南京大学图书馆 ：智能图书盘点机器人（图）

本文节选自《智慧图书馆探索与实践》一书“第四部分智慧图书馆案例研究”。

一、建设背景

近现代的工业革命、信息革命，使得人类前进的速度大大加快，各个行业都身在其中。而近20年相对以前来说，由于网络和计算机技术的全面普及，我们面临的环境更为复杂，科技发展更快。图书馆在利用电脑信息技术管理自己的资源后，图书馆事业也进入了快速发展阶段。数字图书馆方兴未艾，智慧图书馆的概念和建设扑面而来。最近几年，国内的智慧图书馆理论研究一直是个热点话题，2019年智慧图书馆成为中国图情档学界十大学术热点。每次图情界的学术会议上的话题总少不了智慧图书馆方面的理论与实践，在学术期刊上的论文、各级的科研项目、学生的毕业论文中，智慧图书馆总是研究的重点。

21世纪初，有关大型图书馆智能化管理方面的理论研究已经处于高速发展之中，如何实现对如此巨量图书和大型书库的有效管理，让读者能够快速、准确地查找到所需图书，让馆员能实现图书快速上架、整理和盘点，已经成为各大型图书馆面临的首要议题。

射频识别（Radio Frequency Identifi cation，RFID）技术是该领域研究的一个重要方向。目前，传统图书管理系统多采用“条形码+磁条”相结合的技术，以安全磁条作为图书的安全保证，以条形码作为图书的身份标识。然而条形码技术固有的缺陷使得图书管理不方便且容易出错。为防止条形码的损毁，条形码一般都被粘贴在图书的内部，并且每个条形码都需要单独扫描。因此，在图书的盘点、定位、排架及借还时，必须打开每本书来进行扫描条形码的工作，这样就使得图书管理变得烦琐从而大大降低了工作效率。除此以外，对于大型图书馆来说，大批量地引进条形码和磁条，大大增加了图书入库之前的粘贴工作量，对于资金也是一种巨大的浪费。经过对RFID技术的长期研究，尤其是对超高频RFID技术在智能图书馆应用领域的深入探索，笔者的团队现已设计并实现了一套完整的智能图书馆管理系统，主要实现了图书自助借还、图书智能上架、图书智能盘点、图书信息管理等功能。其中智能图书盘点机器人是拳头产品。

南京大学图书馆从2012年开始着力研究和实践智慧图书馆，积累了一定的技术和经验；南京大学计算机科学与技术系陈力军教授团队一直致力于基于RFID物联网的研究。在此基础上，两家单位强强联合，进行了基于超高频RFID芯片的智能图书盘点机器人研发（图3-46）。

在项目启动时，依托于江苏省科技厅重点研发项目的支持，此项技术和设备的研究正式展开。项目于2014年启动，2015年，第一代机器人研发成功，随后，2016年第二代、2017年第三代、2018年第四代、2020年第五代相继研制成功，在实际应用中取得了成功。目前，应用智能图书盘点机器人来管理图书的图书馆已经超过了20家。

二、建设内容

1.图书盘点定位存在的问题

国内很多图书馆已经采用了RFID技术来增强图书馆的服务，但是RFID在某些方面反而加重了馆员的工作量，比如图书盘点和整架时，手持点检仪和盘点车误读率比较高，几乎每本书都要近距离去扫描，大大降低了效率且增加了馆员的工作量。

笔者通过对国内图书馆基于RFID智慧图书馆应用的调查，发现国内很少有图书馆实现利用机器人管理图书的做法。目前大多数图书馆使用的机器人有如下几种：图书馆自助服务辅助系统、机器人与立式仓库的结合、无人搬运车、全自主智能图书存取机器人系统和智能参考咨询机器人。这些机器人在实际工作中的应用比较少。国内图书馆应用RFID技术比较多，基于RFID的各种智能化服务探索和实践比较多，在图书盘点这个难点上能够有所突破是当务之急。

