RFID 作為一種無(wú)線射頻技術(shù)，可以無(wú)需機(jī)械及光學(xué)接觸，即可通過(guò)無(wú)線電訊號(hào)對(duì)需要識(shí)別特定目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，并且具有快速、安全、重復(fù)使用等諸多優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)今備受許多行業(yè)的青睞。到2016年RFID技術(shù)在我國(guó)圖書(shū)館實(shí)踐運(yùn)行使用已經(jīng)整整十年時(shí)間，從當(dāng)初零星之火到如今在圖書(shū)館業(yè)內(nèi)的廣泛應(yīng)用，可以說(shuō)RFID 技術(shù)在圖書(shū)館的深入應(yīng)用，促進(jìn)了圖書(shū)館服務(wù)模式、管理平臺(tái)、服務(wù)內(nèi)容等多方面的發(fā)展和變革，不僅使傳統(tǒng)的流通方式發(fā)生了很大的變化，更拓展了服務(wù)的空間和時(shí)間。對(duì)圖書(shū)館員來(lái)說(shuō)，使用RFID技術(shù)不僅減輕了工作的難度，還提高了服務(wù)的效能。圖書(shū)館與RIFD技術(shù)的結(jié)合無(wú)疑給讀者及圖書(shū)館員都帶來(lái)了很大的便利性，在未來(lái)RFID技術(shù)必定在智慧圖書(shū)館的發(fā)展中繼續(xù)扮演著重要的角色。

一、 圖書(shū)館盤(pán)點(diǎn)圖書(shū)工作現(xiàn)狀與局限

圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)作為圖書(shū)館的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，對(duì)圖書(shū)館員了解本館紙質(zhì)資源的情況非常重要。通過(guò)及時(shí)對(duì)在架圖書(shū)進(jìn)行盤(pán)點(diǎn)，可以準(zhǔn)確掌握到圖書(shū)的數(shù)量、位置等情況，既讓圖書(shū)館員及時(shí)了解圖書(shū)在架情況，又方便了讀者的圖書(shū)查詢(xún)。目前盤(pán)點(diǎn)圖書(shū)的方式主要有人工清點(diǎn)、條碼掃描盤(pán)點(diǎn)、RFID設(shè)備盤(pán)點(diǎn)等。

以南京圖書(shū)館為例，開(kāi)架外借圖書(shū)分布于兩個(gè)樓層，在架流通圖書(shū)約90萬(wàn)冊(cè)，全年借還總流通量超過(guò)300萬(wàn)冊(cè)。面對(duì)巨大的流通量，如何保證流通資源的準(zhǔn)確性，提高圖書(shū)流通環(huán)節(jié)的效率，這些問(wèn)題都是靠圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)工作來(lái)實(shí)現(xiàn)。作為讀者服務(wù)中重要的環(huán)節(jié)，從早期的人工清點(diǎn)，到現(xiàn)在使用RFID手持設(shè)備盤(pán)點(diǎn)，使得圖書(shū)館員以及讀者能夠準(zhǔn)確地了解到紙質(zhì)資源的情況，提高了圖書(shū)館讀者服務(wù)工作的質(zhì)量。

現(xiàn)階段，使用RFID 技術(shù)盤(pán)點(diǎn)圖書(shū)方式越來(lái)越多地被圖書(shū)館所采用，因?yàn)镽FID 技術(shù)盤(pán)點(diǎn)圖書(shū)不僅完成了之前可能需要花費(fèi)幾倍時(shí)間的工作量，同時(shí)還增加了盤(pán)點(diǎn)圖書(shū)的準(zhǔn)確性，受到了大多數(shù)圖書(shū)館員的偏愛(ài)。

以國(guó)家圖書(shū)館中文外借室為例，RFID 圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)工作分為期末盤(pán)點(diǎn)與循環(huán)盤(pán)點(diǎn)兩種方式。期末盤(pán)點(diǎn)是在閉室情況下進(jìn)行，數(shù)據(jù)有延時(shí)性但準(zhǔn)確度較高；循環(huán)盤(pán)點(diǎn)是通過(guò)固定周期在開(kāi)放時(shí)間進(jìn)行，數(shù)據(jù)及時(shí)性高，但循環(huán)周期間隔時(shí)間決定著工作的強(qiáng)度。由于可以及時(shí)了解在架圖書(shū)的當(dāng)前信息，循環(huán)盤(pán)點(diǎn)方法在圖書(shū)館也被廣泛采用。通過(guò)壓縮采集數(shù)據(jù)周期的時(shí)間間隔，保證了讀者能夠在借閱時(shí)獲取圖書(shū)的準(zhǔn)確位置，同時(shí)能讓圖書(shū)館員了解掌握?qǐng)D書(shū)的完整信息。有的圖書(shū)館使用3D呈現(xiàn)的方式，讓讀者能夠在網(wǎng)頁(yè)上很直觀地看到圖書(shū)所在的架位，極大地方便了讀者對(duì)紙質(zhì)資源的獲取。

