jī)器人的工作速度和人工相比可能有所欠缺，但是無論是應(yīng)用強(qiáng)度還是準(zhǔn)確性，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人工盤點(diǎn)，為圖書館將工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)向知識創(chuàng)新服務(wù)提供了人力資源和時間資源的可能。

3 RFID圖書盤點(diǎn)智能機(jī)器人設(shè)計(jì)需求與實(shí)現(xiàn)條件

3.1 設(shè)計(jì)需求

機(jī)器人應(yīng)用的范圍應(yīng)該包括開架與閉架兩種，開架方式下進(jìn)行圖書盤點(diǎn)遇到的情況相比較閉架時應(yīng)該復(fù)雜了許多，本文討論的是開架方式下設(shè)備自動實(shí)現(xiàn)圖書盤點(diǎn)。設(shè)計(jì)需求包括以下幾方面內(nèi)容：

機(jī)器人的自檢功能。在開始一系列工作之前，必須要完成設(shè)備的自檢工作，以保證各個部件是否能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，以及電池供電等方面能否支撐設(shè)備完成本次指令。

獲取當(dāng)前圖書架位的實(shí)際情況拓?fù)?。對?dāng)前書架的架位信息可以規(guī)劃在系統(tǒng)中，這樣可以使得設(shè)備在運(yùn)行前能夠很清楚地對當(dāng)前架位信息有客觀的判斷分析。

機(jī)器人的定位及軌跡行進(jìn)路線。首先需要對整個開架環(huán)境的地圖進(jìn)行有效的構(gòu)建，并規(guī)劃好合理的行進(jìn)路線，在設(shè)備偏離位置時可以自動回到預(yù)設(shè)的線路上。如果在行進(jìn)的線路上遇到障礙物，應(yīng)稍作等待后再根據(jù)實(shí)際情況做新的線路規(guī)劃。

使用RFID技術(shù)對在架圖書進(jìn)行盤點(diǎn)，盤點(diǎn)圖書時機(jī)械臂的前后左右上下3軸方向移動，盤點(diǎn)圖書的機(jī)械臂應(yīng)具備3軸方向的移動功能，確保圖書盤點(diǎn)過程中沒有遺漏。完成盤點(diǎn)任務(wù)后形成情況匯總，在對本次盤點(diǎn)操作結(jié)束后，需要對本次盤點(diǎn)的過程做一個情況匯總并呈現(xiàn)給圖書館員[3]。

3.2 運(yùn)行邏輯

機(jī)器人運(yùn)行系統(tǒng)邏輯如圖1所示，在圖書館員下達(dá)圖書盤點(diǎn)的指令后，系統(tǒng)自動開始進(jìn)入工作模式，機(jī)器人首先判斷自身電源系統(tǒng)能否完成該項(xiàng)工作，以及判斷各設(shè)備有無故障，如果系統(tǒng)保持正常，設(shè)備將按照規(guī)劃線路對書架圖書進(jìn)行盤點(diǎn)，如遇到讀者或其他障礙時，設(shè)備會自動停止等待。如遇到偏離線路時，根據(jù)預(yù)設(shè)線路中的信號源，歸位到最近的信號源重新進(jìn)入規(guī)劃線路，盤點(diǎn)書架時根據(jù)圖像識別系統(tǒng)，先確定有無書架標(biāo)簽，如果找到書架標(biāo)簽時，對該書架進(jìn)行盤點(diǎn)。等完整盤點(diǎn)動作結(jié)束后，將對這次盤點(diǎn)工作進(jìn)行匯總呈現(xiàn)給圖書館員，并且回到充電位置待命。

3.3 系統(tǒng)構(gòu)成

如圖2所示，整個系統(tǒng)由供電系統(tǒng)、圖像感知系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、機(jī)械驅(qū)動系統(tǒng)、RFID盤點(diǎn)系統(tǒng)這五大子系統(tǒng)組成。

設(shè)備設(shè)計(jì)自主穿梭于各個書架之間進(jìn)行圖書盤點(diǎn)，供電系統(tǒng)主要由可充電蓄電池組成。圖像感知系統(tǒng)包括視覺圖像分析、紅外測距，用于觀察設(shè)備在行進(jìn)過程中是否遇到障礙物，設(shè)備是否在軌道中運(yùn)行以及觀察書架號，用來確定自身實(shí)際位置。導(dǎo)航定位系統(tǒng)由無線接收器、地圖構(gòu)建系統(tǒng)、偏移歸位系統(tǒng)組成，在系統(tǒng)初始化階段需要對整個室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行地圖初始化構(gòu)建，并規(guī)劃好行進(jìn)的線路，在偏離軌道時系統(tǒng)需要通過無線接收器找到最近的初始化點(diǎn)位置，重新進(jìn)入軌道行進(jìn)。機(jī)械驅(qū)動系統(tǒng)包括電機(jī)馬達(dá)系統(tǒng)、機(jī)械臂系統(tǒng)等組成，電機(jī)馬達(dá)系統(tǒng)用于設(shè)備的行進(jìn)及停止，機(jī)械臂系統(tǒng)用于到達(dá)盤點(diǎn)區(qū)域后設(shè)備通過機(jī)械臂的移動，帶動RFID設(shè)備盤點(diǎn)圖書。RFID盤點(diǎn)系統(tǒng)用于對盤點(diǎn)圖書的統(tǒng)計(jì)、錄入、匯總等，將完整的信息呈現(xiàn)出來，使圖書館員直觀地看到當(dāng)前圖書在架情況。

