陸亞紅 馬靈 楊婉茹 施曉華

1 引言

隨著人工智能技術(shù)的進(jìn)步，智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)迎來了蓬勃發(fā)展。智能機(jī)器人是一個(gè)在感知、思維及效應(yīng)方面全面模擬人的機(jī)器系統(tǒng)，在智慧社會建設(shè)領(lǐng)域大展身手[1]。面對人工智能技術(shù)帶來的時(shí)代機(jī)遇和發(fā)展理念，國內(nèi)外一些圖書館乘勢而行，積極探索機(jī)器人在智慧業(yè)務(wù)管理、智慧空間建設(shè)及智慧服務(wù)創(chuàng)新等方面的運(yùn)用[2]，為建設(shè)智慧圖書館[3]提供技術(shù)支撐。其中包括：自動存取機(jī)器人系統(tǒng)[4]，能夠?qū)崿F(xiàn)圖書高密度存儲、高效率流通分揀、自動出庫入庫等功能；自動導(dǎo)引車（Automated Guided Vehicle）移動機(jī)器人[5]，實(shí)現(xiàn)圖書歸還收納、高速分揀和精準(zhǔn)配送；智能咨詢機(jī)器人[6]，可有效分擔(dān)圖書館參考咨詢工作，提升參考咨詢服務(wù)效益；智能導(dǎo)引交互機(jī)器人[7]，幫助讀者快速輕松地獲得所需資源。

圖書盤點(diǎn)作為圖書館館藏管理的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，也因智能機(jī)器人技術(shù)帶來了新的發(fā)展。在運(yùn)用機(jī)器人進(jìn)行圖書盤點(diǎn)之前，圖書盤點(diǎn)主要為人工盤點(diǎn)模式[8-9]，這種方式需要工作人員全程參與，讀取準(zhǔn)確率和掃描效率受操作人員經(jīng)驗(yàn)和書架環(huán)境影響。目前，國內(nèi)外已有研究者進(jìn)行了機(jī)器人在圖書盤點(diǎn)中的應(yīng)用實(shí)踐。其中，南京大學(xué)圖書館在閱覽室試驗(yàn)點(diǎn)取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果，能夠通過自動盤點(diǎn)及時(shí)更新圖書位置信息，識別圖書RFID（Radio Frequency Identification）標(biāo)簽位置順序，最終生成丟失或錯(cuò)架圖書的報(bào)告清單，以便館員進(jìn)行圖書整理[10]。武漢大學(xué)圖書館實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模盤點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)對接，定時(shí)同步RFID應(yīng)用平臺數(shù)據(jù)庫與圖書館管理系統(tǒng)館藏?cái)?shù)據(jù)庫；生成各類異常狀態(tài)的館藏?cái)?shù)據(jù)報(bào)表，并在定制的聯(lián)機(jī)公共目錄檢索系統(tǒng)（Online Public Access Catalog，OPAC）頁面，顯示圖書位置和查找路徑[11]。在國外，MetraLabs推出的RFID庫存機(jī)器人在盧森堡馬克斯普朗克大學(xué)圖書館進(jìn)行了測試應(yīng)用，具備全自動盤點(diǎn)、自動充電和觸發(fā)續(xù)盤的能力，讀取RFID標(biāo)簽的準(zhǔn)確率可達(dá)99.1%，并能夠?qū)⒈P點(diǎn)到的丟失圖書在地圖上以紅點(diǎn)的形式顯示；此外，該款機(jī)器人將在未來應(yīng)用人工智能和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，用于路徑規(guī)劃、障礙物檢測及更準(zhǔn)確的圖書位置估計(jì)[12]。隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的發(fā)展，不少學(xué)者基于該技術(shù)對書脊印刷信息或者編目信息進(jìn)行提取和識別[13]。馬丁內(nèi)斯·馬?。∕artinez-Martin E）等研究出一款空中圖書館員機(jī)器人，除能夠?qū)D書進(jìn)行視覺識別外，還能夠利用視覺標(biāo)記來進(jìn)行飛行位置定位和路徑導(dǎo)航，從而達(dá)到圖書定位和自動盤點(diǎn)的目的[14]。賈姆布爾（Jampour M）等介紹了一款名為 Pars 的新型人形機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)自動化圖書館的書架閱讀，并研究出基于區(qū)域卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Region-CNN）條碼檢測算法，有效地對機(jī)器人在運(yùn)動中捕捉的條碼進(jìn)行圖像處理和解析[15]。

