基于Django框架的智能圖書推薦系統(tǒng)

周 君，賈昆霖，藍(lán)機(jī)滿，宋 艷

(1. 惠州工程職業(yè)學(xué)院，廣東 惠州 516001；2. 中南大學(xué) 軟件學(xué)院，湖南 長沙 410075)

目前，使用傳統(tǒng)管理方法的圖書館面臨著全面的轉(zhuǎn)型與徹底的變革，全面數(shù)字化和自動(dòng)化的圖書館管理方法正在逐步取代傳統(tǒng)的圖書館管理技術(shù)[1-3]。然而，在轉(zhuǎn)型過程中最新的管理方法和技術(shù)并不一定適應(yīng)時(shí)代與社會(huì)的發(fā)展，圖書館管理技術(shù)的發(fā)展也需要不斷地進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化與加強(qiáng)。所以，如何設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)人性化、智能化的圖書推薦系統(tǒng)，成為了眾多高校和科研單位的圖書館關(guān)注的問題[4-10]。

為了完成智能圖書推薦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本文首先全面分析了圖書推薦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。在此基礎(chǔ)上，以高等院校的歷史借閱信息作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，引入了協(xié)同過濾算法，在Django框架平臺(tái)上綜合使用amCharts圖表和D3.js可視化數(shù)據(jù)庫等多種技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)具有推薦排行、個(gè)性化推薦和數(shù)據(jù)同步等多項(xiàng)功能的智能圖書推薦系統(tǒng)。同時(shí)，本文對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)試和驗(yàn)證。結(jié)果表明，該系統(tǒng)的所有功能，包括推薦、數(shù)據(jù)同步、管理和展現(xiàn)等均運(yùn)行正常，且還具有較好的兼容性和穩(wěn)定性。

1 需求分析

一般而言，一個(gè)智能化的圖書推薦系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)4個(gè)方面的功能，即系統(tǒng)內(nèi)核、數(shù)據(jù)同步、前端面板和后臺(tái)管理。

1.1 系統(tǒng)內(nèi)核

圖書推薦系統(tǒng)需要使用具有強(qiáng)大功能的系統(tǒng)內(nèi)核，完成系統(tǒng)中圖書的分類、排行等多種推薦功能。在本文中，圖書推薦系統(tǒng)的內(nèi)核需要實(shí)現(xiàn)熱門圖書排列、中圖分類排行和智能化推薦。其中，熱門圖書排列功能主要指推薦系統(tǒng)需要精確統(tǒng)計(jì)借閱記錄最多的100本圖書，并顯示排序結(jié)果；與之類似，中圖分類排行功能是指系統(tǒng)需要將某一類別中借閱記錄最多的10本圖書列舉出來，并顯示該排序結(jié)果；智能化推薦功能包括兩方面的內(nèi)容：(1)系統(tǒng)需要讀取和分析每個(gè)用戶的借閱情況，為該用戶推薦個(gè)性化的書籍；(2)系統(tǒng)需要對(duì)所有用戶進(jìn)行相似性分析，使用列表為用戶推薦其可能感興趣的書籍。

1.2 數(shù)據(jù)同步

在系統(tǒng)的所有功能中，數(shù)據(jù)同步功能需要實(shí)現(xiàn)借閱記錄、用戶信息、圖書信息和數(shù)據(jù)整理存儲(chǔ)等一系列的功能。其中，圖書推薦系統(tǒng)與圖書館信息管理系統(tǒng)保持一致，定期更新所有圖書的借閱記錄和狀態(tài)信息。同時(shí)，定期增加圖書館新增用戶的信息，刪除注銷用戶的信息，并將更新后的信息存入推薦系統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中。

1.3 前端面板

在系統(tǒng)的所有功能中，前端面板主要負(fù)責(zé)展示圖書館的中圖分類示意圖、圖書借閱情況和圖書用戶關(guān)系圖。其中，中圖分類示意圖是一種樹狀的圖形。主要展示圖書館藏書的分類和體系，方便讀者的查找與借閱；圖書借閱情況主要展示圖書的總借閱量、借閱記錄、書籍信息等；圖書用戶關(guān)系圖主要被用于顯示讀者的借閱記錄、借閱數(shù)量和日志等。

