基于圖書館Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的智能應(yīng)用研究

(天津圖書館，天津 300201)

1 Wi-Fi 概述及其在圖書館行業(yè)的應(yīng)用背景

Wi-Fi 全稱Wireless Fidelity，是無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network，WLAN）的重要組成部分，最早出現(xiàn)于1999 年，是Wi-Fi 聯(lián)盟（當時名為Wireless Ethernet Compatibility Alliance，WECA，后于2002 年10 月改名為Wi-Fi Alliance）產(chǎn)品的品牌認證[1]，也是一種基于IEEE 802.11 標準最為常見的WLAN 通信技術(shù)。與同屬WLAN 體系的Bluetooth、Zigbee、HomeRF 等無線技術(shù)相比，Wi-Fi 具有更廣的信號覆蓋范圍、更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更安全的訪問控制技術(shù)和更開放的設(shè)備使用條件，與無線移動網(wǎng)絡(luò)（如2G/3G/4G/5G）相比又具有信號穿透力強、易部署、免資費等優(yōu)勢，因此被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)外移動通信、路徑導(dǎo)航、目標定位和數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域。中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，圖書館行業(yè)最早關(guān)于Wi-Fi 的研究是2000 年張華發(fā)表的 《無線局域網(wǎng)在圖書館自動化中的應(yīng)用和影響》 一文。2003 年起隨著“智慧圖書館”“圖書館虛擬空間”等概念的相繼提出，Wi-Fi 逐漸被圖書館行業(yè)重視，針對Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的探索、研究和應(yīng)用進入快速發(fā)展階段。2004 年清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等國內(nèi)多所一流大學(xué)率先在校園部署無線局域網(wǎng)[2]，成為Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和應(yīng)用的先驅(qū)。2005 年西安交通大學(xué)圖書館[3]率先使用接入點（Access Point，AP）、無線接入控制器（AC）、無線終端（Station，STA）和無線網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)成功解決了Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)全覆蓋環(huán)境下的安全控制和用戶管理問題；2010 年北京郵電大學(xué)圖書館通過J2EE+NOKIA 地圖導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)和RFID+Wi-Fi+Zigbee 感知定位技術(shù)開發(fā)出智能圖書館示范系統(tǒng)，實現(xiàn)手機圖書智能清點、OPAC 感知定位和基于位置的讀者信息推送等功能，為圖書館行業(yè)開發(fā)和部署基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧圖書館提供了策略指導(dǎo)[4]。在21 世紀第一個10 年，圖書館行業(yè)在普及和深入推進Wi-Fi 技術(shù)應(yīng)用方面發(fā)揮了積極的示范作用。隨著Wi-Fi4、Wi-Fi5、Wi-Fi6（表1）標準在第二個10 年的不斷更新，基于Wi-Fi 的融合技術(shù)已在社會多個領(lǐng)域發(fā)揮出更具創(chuàng)新性的應(yīng)用價值，例如近年來STA 數(shù)量的爆發(fā)式增長為4G、5G 等移動通信網(wǎng)絡(luò)造成了巨大負擔[5]，而Wi-Fi 能有效承載分流，成為4G 和5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)的最有力補充，極大緩解了運營商的服務(wù)壓力。2019 年7 月深圳福田地鐵站使用Wi-Fi6+5G 建成全國首個智慧交通樞紐，通過免費網(wǎng)絡(luò)接入和數(shù)字支付方式極大改善了旅客乘車體驗。國外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)通過物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動的Wi-Fi 節(jié)點信號強度指標（RSSI）能準確定位搜救目標[6]，解決了以往在沒有任何GPS和5G 信號的礦井內(nèi)無法及時發(fā)現(xiàn)遇險礦工的難題。圖書館應(yīng)該從其他行業(yè)對Wi-Fi 技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用中汲取靈感，創(chuàng)新思路，幫助自身擺脫發(fā)展過程中遇到的各種困境。

表1 無線局域網(wǎng)標準Table 1 WLAN standard

2 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和管理

美國早在2004 年就提出了“無線費城計劃”，自此無線城市建設(shè)浪潮開始席卷全球。2013 年中國移動提出Wi-Fi、GSM、TD-SCDMA 和LTE“四網(wǎng)協(xié)同”戰(zhàn)略[7]，確立了Wi-Fi 長期發(fā)展思想，中國“十三五”規(guī)劃則明確要求要加快信息網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用，在城鎮(zhèn)熱點公共區(qū)域推廣免費高速WLAN 接入[8]。隨著國家Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)計劃的推進和建設(shè)規(guī)模的進一步擴大，城鎮(zhèn)級公共區(qū)域的Wi-Fi 全覆蓋將勢在必行。

