圖書盤點機器人中圖書精確定位技術(shù)研究

董殿永

摘要：文章梳理了國內(nèi)外圖書館盤點機器人的應(yīng)用研究現(xiàn)狀以及圖書盤點方式，重點分析了圖書盤點機器人的圖書精確定位技術(shù)，包括基于RFID的圖書精確定位技術(shù)和基于書脊圖像識別的圖書精確定位技術(shù)。智能圖書盤點機器人可以有效減輕圖書館員的工作量，大大減少讀者找書時間。圖書盤點機器人在圖書館的應(yīng)用將會提升圖書館的創(chuàng)新服務(wù)能力，提高圖書館智能化水平，有助于推進智慧圖書館的建設(shè)進程。

關(guān)鍵詞：圖書館；機器人；圖書盤點；射頻識別；圖像識別

中圖分類號：TP18? 文獻標志碼： Ａ

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)的發(fā)展，智慧圖書館將成為圖書館發(fā)展的新形態(tài)。智慧圖書館的服務(wù)愿景之一是服務(wù)手段智能化，以機器人為核心的圖書館智能服務(wù)是智慧圖書館的重要特征。圖書館機器人的應(yīng)用范圍非常廣泛，不斷地推動圖書館的創(chuàng)新和升級，為讀者提供更加智能、高效、便捷的服務(wù)。

國家文化和旅游部2017年發(fā)布了《關(guān)于推動數(shù)字文化產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的指導(dǎo)意見》，提出在圖書館等文化產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域推廣智能機器人等相關(guān)技術(shù)，豐富智慧圖書館的創(chuàng)新服務(wù)模式［1］。國家發(fā)改委、教育部等7部委2019年聯(lián)合推出《關(guān)于促進互聯(lián)網(wǎng)+社會服務(wù)發(fā)展的意見》，鼓勵服務(wù)機器人、智能終端等新技術(shù)在教育文化領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。

當今社會，機器人技術(shù)正快速發(fā)展，已被廣泛應(yīng)用于各種場合，包括工業(yè)、醫(yī)療、教育、娛樂等領(lǐng)域。在圖書館領(lǐng)域，機器人技術(shù)也被廣泛應(yīng)用，特別是智慧圖書館中的圖書盤點機器人將成為不可或缺的一部分［2］。

為實現(xiàn)圖書盤點機器人的高效工作，需要整合利用多種技術(shù)，如圖書精確定位、機器人精確定位、機器人路徑規(guī)劃、機械手設(shè)計、人工智能、自然語言處理等。其中，圖書精確定位技術(shù)可以實現(xiàn)對圖書館中每一本圖書的精確定位，為圖書盤點機器人提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；機器人精確定位技術(shù)則可以準確識別機器人當前位置，為路徑規(guī)劃提供必要信息；機器人路徑規(guī)劃技術(shù)可以使機器人在圖書館中高效地行進，避免與人和其他機器人的碰撞；機械手設(shè)計技術(shù)可以實現(xiàn)機器人對圖書的抓取和放置；人工智能和自然語言處理技術(shù)則可以實現(xiàn)機器人與用戶的交互，如圖書查詢、參考咨詢等。

圖書館機器人可以應(yīng)用于多種場合，智能倉儲機器人可以實現(xiàn)圖書的分類和儲存，圖書盤點機器人可以實現(xiàn)對圖書館中的圖書進行盤點，AGV搬運機器人可以實現(xiàn)圖書的搬運和配送，圖書拾取機器人可以實現(xiàn)圖書的檢索和拾取，參考咨詢機器人可以為讀者提供參考咨詢服務(wù)，智能導(dǎo)引機器人可以為讀者提供館內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)，殘障輔助機器人可以為殘障讀者提供幫助，虛擬社交機器人可以實現(xiàn)與讀者的虛擬交互。

CNKI學(xué)術(shù)期刊論文庫中，以“圖書館機器人”為搜索詞，獲取近10年來圖書館機器人相關(guān)論文篇數(shù)數(shù)據(jù)，如圖1所示。近10年圖書館機器人相關(guān)研究熱度增長速度很快。論文發(fā)表單位中排名前3的為：南京大學(xué)、華中科技大學(xué)和武漢大學(xué)，其中南京大學(xué)論文發(fā)表數(shù)量是武漢大學(xué)的2倍多。