1.4 后臺(tái)管理

在圖書推薦系統(tǒng)中，后臺(tái)管理的功能主要包括中圖分類、借閱情況、圖書和用戶等項(xiàng)目的管理。其中，中圖分類管理是編輯和查詢館藏圖書的中圖分類信息；借閱情況管理主要是編輯、查詢用戶的圖書借閱信息與記錄。

2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的所有功能，本文對(duì)圖書推薦系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。根據(jù)上面對(duì)系統(tǒng)的需求分析，將推薦系統(tǒng)劃分為系統(tǒng)內(nèi)核、數(shù)據(jù)同步、前端面板和后臺(tái)管理4個(gè)子模塊。

圖1 圖書推薦系統(tǒng)架構(gòu)圖

在此架構(gòu)下，文中引入了基于Python語言開發(fā)的Django應(yīng)用框架。該框架是一個(gè)優(yōu)秀的開源平臺(tái)，集合了消息傳遞、系統(tǒng)和用戶管理等多種復(fù)用站點(diǎn)組件，減小了系統(tǒng)所需編寫的代碼數(shù)量，并大幅簡(jiǎn)化了網(wǎng)站的開發(fā)過程。另外，Django框架還將分離了系統(tǒng)的邏輯實(shí)現(xiàn)和前端展示，這進(jìn)一步提高了系統(tǒng)開發(fā)的代碼編寫速度。

2.1 Django框架

開源的Django框架使用了比較常見的模型-模板-視圖模式，也被稱為MTV模式。使用該模式的目的在于控制系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)組件的耦合關(guān)系，保證各個(gè)組件的設(shè)計(jì)不影響其他組件的運(yùn)行。其中，“M”、“T”和“V”分別是“Model”、“Templates”、“Views”的縮寫。在該模式的作用下，Django框架的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Django框架結(jié)構(gòu)圖

由于Django框架是基于Python語言平臺(tái)開發(fā)的，因此Django框架擁有功能多樣的數(shù)據(jù)接口，設(shè)計(jì)者可以使用ORM機(jī)制定義具體的數(shù)據(jù)模型，從而大幅減小了數(shù)據(jù)庫開發(fā)的編程壓力。Django框架使用分發(fā)的方法設(shè)計(jì)URL映射，避免了系統(tǒng)亂碼的出現(xiàn)。另外，該框架在系統(tǒng)內(nèi)置的模板中增加了擴(kuò)展功能，開發(fā)者能夠自主設(shè)計(jì)頁面樣式、控制等系統(tǒng)的編碼方式。該框架的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求處理，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求處理流程圖

由圖3可知，系統(tǒng)的用戶使用瀏覽器提出網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，mod_python處理器對(duì)這些請(qǐng)求進(jìn)行處理，同時(shí)發(fā)送到請(qǐng)求中間設(shè)備、URL映射、顯示等設(shè)備進(jìn)行具體處理。無法執(zhí)行的請(qǐng)求提交異常處理中間設(shè)備進(jìn)行判斷，同時(shí)反饋給響應(yīng)中間設(shè)備進(jìn)行處理，再返回到mod_python處理器進(jìn)行集中處理。

2.2 信息可視化

信息可視化是利用具有交互功能的計(jì)算機(jī)展示抽象數(shù)據(jù)的過程，這項(xiàng)技術(shù)涉及到心理學(xué)、語言學(xué)和計(jì)算機(jī)等多門學(xué)科，其核心內(nèi)容主要包括視覺設(shè)計(jì)與人機(jī)交互。在本文中，主要使用了D3.js和amCharts組件完成信息可視化的功能。D3.js組件被廣泛應(yīng)用于信息可視化的領(lǐng)域中，D3表示“Documents”、“Driven”和“Data”，即文件、驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)。D3.js組件能夠?qū)?duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送到文檔對(duì)象的模型，進(jìn)而使用SVG和CSS等多種技術(shù)處理這些數(shù)據(jù)完成驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)換，最終實(shí)現(xiàn)抽象數(shù)據(jù)的可視化。該種組件具有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即計(jì)算資源需求少，運(yùn)行效率較高、代碼編寫量較少，適用于大規(guī)模數(shù)據(jù)的可視化。

