胡少霞

（泰山護(hù)理職業(yè)學(xué)院，山東 泰安 271000）

0 引言

為了最大限度地提高圖書的有效利用率，高校圖書館實(shí)施科學(xué)的管理措施是十分必要的。從圖書利用率的角度分析，借閱逾期是主要的影響因素之一[1]。出現(xiàn)借閱逾期的原因如下：一方面是學(xué)生借閱時(shí)間的設(shè)置低于實(shí)際閱讀需求時(shí)間，導(dǎo)致難以按時(shí)還書；另一方面是時(shí)間較長(zhǎng)，學(xué)生或教師忘記了圖書的具體借閱日期以及規(guī)定的還書日期[2]。針對(duì)上述2 種情況，結(jié)合實(shí)際的圖書館管理需求，在圖書借閱逾期前實(shí)施及時(shí)有效的針對(duì)性預(yù)警是十分必要的。針對(duì)該問題，文獻(xiàn)[3]提出了一種以GSM 為基礎(chǔ)的圖書館借閱逾期自動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有良好的實(shí)際應(yīng)用效果，但是其應(yīng)用的前提是借閱時(shí)間統(tǒng)一，這在一定程度上降低了圖書館的借閱服務(wù)質(zhì)量；文獻(xiàn)[4]提出以人數(shù)為基礎(chǔ)的預(yù)警平臺(tái)設(shè)計(jì)研究，具有良好的預(yù)警效果，但是其預(yù)警的全面性仍存在進(jìn)一步提升的空間。對(duì)上述圖書館借閱逾期預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行分析后可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步加深相關(guān)研究仍然具有十分重要的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

以此為基礎(chǔ)，該文充分利用決策樹算法的優(yōu)勢(shì)，提出了一種基于決策樹算法的高校圖書館借閱逾期預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，并通過對(duì)比測(cè)試分析了該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的預(yù)警效果。

1 決策樹（Decision Tree）分類算法及構(gòu)建

決策樹又稱判樹。它是一種與流程圖相似的樹結(jié)構(gòu)。在這一樹結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)內(nèi)部結(jié)點(diǎn)代表一個(gè)屬性上的測(cè)試，每一個(gè)分支代表一個(gè)測(cè)試輸出，而每一個(gè)葉子結(jié)點(diǎn)代表一個(gè)類或類分布。對(duì)未知的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，應(yīng)先從樹根入手，對(duì)這個(gè)對(duì)象的特征進(jìn)行逐個(gè)檢測(cè)，然后沿著這個(gè)分支一直往下進(jìn)行，直到抵達(dá)某個(gè)葉子結(jié)點(diǎn)，這個(gè)結(jié)點(diǎn)所表示的類就是這個(gè)對(duì)象所屬的類。

在數(shù)據(jù)倉庫建立后，首先應(yīng)依據(jù)決策樹構(gòu)建的目標(biāo)提取修正如表1 所示的多維數(shù)據(jù)集。從表1 中選擇年份、姓名、圖書借閱率以及文理科屬性作為類別標(biāo)識(shí)屬性，從候選屬性中選擇“圖書借閱率、文理科”作為決策樹的決策屬性集。由表1 可知，初始時(shí)刻屬于u1圖書借閱率類和u2文理科類的實(shí)例個(gè)數(shù)分別為57 個(gè)和43 個(gè)，因此可得到公式（1）。

表1 訓(xùn)練樣本

式中：u1為圖書借閱率；u2為文理科類的實(shí)例個(gè)數(shù)；P為類別屬性出現(xiàn)預(yù)警的概率。

給定樣本的信息嫡如公式（2）所示。

圖書借閱率=“0”，正例為18，反例為6，其信息嫡如公式（3）所示。

圖書借閱率=“1”，正例為29，反例為9，其信息嫡如公式（4）所示。

圖書借閱率=“2”，正例為9，反例為18，其信息嫡如公式（5）所示。

同上述其他公式一樣列出過程

圖書借閱率=“3”，正例為1，反例為10，其信息嫡如公式（6）所示。

如果選取圖書借閱率作為分類屬性，那么條件嫡如公式（7）所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 儲(chǔ)存裝置設(shè)計(jì)