上海交通大學(xué)圖書館（以下簡稱交大館）自2017年以來，經(jīng)歷從盤點(diǎn)機(jī)械臂、雙天線盤點(diǎn)機(jī)器人、四天線盤點(diǎn)機(jī)器人，再到現(xiàn)在的最新版高性能盤點(diǎn)機(jī)器人四個(gè)版本的迭代升級。根據(jù)閱覽室實(shí)際情況及工作需求，一方面，不斷總結(jié)提升機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定性、盤點(diǎn)讀取率和準(zhǔn)確率的技術(shù)方法和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；另一方面，研究如何充分利用機(jī)器人進(jìn)行盤點(diǎn)，對于不同的館藏管理需求制定相應(yīng)的應(yīng)用方式，從而最大化機(jī)器人的盤點(diǎn)效能，使其在提高館藏管理和讀者服務(wù)水平方面發(fā)揮應(yīng)有的優(yōu)勢。本文從技術(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的角度，介紹最新版盤點(diǎn)機(jī)器人的軟硬件組成，以及盤點(diǎn)工作流程中的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；探討機(jī)器人盤點(diǎn)在圖書館的服務(wù)內(nèi)容和工作模式，以及在實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)施要點(diǎn)和成效，希望能對同行帶來一定的借鑒。

2 盤點(diǎn)機(jī)器人系統(tǒng)及盤點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)介紹

2.1 盤點(diǎn)機(jī)器人系統(tǒng)組成及功能介紹

如圖1所示，盤點(diǎn)機(jī)器人由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成[16]。其中，硬件系統(tǒng)的控制與驅(qū)動部分，用于控制機(jī)器人行進(jìn)速度和方向，采用兩輪差速驅(qū)動，應(yīng)對地面打滑、閱覽室回環(huán)多等情況；傳感部分以激光雷達(dá)導(dǎo)航為主，多傳感器融合，最大程度地實(shí)現(xiàn)高精度定位；機(jī)械部分的天線升降由靜音滾珠絲杠驅(qū)動和小車框架穩(wěn)定固定，晃動幅度較小；配套模塊包括RFID讀寫模塊、用于視覺盤點(diǎn)的圖像識別裝置、支持WiFi和5G的數(shù)據(jù)通信模塊、電源模塊（有線及無線充電）、觸摸屏及I/O模塊等。

圖1 盤點(diǎn)機(jī)器人系統(tǒng)組成

軟件系統(tǒng)主要由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用程序組成。機(jī)器人軟件部分底層為Linux操作系統(tǒng)。應(yīng)用程序的人機(jī)交互，包括屏幕交互選定盤點(diǎn)區(qū)域、查看盤點(diǎn)進(jìn)度，結(jié)果顯示、查看歷史記錄，以及遠(yuǎn)程遙控等；圖書定位模塊根據(jù)讀取標(biāo)簽信號強(qiáng)度和相位、讀取時(shí)間、誤讀篩除規(guī)則等信息，定位圖書實(shí)際所在的書架；盤點(diǎn)功能模塊將圖書實(shí)際所在位置與系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，得出盤點(diǎn)結(jié)果；數(shù)據(jù)同步與交互模塊用于盤點(diǎn)前從服務(wù)器加載選定盤點(diǎn)區(qū)域的圖書書目信息和架位信息，盤點(diǎn)過程中查詢盤點(diǎn)范圍外的圖書信息，盤點(diǎn)后將盤點(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至后端服務(wù)器；監(jiān)控模塊用于收集機(jī)器人盤點(diǎn)狀態(tài)、進(jìn)度，以及機(jī)器人電量等信息，并上報(bào)給監(jiān)控平臺；用戶終端通過Web訪問方式，連接監(jiān)控平臺，查看盤點(diǎn)結(jié)果、機(jī)器人狀態(tài)，進(jìn)行遠(yuǎn)程查看和操控。

2.2 機(jī)器人盤點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)