1 圖書館機器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2002年，美國猶他州J.Willard Marriott圖書館建設(shè)自動化圖書存取中心（Automated Retrieval Center），該圖書館200萬冊圖書被存放在立體倉庫中，通過機器人和碼垛機完成圖書的自動存?。?］。目前，國外已有幾十家圖書館引入自動化圖書存取倉庫系統(tǒng)。日本大阪市立大學(xué)圖書館應(yīng)用電磁導(dǎo)引AGV機器人，實現(xiàn)圖書的搬運、歸還、放置等工作［4］。澳大利亞公共圖書館引入可編程人型機器人NAO和Pepper，為讀者提供引導(dǎo)和問答服務(wù)，該機器人由軟銀旗下阿爾德巴蘭機器人公司研發(fā)。2018年，新加坡國家圖書館聯(lián)合研發(fā)了一款A(yù)uRoSS圖書盤點機器人，利用激光和超聲波導(dǎo)引機器人，通過掃描圖書上的RFID標簽來報告錯架的書籍，盤點準確率達99%，已在新加坡多個圖書館中應(yīng)用。

美國圣荷西市圖書館開發(fā)的一款圖書盤點機器人BookBot，可以在不影響圖書館正常運營的情況下進行圖書盤點，大大提高了盤點的效率和準確性。BookBot在盤點時可同時拍攝每本書的封面，以幫助圖書館員更快地核實盤點結(jié)果。美國國家標準局（NIST）研發(fā)的“RFID-Enabled Autonomous Robot”可以自主地檢索和盤點圖書，準確率高達99.9%。美國圣母大學(xué)圖書館采用基于機器人和RFID的盤點方法，實現(xiàn)了圖書館的自動化管理，提高了盤點效率和準確性。德國一家科技公司開發(fā)了一款圖書盤點機器人，通過讀取書籍上的RFID標簽進行圖書盤點，并可以自動識別和定位需要盤點的書籍，盤點速度和準確度非常高。日本的一些圖書館采用了一款名為“Torobako”的圖書盤點機器人，可以自動移動到書架，并通過掃描書籍的條形碼進行盤點。與其他機器人不同，Torobako可以通過對書架的空間布局進行分析，以確定書籍的具體位置，進一步提高盤點效率。英國公司開發(fā)的一款圖書盤點機器人“ShelfieBot”，可以自動巡視圖書館，通過攝像頭和激光雷達來確定書籍的位置，并且可以讀取書籍的條形碼和RFID標簽來進行盤點。“ShelfieBot”可以將圖書館內(nèi)的書籍進行分類，并通過識別書籍封面上的圖案和文字來進行分組，從而幫助圖書館員更好地組織和管理圖書。加拿大多倫多大學(xué)研發(fā)的“LISSA”機器人可以通過機器學(xué)習(xí)技術(shù)自主學(xué)習(xí)和適應(yīng)新環(huán)境，提高盤點精度和效率。

南京大學(xué)圖書館聯(lián)合計算機學(xué)院自主研發(fā)了基于RFID的圖書盤點機器人“圖客”，如圖2所示，能夠自主尋書、高效盤點、自主充電，其圖書定位精度高達98%，圖書盤點效率高達2萬冊/h［5］。武漢大學(xué)圖書館引進了RFID圖書盤點機器人“圖客”，并認證了機器人盤點效率、盤點的準確性，可大幅度減少讀者找書的時間。北方工業(yè)大學(xué)和南京師范大學(xué)研究圖書自動存取機器人相關(guān)技術(shù)，通過視覺識別圖書索書號進行圖書定位，并利用機械手抓取圖書實現(xiàn)圖書上下架。2017年，寧波大學(xué)引進了圖書館機器人“旺寶”，可為讀者提供日常咨詢、借還書指引、掃碼找書、讀者引路、與讀者會話交流等服務(wù)。2018年，廣州智媒云圖公司推出了“圖書館書童”圖書盤點機器人，基于書脊圖像識別技術(shù)，每小時可以盤點2.5萬冊圖書。2019年，深圳寶安區(qū)圖書館建成AGV圖書自動分揀系統(tǒng)，系統(tǒng)包括28臺AGV分揀機器人、4臺AGV搬運機器人。另外，我國蘇州市第二圖書館建立了智能立體書庫，包含自動化存取系統(tǒng)、流通分揀系統(tǒng)等［6］。天津濱海圖書館、貴州省圖書館、廣州南沙圖書館相繼運用AGV自動分揀技術(shù)服務(wù)于讀者。南開大學(xué)圖書館采用基于機器人和RFID的盤點系統(tǒng)，將盤點時間縮短了80%以上，同時提高了圖書盤點準確率［7］。

