大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的圖書(shū)館信息檢索系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

吳云

摘? 要： 針對(duì)當(dāng)前圖書(shū)館信息檢索系統(tǒng)存在信息檢索誤差大、工作效率低等難題，為了獲得理想圖書(shū)館信息檢索結(jié)果，設(shè)計(jì)了一種基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的圖書(shū)館信息檢索系統(tǒng)。首先對(duì)圖書(shū)館信息檢索系統(tǒng)的功能進(jìn)行描述，建立了圖書(shū)館信息檢索系統(tǒng)的總體框架;然后對(duì)圖書(shū)館信息檢索的硬件子系統(tǒng)和軟件子系統(tǒng)分別進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)描述了圖書(shū)館信息檢索算法;最后在相同實(shí)驗(yàn)條件下，與其他圖書(shū)館信息檢索系統(tǒng)做了仿真對(duì)比測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，相對(duì)于其他圖書(shū)館信息檢索系統(tǒng)，文中系統(tǒng)的圖書(shū)館信息檢索精度得到了大幅度的提升，同時(shí)加快了圖書(shū)館信息檢索速度，可以為學(xué)生快速、精確檢測(cè)到真正需要的信息，可以應(yīng)用于實(shí)際的高校圖書(shū)館管理中，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 大數(shù)據(jù)分析技術(shù); 圖書(shū)館信息; 檢索系統(tǒng); 組件設(shè)計(jì); 數(shù)據(jù)處理; 仿真實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN919.5?34; TP311? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）19?0167?04

Abstract： The current library information retrieval system has some deficiencies， like big information retrieval error and low working efficiency. Therefore， a library information retrieval system based on big data analysis technology is proposed for ideal retrievals. The functions of the library information retrieval system is described， and the general framework is built. Then， its hardware subsystem and software subsystem are designed in detail. Moreover， the algorithm of the library information retrieval is described. Simulation test was performed to compare the proposed system and other systems under the same experimental conditions. The test results show that， in comparison with other library information retrieval systems， the retrieval accuracy of this system is greatly improved and the retrieval speed is accelerated， too. It can quickly and accurately detect the information that the students really need. Therefore， the system has a high practical application value in the practical management of university library.

Keywords： big data analysis technology; library information; retrieval system; component design; data processing; simulation experiment

0? 引? 言

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)程中，圖書(shū)館的精準(zhǔn)檢索對(duì)于創(chuàng)造數(shù)字用戶(hù)知識(shí)具有一定的作用。將傳統(tǒng)模式作為基礎(chǔ)的圖書(shū)館，信息組織方式無(wú)法呈現(xiàn)信息內(nèi)部組織關(guān)系和邏輯關(guān)系，只是以關(guān)鍵詞層次信息檢索，無(wú)法展現(xiàn)信息內(nèi)部語(yǔ)義關(guān)聯(lián)，不規(guī)范操作會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不兼容，主要是因?yàn)閳D書(shū)館檢索結(jié)果偏離用戶(hù)的實(shí)際需求，從而無(wú)法有效的檢索。因此，就要利用全新技術(shù)對(duì)圖書(shū)館傳統(tǒng)信息檢索方式進(jìn)行創(chuàng)新[1]。

為了獲得理想圖書(shū)館信息檢索結(jié)果，本文設(shè)計(jì)了一種基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的圖書(shū)館信息檢索系統(tǒng)。首先建立了圖書(shū)館信息檢索系統(tǒng)的總體框架，然后對(duì)圖書(shū)館信息檢索的硬件子系統(tǒng)和軟件子系統(tǒng)分別進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，最后與其他圖書(shū)館信息檢索系統(tǒng)做了仿真對(duì)比測(cè)試，結(jié)果表明，本文系統(tǒng)的圖書(shū)館信息檢索精度、速度得到提高，解決了共享使用中的問(wèn)題。

1? 圖書(shū)館信息檢索系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想

在創(chuàng)建圖書(shū)館信息檢索系統(tǒng)過(guò)程中，要基于拓展性、實(shí)用性、可用性、開(kāi)放性和持久性，針對(duì)用戶(hù)選擇檢索方式，確定大數(shù)據(jù)適用的范圍和使用范圍，通過(guò)相應(yīng)算法，基于工程師和學(xué)科專(zhuān)家創(chuàng)建系統(tǒng)框架，從而創(chuàng)建大數(shù)據(jù)知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)信息檢索系統(tǒng)的創(chuàng)建[2]。圖書(shū)館信息檢索系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2? 圖書(shū)館信息檢索系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)

