高校圖書館智能服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

鮑劼 宋迎法 都平平

〔摘 要〕[目的/意義]人工智能技術(shù)飛速發(fā)展，已被越來越多地應(yīng)用于智慧圖書館的研究與實(shí)踐。實(shí)現(xiàn)高校圖書館智能服務(wù)機(jī)器人的智慧化服務(wù)，可有效提升高校圖書館的服務(wù)效率，為智慧圖書館建設(shè)提供可行的參考案例。[方法/過程]運(yùn)用語音技術(shù)、四元麥克風(fēng)陣列、語音知識(shí)庫、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制等技術(shù)，以中國(guó)礦業(yè)大學(xué)圖書館為例，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了高校圖書館智能服務(wù)機(jī)器人，并探討智能服務(wù)機(jī)器人提供智慧化服務(wù)的新模式。[結(jié)果/結(jié)論]實(shí)踐證明，智能服務(wù)機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)語音互動(dòng)、智能咨詢、信息播報(bào)、路線導(dǎo)引等智慧化服務(wù)，為讀者提供智能化的互動(dòng)體驗(yàn)，創(chuàng)新高校圖書館智慧服務(wù)模式，是高校圖書館向智慧化方向發(fā)展的重要探索。

〔關(guān)鍵詞〕高校圖書館；智能服務(wù)機(jī)器人；智能咨詢；語音技術(shù)；運(yùn)動(dòng)控制

DOI：10.3969/j.issn.1008-0821.2018.10.017

〔中圖分類號(hào)〕G250.7 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕A 〔文章編號(hào)〕1008-0821（2018）10-0115-06

〔Abstract〕The rapid development of artificial intelligence technology has been increasingly applied to the research and practice of smart libraries.Realizing the intelligent service of intelligent service robots in university libraries could effectively improve the service efficiency of university libraries and provide a feasible reference case for the construction of smart libraries.Using speech technology，quaternary microphone array，speech knowledge base，robot motion control and other technologies，the library of China University of Mining and Technology was taken as an example to design and implement the intelligent service university library robot，and to explore new ways for intelligent service robots to provide intelligent services.Practice proved that intelligent service robots could realize intelligent services such as voice interaction，intelligent consultation，information broadcast，route guidance，etc.Providing readers with intelligent interactive experience and innovating the intelligent service mode of university libraries was an important exploration for the development of university libraries in the direction of intelligence.

〔Key words〕university library；intelligent service robot；intelligent consultation；speech recognition；sport control

隨著“智慧地球”、“智慧城市”等概念的提出，“智慧圖書館”的相關(guān)研究與實(shí)踐在國(guó)內(nèi)外圖書館界也隨之展開。早在2003年，芬蘭奧盧大學(xué)圖書館就已提出“SmartLibrary”概念[1]；2010年，中國(guó)華僑大學(xué)廈門校區(qū)提出“智慧圖書館”概念[2]；2011-2012年，王世偉先后發(fā)表學(xué)術(shù)論文探討智慧圖書館的三大特點(diǎn)、核心要素、主要特征等問題[3-4]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于智慧圖書館相關(guān)問題的探討和研究不斷升溫，涉及智慧圖書館的構(gòu)建、智慧圖書館的相關(guān)技術(shù)、智慧圖書館的實(shí)踐等多個(gè)方面[5-11]。同時(shí)，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，為智慧圖書館的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了從自助借還、24小時(shí)智能自助圖書館，到門禁人臉識(shí)別、智能座位預(yù)約等系統(tǒng)，再到現(xiàn)在的機(jī)器人的應(yīng)用，如內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的圖書館聊天機(jī)器人[12]、南京大學(xué)圖書館的盤點(diǎn)機(jī)器人[13]。智慧圖書館將成為未來圖書館發(fā)展的新趨勢(shì)、新模式，也將成為圖書館創(chuàng)新、轉(zhuǎn)型、發(fā)展的新實(shí)踐。

筆者所在的中國(guó)礦業(yè)大學(xué)圖書館（以下簡(jiǎn)稱我館），運(yùn)用語音識(shí)別、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、四元麥克風(fēng)陣列等AI技術(shù)，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了高校圖書館智能服務(wù)機(jī)器人。該機(jī)器人的實(shí)踐應(yīng)用，不僅為讀者提供了更加便捷地咨詢、播報(bào)、引導(dǎo)服務(wù)；同時(shí)，還減輕了館員部分咨詢服務(wù)的工作量。智能服務(wù)機(jī)器人為讀者提供了智能化的互動(dòng)體驗(yàn)，也是中國(guó)礦業(yè)大學(xué)圖書館提供智慧化服務(wù)的進(jìn)一步實(shí)踐；同時(shí)，也是中國(guó)礦業(yè)大學(xué)圖書館智慧化發(fā)展的一次探索。