在盤點(diǎn)的整個(gè)工作流程中，從盤點(diǎn)前的高效地圖構(gòu)建，到盤點(diǎn)時(shí)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，再到盤點(diǎn)后的數(shù)據(jù)高速傳送，每個(gè)流程都有相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)作為支撐；結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，機(jī)器人盤點(diǎn)也需具備應(yīng)對各類異常、特殊情況的處理能力。

2.2.1 高效構(gòu)建地圖

一個(gè)高效的構(gòu)圖機(jī)制是開展大規(guī)模盤點(diǎn)的前提。考慮到閱覽室是一個(gè)面積大、回環(huán)多、視野狹窄復(fù)雜的環(huán)境，建立地圖所需要的傳感器性能以及CPU性能都較高。此外，對于弧形書架和直型書架，均有相應(yīng)的地圖繪制機(jī)制。對此，采用如下建圖機(jī)制。

（1）地圖坐標(biāo)采集?；诩す饫走_(dá)的同時(shí)定位與地圖構(gòu)建技術(shù)，自動構(gòu)建閱覽室地圖，作為機(jī)器人移動和定位的依據(jù)。其流程如圖2所示。

圖2 地圖坐標(biāo)采集流程

（2）層架標(biāo)與地圖坐標(biāo)標(biāo)定。使用可視化標(biāo)定程序精確標(biāo)識每個(gè)書架在地圖上的位置，一個(gè)書架一般用一個(gè)線段表示，盤點(diǎn)時(shí)機(jī)器人行至一個(gè)線段附近，即可知道當(dāng)前正朝向的書架編號。

（3）地圖測試。地圖構(gòu)建之后，機(jī)器人在地圖范圍內(nèi)進(jìn)行行進(jìn)測試，以確認(rèn)機(jī)器人在自主導(dǎo)航模式下能夠順暢、安全進(jìn)出書架。

（4）地圖上傳。上傳地圖至后端服務(wù)器，其他機(jī)器人也可自行下載進(jìn)行圖書盤點(diǎn)；上傳后的地圖也供監(jiān)控平臺調(diào)用，用于機(jī)器人盤點(diǎn)時(shí)，顯示機(jī)器人在地圖上的所處位置和運(yùn)動軌跡。

2.2.2 穩(wěn)定安全運(yùn)行

在盤點(diǎn)過程中，機(jī)器人的定位導(dǎo)航、自動避障和自主充電功能，是確保機(jī)器人的穩(wěn)定行進(jìn)的關(guān)鍵因素。

（1）定位導(dǎo)航系統(tǒng)完成完整的長距離導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、路徑重規(guī)劃等功能。采用多傳感器融合的導(dǎo)航方式，定位精度可達(dá)±1.5cm；當(dāng)沿書架盤點(diǎn)時(shí)，輔以書架本身為參考系，可以達(dá)到±0.25cm的書架距離保持精度，從而保證盤點(diǎn)機(jī)器人沿書架穩(wěn)定安全運(yùn)行。

（2）避障功能能夠?qū)崟r(shí)避開讀者和障礙物。在機(jī)器人四周0.75m高度處配備四個(gè)廣角聲吶探測器，用于規(guī)避激光雷達(dá)看不到的障礙物，安全性較高；在閱覽室有讀者來回走動的情況下，可設(shè)置機(jī)器人禁止運(yùn)行區(qū)域，防止機(jī)器人跌落或干擾重要區(qū)域。

（3）自主充電功能。機(jī)器人具有電量預(yù)警功能，若電量較低（如低于20%時(shí)）無法完成剩余盤點(diǎn)任務(wù)時(shí)，可自行回到充電位置，補(bǔ)充完電量后自動回到上一次盤點(diǎn)停止的位置繼續(xù)盤點(diǎn)，避免因電量原因無法順利完成剩余預(yù)設(shè)盤點(diǎn)流程的情況。

（4）遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。機(jī)器人在自動盤點(diǎn)時(shí)，能夠?qū)⑦\(yùn)行軌跡圖、啟停狀態(tài)、故障報(bào)警等實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)信息上傳至監(jiān)控平臺，館員訪問監(jiān)控平臺進(jìn)行遠(yuǎn)程登錄、遠(yuǎn)程監(jiān)控及操作機(jī)器人，包括啟動停止設(shè)備、讀取設(shè)備狀態(tài)、查看任務(wù)進(jìn)度、修改運(yùn)行參數(shù)等，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控和緊急故障處理功能。