amCharts組件也是一種被廣泛應(yīng)用的信息可視化組件，是一個(gè)可視化的圖標(biāo)庫，可以使用多樣的形式展示大規(guī)模的數(shù)據(jù)。其形式包括但不限于面積、扇形、柱狀等形狀的圖形。另外，該組件屬于獨(dú)立的JavaScript庫，可以利用矢量圖形的技術(shù)，完整實(shí)現(xiàn)渲染圖標(biāo)的功能，兼容IE、Opera和Firefox等多種主流瀏覽器。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在完成圖書推薦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之后，本文在PyCharm3.0開發(fā)平臺(tái)上，使用Python語言完成了具體的編程，從而實(shí)現(xiàn)了完整的智能圖書推薦系統(tǒng)。由于前端面板和后臺(tái)管理模塊只需要在Django框架上進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改，故在此對(duì)這兩個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)不再做詳細(xì)介紹，重點(diǎn)敘述系統(tǒng)內(nèi)核和數(shù)據(jù)同步的實(shí)現(xiàn)方法。

3.1 系統(tǒng)內(nèi)核的實(shí)現(xiàn)

在圖書推薦系統(tǒng)中，系統(tǒng)內(nèi)核即推薦系統(tǒng)引擎，是系統(tǒng)最核心的模塊。系統(tǒng)內(nèi)核需要處理圖書館中圖書的借閱數(shù)據(jù)，從而計(jì)算得到面向用戶的推薦信息。本文在系統(tǒng)內(nèi)核中使用了混合推薦算法，其流程圖如圖4所示。

在圖書推薦系統(tǒng)內(nèi)核工作時(shí)，對(duì)沒有借閱數(shù)據(jù)的用戶，協(xié)同過濾和內(nèi)容過濾的算法均不能較好地發(fā)揮作用，系統(tǒng)將根據(jù)用戶的歸屬信息查詢?cè)撚脩羲鶎賳挝黄渌脩舻慕栝啍?shù)據(jù)，得到借閱數(shù)量較多的圖書信息，從而推薦給用戶；對(duì)借閱數(shù)據(jù)比較少的用戶，協(xié)同過濾算法難以產(chǎn)生準(zhǔn)確地推薦信息，系統(tǒng)內(nèi)核只能使用基于內(nèi)容的推薦算法，詳細(xì)地分析圖書信息，建立所有圖書的關(guān)鍵詞和屬性數(shù)據(jù)庫，并利用大規(guī)模的數(shù)據(jù)分析用戶的借閱習(xí)慣，使用余弦相似性的方法計(jì)算出相應(yīng)的推薦信息，完成相應(yīng)的推薦；對(duì)借閱數(shù)據(jù)比較多的用戶，系統(tǒng)便可采用協(xié)同過濾算法計(jì)算用戶的推薦信息。一般而言，系統(tǒng)將首先使用Jaccard相似度的方法計(jì)算圖書之間的相似度，并根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果再將相似度較高的圖書推薦給相似度較高的用戶。

圖4 圖書推薦系統(tǒng)內(nèi)核流程圖

3.2 數(shù)據(jù)同步的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)的需求分析，數(shù)據(jù)同步是指獲取所有圖書的管理信息，從而建立系統(tǒng)的推薦算法的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在本文中，使用了定時(shí)器完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步。一般而言，圖書館需要嚴(yán)格管理館藏圖書的多種信息，包括還書時(shí)間、圖書題名、編號(hào)、版本等。以某高校圖書館的信息系統(tǒng)為例，其館藏圖書的部分信息記錄如表1所示。

表1 某高校圖書館的館藏圖書部分信息

根據(jù)以上格式，系統(tǒng)可以精準(zhǔn)地獲取所有圖書的準(zhǔn)確屬性，這些信息也是系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步模塊的操作對(duì)象。為了提高數(shù)據(jù)同步的運(yùn)行效率，系統(tǒng)使用表2的格式采集館藏圖書的屬性信息。

表2 館藏圖書屬性采集格式

此外，本文還引入了新浪云的數(shù)據(jù)庫引擎存儲(chǔ)圖書屬性等數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)庫引擎是一種分布式的鍵值型引擎，具有海量的存儲(chǔ)空間和快速的讀寫速度，適用于圖書推薦系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理。

4 結(jié)束語

為了設(shè)計(jì)智能化的圖書推薦系統(tǒng)，本文全面分析了系統(tǒng)的多項(xiàng)需求，通過引入Django框架和信息可視化等多項(xiàng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)利用混合推薦算法的推薦系統(tǒng)，使用協(xié)同過濾和內(nèi)容過濾等算法對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。