2.1? 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)教學(xué)信息檢索的學(xué)習(xí)行為具備多因素性與繁瑣性，并且檢索信息目的性比較模糊，大量不確定性因素會(huì)導(dǎo)致半結(jié)構(gòu)化的問(wèn)題出現(xiàn)?；诮y(tǒng)計(jì)學(xué)角度分析，傳統(tǒng)教學(xué)多媒體信息無(wú)法創(chuàng)建檢索模型，基于控制學(xué)角度，無(wú)法對(duì)圖書(shū)信息精準(zhǔn)跟蹤。因此，基于大數(shù)據(jù)的圖書(shū)館信息檢索系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是非常有必要的[3]。

2.1.1? 數(shù)據(jù)源追溯組件設(shè)計(jì)

基于大數(shù)據(jù)分析的圖書(shū)館信息檢索硬件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)源追蹤設(shè)計(jì)主要是跟蹤圖書(shū)館多媒體情況，及時(shí)收集用戶(hù)行為特征數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)源都來(lái)源于多媒體服務(wù)器終端備忘錄系統(tǒng)，每隔3 min就會(huì)自動(dòng)保存，所以數(shù)據(jù)收集誤差小，對(duì)于數(shù)據(jù)源跟蹤效果良好。

2.1.2? 數(shù)據(jù)挖掘組件設(shè)計(jì)

信息檢索系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就是選擇知識(shí)庫(kù)，知識(shí)庫(kù)為具備規(guī)則性集合體，使用基于數(shù)據(jù)熵的數(shù)據(jù)挖掘算法，能夠?qū)Σ煌挠行?shù)據(jù)進(jìn)行挖掘[4]。

假設(shè)多媒體信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)[N]為：

式中[a]指的是數(shù)據(jù)挖掘?qū)ο?，如果?/p>

那么，對(duì)象[p]就相當(dāng)于[N]的數(shù)據(jù)挖掘信息：

式中：[H（N）]指的是[N]的信息熵;[Ha（N）]指的是數(shù)據(jù)挖掘?qū)ο骩a]之后[N]的信息熵。

在數(shù)據(jù)挖掘不斷深入的過(guò)程中，知識(shí)庫(kù)會(huì)不斷地添加全新的規(guī)則對(duì)系統(tǒng)智能性進(jìn)行制約?；跀?shù)據(jù)熵多媒體信息挖掘設(shè)計(jì)不僅能夠利用知識(shí)庫(kù)方式進(jìn)行展現(xiàn)，還能夠?qū)ν诰驍?shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行解析[5]。

2.1.3? 系統(tǒng)預(yù)警組件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)預(yù)警設(shè)計(jì)主要是針對(duì)用戶(hù)在圖書(shū)館中的檢索進(jìn)度，利用設(shè)計(jì)的自動(dòng)推理指標(biāo)系統(tǒng)評(píng)價(jià)用戶(hù)多媒體學(xué)習(xí)情況綜合指標(biāo)，判斷用戶(hù)檢索教學(xué)多媒體信息情況。假如在某時(shí)間段中用戶(hù)進(jìn)度低于標(biāo)準(zhǔn)值70%，就會(huì)出現(xiàn)警告信息[6]。

以上述三個(gè)組件實(shí)現(xiàn)檢索系統(tǒng)設(shè)計(jì)，得到檢索系統(tǒng)檢索流程，如圖2所示。

通過(guò)圖2可以看出，用戶(hù)利用圖書(shū)館檢索圖書(shū)，信息檢索系統(tǒng)備忘錄對(duì)用戶(hù)查看圖書(shū)情況進(jìn)行記錄，并且收集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過(guò)預(yù)處理后對(duì)數(shù)據(jù)追蹤組件進(jìn)行傳遞，數(shù)據(jù)組件利用數(shù)據(jù)挖掘計(jì)算通過(guò)知識(shí)庫(kù)方式充分展現(xiàn)，對(duì)挖掘后數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行解析，最終使數(shù)據(jù)在系統(tǒng)報(bào)警裝置中傳輸。如果用戶(hù)查看圖書(shū)進(jìn)度落后，將警告系統(tǒng)啟動(dòng)，完成檢索系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)[7]。