2.1 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖書館應(yīng)根據(jù)館舍建筑空間和知識服務(wù)對象等條件和需求，遵循實用、全面、安全、易于維護和可彈性擴展等原則規(guī)劃Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)。

目前圖書館行業(yè)通常采用非獨立式無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行組網(wǎng)[9]，以有效整合LAN 和WLAN 資源，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。如圖1 所示，一個典型的Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)主要包含有PoE 交換機、AC、AP 和STA 等設(shè)備，由PoE 交換機連接各AP，由AC 完成AP 的數(shù)據(jù)匯聚、配置管理以及STA 的接入認證，通過向上接入核心層交換機并匯入LAN 骨干網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)Internet 數(shù)據(jù)通信。PoE 交換機、AC 和AP 的組網(wǎng)模式能夠?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一用戶接入、上網(wǎng)行為管理和自動規(guī)劃射頻等基礎(chǔ)功能，在集中管控全網(wǎng)設(shè)備的基礎(chǔ)上進一步減少人工干預(yù)[10]，AP 可設(shè)置成與AC 自動關(guān)聯(lián)以實時獲取配置列表和更新軟件版本，最大程度上實現(xiàn)零配置、免維護和即插即用，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)管理成本。為進一步加強用戶接入認證安全，應(yīng)在匯聚層交換機接入Radius 認證服務(wù)器控制Wi-Fi接入用戶的身份認證。為均衡網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器性能開銷，提高網(wǎng)絡(luò)安全防護能力，應(yīng)在核心交換機上部署負載均衡（LB）、入侵檢測（IDS）、入侵防御（IPS）和應(yīng)用控制網(wǎng)關(guān)（ACG）等安全業(yè)務(wù)板卡。核心交換機旁路接入上網(wǎng)行為管理設(shè)備實現(xiàn)對Wi-Fi 接入用戶的實時行為管控。

2.2 安全管理和優(yōu)化

Wi-Fi 信號易被搜索發(fā)現(xiàn)且STA 到AP 的整個接入和數(shù)據(jù)通信過程都暴露在空氣介質(zhì)中，有被非法用戶接入并獲取密碼的風險[11]，為有效降低風險應(yīng)采取用戶接入認證[12]、用戶分級和非法用戶入侵防御等安全管理措施?，F(xiàn)階段常用的安全措施包括：①配置802.1X、Portal、Radius 等認證服務(wù)器實現(xiàn)對接入用戶的識別和審計，從源頭上加強用戶準入管理；②針對用戶角色，如圖書館工作人員、讀者和臨時訪客等接入用戶劃分VLAN 和SSID，通過設(shè)置不同權(quán)限實現(xiàn)精細識別；③使用MAC 地址綁定、IP 地址過濾、WPA/WPA2 加密等基礎(chǔ)手段提高安全防御，據(jù)了解目前國外研究人員已成功使用橢圓曲線偽隨機數(shù)發(fā)生器（BBS-ECPRNG）算法生成比WPA2 更難以被破解的密碼[13]，并有望在將來的無線路由器產(chǎn)品中加以應(yīng)用；④通過上網(wǎng)行為管理軟硬件產(chǎn)品提供的防共享技術(shù)和非法Wi-Fi 熱點識別技術(shù)偵測網(wǎng)絡(luò)攻擊，識別并封堵非法用戶，實現(xiàn)主動防御。

帶寬是影響Wi-Fi 接入用戶體驗效果的直接因素，應(yīng)考慮提高互聯(lián)網(wǎng)出口總帶寬，采取獨立千兆光纖接入或提高單用戶接入速度等措施優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。在準入策略上應(yīng)提供更豐富的用戶認證方式如讀者證、身份證、短信、二維碼等，進一步提高接入靈活性。

3 圖書館Wi-Fi 智能應(yīng)用場景及模式研究

圖1 圖書館Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Library's Wi-Fi network architecture

經(jīng)過對Wi-Fi 技術(shù)近20 年的探索和應(yīng)用，包括公共圖書館、高校圖書館、行業(yè)圖書館等在內(nèi)的社會公益性服務(wù)機構(gòu)、教育機構(gòu)和商業(yè)機構(gòu)都在不斷推動Wi-Fi 和物聯(lián)網(wǎng)、GPS、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的融合應(yīng)用中做出了大量嘗試，以不斷挖掘其在知識服務(wù)和智能管理領(lǐng)域的深層應(yīng)用價值。