2.2.3 數(shù)據(jù)高速傳送

機(jī)器人在盤點(diǎn)過程中，需要即時(shí)將運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳到盤點(diǎn)服務(wù)器，再由服務(wù)器進(jìn)行分析，從而在網(wǎng)頁界面顯示及交互。此外，每當(dāng)機(jī)器人完成盤點(diǎn)，需要將盤點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳到盤點(diǎn)服務(wù)器，服務(wù)器負(fù)責(zé)收集歷次盤點(diǎn)數(shù)據(jù)，并作永久性保存，為后續(xù)盤點(diǎn)數(shù)據(jù)挖掘分析及對外開放盤點(diǎn)數(shù)據(jù)訪問接口提供數(shù)據(jù)保障。如何能夠保證各類數(shù)據(jù)安全、穩(wěn)定及快速上傳，是盤點(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)在傳送過程中的關(guān)鍵。眾所周知，閱覽室書架的集中擺放，對無線AP信號產(chǎn)生一定程度的屏蔽，對數(shù)據(jù)即時(shí)快速傳輸帶來影響。

得益于5G通信技術(shù)的發(fā)展，上海交通大學(xué)利用運(yùn)營商5G切片技術(shù)+校園核心網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)即服務(wù)的新一代高速校園網(wǎng)平臺，形成了5G融合校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。盤點(diǎn)機(jī)器人接入該網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可以擁有特定校內(nèi)IP地址，保證了盤點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?；在?shù)據(jù)傳輸方面具備5G高帶寬、低時(shí)延等優(yōu)點(diǎn)，為遠(yuǎn)程操控機(jī)器人提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)條件。

2.2.4 異常情況處理

圖書館環(huán)境及藏書情況復(fù)雜，機(jī)器人為實(shí)現(xiàn)正常無差別盤點(diǎn)，考慮到以下幾種情況：

（1）鐵質(zhì)書架讀取。閱覽室的書架分為鐵質(zhì)書架和木質(zhì)書架，鐵質(zhì)書架對信號有一定的干擾，機(jī)器人盤點(diǎn)能夠應(yīng)對鐵質(zhì)書架環(huán)境。

（2）夜間盤點(diǎn)。夜間閉館后，閱覽室沒有讀者走動，更適合機(jī)器人進(jìn)行整庫盤點(diǎn)，以避免對讀者造成干擾。夜間盤點(diǎn)需要機(jī)器人能夠應(yīng)對光線較暗的環(huán)境，并且在無人值守的情況下出現(xiàn)異常能夠采取緊急措施，如防火防撞處理，必要時(shí)以短信等形式及時(shí)通知館員。

（3）特殊地面行進(jìn)處理。由于木質(zhì)地面走線有金屬突起槽，對機(jī)器人的全局導(dǎo)航產(chǎn)生了一定的干擾。對此，機(jī)器人系統(tǒng)也支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)盤方式和流程，在盤點(diǎn)過程中由人工輔助機(jī)器人移動至?xí)苋肟诟浇倮^續(xù)盤點(diǎn)，解決地面金屬突起而無法自動續(xù)盤的問題。

（4）書架層高不同。圖書館每個(gè)區(qū)域的書架風(fēng)格有所不同，每層的高度也可能稍有差別。對此，在升降天線機(jī)械臂的基礎(chǔ)上，自適應(yīng)調(diào)整各個(gè)天線之間的距離，以適配每層書架高度，從而提升讀取率。

3 機(jī)器人盤點(diǎn)的工作模式及服務(wù)內(nèi)容研究

鑒于機(jī)器人的自動盤點(diǎn)功能已通過各項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，接下來研究機(jī)器人盤點(diǎn)如何滿足實(shí)際應(yīng)用需求。根據(jù)圖書館館藏管理及服務(wù)需求，初步整理出機(jī)器人的三種工作模式，以及在不同模式下提供的服務(wù)內(nèi)容。

機(jī)器人所能盤點(diǎn)出圖書定位狀態(tài)的類別，決定了圖書盤點(diǎn)在館藏管理工作中能夠提供的服務(wù)內(nèi)容。因此，交大館設(shè)計(jì)出一套高效完備、能夠得出圖書各類定位狀態(tài)的盤點(diǎn)結(jié)果計(jì)算算法，用于實(shí)時(shí)快速分析。