然而，由于圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)工作的實(shí)施主體依然是圖書(shū)館員，RFID只是實(shí)現(xiàn)盤(pán)點(diǎn)工作的輔助性技術(shù)手段，因此我們認(rèn)為這依然沒(méi)有脫離人工盤(pán)點(diǎn)的傳統(tǒng)方式。為了獲取到圖書(shū)在架信息的準(zhǔn)確性，往往就要加大盤(pán)點(diǎn)的頻率，圖書(shū)館員需要花費(fèi)大量的時(shí)間來(lái)回奔波于書(shū)架之間，無(wú)形之中增加了他們的基礎(chǔ)勞動(dòng)時(shí)間，從而減少了對(duì)讀者直接服務(wù)的時(shí)間。

二、RFID技術(shù)與圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)智能機(jī)器人結(jié)合可能性

智慧型圖書(shū)館是圖書(shū)館事業(yè)發(fā)展的主流方向。智慧型圖書(shū)館的重要表現(xiàn)形式之一就是圖書(shū)館員知識(shí)專(zhuān)題化服務(wù)程度。圖書(shū)館員作為讀者與圖書(shū)之間的橋梁，如果能將RFID技術(shù)與智能機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一種以RFID為核心技術(shù)的圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)智能機(jī)器人，其特點(diǎn)是不受時(shí)間、空間等因素影響，可在開(kāi)架環(huán)境中通過(guò)圖書(shū)館員下達(dá)的盤(pán)點(diǎn)指令，自動(dòng)的對(duì)目標(biāo)書(shū)架進(jìn)行圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)工作。將極大地改變圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)工作現(xiàn)狀。用智能機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工盤(pán)點(diǎn)工作，就能突破圖書(shū)館服務(wù)方法的單一模式，促進(jìn)圖書(shū)館服務(wù)方式的轉(zhuǎn)變，創(chuàng)造服務(wù)形式的多元化。

三、RFID圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)智能機(jī)器人設(shè)計(jì)需求與實(shí)現(xiàn)條件

設(shè)計(jì)需求：機(jī)器人應(yīng)用的范圍應(yīng)該包括開(kāi)架與閉架兩種，開(kāi)架方式下進(jìn)行圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)遇到的情況相比較閉架時(shí)應(yīng)該復(fù)雜了許多，本文討論的是開(kāi)架方式下設(shè)備自動(dòng)實(shí)現(xiàn)圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)。設(shè)計(jì)需求包括以下幾方面內(nèi)容：

機(jī)器人的自檢功能。在開(kāi)始一系列工作之前，必須要完成設(shè)備的自檢工作，以保證各個(gè)部件是否能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，以及電池供電等方面能否支撐設(shè)備完成本次指令。

獲取當(dāng)前圖書(shū)架位的實(shí)際情況拓?fù)洹?/span>對(duì)當(dāng)前書(shū)架的架位信息可以規(guī)劃在系統(tǒng)中，這樣可以使得設(shè)備在運(yùn)行前能夠很清楚地對(duì)當(dāng)前架位信息有客觀的判斷分析。

機(jī)器人的定位及軌跡行進(jìn)路線。首先需要對(duì)整個(gè)開(kāi)架環(huán)境的地圖進(jìn)行有效的構(gòu)建，并規(guī)劃好合理的行進(jìn)路線，在設(shè)備偏離位置時(shí)可以自動(dòng)回到預(yù)設(shè)的線路上。如果在行進(jìn)的線路上遇到障礙物，應(yīng)稍作等待后再根據(jù)實(shí)際情況做新的線路規(guī)劃。