3.1 創(chuàng)新圖書館知識服務(wù)場景

范并思教授認為信息技術(shù)是過去20 年圖書館事業(yè)發(fā)生巨變的決定性推動力量之一[14]，新技術(shù)應(yīng)用使數(shù)字化、移動化、自助化的知識服務(wù)發(fā)展為更具活力和核心價值的圖書館主流服務(wù)模式?；赪i-Fi 接入的移動式閱讀因具有用戶泛在化特性，為全民閱讀推廣提供了新的服務(wù)思路[15]，進一步豐富了圖書館知識服務(wù)內(nèi)容。

3.1.1 更靈活的移動閱讀

Wi-Fi 憑借其移動互聯(lián)特性助力圖書館更靈活地開展移動型數(shù)字閱讀服務(wù)。讀者以往在電子閱覽室、數(shù)字體驗區(qū)等固定場地的視聽、閱覽體驗常常受開放時間、空間、設(shè)備和座位數(shù)量等條件限制，在Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下讀者可以選擇使用圖書館提供或個人自帶的移動閱讀設(shè)備更加靈活便捷地進行數(shù)字閱讀。國家圖書館、太原市圖書館等國內(nèi)多家圖書館均開通了電子書閱讀器外借和數(shù)字資源免費下載服務(wù)，讀者可選擇租借圖書館提供的預(yù)裝有數(shù)字資源的手持電子書閱讀器，或使用手機、平板電腦等智能終端免費下載使用數(shù)字資源。通過穩(wěn)定、快速的無線網(wǎng)絡(luò)接入營造移動式數(shù)字閱讀環(huán)境，打破讀者以往只能在圖書館固定區(qū)域才能進行數(shù)字閱讀的限制，進一步豐富了讀者的閱讀體驗。

3.1.2 更準確的文獻定位

以往讀者和圖書管理員需要根據(jù)索書號或排架號尋找在架目標文獻，查找效率低，而通過RFID 標簽識別、GPS 和Wi-Fi 定位等技術(shù)融合，在文獻閱覽室、書庫等過去較難進行文獻精確查找的大面積區(qū)域?qū)崿F(xiàn)文獻的準確定位，不僅有效解決了圖書架位布局受限和布線復(fù)雜等問題，而且大幅提高了工作人員圖書盤點和排架的工作效率。目前基于Wi-Fi 的圖書智能定位導(dǎo)航系統(tǒng)已在圖書館投入應(yīng)用，比較典型的有北京聯(lián)合大學(xué)圖書館研發(fā)的圖書智能定位系統(tǒng)[16]，該系統(tǒng)利用RFID 圖書信息采集系統(tǒng)讀取在架圖書的狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)Wi-Fi 同步至圖書管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)圖書智能定位和無線書聯(lián)網(wǎng)，幫助讀者和工作人員更加快速準確地尋找到目標文獻。在Wi-Fi 接入環(huán)境下讀者還可以通過移動終端實時獲取圖書館發(fā)布的動態(tài)信息，如文獻借閱排行、在架圖書信息、流通統(tǒng)計、閱覽自習(xí)室座位使用率等實時數(shù)據(jù)，更加快捷、高效地利用圖書館資源。

3.1.3 更智能的人機交互

少年兒童、老年人和殘障讀者是圖書館特別重視的服務(wù)群體。為該群體提供更具吸引力和關(guān)懷力的引導(dǎo)、輔助式閱讀服務(wù)是體現(xiàn)圖書館公共文化服務(wù)均等化的有利舉措，基于Wi-Fi 的移動智能服務(wù)能夠更方便地引導(dǎo)低齡、老齡和殘障讀者完成自助閱讀，體現(xiàn)圖書館的人文關(guān)懷。例如天津圖書館、蕭山圖書館、西南大學(xué)圖書館等多家圖書館均使用了智能服務(wù)機器人為讀者提供問路指引、圖書檢索、知識問答等豐富的互動功能；西南大學(xué)圖書館則面向特殊群體如殘障、視障讀者提供了可安裝在輪椅和盲人拐杖等工具上的一鍵式無線通信設(shè)備[17]，極大改善了自助閱讀條件。