3.1 盤點(diǎn)結(jié)果計(jì)算算法設(shè)計(jì)

在盤點(diǎn)之前，盤點(diǎn)系統(tǒng)需先從圖書館已有的圖書館管理系統(tǒng)同步圖書的書目信息及流通信息，再根據(jù)每本圖書的館藏地信息和索書號分配其應(yīng)在架位。文中盤點(diǎn)系統(tǒng)采用首書定位方式分配圖書架位，而首書定位的核心是索書號排序算法，為了使得該盤點(diǎn)系統(tǒng)具有通用性，交大館設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套靈活配置的通用型分類索書號排序系統(tǒng)。由于不同的圖書館分類索書號排序模式均有所不同，因此提供靈活可控的配置文件，用戶可自行定制排序的規(guī)則。通過導(dǎo)入圖書信息及首書信息、加載配置文件、切分索書號、排序處理及輸出排序結(jié)果，計(jì)算出圖書架位并保存在盤點(diǎn)系統(tǒng)中用于后續(xù)比對。

盤點(diǎn)時(shí)，機(jī)器人采集圖書實(shí)際在架信息，與系統(tǒng)中圖書應(yīng)在的架位信息進(jìn)行比對，從而得出圖書實(shí)際擺放位置與系統(tǒng)信息是否一致。對此，采用以下算法策略進(jìn)行計(jì)算，盤點(diǎn)結(jié)果包括了正常、不在架、館藏地錯(cuò)誤、異常在架、錯(cuò)架、借出、未定位狀態(tài)（見圖3）。

圖3 機(jī)器人盤點(diǎn)結(jié)果計(jì)算算法

3.2 機(jī)器人盤點(diǎn)的工作模式介紹

針對目前加裝有RFID標(biāo)簽圖書的錯(cuò)架盤點(diǎn)、圖書清查、館藏遷移、圖書弱標(biāo)簽檢測、讀者閱后圖書信息收集[17]等服務(wù)類別，交大館制定了以下三種機(jī)器人盤點(diǎn)的工作模式：

（1）常規(guī)模式

常規(guī)模式是指對開架流通圖書的日常盤點(diǎn)，主要目的是及時(shí)掌握圖書的架位錯(cuò)誤、館藏地錯(cuò)誤、圖書流通狀態(tài)錯(cuò)誤等信息，保證圖書狀態(tài)和架位的準(zhǔn)確性；同時(shí)，及時(shí)核對公共服務(wù)空間被閱覽過的圖書數(shù)量、圖書類別等數(shù)據(jù)，及時(shí)掌握讀者閱覽行為，為圖書采訪、讀者閱讀推薦、動態(tài)館藏調(diào)整等提供參考。

（2）清查模式

清查模式是指根據(jù)一定的周期和模式重復(fù)盤點(diǎn)，主要目的是定期清查各閱覽室圖書藏量，掌握圖書丟失比率、館藏狀態(tài)等，為新書購買、架位測算、館藏遷移和調(diào)整等提供參考。

（3）其他模式

其他模式主要針對館藏遷移、統(tǒng)架、書展等特殊或臨時(shí)工作，目的是及時(shí)掌握館藏遷移后架位、館藏地信息有無相應(yīng)更改，為館藏調(diào)整相關(guān)的信息維護(hù)和閱覽室圖書有序擺放工作提供有力支撐。此外，隨著RFID標(biāo)簽信號逐年衰減，當(dāng)RFID標(biāo)簽密集放置時(shí)，較弱的RFID信號容易被較好的RFID信號所掩蓋，由此，設(shè)計(jì)一種輔助排查弱標(biāo)簽的自定義模式。

機(jī)器人盤點(diǎn)各工作模式下的服務(wù)內(nèi)容介紹詳見表1。

表1 機(jī)器人盤點(diǎn)各工作模式下的服務(wù)內(nèi)容詳情

4 上海交通大學(xué)圖書館機(jī)器人盤點(diǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與成效