1 智慧服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)——以中國(guó)礦業(yè)大學(xué)為例

1.1 需求分析

咨詢服務(wù)是高校圖書館提供的一項(xiàng)重要服務(wù)，目前存在3個(gè)方面問題：1）咨詢服務(wù)提供時(shí)間：工作時(shí)間可以較好地提供咨詢服務(wù)，而節(jié)假日或非工作時(shí)間往往不能有效地、及時(shí)地解答問題；2）配備的咨詢館員數(shù)量有限：近年，我館館員人數(shù)一直在下降，各部門人員配比非常緊張，但同時(shí)工作量、服務(wù)強(qiáng)度卻有增無減；3）普適性、重復(fù)性問題居多：用戶咨詢的問題中存在一大部分簡(jiǎn)單重復(fù)的普適性問題。針對(duì)以上3個(gè)方面問題，我館考慮運(yùn)用智能服務(wù)機(jī)器人來解答用戶提出的簡(jiǎn)單重復(fù)的普適性問題，其工作時(shí)間可以貫穿整個(gè)開館時(shí)間，一方面可以減少咨詢館員的配備；另一方面把咨詢館員從解答簡(jiǎn)單重復(fù)的普適性問題的工作中解放出來，以便有更多的精力投入到更深層的參考咨詢服務(wù)中。

1.2 功能確定

智能服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用，要能夠和讀者進(jìn)行語音互動(dòng)，回答讀者的普適性、常見性問題；要能夠和讀者進(jìn)行百科類、日常類問題的交流。同時(shí)，機(jī)器人還可以為我們提供更多的服務(wù)，如對(duì)我館主辦的重要活動(dòng)、講座、培訓(xùn)等，進(jìn)行語音播報(bào)；能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)控制，人體感應(yīng)，為讀者進(jìn)行簡(jiǎn)單的路線引導(dǎo)服務(wù)。因此，我館在智能服務(wù)機(jī)器人一期設(shè)計(jì)開發(fā)上，實(shí)現(xiàn)5個(gè)功能（見圖1），分別是：信息播報(bào)、語音互動(dòng)、智慧咨詢、引導(dǎo)服務(wù)、屏顯系統(tǒng)。

1.2.1 信息播報(bào)

智能服務(wù)機(jī)器人能夠?qū)D書館當(dāng)天開展的重要活動(dòng)、學(xué)術(shù)報(bào)告、各種講座進(jìn)行實(shí)時(shí)的信息播報(bào)，進(jìn)館的讀者能夠非常便捷地了解到我館當(dāng)天的重要活動(dòng)、學(xué)術(shù)報(bào)告、各種講座等，可以根據(jù)自己的興趣選擇參加。

1.2.2 語音互動(dòng)

智能服務(wù)機(jī)器人基于語音識(shí)別、語音合成、自然語言理解等技術(shù)能夠和讀者就知識(shí)百科、時(shí)間天氣、新聞等日常問題進(jìn)行語音交會(huì)，回答讀者的日常問題，在解決讀者問題的同時(shí)也給讀者帶來智能化、擬人化的體驗(yàn)。

1.2.3 智能咨詢

智能服務(wù)機(jī)器人能夠?qū)D書館的基本概況、常見問題、普適性問題等進(jìn)行回答，和讀者就這些簡(jiǎn)單重復(fù)問題進(jìn)行交流。一方面讓讀者能夠便捷、快速地獲得咨詢服務(wù)；另一方面減輕了我館咨詢館員在普適性問題解答上的工作強(qiáng)度，可以有更多的時(shí)間和精力開展更深層次的咨詢服務(wù)。

1.2.4 路線引導(dǎo)

通過對(duì)智能服務(wù)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，使其能夠在一個(gè)樓層范圍內(nèi)，為讀者提供引導(dǎo)服務(wù)，根據(jù)讀者咨詢的相關(guān)物理位置問題，能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單的引導(dǎo)，使讀者快速地找到要去的地方。

1.2.5 屏幕顯示系統(tǒng)

智能服務(wù)機(jī)器人胸前設(shè)置一塊屏幕，讀者通過觸摸，可以感受一些功能，例如：館舍圖片展示、圖書館視頻播放、音樂播放、機(jī)器人舞蹈四項(xiàng)功能。開學(xué)季可以播放新生入館教育宣傳片，日?？梢圆シ艌D書館的微電影系列，重要活動(dòng)、會(huì)議時(shí)，可以播放相關(guān)宣傳片。