4 RFID圖書盤點(diǎn)智能機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

RFID圖書盤點(diǎn)機(jī)器人的二維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，該機(jī)器人由硬件和軟件兩部分組成，硬件包括鋰電池組直流供電、馬達(dá)驅(qū)動制動裝置、機(jī)械臂滑動裝置、距離和圖像感應(yīng)設(shè)備主機(jī)硬件及顯示屏、RFID標(biāo)簽識別等設(shè)備組成[4]。軟件包括各個硬件的控制程序，使設(shè)備能夠按照程序化方式在規(guī)劃線路中運(yùn)行，如遇到偏離軌道及障礙物等情況，可自行判斷重新進(jìn)行圖書盤點(diǎn)。

自行可移動技術(shù)是機(jī)器人的基礎(chǔ)，通過事先對整個開架區(qū)域的地圖構(gòu)建，以及行動軌跡色帶的標(biāo)識，機(jī)器人通過無線信號接收器及底部、前后視覺系統(tǒng)進(jìn)入規(guī)劃線路行進(jìn)。機(jī)械臂分為X、Y、Z軸三個方向，可以使得機(jī)器人在書架中停留位置的細(xì)微偏差導(dǎo)致圖書盤點(diǎn)失誤率的降低。視覺系統(tǒng)與測距系統(tǒng)用來克服機(jī)器人遇到障礙物的情況，無線信號接收器主要用于設(shè)備偏離及等待無效時重新行進(jìn)至規(guī)劃最近初始點(diǎn)位置。RFID盤點(diǎn)系統(tǒng)需要首先掃描架位號，確定架位信息后對該架位圖書進(jìn)行盤點(diǎn)并記錄盤點(diǎn)信息。任務(wù)完成后機(jī)器人從規(guī)劃線路返回并進(jìn)入充電待命狀態(tài)。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 定位及導(dǎo)航移動

傳統(tǒng)構(gòu)建地圖的方式有度量、拓?fù)鋬煞N方式。其中度量地圖又分為特征地圖與柵格地圖，特征地圖指的是機(jī)器人通過傳感器對周圍的環(huán)境進(jìn)行特征感知，從而達(dá)到精確定位的效果，由于對設(shè)備觀測信息等要求較高，適用于高度復(fù)雜環(huán)境地圖構(gòu)建。柵格地圖則是整個環(huán)境地圖使用柵格方式分割成很小的地圖塊，對每個小塊用0和1的方式區(qū)分識別是障礙物還是可移動區(qū)域，該方式創(chuàng)建簡單易于維護(hù)，較常在復(fù)雜度較低的環(huán)境中使用。拓?fù)涞貓D則是使用區(qū)塊的方式將環(huán)境中關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行分割，而區(qū)域間的邊則表示關(guān)系連接，如在圖書館開架環(huán)境中書架區(qū)域、閱覽區(qū)域可分別作為兩個不同區(qū)域，拓?fù)涞貓D能夠很容易地劃分各個區(qū)域并易于拓展，但是在區(qū)域內(nèi)部較難完成精確定位[5]。

機(jī)器人主要工作區(qū)域在圖書館書架區(qū)，該區(qū)域位置相對固定，與閱覽區(qū)又有明確的分割，所以本文采用了拓?fù)涞貓D+軌跡色帶標(biāo)識的方式對機(jī)器人的行進(jìn)路線進(jìn)行規(guī)劃，使用色帶標(biāo)識的方式，增加了機(jī)器人在行進(jìn)區(qū)域中定位的準(zhǔn)確性。機(jī)器人行進(jìn)導(dǎo)航定位路線見圖4。

我們將整個區(qū)域劃分為兩部分，一是書架區(qū)域，除此之外的規(guī)劃為閱覽區(qū)域，機(jī)器人在書架區(qū)域內(nèi)通過在底部的視覺系統(tǒng)找到按照地上事先鋪設(shè)的移動軌跡標(biāo)識，根據(jù)軌跡色帶標(biāo)識的路線來行進(jìn)盤點(diǎn)工作，在書架標(biāo)簽區(qū)域做預(yù)設(shè)軌道標(biāo)識，機(jī)器人行進(jìn)到此區(qū)域即停止運(yùn)行開始盤點(diǎn)該架位圖書。如果機(jī)器人當(dāng)前處于閱覽區(qū)域時，則通過搜尋失位信號源來重新進(jìn)入預(yù)設(shè)軌道區(qū)域，繼續(xù)進(jìn)行上一次盤點(diǎn)工作。