交大館自2019年正式采用四天線機(jī)器人進(jìn)行圖書盤點(diǎn)，之后不斷從硬件和軟件方面改進(jìn)機(jī)器人的盤點(diǎn)性能，使其在日常盤點(diǎn)、圖書清查、館藏遷移等工作中發(fā)揮重要作用。以下介紹在應(yīng)用過程中探究出的提高盤點(diǎn)讀取率和準(zhǔn)確率的方法，并介紹機(jī)器人盤點(diǎn)在2021年全館圖書清查工作中的應(yīng)用實(shí)踐。

4.1 提高盤點(diǎn)讀取率的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

讀取率是機(jī)器人盤點(diǎn)應(yīng)用的首要考量，有效讀取圖書標(biāo)簽，為后續(xù)盤點(diǎn)結(jié)果判斷提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。書架環(huán)境、圖書狀況等客觀因素都將影響盤點(diǎn)讀取率，如圖書標(biāo)簽信號弱、真實(shí)不在架、金屬封面、薄書緊密排放、圖書不規(guī)則擺放等。除客觀因素之外，機(jī)器人讀取的參數(shù)特性也在很大程度上影響讀取率，主要有盤點(diǎn)速度、離架距離和天線功率。

4.1.1 盤點(diǎn)速度

為準(zhǔn)確得出盤點(diǎn)速度對讀取率的影響，盤點(diǎn)前剔除實(shí)際書架中弱標(biāo)簽、真實(shí)不在架和外借的圖書。對12列書架、1895本圖書，分別以2.5cm/s、5cm/s、7.5cm/s、10cm/s的速度，每個(gè)速度下獨(dú)立盤點(diǎn)6次，對6次盤點(diǎn)的讀取率取平均值。不同速度下的盤點(diǎn)讀取率如表2所示，速度與讀取率的關(guān)系圖如圖4所示。

表2 不同速度下的測試結(jié)果對比

圖4 機(jī)器人行進(jìn)速度與圖書讀取率關(guān)系圖

從圖4可以看出，機(jī)器人行進(jìn)速度越慢，讀取率越高。這是由于超高頻RFID天線能夠同時(shí)大量讀取的特性，讀寫器可以達(dá)到每秒1000個(gè)信號的采集頻率。但讀寫器和標(biāo)簽之間進(jìn)行高速化數(shù)據(jù)交換處理存在擁塞控制問題，迫使機(jī)器人的四根天線輪流工作。而機(jī)器人掃描過程中一直在勻速行進(jìn)，當(dāng)機(jī)器人行進(jìn)到一個(gè)點(diǎn)位時(shí)，上下四根天線中存在天線還未工作，機(jī)器人即已駛離，導(dǎo)致該天線未能在最佳角度讀取對應(yīng)層的圖書。因此，降低一定的機(jī)器人行進(jìn)速度，延長讀取時(shí)間，能夠有效提高讀取率。

4.1.2 離架距離

為驗(yàn)證機(jī)器人離架距離對讀取率的影響，我們挑選一個(gè)沒有圖書突出的書架，RFID讀寫器射頻功率和天線增益保持不變，分別進(jìn)行距離書架1cm、7cm、10cm、15cm、20cm的讀取率測試。測試結(jié)果顯示，當(dāng)天線緊貼書架1cm時(shí)讀取率最高，10cm距離讀取率略微下降，20cm距離時(shí)讀取率斷崖式下降。

在實(shí)際書架環(huán)境中，對于尺寸較大非正常擺放的圖書，這類圖書大多突出書架5至10厘米。為順利進(jìn)行盤點(diǎn)，需根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)節(jié)天線與書架的距離，并通過提高導(dǎo)航定位精度的方式，使機(jī)器人盡可能貼合圖書進(jìn)行盤點(diǎn)，以保證讀取率。

4.1.3 天線功率

鑒于無源RFID讀取原理，提高天線的功率，更容易讀取標(biāo)簽。然而，這也將導(dǎo)致讀取的范圍更大，從而誤讀率越高，即讀取率與準(zhǔn)確率之間存在矛盾。在實(shí)際應(yīng)用過程中，可根據(jù)服務(wù)內(nèi)容的不同，以不同的標(biāo)準(zhǔn)平衡這兩者之間的矛盾。例如，在圖書清查工作中，由于盤點(diǎn)的目的是掌握館藏的在架率和丟失率情況，優(yōu)先保證讀取率，可提高天線功率；相反，在常規(guī)盤點(diǎn)中，若要掌握圖書的錯(cuò)亂架情況，則不能一味追求讀取率，否則盤點(diǎn)的結(jié)果將無意義。