2 傳統(tǒng)圖書盤點方法

圖書盤點技術(shù)的發(fā)展和圖書館館藏技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，傳統(tǒng)的圖書盤點方法主要如下。

2.1 卡片目錄圖書盤點方法

卡片目錄圖書盤點方法是一種基于卡片目錄的圖書盤點方法，主要應(yīng)用于小規(guī)模的圖書館和書店。該方法通過給每本書綁定一個唯一的編號，并將編號與書名、作者、出版社等信息記錄在卡片目錄上，然后通過手工或者半自動的方式逐一掃描每本書上的編號，與卡片目錄中的信息進行比對，從而實現(xiàn)圖書盤點［8］。該方法的優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，成本較低，適用于規(guī)模較小的圖書館和書店。缺點是需要手工記錄每本書的編號，工作效率低，易出錯［9］。

2.2 條形碼圖書盤點方法

條形碼圖書盤點方法在圖書盤點中被廣泛應(yīng)用。條形碼圖書盤點方法利用圖書上的條形碼進行自動識別和記錄，比手工盤點省時省力，減少了人為誤差［10］。

激光掃描器掃描圖書的條形碼，將信息傳輸至中央處理器，中央處理器將掃描到的條形碼信息與書目數(shù)據(jù)庫進行比對，確認每本圖書的在庫狀態(tài)，并形成一份盤點報表［11］。

條形碼圖書盤點與手工盤點相比，條形碼盤點方法能夠?qū)崿F(xiàn)自動化盤點，減少人工干預(yù)，提高盤點效率。利用條形碼自動識別，避免了人工盤點的疏漏和錯誤，能夠更加準確地記錄圖書信息。然而，由于條形碼通常被粘貼在圖書內(nèi)部，需要手工翻開圖書進行掃描盤點，導(dǎo)致圖書館很少對館藏圖書進行盤點。因此，有不少圖書館選擇付費外包的方式進行圖書盤點［12］。

2.3 RFID圖書盤點方法

RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)是一種無線通信技術(shù)，通過電磁波實現(xiàn)物品的遠距離自動識別和數(shù)據(jù)傳輸。RFID技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種場景，包括圖書館。與卡片目錄和條形碼技術(shù)相比，RFID技術(shù)可以更快速、更準確地對圖書進行盤點，同時也更方便圖書館員的操作。使用RFID技術(shù)進行圖書盤點時，圖書館需要在每本書中嵌入一個RFID芯片。當盤點機器人靠近圖書時，RFID讀寫器會讀取書中RFID芯片上存儲的信息，并將信息傳輸?shù)綍繑?shù)據(jù)庫中進行比對。通過這種方式，圖書館員可以準確地知道哪些圖書存在盤點差錯。

RFID圖書盤點的優(yōu)點在于其速度和準確性，但缺點是需要在每本書中嵌入一個RFID芯片，增加了成本，同時需要館員的深度參與，不太可能實現(xiàn)常態(tài)化的圖書盤點。此外，RFID技術(shù)需要使用專門的設(shè)備進行讀取，這也需要一定軟硬件成本的投資。不過，隨著技術(shù)的發(fā)展，RFID設(shè)備的成本逐漸降低，越來越多的圖書館開始采用RFID技術(shù)進行圖書盤點。總之，RFID技術(shù)作為一種高效、準確的圖書盤點方法，正在逐漸被廣泛采用，成為圖書館自動化管理的重要組成部分。

2.4 基于機器人和RFID的圖書盤點方法

基于機器人和RFID技術(shù)的圖書盤點方法是當前圖書館智慧化建設(shè)的熱點研究方向之一。該方法通過將RFID標簽粘貼于圖書上，利用機器人搭載RFID讀寫器進行圖書盤點，實現(xiàn)圖書盤點的自動化和高效化。