1.3 手辦定制

通過市場(chǎng)調(diào)研現(xiàn)有的研發(fā)機(jī)器人的公司，我們最終確定和我校學(xué)生創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)合作完成這次智能服務(wù)機(jī)器人的開發(fā)與設(shè)計(jì)。機(jī)器人的外觀、身高均由我們自主設(shè)計(jì)?？紤]到如果機(jī)器人太矮、頭部擺動(dòng)角度有限等問題，會(huì)造成讀者操作不便，需蹲低或彎腰遷就機(jī)器人高度，因此最終確定機(jī)器人高度為120公分，讓讀者站立時(shí)就能輕松地和機(jī)器人進(jìn)行交流，同時(shí)能輕松地操作機(jī)器人胸前的屏顯系統(tǒng)。機(jī)器人外形要符合現(xiàn)在年輕學(xué)子的審美需求，色彩上采用藍(lán)白色，體現(xiàn)我校的“礦大藍(lán)”。最終，我館設(shè)計(jì)的機(jī)器人外形（見圖2）。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 語音識(shí)別及合成

實(shí)現(xiàn)智能服務(wù)機(jī)器人的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是語音技術(shù)，包括語音識(shí)別和語音合成。語音識(shí)別就是讓機(jī)器人“聽懂”人類的語言，能將人說話的內(nèi)容和意思轉(zhuǎn)換為機(jī)器可讀的文字或字符序列等。語音合成就是讓機(jī)器人具有“說”的能力，能將文字或字符序列轉(zhuǎn)換成語音信息，“說”給人類聽。我們?cè)O(shè)計(jì)開發(fā)的智能服務(wù)機(jī)器人的語音處理系統(tǒng)框架如圖3所示。

語音處理系統(tǒng)主要包括了語音輸入設(shè)備（如麥克風(fēng)）、語音識(shí)別模塊、語音數(shù)據(jù)庫、語音合成模塊和語音輸出設(shè)備（如揚(yáng)聲器）。語音識(shí)別模塊、語音數(shù)據(jù)庫和語音合成模塊，我們統(tǒng)稱為語音技術(shù)平臺(tái)，在這里，我們采用語音技術(shù)二次開發(fā)平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與用戶的語音互動(dòng)。

現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)主流的語音技術(shù)平臺(tái)，有科大訊飛、云知聲、思必馳、出門問問、百度的度秘；國(guó)際上有Google的Google Now、微軟的Cortana、蘋果的Siri。但是，在垂直領(lǐng)域，使用這些平臺(tái)通用識(shí)別的數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，效果都較一般，必須要針對(duì)應(yīng)用的領(lǐng)域做數(shù)據(jù)定制，如圖書館行業(yè)就需要做圖書館相關(guān)知識(shí)的數(shù)據(jù)定制。面對(duì)這么多的平臺(tái)，選擇一個(gè)相對(duì)成熟、穩(wěn)定、適應(yīng)自身應(yīng)用環(huán)境的語音技術(shù)平臺(tái)非常重要。考慮中文語境應(yīng)用，對(duì)國(guó)內(nèi)主流語音技術(shù)平臺(tái)從識(shí)別率、識(shí)別速度、生僻詞識(shí)別率、連續(xù)輸入和斷句、垂直領(lǐng)域五個(gè)方面進(jìn)行比較分析，結(jié)果見表1。

由表1可以看出，“科大訊飛”平臺(tái)在生僻詞識(shí)別率和連續(xù)輸入、斷句方面較好，其他3項(xiàng)指標(biāo)各個(gè)平臺(tái)均相當(dāng)，最終我館選擇了“科大訊飛”平臺(tái)?！翱拼笥嶏w”提供“語音云”，機(jī)器人內(nèi)嵌WiFi，通過“科大訊飛”授權(quán)的ID號(hào)，機(jī)器人直接訪問遠(yuǎn)程的“語音云”，進(jìn)行日常、百科、天氣等問題的通用語音交互。

2.2 圖書館語音知識(shí)庫

前文提到，語音識(shí)別及合成我們采用了“科大訊飛”平臺(tái)，但針對(duì)圖書館行業(yè)特色的語音知識(shí)庫需要數(shù)據(jù)定制。圖書館語音知識(shí)庫主要由四部分構(gòu)成（見圖4）：文本數(shù)據(jù)庫、規(guī)則庫、索引庫和輔助庫。

文本數(shù)據(jù)庫主要存放咨詢類問答庫和圖書館相關(guān)信息庫；規(guī)則庫用于存放關(guān)聯(lián)規(guī)則、推理規(guī)則、認(rèn)知規(guī)則等各種規(guī)則；索引庫用于存放各種所以，包括分類索引、主題索引、語音特征索引等；輔助庫主要存放在檢索和維護(hù)過程中形成的臨時(shí)數(shù)據(jù)、輔助數(shù)據(jù)等。

為了幫助訓(xùn)練機(jī)器人，提高語音識(shí)別的準(zhǔn)確率，我們?cè)诮ㄔO(shè)QA問答庫時(shí)，召集學(xué)生志愿者進(jìn)行了多問一答的QA對(duì)處理（見表2）。