2.2? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1? 數(shù)字資源本體管理模塊

數(shù)字資源管理模塊是創(chuàng)建圖書(shū)館多媒體信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要的功能就是對(duì)圖書(shū)館信息資源進(jìn)行組織和處理，滿(mǎn)足用戶(hù)使用需求。由技術(shù)工程師和專(zhuān)家，通過(guò)開(kāi)發(fā)工具和本體語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)知識(shí)信息概念空間的創(chuàng)建，從而創(chuàng)建領(lǐng)域本體。另外，通過(guò)領(lǐng)域本體關(guān)聯(lián)文本信息內(nèi)容，利用語(yǔ)義模型對(duì)信息概念相似度進(jìn)行計(jì)算[8]。

2.2.2? 用戶(hù)輸入和智能拓展

以用戶(hù)使用自然語(yǔ)言在智能檢索系統(tǒng)所輸入的語(yǔ)句和關(guān)鍵詞作為基礎(chǔ)，對(duì)用戶(hù)知識(shí)需求進(jìn)行判斷，從而設(shè)計(jì)用戶(hù)輸入和智能拓展模塊，通過(guò)語(yǔ)義模型與領(lǐng)域概念邏輯關(guān)系提取關(guān)鍵詞，尋找相應(yīng)語(yǔ)句和關(guān)鍵詞。通過(guò)圖書(shū)館信息資源的概念、屬性、定義類(lèi)等等級(jí)體系，根據(jù)領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行推理和計(jì)算，對(duì)滿(mǎn)足用戶(hù)需求度的主要詞匯進(jìn)行選擇，代替用戶(hù)輸入自然語(yǔ)言，創(chuàng)建擴(kuò)展語(yǔ)義邏輯表達(dá)式，提交到智能檢索模塊中進(jìn)行搜索[9]。

2.2.3? 數(shù)據(jù)規(guī)范化處理

首先利用數(shù)據(jù)挖掘算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成處理，使數(shù)據(jù)滿(mǎn)足規(guī)范化處理需求。數(shù)據(jù)規(guī)范化處理流程如圖3所示。

在合成記錄中，由于圖書(shū)館中自動(dòng)化系統(tǒng)提供不同軟件開(kāi)發(fā)商，所以彼此缺少協(xié)調(diào)和溝通。實(shí)現(xiàn)用戶(hù)信息挖掘的前提是規(guī)范化處理各個(gè)服務(wù)供應(yīng)商系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)字段中不同的含義和格式，以處理后的數(shù)據(jù)作為唯一標(biāo)識(shí)用戶(hù)數(shù)字字段，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)行為數(shù)據(jù)集合。對(duì)于高校師生來(lái)說(shuō)，圖書(shū)借閱證是其使用圖書(shū)館資源成為連續(xù)用戶(hù)在不同數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的連續(xù)標(biāo)識(shí)符[10]。

數(shù)據(jù)規(guī)約中的網(wǎng)絡(luò)日志與數(shù)據(jù)庫(kù)信息記錄存在的記錄和標(biāo)識(shí)方法不同，數(shù)據(jù)歸約功能能夠?qū)崿F(xiàn)不同屬性，但是相同含義的數(shù)據(jù)規(guī)范化處理使數(shù)據(jù)歧義得到降低，提高分析數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性[11]。

數(shù)據(jù)清理通過(guò)數(shù)據(jù)歸約和記錄模塊處理之后，相同用戶(hù)在不同數(shù)據(jù)庫(kù)記錄在同個(gè)字段集中，此字段值具備重復(fù)記錄作用，要將屬性值保留，將重復(fù)屬性值剔除。部分?jǐn)?shù)據(jù)不全，針對(duì)遺漏數(shù)據(jù)信息要補(bǔ)充，跟蹤錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)清理模塊要將噪聲數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)、污染數(shù)據(jù)進(jìn)行清除。