基于高校圖書館借閱數(shù)據(jù)規(guī)模和數(shù)據(jù)流量較大的特點(diǎn)，高校須對(duì)相關(guān)借閱數(shù)據(jù)進(jìn)行完整、有效地儲(chǔ)存，才能夠切實(shí)保證借閱逾期預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)全體成員的全覆蓋[5]。針對(duì)此問題，該文將具有標(biāo)準(zhǔn)6U 5HP VPX 架構(gòu)的FKG-VPXV7-M8 作為系統(tǒng)的存儲(chǔ)裝置。表2 為FKG-VPXV7-M8 的基本運(yùn)行參數(shù)設(shè)置情況。

表2 FKG-VPXV7-M8 的基本運(yùn)行參數(shù)設(shè)置情況

結(jié)合表2 中的參數(shù)信息可以看出，F(xiàn)KG-VPXV7-M8 具有帶寬高、容量大的特點(diǎn)，其提供的標(biāo)準(zhǔn)exFAT 文件系統(tǒng)可以對(duì)高校圖書館借閱數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、記錄、存儲(chǔ)以及管理。借助上述配置，F(xiàn)KG-VPXV7-M8 還具有實(shí)時(shí)記錄功能、數(shù)據(jù)回放功能、數(shù)據(jù)訪問功能、文件在線管理功能、自檢及故障檢測(cè)功能和異常容錯(cuò)保護(hù)機(jī)制等功能。

2.2 開發(fā)板設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)高校圖書館借閱逾期情況的及時(shí)預(yù)警，須結(jié)合借閱信息對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行適應(yīng)性分析，因此需要功能強(qiáng)大的開發(fā)板作出系統(tǒng)的核心。該文選擇Xilinx Zynq-7010 的MYC-Y7Z010-V2 作為系統(tǒng)的開發(fā)板，其搭載了ARM+FPGA全可編程處理器，且完美支持4.14.0 內(nèi)核的Linux OS 系統(tǒng)，采用94PIN（FPGA）郵票孔連接，具有較高的抗沖擊性能。除此之外，MYC-Y7Z010-V2 的ARM 與FPGA 通信方式采用了AXI 高速片上總線通信機(jī)制，在吉比特級(jí)帶寬的支持下，避免了傳統(tǒng)ARM+FPGA 架構(gòu)的通信限制。圖1 為MYC-Y7Z010-V2的FPGA 接口設(shè)置情況。

圖1 MYC-Y7Z010-V2 的FPGA 接口設(shè)置

MYC-Y7Z010-V2 的FPGA 外設(shè)接口包括串口、以太網(wǎng)口以及視頻接口，可有效滿足應(yīng)用階段預(yù)警系統(tǒng)的拓展性需求。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 提取借閱數(shù)據(jù)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)高校圖書館借閱逾期情況的全面預(yù)警，首先需要準(zhǔn)確提取相關(guān)借閱數(shù)據(jù)[6]。該文分別從圖書的角度和用戶的角度開展該項(xiàng)工作，對(duì)不同角度提取的結(jié)果進(jìn)行匹配，以確保提取結(jié)果的完整性。首先以圖書為核心進(jìn)行借閱數(shù)據(jù)提取，具體的提取方式如公式（8）所示。

式中：f（x）為以圖書為核心的借閱數(shù)據(jù)提取結(jié)果；xi為i類圖書的現(xiàn)有館藏?cái)?shù)量；x0為i類圖書的實(shí)際館藏?cái)?shù)量；k為損耗系數(shù)；e為允許誤差參數(shù)[7-8]。