機器人和RFID相結(jié)合的圖書盤點方法具有諸多優(yōu)點。相比于傳統(tǒng)的條形碼圖書盤點方式，該方法無需手動翻開圖書進行掃描盤點，不僅能夠提高盤點效率，還能夠減少館藏圖書的磨損。由于機器人可以在不間斷工作的情況下，對整個館藏進行定期盤點，保證了圖書館整個館藏的安全性和完整性。此外，機器人能夠精確定位圖書，讓讀者快速找到需要借閱的書籍。

隨著智慧圖書館建設(shè)的不斷推進，機器人和RFID技術(shù)在圖書館盤點中的應(yīng)用前景十分廣闊。未來的研究方向還包括機器人與其他智能設(shè)備的聯(lián)動，提高整個圖書館盤點和管理的智能化水平，為讀者提供更加優(yōu)質(zhì)的圖書借閱服務(wù)。機器人代替圖書館員進行圖書盤點將成為智慧圖書館的重要創(chuàng)新服務(wù)模式。館藏圖書常態(tài)化盤點、整理、順架、定位將成為圖書館基礎(chǔ)性的工作［13］。精確的圖書定位不僅可以讓讀者快速地找到所需的圖書，同時也可以大幅減少圖書館員整架、排架的工作量。

3 圖書精確定位技術(shù)

3.1 基于RFID的圖書精確定位技術(shù)

RFID技術(shù)為圖書精確定位提供了必要的硬件基礎(chǔ)，通過在圖書內(nèi)部和書架粘貼RFID標簽，實現(xiàn)圖書與書架綁定。國內(nèi)已有多家圖書館應(yīng)用RFID技術(shù)實現(xiàn)圖書借還，包括南京大學(xué)圖書館、蘇州大學(xué)圖書館、武漢大學(xué)圖書館、南通大學(xué)杏林學(xué)院圖書館等。

智能圖書盤點機器人通過RFID閱讀器逐層掃描書架上的圖書，獲取RFID標簽的EPC號、RSSI值、時間戳T、信號相位角θ。對獲取的數(shù)據(jù)建立訓(xùn)練模型，根據(jù)模型對圖書進行精確排序，并更新數(shù)據(jù)庫中圖書的位置信息，生成盤點相關(guān)數(shù)據(jù)報表。應(yīng)用機器人進行常態(tài)化圖書盤點的情況下，書架上圖書可不需嚴格排序，每本圖書只需與書架格子綁定，讀者通過圖書查詢系統(tǒng)提供三維可視化引導(dǎo)服務(wù)，能直觀地定位圖書的精確位置，減少找書的時間。

3.2 基于二維碼的圖書精確定位技術(shù)

隨著圖像識別技術(shù)的進步，基于二維碼的圖書精確定位技術(shù)被應(yīng)用于圖書定位。該方法在書架和書脊上粘貼二維碼標簽，層架二維碼與圖書二維碼綁定，使用圖像識別傳感器，對二維碼進行識別，實現(xiàn)圖書的精確定位。另外，基于深度學(xué)習(xí)的圖像多目標跟蹤技術(shù)，可快速實現(xiàn)圖書的精確定位。

基于二維碼的圖書精確定位，較RFID技術(shù)成本低，定位速度快。對于比較薄的圖書，書脊上不好粘貼二維碼，無法進行圖像識別定位。

3.3 基于書脊圖像識別的圖書精確定位技術(shù)

基于書脊圖像識別的圖書精確定位技術(shù)是一種新型的圖書定位技術(shù)，采用計算機視覺和圖像識別技術(shù)，通過對書脊圖像的處理和比對，實現(xiàn)圖書位置的快速、準確定位。這種技術(shù)主要分為兩個步驟：（1）通過圖像采集設(shè)備對圖書進行拍照；（2）使用圖像處理和機器學(xué)習(xí)等算法對圖像進行處理和識別，最終實現(xiàn)對圖書位置的快速定位。

基于機器視覺的書脊圖像識別方法主要有3種。（1）切割書脊圖像，定位書脊中的索書號部分，對索書號區(qū)域中的字符進行分割，識別索書號，獲得圖書相關(guān)信息。（2）切割書脊圖像，定位書脊中文字部分，通過OCR識別書脊文字，結(jié)合圖書管理數(shù)據(jù)庫，通過模糊匹配方法得出書名信息。（3）建立書脊圖像數(shù)據(jù)庫，采用機器學(xué)習(xí)算法對數(shù)據(jù)庫中的圖像進行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，獲得書脊特征點集；切割書脊圖像，對圖像進行特征點檢測，獲得特征點集；通過特征點集匹配的方式獲得檢測圖書的相關(guān)信息。書脊圖書識別流程如圖3所示。