不同數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)算法對(duì)于數(shù)據(jù)的要求不同，數(shù)據(jù)變換模塊利用數(shù)據(jù)概化、平滑聚類(lèi)等方法使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成為滿(mǎn)足數(shù)據(jù)挖掘算法需求的數(shù)據(jù)方式[12]。

2.2.4? 創(chuàng)建索引模塊

索引模塊創(chuàng)建的過(guò)程為：通過(guò)Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)得到元數(shù)據(jù)，對(duì)元數(shù)據(jù)解析生成Field對(duì)象，以此創(chuàng)建Document對(duì)象，利用ES全文索引技術(shù)創(chuàng)建IndexWriter的索引。ES索引創(chuàng)建流程圖如圖4所示。

2.2.5? 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

云存儲(chǔ)HDFS分布式文件系統(tǒng)使用4臺(tái)Linux機(jī)器構(gòu)成集群，每個(gè)塊中保存3個(gè)副本。云作為基礎(chǔ)設(shè)備，使圖書(shū)館不需要承擔(dān)數(shù)據(jù)中心管理成本[13]。

元數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)：針對(duì)學(xué)校自主資源，要?jiǎng)?chuàng)建自身元數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)現(xiàn)資源分類(lèi)、編目標(biāo)引、創(chuàng)建完整數(shù)據(jù)庫(kù)。本文將DC元數(shù)據(jù)核心作為根據(jù)，以實(shí)際需求實(shí)現(xiàn)元素使用和擴(kuò)展，構(gòu)成滿(mǎn)足高校圖書(shū)館需求的元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在創(chuàng)建系統(tǒng)元數(shù)據(jù)過(guò)程中，不僅要將元數(shù)據(jù)字段進(jìn)行擴(kuò)展，還要對(duì)其保留，包括文獻(xiàn)被訪問(wèn)次數(shù)、文獻(xiàn)被下載次數(shù)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：圖書(shū)館文獻(xiàn)資源存儲(chǔ)主要包括文獻(xiàn)元數(shù)據(jù)和附件的存儲(chǔ)。其中，文獻(xiàn)元數(shù)據(jù)添加filepath字段后在Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中保存，存儲(chǔ)路徑為HDFS系統(tǒng);附件的修改與刪除需在HDFS系統(tǒng)中進(jìn)行，修改附件對(duì)應(yīng)元數(shù)據(jù)filepath字段，并將云存儲(chǔ)原附件刪除，上傳修改后的新附件[14]。

2.2.6? 信息分析模塊

此模塊通過(guò)移動(dòng)信息、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)日志等對(duì)用戶(hù)群體需求進(jìn)行分析。移動(dòng)信息分析是利用虛擬人際關(guān)系開(kāi)展信息求助，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)分析模塊利用技術(shù)手段，使用戶(hù)利用咨詢(xún)內(nèi)容和反饋信息記載、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)實(shí)現(xiàn)處理，互聯(lián)網(wǎng)日志能夠通過(guò)用戶(hù)使用過(guò)程中的痕跡，分析用戶(hù)網(wǎng)絡(luò)信息行為。

另外，通過(guò)信息推送，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)群體定制信息，利用電子資源庫(kù)和借閱館藏書(shū)籍，使信息過(guò)濾[15]，推送到用戶(hù)接口，用戶(hù)還能夠通過(guò)館藏資源信息服務(wù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)信息的推送，以此實(shí)現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)的圖書(shū)館主動(dòng)推送的信息服務(wù)。

3? 圖書(shū)館信息檢索系統(tǒng)性能測(cè)試

本文選擇中南大學(xué)圖書(shū)館中文文獻(xiàn)資源作為測(cè)試數(shù)據(jù)，選擇農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等方面32萬(wàn)份文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，測(cè)試檢索詞包括維生素、觀察、胃鏡、太空、汽車(chē)、遙控6個(gè)詞，分別在單個(gè)ES數(shù)據(jù)庫(kù)、Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)、ES集群數(shù)據(jù)庫(kù)檢索測(cè)試，并且進(jìn)行對(duì)比。

統(tǒng)計(jì)采用本文系統(tǒng)在Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)檢索6個(gè)關(guān)鍵詞的檢索相關(guān)準(zhǔn)確性，為直觀展示本文系統(tǒng)的檢索性能，將本文系統(tǒng)與云計(jì)算檢索系統(tǒng)以及分布式檢索系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