其次，以用戶為核心進(jìn)行借閱數(shù)據(jù)提取，具體的提取方式如公式（9）所示。

式中：g（x）為以用戶為核心的借閱數(shù)據(jù)提取結(jié)果；n為參與圖書借閱的用戶總量；∑xi為單一用戶的圖書借閱總量[9]。

以上述不同角度高校圖書館借閱數(shù)據(jù)提取結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)提取結(jié)果的完整性進(jìn)行分析，當(dāng)f（x）=g（x）時(shí)，表示提取的數(shù)據(jù)結(jié)果可靠，可以執(zhí)行后續(xù)的預(yù)警分析；當(dāng)f（x）和g（x）存在差異時(shí)，要對(duì)具體的差異數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì)，具體的核對(duì)方法是在圖書館借閱系統(tǒng)中查閱相應(yīng)的信息，從而有效提取高校圖書館借閱數(shù)據(jù)，為后續(xù)的預(yù)警效果提供保障。

3.2 基于決策樹的借閱逾期數(shù)據(jù)分析

結(jié)合第2.1 節(jié)提取的數(shù)據(jù)信息，該文在開展借閱逾期預(yù)警的過程中引入了決策樹算法對(duì)具體借閱狀態(tài)進(jìn)行分析。圖2 為該文構(gòu)建的決策樹算法執(zhí)行流程。

圖2 基于決策樹的借閱逾期預(yù)警流程

基于決策樹的借閱逾期預(yù)警流程，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，按照目標(biāo)借閱時(shí)間對(duì)提取的借閱數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，具體的處理方式可以表示為公式（10）。

式中：p(x)為處理后的借閱數(shù)據(jù)信息；sim（）為一致性函數(shù)；t為目標(biāo)借閱時(shí)間設(shè)置情況；x為目標(biāo)節(jié)約類別。

當(dāng)借閱時(shí)間一致時(shí)，結(jié)合圖書館的管理需求，設(shè)置具體的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，決策階段主要是根據(jù)借閱時(shí)間與當(dāng)前時(shí)間差進(jìn)行的，如公式（11）所示。

式中：Δt為借閱時(shí)間與當(dāng)前時(shí)間差；t'為當(dāng)前時(shí)間；t0為借閱時(shí)間。

以此可以對(duì)借閱逾期數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.3 借閱逾期預(yù)警

計(jì)算結(jié)果與預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系，確定預(yù)警動(dòng)作，如公式（12）所示。

κ=Δt-T（12）式中：κ為預(yù)警動(dòng)作執(zhí)行判斷參數(shù)；T為設(shè)置的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。

預(yù)警動(dòng)作的具體執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 預(yù)警動(dòng)作執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)表3 可以對(duì)高校圖書館借閱逾期情況進(jìn)行有效預(yù)警。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 測(cè)試環(huán)境設(shè)置

該文以某高校的實(shí)際圖書館管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息中涵蓋用戶整體借閱數(shù)據(jù)、用戶信息數(shù)據(jù)以及具體的圖書信息數(shù)據(jù)。在測(cè)試過程中，考慮到原始數(shù)據(jù)的規(guī)模較大，直接利用其進(jìn)行測(cè)試對(duì)應(yīng)的時(shí)間開銷較大，因此，該文隨機(jī)選取了其中9 個(gè)月的借閱數(shù)據(jù)作為最終測(cè)試數(shù)據(jù)。對(duì)于測(cè)試數(shù)據(jù)中存在的殘缺記錄及不完整信息，應(yīng)結(jié)合相關(guān)資源進(jìn)行修補(bǔ)，并通過校園卡號(hào)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)志處理。最后進(jìn)行測(cè)試的18 425 條有效記錄，將其按照目標(biāo)借閱時(shí)間進(jìn)行劃分，主要可分為5 類，對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別為15 天、1 個(gè)月、40 天、50 天以及2 個(gè)月。將上述數(shù)據(jù)分組導(dǎo)入SQL Server，可以作為測(cè)試階段差異化測(cè)試環(huán)境構(gòu)建的基礎(chǔ)。在上述數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，該文以受測(cè)試圖書館的管理要求為基礎(chǔ)，對(duì)距離借閱時(shí)間小于7 天的情況進(jìn)行預(yù)警處理，同時(shí)考慮到實(shí)際借閱情況的差異性，設(shè)置了不同的測(cè)試數(shù)據(jù)構(gòu)成，具體見表4。