4.2 提高盤點(diǎn)準(zhǔn)確率的實(shí)踐方法

交大館應(yīng)用超高頻RFID技術(shù)。與高頻相比，超高頻射頻識別距離比較遠(yuǎn)，一般大于1米；天線一般為定向天線，只有在天線定向波束范圍內(nèi)的射頻標(biāo)簽才可被讀寫。鑒于以上超高頻的特性，其讀寫范圍較難控制，容易造成誤讀，尤其容易誤讀到背面書架的圖書，并且難以有效獲取圖書排放的實(shí)際次序。針對以上問題，我們提出兩個(gè)提高準(zhǔn)確率的實(shí)踐方法，即盤點(diǎn)時(shí)過濾書架背面標(biāo)簽信號和基于視覺圖書盤點(diǎn)。

4.2.1 過濾書架背面標(biāo)簽信號

盤點(diǎn)機(jī)器人在進(jìn)行圖書定位時(shí)，采用多天線多次讀取的方式，根據(jù)每次讀取的信號強(qiáng)度、讀取時(shí)間、信號相位等變量，基于概率模型計(jì)算出每本書所在層架。然而，由于超高頻標(biāo)簽本身的技術(shù)特征，機(jī)器人盤點(diǎn)時(shí)容易讀到背面書架的圖書標(biāo)簽信號，對盤點(diǎn)結(jié)果的準(zhǔn)確判斷造成干擾。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，除非大規(guī)模錯(cuò)架，對于盤點(diǎn)結(jié)果錯(cuò)架在背面書架的情況，基本屬于誤判。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，除優(yōu)化機(jī)器人硬件參數(shù)及軟件算法外，還可以通過過濾背面書架圖書信號的方式提高盤點(diǎn)準(zhǔn)確率。

鑒于此，我們在盤點(diǎn)結(jié)果計(jì)算策略上加以改進(jìn)，增加“對穿錯(cuò)架”這一狀態(tài)，并且設(shè)置盤點(diǎn)時(shí)過濾背面書架圖書信號的開關(guān)。若打開開關(guān)，則沒有此類錯(cuò)架信息；若關(guān)閉，則存在“對穿錯(cuò)架”狀態(tài)。在常規(guī)模式下盤點(diǎn)，一般打開此開關(guān)，追求準(zhǔn)確率；在清查模式下關(guān)閉，追求讀取率。

4.2.2 機(jī)器人基于視覺分析的圖書盤點(diǎn)實(shí)踐

隨著基于圖像處理的文本識別技術(shù)的發(fā)展，書籍背脊的自動化識別成為智能盤點(diǎn)的前沿核心研發(fā)內(nèi)容。交大館也在積極探索與實(shí)踐，研究基于圖像與文本的圖書盤點(diǎn)識別方法、裝置及系統(tǒng)，形成視覺盤點(diǎn)機(jī)器人系統(tǒng)（見圖5）。

我們針對基于視覺分析的圖書盤點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)踐。通過盤點(diǎn)機(jī)器人實(shí)時(shí)采集書架圖像，將書架圖像切割為多個(gè)含有書脊的圖像；利用光學(xué)字符識別（Optical Character Recognition，OCR）技術(shù)對書脊圖像進(jìn)行識別，獲取書脊對應(yīng)的關(guān)鍵字；判斷關(guān)鍵字與圖書數(shù)據(jù)庫中圖書信息的相似度是否到一定的相似度閾值，從而達(dá)到獲取書架上圖書實(shí)際位置的目的。

圖5 配置攝像頭的盤點(diǎn)機(jī)器人

4.3 機(jī)器人盤點(diǎn)在圖書清查工作中的成效與分析

為了加強(qiáng)圖書館館藏資產(chǎn)管理，2021年交大館實(shí)施了全館館藏圖書清查工作。對于主館6個(gè)閱覽室的一線館藏，應(yīng)用機(jī)器人盤點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了自動清查，總量達(dá)45萬冊。為更加準(zhǔn)確掌握圖書在架情況，盡可能減小因漏讀帶來的影響，每個(gè)閱覽室機(jī)器人自動盤點(diǎn)三次，一本書有一次盤點(diǎn)到即可視為“清查到”，將“清查到”的書與圖書館管理系統(tǒng)中所有圖書進(jìn)行比對得出清查率；提供三次均未盤點(diǎn)到的圖書清單及應(yīng)在架信息，用于后續(xù)人工核對。