統(tǒng)計(jì)采用本文系統(tǒng)在單個(gè)ES數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)檢索6個(gè)關(guān)鍵詞的檢索相關(guān)準(zhǔn)確性，為直觀展示本文系統(tǒng)的檢索性能，將本文系統(tǒng)與云計(jì)算檢索系統(tǒng)以及分布式檢索系統(tǒng)對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

統(tǒng)計(jì)采用本文系統(tǒng)在ES集群數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)檢索6個(gè)關(guān)鍵詞的檢索相關(guān)準(zhǔn)確性，為直觀展示本文系統(tǒng)的檢索性能，將本文系統(tǒng)與云計(jì)算檢索系統(tǒng)以及分布式檢索系統(tǒng)對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

通過(guò)圖5～圖7實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：采用本文系統(tǒng)在不同數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)檢索維生素、觀察、胃鏡等6個(gè)檢索詞的檢索相關(guān)準(zhǔn)確性均高于96%;而采用云計(jì)算檢索系統(tǒng)以及分布式檢索系統(tǒng)在不同數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)檢索維生素、觀察、胃鏡等6個(gè)檢索詞的檢索相關(guān)準(zhǔn)確性均低于96%。檢索結(jié)果表明，本文系統(tǒng)在不同數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)檢索不同檢索詞的準(zhǔn)確性均明顯高于云計(jì)算檢索系統(tǒng)以及分布式檢索系統(tǒng)，有效驗(yàn)證了本文系統(tǒng)檢索關(guān)鍵詞的檢索精度。

統(tǒng)計(jì)采用不同系統(tǒng)在Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)輸入6個(gè)不同關(guān)鍵詞的檢索時(shí)間，對(duì)比結(jié)果如表1所示。

統(tǒng)計(jì)采用不同系統(tǒng)在單個(gè)ES數(shù)據(jù)庫(kù)輸入6個(gè)不同關(guān)鍵詞的檢索時(shí)間，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

統(tǒng)計(jì)采用不同系統(tǒng)在ES集群數(shù)據(jù)庫(kù)輸入6個(gè)不同關(guān)鍵詞的檢索時(shí)間，對(duì)比結(jié)果如表3所示。

檢索系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是評(píng)價(jià)檢索性能高低的重要指標(biāo)。通過(guò)表1～表3測(cè)試結(jié)果表明：本文系統(tǒng)檢索不同檢索詞時(shí)間均低于20 ms，說(shuō)明本文系統(tǒng)可符合不同數(shù)據(jù)庫(kù)的不同檢索需求，對(duì)于不同的數(shù)據(jù)庫(kù)輸入不同關(guān)鍵詞均可保持較快的檢索速度，且檢索時(shí)間變化不大，驗(yàn)證了本文系統(tǒng)檢索的魯棒性;而云計(jì)算檢索系統(tǒng)以及分布式檢索系統(tǒng)對(duì)于不同的數(shù)據(jù)庫(kù)輸入不同關(guān)鍵詞檢索時(shí)間均高于50 ms，且檢索時(shí)間變化較大。上述結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的檢索系統(tǒng)的檢索速度比云計(jì)算檢索系統(tǒng)以及分布式檢索系統(tǒng)的速度快，滿(mǎn)足實(shí)際使用需求。

4? 結(jié)? 語(yǔ)

網(wǎng)絡(luò)的逐漸普及促進(jìn)了大數(shù)據(jù)分析教育的發(fā)展，使用高精準(zhǔn)率、強(qiáng)靈活性的智能化教育，是目前最流行的手段。信息檢索系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目的就是滿(mǎn)足教育高效率、高信息、大規(guī)模、低成本的準(zhǔn)則?；诖髷?shù)據(jù)的圖書(shū)館信息檢索系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)用戶(hù)的信息跟蹤，使用檢索軟件分析用戶(hù)的檢索情況。在系統(tǒng)不斷完善的過(guò)程中，能夠根據(jù)用戶(hù)習(xí)慣與特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)信息資源的提供，從而能夠?qū)崟r(shí)反饋智能檢索服務(wù)效果，以反饋的結(jié)果對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，使檢索效能得到提高。

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