使用RFID技術(shù)對(duì)在架圖書(shū)進(jìn)行盤(pán)點(diǎn)，盤(pán)點(diǎn)圖書(shū)時(shí)機(jī)械臂的前后左右上下3軸方向移動(dòng)，盤(pán)點(diǎn)圖書(shū)的機(jī)械臂應(yīng)具備3軸方向的移動(dòng)功能，確保圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)過(guò)程中沒(méi)有遺漏。完成盤(pán)點(diǎn)任務(wù)后形成情況匯總，在對(duì)本次盤(pán)點(diǎn)操作結(jié)束后，需要對(duì)本次盤(pán)點(diǎn)的過(guò)程做一個(gè)情況匯總并呈現(xiàn)給圖書(shū)館員。

運(yùn)行邏輯：機(jī)器人運(yùn)行系統(tǒng)邏輯如圖1 所示，在圖書(shū)館員下達(dá)圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)的指令后，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)始進(jìn)入工作模式，機(jī)器人首先判斷自身電源系統(tǒng)能否完成該項(xiàng)工作，以及判斷各設(shè)備有無(wú)故障，如果系統(tǒng)保持正常，設(shè)備將按照規(guī)劃線路對(duì)書(shū)架圖書(shū)進(jìn)行盤(pán)點(diǎn)，如遇到讀者或其他障礙時(shí)，設(shè)備會(huì)自動(dòng)停止等待。如遇到偏離線路時(shí)，根據(jù)預(yù)設(shè)線路中的信號(hào)源，歸位到最近的信號(hào)源重新進(jìn)入規(guī)劃線路，盤(pán)點(diǎn)書(shū)架時(shí)根據(jù)圖像識(shí)別系統(tǒng)，先確定有無(wú)書(shū)架標(biāo)簽，如果找到書(shū)架標(biāo)簽時(shí)，對(duì)該書(shū)架進(jìn)行盤(pán)點(diǎn)。等完整盤(pán)點(diǎn)動(dòng)作結(jié)束后，將對(duì)這次盤(pán)點(diǎn)工作進(jìn)行匯總呈現(xiàn)給圖書(shū)館員，并且回到充電位置待命。

圖1

系統(tǒng)構(gòu)成：如圖2 所示，整個(gè)系統(tǒng)由供電系統(tǒng)、圖像感知系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、RFID 盤(pán)點(diǎn)系統(tǒng)這五大子系統(tǒng)組成。

圖2

設(shè)備設(shè)計(jì)自主穿梭于各個(gè)書(shū)架之間進(jìn)行圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)，供電系統(tǒng)主要由可充電蓄電池組成。圖像感知系統(tǒng)包括視覺(jué)圖像分析、紅外測(cè)距，用于觀察設(shè)備在行進(jìn)過(guò)程中是否遇到障礙物，設(shè)備是否在軌道中運(yùn)行以及觀察書(shū)架號(hào)，用來(lái)確定自身實(shí)際位置。導(dǎo)航定位系統(tǒng)由無(wú)線接收器、地圖構(gòu)建系統(tǒng)、偏移歸位系統(tǒng)組成，在系統(tǒng)初始化階段需要對(duì)整個(gè)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行地圖初始化構(gòu)建，并規(guī)劃好行進(jìn)的線路，在偏離軌道時(shí)系統(tǒng)需要通過(guò)無(wú)線接收器找到最近的初始化點(diǎn)位置，重新進(jìn)入軌道行進(jìn)。機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括電機(jī)馬達(dá)系統(tǒng)、機(jī)械臂系統(tǒng)等組成，電機(jī)馬達(dá)系統(tǒng)用于設(shè)備的行進(jìn)及停止，機(jī)械臂系統(tǒng)用于到達(dá)盤(pán)點(diǎn)區(qū)域后設(shè)備通過(guò)機(jī)械臂的移動(dòng)，帶動(dòng)RFID設(shè)備盤(pán)點(diǎn)圖書(shū)。RFID盤(pán)點(diǎn)系統(tǒng)用于對(duì)盤(pán)點(diǎn)圖書(shū)的統(tǒng)計(jì)、錄入、匯總等，將完整的信息呈現(xiàn)出來(lái)，使圖書(shū)館員直觀地看到當(dāng)前圖書(shū)在架情況。

四、RFID圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)智能機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：RFID圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人的二維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，該機(jī)器人由硬件和軟件兩部分組成，硬件包括鋰電池組直流供電、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)制動(dòng)裝置、機(jī)械臂滑動(dòng)裝置、距離和圖像感應(yīng)設(shè)備主機(jī)硬件及顯示屏、RFID標(biāo)簽識(shí)別等設(shè)備組成。軟件包括各個(gè)硬件的控制程序，使設(shè)備能夠按照程序化方式在規(guī)劃線路中運(yùn)行，如遇到偏離軌道及障礙物等情況，可自行判斷重新進(jìn)行圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)。