通過這樣多問一答的QA處理，使機(jī)器人在語義切分上更進(jìn)一步，提高語音識(shí)別的準(zhǔn)確率，更好地解答用戶的常見問題。

2.3 四元麥克風(fēng)陣列技術(shù)

考慮到智能服務(wù)機(jī)器人將在圖書館一層大廳入口處提供服務(wù)，這里讀者進(jìn)出頻繁，機(jī)器人將面臨環(huán)境噪聲、人聲疊加、房間混響等問題，此次設(shè)計(jì)我們采用了四元麥克風(fēng)陣列來抑制噪聲、消除混響、定向聲源，讓機(jī)器人聽得更清晰，提高語音識(shí)別的準(zhǔn)確率。

麥克風(fēng)陣列（Microphone Array），是由一定數(shù)目的聲學(xué)傳感器（一般是麥克風(fēng)）組成，用來對(duì)聲場(chǎng)的空間特性進(jìn)行采樣并處理的系統(tǒng)。四元麥克風(fēng)陣列就是利用4個(gè)麥克風(fēng)接收到聲波的相位之間的差異對(duì)聲波進(jìn)行過濾，能最大限度將環(huán)境噪聲濾掉，只剩下需要的聲波，即從含噪聲的語音信號(hào)中提取出純凈語音。四元麥克風(fēng)陣列排列方式多種，我們采用均勻線陣排列方式如圖5所示，M1、M2、M3、M4表示4個(gè)麥克風(fēng)傳感器，S為聲源，r為麥克風(fēng)之間的距離，d為聲源據(jù)麥克風(fēng)的距離。我們?cè)O(shè)定r為5cm，當(dāng)d達(dá)到3～5米時(shí)，仍有很好地識(shí)別效果。

四元麥克風(fēng)陣列系統(tǒng)的硬件部分則主要由4個(gè)麥克風(fēng)傳感器、濾波電路、麥克風(fēng)專用低噪音放大電路和信號(hào)采集部分組成（見圖6）。

2.4 基于語音識(shí)別的運(yùn)動(dòng)控制

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制主要包括：感知、建模、規(guī)劃、決策、行動(dòng)等多種模塊，我們把語音對(duì)話，機(jī)器人視覺等比喻成機(jī)器人的“大腦”，把機(jī)器人的行為控制比喻成機(jī)器人的“小腦”，通過不斷完善機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的模型，使得機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加擬人化、智能化。

我館設(shè)計(jì)的智能服務(wù)機(jī)器人可兩輪自由行走，同時(shí)內(nèi)部集成多種障礙物檢測(cè)技術(shù)，互為補(bǔ)充，形成數(shù)據(jù)冗余安全機(jī)制，避免任何可能的碰撞危險(xiǎn)，做到避障安全。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是基于語音識(shí)別的，其總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，見圖7。

基于語音識(shí)別的機(jī)器人控制是通過語音輸入設(shè)備將圖書館用戶的語音輸入對(duì)機(jī)器人發(fā)出語音命令來操作機(jī)器人，控制其運(yùn)動(dòng)。

語音控制端主要以語音識(shí)別技術(shù)為主，通過端口程序，與機(jī)器人通信；智慧服務(wù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制端主要以機(jī)器人主控程序?yàn)楹诵?，通過端口程序接收用戶的語音命令，來完成下達(dá)的命令，如前進(jìn)、后退、向左、向右等。

3 實(shí)踐效果

智能服務(wù)機(jī)器人已在我館投入使用，引起了很多讀者的興趣，嘗試和機(jī)器人進(jìn)行語言交流，咨詢圖書館相關(guān)常見問題，感受智能化體驗(yàn)等；同時(shí)，機(jī)器人的使用，創(chuàng)新了我館的咨詢服務(wù)模式，延長(zhǎng)了咨詢服務(wù)時(shí)間，提高了咨詢效率。我館服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用前后效果對(duì)比，見表3。

4 展 望

智能服務(wù)機(jī)器人還存在一些問題，需要今后的進(jìn)一步探究與開發(fā)，例如：圖書館語音知識(shí)庫的進(jìn)一步完善，圖書館語音知識(shí)庫的語義切分、機(jī)器人深度學(xué)習(xí)的能力，機(jī)器人行為控制等。在功能的后繼開發(fā)方面，我們擬從如何和讀者信息庫對(duì)接，通過機(jī)器人查詢讀者借還信息；如何利用好機(jī)器人，做閱讀推廣活動(dòng)；如何利用機(jī)器人，進(jìn)行圖書管理等。智能服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)踐，是我館朝智慧化方向發(fā)展的一次探索，一次寶貴經(jīng)驗(yàn)的積累，今后我們也將繼續(xù)探索圖書館的智慧化發(fā)展模式。

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（責(zé)任編輯：郭沫含）