2.RFID基本特点

RFID技术是一种非接触式自动识别技术，这种技术可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据。一个标准的RFID系统主要由三大组件构成，分别是标签、阅读器以及天线。其中天线是链接标签和阅读器的主要纽带，标签和阅读器之间的相互协作是一系列复杂的操作的保证。超高频RFID具有一次可读取多个标签、穿透性强、多次读写、记忆容量大、成本低、体积小、使用方便、可靠性和寿命高等特点。

RFID技术的基本工作原理：标签进入磁场后，接收天线发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或者由标签主动发送某一频率的信号，阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

3.图书馆应用超高频RFID优势

与传统的磁卡、IC卡相比，RFID技术最大的优点就在于非接触，完成识别工作时无须人工干预，适合于实现系统的自动化管理，而且不易损坏，并且它读取的范围很大、识别速度很快，数据安全性也很高。总结起来，其优势有如下几项。

①非视距阅读。RFID信号可以穿透大多数非金属的物质，因而在不翻开书的情况下，RFID阅读器也能够读取到藏在书中的标签，这样就避免了像条形码扫描需要翻开书而带来的额外工作。②识别速度快。RFID阅读器可以同时识别多个标签，大大提高了书本识别的效率，该优点在借还书籍、典藏等活动中表现尤为突出。③识别距离远。采用超高频RFID标签，书和RFID阅读器之间的识别距离可达3米以上。④数据安全。除了可以对标签进行密码保护，数据部分也能通过DES、RSA等算法实现安全管理，阻止非法访问或篡改等攻击行为。⑤使用寿命长。RFID标签的体积很小，封装在各种各样的外包装里面，可以达到防水、防油污、抗酸碱等效果。⑥数据动态修改。在图书馆应用中可以利用修改标签信息来指示图书状态的改变。RFID技术的发展将图书管理从相对“笨重”的条形码技术中解救了出来，超高频RFID技术在图书馆领域的应用，给图书馆管理系统带来了革命性的变化。

4.图书馆智能盘点机器人的实现

机器人自动盘点系统基于超高频RFID技术，利用机器人对整个图书馆藏书进行盘点，检查是否出现错架图书、是否有藏书丢失，同时能对需要上架的图书进行自动识别，并规划出上架最短路径，在需要上架的图书位置能自动停止，直到有人将需上架图书拿走，机器人再自动抵达下一个需要上架的位置。

（1）核心技术

图书精准定位、多模态自主导航、基于视觉的智能避障、基于视觉的书脊信息识别。

（2）主要功能

图书盘点机器人实现了三维导航功能，它采用三维模型场景，可以实时地显示机器人在图书馆中的位置，只要将上架的图书放置在机器人的智能书架上，它就可以自动快速地识别图书的信息及图书所在书架的位置信息，并根据图书所在书架的位置信息自动规划出一条上架路径，当机器人到达上架点时自动停止，同时提示需要上架的图书，其过程不需要耗费人力对图书进行识别判断，降低了人工判断错误的发生概率，减少了人力劳动，减轻了图书管理员人员上架的负担。

RFID标签片上资源有限，容易遭遇攻击。为确保系统安全性，首先设计轻量级安全加密算法，防止标签信息被篡改；然后利用手机等干扰器，识别并干扰非法阅读器，从而实现反跟踪的目标。

针对书籍盘点时的漏读现象，我们通过实验，发掘天线射频功率、盘点车移动速度与漏读率之间的对应关系，然后运用数据挖掘技术理论建模，求解出三者间的关系方程，从而指导发射功率与盘点车速度的动态调整，以此获得最大读取率。从两方面解决物理因素引起的漏读问题：使用多个阅读器天线消除不确定标签方向的影响（至少有一个天线能够以较好的角度读取标签）；动态调节阅读器天线射频功率，从而削弱甚至消除距离、多径效率以及材质的影响。