在盤點(diǎn)過程中，為保證清查工作按期完成，并保證盤點(diǎn)讀取率，將本館購置的兩臺盤點(diǎn)機(jī)器人，首先同時(shí)以5cm/s的速度錯(cuò)開位置盤點(diǎn)，大概需要8小時(shí)完成第一次和第二次盤點(diǎn)。第三次盤點(diǎn)，兩臺機(jī)器人分工，均以2.5cm/s的速度同時(shí)盤點(diǎn)，大概需要6小時(shí)完成。由此，一個(gè)閱覽室在兩個(gè)工作日完成三次盤點(diǎn)。

盤點(diǎn)后，根據(jù)盤點(diǎn)結(jié)果分析報(bào)表中每個(gè)書架的盤點(diǎn)率情況，篩選出盤點(diǎn)率低的書架。針對因大量特薄書緊密排放、圖書突出書架距離過大等客觀因素導(dǎo)致盤點(diǎn)率低，以及因柱子阻擋無法使用機(jī)器人盤點(diǎn)的書架，使用機(jī)器人配套小車進(jìn)行人工補(bǔ)充盤點(diǎn)，小車盤點(diǎn)數(shù)據(jù)與機(jī)器人盤點(diǎn)均上傳至同一盤點(diǎn)數(shù)據(jù)庫中，便于提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)報(bào)表及數(shù)據(jù)訪問接口。各個(gè)閱覽室盤點(diǎn)機(jī)器人清查量與盤點(diǎn)小車清查量對比如圖6所示。

圖6 盤點(diǎn)機(jī)器人與盤點(diǎn)小車清查量對比圖

圖6所示的閱覽室中，存在書架行道中段有柱子阻擋導(dǎo)致機(jī)器人無法盤點(diǎn)此排剩余書架的情況，如B300閱覽室正因此有80列書架需要人工補(bǔ)充盤點(diǎn)，盤點(diǎn)小車清查量占比大。為減少因柱子阻擋而導(dǎo)致機(jī)器人無法盤點(diǎn)的書架數(shù)量占比，對機(jī)器人路徑規(guī)劃進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)機(jī)器人被擋住后，切換該排書架的另一端作為入口繼續(xù)盤點(diǎn)（僅書架兩端均被阻擋或書架緊靠柱子的情況暫無法完成自動盤點(diǎn)）。優(yōu)化后，B300閱覽室僅剩20列書架需要人工補(bǔ)充盤點(diǎn)，大大減少了人工盤點(diǎn)量，提高了機(jī)器人的盤點(diǎn)效力。

5 總結(jié)與思考

智能機(jī)器人用于圖書盤點(diǎn)，能夠提高圖書館的紙質(zhì)館藏管理水平，使圖書日常理架、順架工作更加快速、準(zhǔn)確；更加重要的是，利用日常盤點(diǎn)數(shù)據(jù)，可提高讀者服務(wù)水平，避免因圖書在館不在架、錯(cuò)架亂架導(dǎo)致讀者找不到書的問題。此外，根據(jù)圖書實(shí)際所在位置，推出圖書導(dǎo)航應(yīng)用，引導(dǎo)讀者快速找到所需圖書，實(shí)現(xiàn)讀者用戶體驗(yàn)的進(jìn)一步提升。保持盤點(diǎn)系統(tǒng)中圖書的系統(tǒng)架位與實(shí)際架位一致，滿足圖書館閱覽室“數(shù)字孿生”[18]化的基本要求，保證圖書架位虛實(shí)同步，結(jié)合AR/VR技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬書架和虛擬閱覽室。

隨著機(jī)器人盤點(diǎn)的常態(tài)化，將歷次盤點(diǎn)數(shù)據(jù)科學(xué)永久保存，分析挖掘盤點(diǎn)信息，為開發(fā)智慧化服務(wù)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。這將是下一步研究機(jī)器人盤點(diǎn)應(yīng)用的方向，也是構(gòu)建未來圖書館智能館藏管理體系的重要組成部分。