表4 測(cè)試數(shù)據(jù)構(gòu)成設(shè)置

除此之外，在測(cè)試過程中，該文還設(shè)置了對(duì)照組，對(duì)應(yīng)的預(yù)警方法分別為文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)比3 個(gè)系統(tǒng)的預(yù)警效果，可以對(duì)該文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能作出客觀評(píng)價(jià)。

4.2 測(cè)試結(jié)果與分析

該文分別統(tǒng)計(jì)了不同系統(tǒng)的預(yù)警效果。具體的測(cè)試結(jié)果見表5。

表5 不同系統(tǒng)預(yù)警結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由表5 可知，在3 個(gè)不同預(yù)警系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果中，借閱逾期情況的預(yù)警效果隨著數(shù)據(jù)構(gòu)成復(fù)雜程度的不斷提高，均出現(xiàn)了不同程度的下降。其中，當(dāng)測(cè)試數(shù)據(jù)的目標(biāo)借閱時(shí)間構(gòu)成為一種（測(cè)試組1）時(shí)，3 個(gè)系統(tǒng)均實(shí)現(xiàn)了對(duì)借閱逾期情況的100.00%預(yù)警，且并未出現(xiàn)錯(cuò)誤預(yù)警的情況。但是隨著測(cè)試數(shù)據(jù)目標(biāo)借閱時(shí)間構(gòu)成的逐漸多元化，文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)對(duì)于借閱逾期情況的預(yù)警效果逐漸下降，其中，正確預(yù)警率最小值達(dá)到了94.74%（測(cè)試組5），錯(cuò)誤預(yù)警率最大值達(dá)到了34.74%（測(cè)試組5）；文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)對(duì)借閱逾期情況的預(yù)警效果雖然比文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)高，但是也呈逐漸下降的發(fā)展趨勢(shì)，正確預(yù)警率最小值達(dá)到了95.24%（測(cè)試組4），錯(cuò)誤預(yù)警率最大值達(dá)到了21.05%（測(cè)試組5）。相比之下，該文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的預(yù)警效果表現(xiàn)出了較高的穩(wěn)定性和可靠性，其中，正確預(yù)警率始終為100.00%，錯(cuò)誤預(yù)警率最大值也僅為3.16%（測(cè)試組5），與文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)相比，具有明顯優(yōu)勢(shì)。綜合上述的測(cè)試結(jié)果可知，該文設(shè)計(jì)的基于決策樹算法的高校圖書館借閱逾期預(yù)警系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同環(huán)境借閱逾期情況的全面預(yù)警，具有良好的實(shí)際應(yīng)用效果。

5 結(jié)語

該文提出的基于決策樹算法的高校圖書館借閱逾期預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，在設(shè)計(jì)階段充分考慮了圖書館借閱信息規(guī)模以及流量上的屬性特點(diǎn)，并以此為基礎(chǔ)對(duì)硬件進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)。該文還結(jié)合借閱逾期的判定標(biāo)準(zhǔn)，在軟件設(shè)計(jì)階段引入決策樹算法，根據(jù)用戶的實(shí)際借閱時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)不同逾期情況的全面預(yù)警。借助該文對(duì)高校圖書館借閱逾期預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，希望能為高校圖書館借閱服務(wù)工作的開展提供有價(jià)值的幫助，最大程度地提高圖書館資源的有效利用率。