RFID 圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人的二維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，該機(jī)器人由硬件和軟件兩部分組成，硬件包括鋰電池組直流供電、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)制動(dòng)裝置、機(jī)械臂滑動(dòng)裝置、距離和圖像感應(yīng)設(shè)備主機(jī)硬件及顯示屏、RFID標(biāo)簽識(shí)別等設(shè)備組成。軟件包括各個(gè)硬件的控制程序，使設(shè)備能夠按照程序化方式在規(guī)劃線路中運(yùn)行，如遇到偏離軌道及障礙物等情況，可自行判斷重新進(jìn)行圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)。

圖3

關(guān)鍵技術(shù)：傳統(tǒng)構(gòu)建地圖的方式有度量、拓?fù)鋬煞N方式。其中度量地圖又分為特征地圖與柵格地圖，特征地圖指的是機(jī)器人通過(guò)傳感器對(duì)周?chē)沫h(huán)境進(jìn)行特征感知，從而達(dá)到精確定位的效果，由于對(duì)設(shè)備觀測(cè)信息等要求較高，適用于高度復(fù)雜環(huán)境地圖構(gòu)建。柵格地圖則是整個(gè)環(huán)境地圖使用柵格方式分割成很小的地圖塊，對(duì)每個(gè)小塊用0 和1 的方式區(qū)分識(shí)別是障礙物還是可移動(dòng)區(qū)域，該方式創(chuàng)建簡(jiǎn)單易于維護(hù)，較常在復(fù)雜度較低的環(huán)境中使用。拓?fù)涞貓D則是使用區(qū)塊的方式將環(huán)境中關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行分割，而區(qū)域間的邊則表示關(guān)系連接，如在圖書(shū)館開(kāi)架環(huán)境中書(shū)架區(qū)域、閱覽區(qū)域可分別作為兩個(gè)不同區(qū)域，拓?fù)涞貓D能夠很容易地劃分各個(gè)區(qū)域并易于拓展，但是在區(qū)域內(nèi)部較難完成精確定位。

機(jī)器人主要工作區(qū)域在圖書(shū)館書(shū)架區(qū)，該區(qū)域位置相對(duì)固定，與閱覽區(qū)又有明確的分割，所以本文采用了拓?fù)涞貓D+ 軌跡色帶標(biāo)識(shí)的方式對(duì)機(jī)器人的行進(jìn)路線進(jìn)行規(guī)劃，使用色帶標(biāo)識(shí)的方式，增加了機(jī)器人在行進(jìn)區(qū)域中定位的準(zhǔn)確性。機(jī)器人行進(jìn)導(dǎo)航定位路線見(jiàn)圖4。

圖4

我們將整個(gè)區(qū)域劃分為兩部分，一是書(shū)架區(qū)域，除此之外的規(guī)劃為閱覽區(qū)域，機(jī)器人在書(shū)架區(qū)域內(nèi)通過(guò)在底部的視覺(jué)系統(tǒng)找到按照地上事先鋪設(shè)的移動(dòng)軌跡標(biāo)識(shí)，根據(jù)軌跡色帶標(biāo)識(shí)的路線來(lái)行進(jìn)盤(pán)點(diǎn)工作，在書(shū)架標(biāo)簽區(qū)域做預(yù)設(shè)軌道標(biāo)識(shí)，機(jī)器人行進(jìn)到此區(qū)域即停止運(yùn)行開(kāi)始盤(pán)點(diǎn)該架位圖書(shū)。如果機(jī)器人當(dāng)前處于閱覽區(qū)域時(shí)，則通過(guò)搜尋失位信號(hào)源來(lái)重新進(jìn)入預(yù)設(shè)軌道區(qū)域，繼續(xù)進(jìn)行上一次盤(pán)點(diǎn)工作。