3.1.4 更便捷的移動支付

截至2020 年3 月，中國手機支付用戶數(shù)量已超過7.65 億，占手機網(wǎng)民的85.3[18]，移動支付規(guī)模居全球第一。借助支付寶、微信等移動支付平臺收取押金、文獻逾期、圖書賠償、文印和代檢代查委托等有償服務(wù)費用，通過免現(xiàn)金支付形式簡化讀者繳費服務(wù)，成為目前圖書館行業(yè)的主流結(jié)算形式，如上海交通大學(xué)基于移動認證與支付的圖書館自助文印平臺[19]，使用“移動認證”+“移動支付”的運營模式節(jié)省讀者刷卡認證和人工支付等環(huán)節(jié)，成為Wi-Fi 在智慧圖書館自助服務(wù)中的典型應(yīng)用。

3.1.5 更便民的延伸服務(wù)

在Wi-Fi 全覆蓋環(huán)境下，通過無線路由器和自助閱讀機的簡單組合即可解決圖書館下屬各級文化服務(wù)場所紙質(zhì)館藏量受限和服務(wù)模式單一等問題，更好實現(xiàn)圖書館總分館模式下數(shù)字資源借閱服務(wù)的全面覆蓋。如天津市和平區(qū)圖書館在各商業(yè)網(wǎng)點內(nèi)設(shè)置的數(shù)字閱讀機可通過Wi-Fi 連接至圖書館云端服務(wù)器，實時更新數(shù)據(jù)庫資源，讀者僅需掃描二維碼即可實現(xiàn)紙質(zhì)圖書借還和電子資源下載閱覽，通過這種小、快、靈的數(shù)字服務(wù)模式進一步提高圖書資源流通效率，拓寬圖書借閱服務(wù)渠道（表2）。

3.2 完善圖書館智慧管理模式

李彩寧[20]認為智慧型圖書館應(yīng)以秉承圖書館基本職能與核心價值為前提，依托信息技術(shù)，利用互聯(lián)、感知等智能化技術(shù)深入挖掘用戶信息資源，在不同應(yīng)用場景下提供更為精準化的服務(wù)，通過不斷優(yōu)化業(yè)務(wù)流程提升服務(wù)效能，實現(xiàn)自身可持續(xù)發(fā)展。隨著移動通信技術(shù)的快速發(fā)展和配套STA 產(chǎn)品的市場普及，移動互聯(lián)數(shù)據(jù)已在圖書館行業(yè)體現(xiàn)出越來越重要的戰(zhàn)略價值，較之4G、5G 的高資費和信號覆蓋差等劣勢，Wi-Fi 的免費接入和全覆蓋能吸引更多讀者來到圖書館，成為獲取移動互聯(lián)數(shù)據(jù)的最直接途徑。

3.2.1 基于移動數(shù)據(jù)的決策分析

自2013 年以來圖書館行業(yè)開始認識到無線網(wǎng)絡(luò)帶來的大數(shù)據(jù)方面的價值[21]。融合RFID 和Wi-Fi 技術(shù)，通過大數(shù)據(jù)分析生成移動用戶數(shù)據(jù)逐漸成為智慧無線網(wǎng)絡(luò)的重要價值體現(xiàn)。Wi-Fi 精度高、范圍廣、速度快[22]的特點比藍牙、紅外線等室內(nèi)定位技術(shù)更適用于圖書館場景內(nèi)的移動定位。Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)全區(qū)域覆蓋則進一步方便了到館讀者的無障礙接入，通過RFID 和GPS 等技術(shù)采集文獻實時在架狀態(tài)、讀者活動軌跡、STA 設(shè)備信息等移動大數(shù)據(jù)，對采集到的各種不同類型的數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)、分析，幫助圖書館管理者合理調(diào)整館藏文獻資源和服務(wù)空間布局，為圖書館實施精準化服務(wù)提供客觀的策略指導(dǎo)，成為Wi-Fi 又一極富潛力的應(yīng)用。例如韓國學(xué)者通過追蹤讀者在公共圖書館使用Wi-Fi 行為，發(fā)現(xiàn)基于Wi-Fi 信號數(shù)據(jù)的空間模式分析[23]比以往的觀測方法能更有效提高圖書館空間利用率。國內(nèi)研究人員借助基于Wi-Fi 信號強度指示數(shù)據(jù)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將穩(wěn)定誤差1.5m 以內(nèi)的定位精度提升至85%[24]，上述分析思維和精確定位方法都將對圖書館Wi-Fi 創(chuàng)新應(yīng)用帶來啟迪。