上述3種方法均需要進行書脊圖像切割，書脊圖像切割是書脊圖像識別的難點，識別的準確性直接關(guān)系到整個書脊圖像識別的成功率。書脊圖像切割步驟：（1）檢測書脊圖像中的長線段；（2）找出其中的平行線段組作為矩形選定區(qū)域的一組平行長邊；（3）固定一組平行長邊，使用算法確定矩形區(qū)域的另外兩條短邊。

該技術(shù)相較于其他圖書定位技術(shù)，具有精確定位、無需觸摸書本、自動化程度高等優(yōu)點，可以大幅提高圖書定位的效率和準確性。

4 結(jié)語

文章圍繞圖書館盤點機器人技術(shù)展開研究，包括國內(nèi)外圖書館機器人研究現(xiàn)狀、圖書盤點方法、圖書精確定位技術(shù)。目前主流的圖書精確定位技術(shù)，采用RFID技術(shù)和相關(guān)算法完成，定位準確率高，但費用昂貴。未來基于書脊圖像識別，結(jié)合書脊圖像數(shù)據(jù)庫和深度學(xué)習(xí)算法，將成為圖書精確定位的主要研究方向和應(yīng)用模式。

目前已有很多研究關(guān)注圖書盤點機器人中的圖書精確定位技術(shù)，其中以條形碼識別技術(shù)和RFID技術(shù)的應(yīng)用較為成熟。針對視覺識別技術(shù)的研究，雖然在圖書館場景中應(yīng)用前景廣闊，但目前仍存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)和難點，例如對光線和陰影等環(huán)境因素的適應(yīng)能力、圖書重疊、變形等問題的解決。

隨著人工智能技術(shù)和機器學(xué)習(xí)算法的不斷發(fā)展，研究人員開始嘗試將這些技術(shù)應(yīng)用于圖書盤點機器人的圖書精確定位技術(shù)中，取得了一些令人鼓舞的成果，例如基于深度學(xué)習(xí)的視覺識別技術(shù)等。筆者建議在圖書盤點機器人的圖書精確定位技術(shù)方面的研究中，繼續(xù)深化和優(yōu)化條形碼識別技術(shù)和RFID技術(shù)的應(yīng)用，提高其識別準確率和工作效率；針對視覺識別技術(shù)的應(yīng)用，加強對光線和陰影等環(huán)境因素的適應(yīng)能力，解決圖書重疊和變形等問題，提高識別精度和可靠性；進一步探索機器學(xué)習(xí)算法和人工智能技術(shù)在圖書盤點機器人的圖書精確定位技術(shù)方面的應(yīng)用，開發(fā)更加智能化和高效的圖書管理系統(tǒng)；同時，也應(yīng)考慮數(shù)據(jù)安全和隱私保護等問題，確保圖書管理系統(tǒng)的可靠性和安全性。

建設(shè)智慧圖書館的背景下，圖書館應(yīng)用機器人技術(shù)完成創(chuàng)新服務(wù)將成為必然趨勢。研究表明，圖書館應(yīng)用圖書智能盤點機器人，能有效減輕圖書館員的工作量、大大減少讀者尋找圖書的時間，同時可提供圖書精確定位與可視化服務(wù)、機器人引導(dǎo)讀者尋書等創(chuàng)新服務(wù)。機器人在圖書館的應(yīng)用，將會進一步提升圖書館的創(chuàng)新服務(wù)能力，提升圖書館智能化水平，有助于推進智慧圖書館的建設(shè)進程。

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（編輯 沈 強）

Research on book precise positioning technology in book inventory robot

Dong? Dianyong

（Nantong University， Nantong 226019， China）

Abstract：? This paper sorts out the application research status of library inventory robots at home and abroad， as well as book inventory methods， and focuses on the analysis of book inventory robot precise positioning technology， including RFID-based book precise positioning technology and book spine image recognition-based book precise positioning technology. Positioning Technology. The intelligent book inventory robot can effectively reduce the workload of librarians and greatly reduce the time for readers to find books. The application of book inventory robots in libraries will enhance the innovative service capabilities of libraries， improve the level of intelligence in libraries， and help promote the construction of smart libraries.

Key words： library; robot; book inventory; radio frequency identification; image recognition