4.2.2 機(jī)械臂移動及架位號、圖書標(biāo)簽識別

如圖5所示，機(jī)器人機(jī)械臂分為X、Y、Z軸三個方向，X軸表示書架的寬度，Y軸表示書架的高度，Z軸表示需要盤點(diǎn)圖書或書架標(biāo)簽的深度。當(dāng)機(jī)器人沿軌跡色帶標(biāo)識行進(jìn)到指定架位時，需要首先通過視覺系統(tǒng)獲取圖像信息，確定書架標(biāo)簽的個數(shù)，RFID盤點(diǎn)沿機(jī)械臂Y軸移動到需要盤點(diǎn)的書架標(biāo)簽位置，對書架標(biāo)簽先進(jìn)行掃描確認(rèn)，然后根據(jù)圖像識別信息，獲取到該層圖書書脊的位置，確定機(jī)械臂Z軸的深度，對該層圖書進(jìn)行掃描盤點(diǎn)[6]。

一般情況下書架的層數(shù)以及每層書架的寬度均是固定的，可以通過預(yù)設(shè)寬度及高度值來確定機(jī)械臂移動的距離，需要注意的是書籍的擺放位置可能深度不一致，所以通過圖像獲取書脊位置并且通過距離感應(yīng)獲取到需要盤點(diǎn)圖書的深度非常重要，盡量保持RFID盤點(diǎn)設(shè)備靠近書脊的位置，可以有效避免在盤點(diǎn)過程中信號疏漏導(dǎo)致的盤點(diǎn)不準(zhǔn)確。圖書書脊的識別可以通過書脊下方的索引號獲得。在架圖書的書脊下部位置均貼有索書號。通過這一明顯特征，為圖像處理時提供了便利。通過灰度、二值化等算法后，可以通過索書號清晰的辨別出書脊數(shù)量位置等信息，為距離感知提供了很好的依據(jù)[7]。

4.2.3 RFID標(biāo)簽識別盤點(diǎn)系統(tǒng)

圖書盤點(diǎn)系統(tǒng)由RFID讀寫器對圖書及書架的標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，前端結(jié)合業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)將架位、圖書信息進(jìn)行展示，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。標(biāo)簽識別技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟，通過RFID讀寫器對圖書及書架的RFID標(biāo)簽進(jìn)行識別，讀取到該書或書架的條碼信息。

盤點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為展示層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)平臺四個方面，通過前端RFID讀寫器獲取到條碼號，將數(shù)據(jù)存入架位數(shù)據(jù)庫中，并形成完整的圖書架位信息[8]。其中應(yīng)用層設(shè)計(jì)分為采集、整理、更新、剔除等四個功能模塊，為圖書館員提供完整的圖書盤點(diǎn)工作流程，滿足多種業(yè)務(wù)需求。通過與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián)獲取到圖書的完整信息，最終在前端展示平臺將完整的圖書架位信息呈現(xiàn)。在前端展示平臺中，通過Unity3D等軟件結(jié)合圖書架位信息，可以展現(xiàn)出完整的3D場景模型，方便了讀者及圖書館員對圖書的直觀查找。

5 總結(jié)與展望

在以智慧圖書館為發(fā)展趨勢的大背景下，本文通過設(shè)計(jì)智能設(shè)備并結(jié)合RFID技術(shù)，將圖書館的圖書盤點(diǎn)工作交給了智能機(jī)器人去完成。在機(jī)器人設(shè)計(jì)上考慮到了簡潔、便利、可擴(kuò)展等適合圖書館應(yīng)用的因素，通過使用軌跡色帶標(biāo)識的方式，簡化了機(jī)器人在開架環(huán)境中導(dǎo)航定位的復(fù)雜度，同時考慮到開架環(huán)境中讀者的因素造成機(jī)器人在偏離設(shè)定軌道時的情況，通過在書架位置預(yù)設(shè)信號源方式，機(jī)器人找尋無線信號源返回預(yù)設(shè)軌道。本文僅討論了智能盤點(diǎn)機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中還會有很多方面情況需要解決，如在讀者較多情況較復(fù)雜的圖書館，以及如何提高機(jī)器人工作效率等方面的情況仍需要解決。通過智能設(shè)備的不斷發(fā)展，新的技術(shù)及設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，相信在不久的將來圖書館中的許多工作將會被智能設(shè)備取代，對于圖書館員來說，應(yīng)當(dāng)充分利用好這樣的轉(zhuǎn)型機(jī)會，轉(zhuǎn)換方式為讀者提供更好的服務(wù)。

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