表2 圖書館Wi-Fi 應(yīng)用Fig.2 Library's Wi-Fi applications

3.2.2 基于移動數(shù)據(jù)的用戶畫像

作為移動互聯(lián)網(wǎng)重要的流量入口，Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)長時間、高頻次和低門檻的接入特點在一定程度上提高了用戶使用黏性，使其成為圖書館獲取讀者行為數(shù)據(jù)的有效途徑。通過采集STA 信息，將MAC 地址數(shù)據(jù)、讀者身份數(shù)據(jù)、文獻借還數(shù)據(jù)、知識搜索行為數(shù)據(jù)和位置活動數(shù)據(jù)等多維度交叉數(shù)據(jù)深入融合，利用大數(shù)據(jù)分析推斷和預(yù)測讀者利用知識信息的特征和規(guī)律，作出可視化描述，生成更為完整細致的用戶畫像，有助于進一步構(gòu)建以用戶為中心的數(shù)字圖書館知識發(fā)現(xiàn)體系，實現(xiàn)圖書館個性化、精準化信息服務(wù)。

3.2.3 基于Wi-Fi 的移動圖書管理

Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)能夠幫助圖書管理員突破工作位置固定、管理方式單一的條件限制，實現(xiàn)文獻的跨區(qū)域移動式管理。例如安徽廣播電視大學(xué)圖書館基于Wi-Fi的便攜式圖書管理系統(tǒng)[25]能有效協(xié)助工作人員完成文獻定位、實時盤點、智能排架和移動借還等圖書流通管理工作，該系統(tǒng)還具有提示并引導(dǎo)讀者將已歸還或閱畢的文獻即時自助上架的功能，幫助讀者養(yǎng)成閱后即歸還、還完即歸架，方便他人查找使用的良好閱讀習(xí)慣，在提升公共閱讀素質(zhì)方面起到了較好的推動作用。

4 對圖書館Wi-Fi 智能應(yīng)用的再思考

通過對國內(nèi)外基于Wi-Fi 技術(shù)智能應(yīng)用的研究發(fā)現(xiàn)，圖書館行業(yè)對Wi-Fi 技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用力度還有待進一步加強，相當一部分圖書館還存在重理論輕應(yīng)用，重示范輕推廣的現(xiàn)象，有些圖書館雖然比較重視Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和管理，卻仍停留在互聯(lián)網(wǎng)訪問的淺層應(yīng)用階段，并沒有對Wi-Fi 的智能應(yīng)用進行深入研究，有些圖書館雖然開發(fā)出像文獻定位、架位導(dǎo)航、人機交互和移動數(shù)據(jù)采集等示范型應(yīng)用或創(chuàng)新型設(shè)計，但未能將這些小規(guī)模、零散的研究成果轉(zhuǎn)化為成熟的產(chǎn)品并在行業(yè)內(nèi)加以大面積宣傳推廣，Wi-Fi 創(chuàng)新型應(yīng)用的星星之火尚難以發(fā)展為燎原之勢，因此圖書館今后應(yīng)大力鞏固和優(yōu)化Wi-Fi 技術(shù)研究成果，不斷從其他行業(yè)最新的研究成果中汲取先進應(yīng)用經(jīng)驗，加強自身Wi-Fi 技術(shù)成果的分享和推廣應(yīng)用，使Wi-Fi 蘊含的技術(shù)應(yīng)用潛力在知識服務(wù)和智慧管理領(lǐng)域得到新一輪挖掘和釋放。Wi-Fi 在其20 余年的發(fā)展過程中一直展現(xiàn)出強大的生命力，在當前信息技術(shù)快速發(fā)展的良好科技生態(tài)環(huán)境下，Wi-Fi+APP、Wi-Fi+O2O、Wi-Fi+大數(shù)據(jù)、Wi-Fi+二維碼、Wi-Fi+GPS、Wi-Fi+RFID、Wi-Fi+5G、Wi-Fi+設(shè)備租賃等“Wi-Fi+”模式或大行其道，或初露鋒芒，筆者相信隨著計算機通信技術(shù)的進一步發(fā)展，Wi-Fi 將會以更智能的接入方式、更安全的管理手段、更優(yōu)質(zhì)的用戶體驗和更豐富的應(yīng)用場景，為完善圖書館智慧服務(wù)體系創(chuàng)造出更新、更大、更可持續(xù)的應(yīng)用價值。