如圖5 所示，機(jī)器人機(jī)械臂分為X、Y、Z 軸三個(gè)方向，X 軸表示書(shū)架的寬度，Y 軸表示書(shū)架的高度，Z軸表示需要盤(pán)點(diǎn)圖書(shū)或書(shū)架標(biāo)簽的深度。當(dāng)機(jī)器人沿軌跡色帶標(biāo)識(shí)行進(jìn)到指定架位時(shí)，需要首先通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)獲取圖像信息，確定書(shū)架標(biāo)簽的個(gè)數(shù)，RFID盤(pán)點(diǎn)沿機(jī)械臂Y 軸移動(dòng)到需要盤(pán)點(diǎn)的書(shū)架標(biāo)簽位置，對(duì)書(shū)架標(biāo)簽先進(jìn)行掃描確認(rèn)，然后根據(jù)圖像識(shí)別信息，獲取到該層圖書(shū)書(shū)脊的位置，確定機(jī)械臂Z 軸的深度，對(duì)該層圖書(shū)進(jìn)行掃描盤(pán)點(diǎn)。

圖5

一般情況下書(shū)架的層數(shù)以及每層書(shū)架的寬度均是固定的，可以通過(guò)預(yù)設(shè)寬度及高度值來(lái)確定機(jī)械臂移動(dòng)的距離，需要注意的是書(shū)籍的擺放位置可能深度不一致，所以通過(guò)圖像獲取書(shū)脊位置并且通過(guò)距離感應(yīng)獲取到需要盤(pán)點(diǎn)圖書(shū)的深度非常重要，盡量保持RFID盤(pán)點(diǎn)設(shè)備靠近書(shū)脊的位置，可以有效避免在盤(pán)點(diǎn)過(guò)程中信號(hào)疏漏導(dǎo)致的盤(pán)點(diǎn)不準(zhǔn)確。圖書(shū)書(shū)脊的識(shí)別可以通過(guò)書(shū)脊下方的索引號(hào)獲得。在架圖書(shū)的書(shū)脊下部位置均貼有索書(shū)號(hào)。通過(guò)這一明顯特征，為圖像處理時(shí)提供了便利。通過(guò)灰度、二值化等算法后，可以通過(guò)索書(shū)號(hào)清晰的辨別出書(shū)脊數(shù)量位置等信息，為距離感知提供了很好的依據(jù)。

圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)系統(tǒng)由RFID讀寫(xiě)器對(duì)圖書(shū)及書(shū)架的標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，前端結(jié)合業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)將架位、圖書(shū)信息進(jìn)行展示，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6 所示。標(biāo)簽識(shí)別技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟，通過(guò)RFID讀寫(xiě)器對(duì)圖書(shū)及書(shū)架的RFID標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，讀取到該書(shū)或書(shū)架的條碼信息。

圖6

盤(pán)點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為展示層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)庫(kù)、基礎(chǔ)平臺(tái)四個(gè)方面，通過(guò)前端RFID讀寫(xiě)器獲取到條碼號(hào)，將數(shù)據(jù)存入架位數(shù)據(jù)庫(kù)中，并形成完整的圖書(shū)架位信息。其中應(yīng)用層設(shè)計(jì)分為采集、整理、更新、剔除等四個(gè)功能模塊，為圖書(shū)館員提供完整的圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)工作流程，滿足多種業(yè)務(wù)需求。通過(guò)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)聯(lián)獲取到圖書(shū)的完整信息，最終在前端展示平臺(tái)將完整的圖書(shū)架位信息呈現(xiàn)。在前端展示平臺(tái)中，通過(guò)Unity3D 等軟件結(jié)合圖書(shū)架位信息，可以展現(xiàn)出完整的3D 場(chǎng)景模型，方便了讀者及圖書(shū)館員對(duì)圖書(shū)的直觀查找。

在以智慧圖書(shū)館為發(fā)展趨勢(shì)的大背景下，本文通過(guò)設(shè)計(jì)智能設(shè)備并結(jié)合RFID 技術(shù)，將圖書(shū)館的圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)工作交給了智能機(jī)器人去完成。在機(jī)器人設(shè)計(jì)上考慮到了簡(jiǎn)潔、便利、可擴(kuò)展等適合圖書(shū)館應(yīng)用的因素，通過(guò)使用軌跡色帶標(biāo)識(shí)的方式，簡(jiǎn)化了機(jī)器人在開(kāi)架環(huán)境中導(dǎo)航定位的復(fù)雜度，同時(shí)考慮到開(kāi)架環(huán)境中讀者的因素造成機(jī)器人在偏離設(shè)定軌道時(shí)的情況，通過(guò)在書(shū)架位置預(yù)設(shè)信號(hào)源方式，機(jī)器人找尋無(wú)線信號(hào)源返回預(yù)設(shè)軌道。