（3）盘点机器人优势

①双激光雷达，无死角覆盖

传统单激光雷达存在盲区等问题。盘点机器人搭载双激光雷达，保障360度无死角自主导航，并且可在书架间双向行走，进退自如。

②自适应SLAM导航

机器人配备自适应导航算法，能够根据图书馆现场环境建图，适用于各类图书馆场景，无须对现有图书馆基础设施进行任何改造。目前采取的定位方式最适合图书馆，完全自适应的地图构建和导航虽然技术先进但是不适合图书馆书架。

③高效盘点，精准定位

机器人融合RFID感知、大数据处理、人工智能等技术，采用国际先进的定位算法（拥有10余项国内、国际专利），实现高精度图书定位。图书定位精度高达98%，图书漏读率低于1%，图书盘点效率高达20000册/小时，各项性能指标处于国际领先水平。

④一键操作，定时盘点

采用一键式盘点操作，能够根据馆方需求，自由设置盘点区域、盘点时间等。例如，某馆晚间10点闭馆，馆员可以在下班时设置盘点开始时间为下午10 : 00。机器人会准时在闭馆后对全馆进行自动盘点。

⑤超长待机，自动充电

机器人采用最高安全等级的电池，容量高达50AH，能够保障10小时以上的不间断盘点时间。此外，配备自动充电功能，当电池电量过低时，机器人会自主导航到充电桩进行充电。充电结束后，可继续完成上一次未完成的任务。

⑥双升降盘点扫描装置

采用拥有自主知识产权的双升降盘点装置，能够对扫描装置进行毫米级升降调整，适用于不同高度、不同层高的各类书架，保障盘点性能最优。

⑦OPAC无缝对接，图形化直观展示

可与现有图书管理系统OPAC实现无缝对接，通过图形化界面为读者直观展示图书的位置信息，方便读者快速查找感兴趣的书籍。

⑧多模态智能感知凸出图书

集成多模态智能传感设备，能够实时检测书架上的凸出图书（图书尺寸过大或图书不规则摆放导致），保障自动盘点系统的高可靠性。

⑨大数据分析，自动发送报表

基于云平台对盘点数据进行大数据分析、汇总，可提供丢失图书报表、错架图书报表、标签绑定失效图书报表等信息，并且能够通过邮件自动发送给图书管理员。

⑩自主知识产权，荣获国际大奖

研发团队经历十余年研发积累，拥有完全自主知识产权，已有14项发明专利，4项国际专利被授权。2015年第一代机器人正式发布，成为全球首台智能图书盘点机器人，各项性能指标国际领先，荣获第46届日内瓦国际发明展最高奖项：特别金奖。

三、运行情况及效果

1.第三代机器人实测数据

研究者设计了两个实验，结合数据报表分析，评估机器人的实施效果。实验一的目的是评估自动盘点机器人的盘点效率和定位准确率。具体实验方案为：随机选择两个书架，在闭馆前进行实验，确保期间书籍没有被移动。为了准确地获取这两个书架上所放置的每一本图书的列表，我们首先使用条码阅读器先后两次逐层、逐本扫描图书条形码，并记录其所在书架的层架编号以及在同一层架的左右排序号。获取到的图书条形码列表（共计567本图书）经核对后，将被作为实验后继步骤的基准数据。然后由两名馆员使用RFID盘点车进行定位扫描，分别记录所花费的时间。闭馆后，机器人开始自动盘点，次日上午分别从RFID盘点车和机器人报表中导出数据，与基准数据比对计算出盘点效率和定位准确率。实验二的目的是评估提供馆藏定位信息对读者查找图书效率的影响。具体实验方案为：邀请20位志愿者参与，实验分为两轮，每轮每位志愿者需要按照给定的清单查找50本图书。第一轮提供的清单只包含条形码、索书号和书名，第二轮提供的清单增加了所在架位的定位信息。为了避免志愿者对图书位置的记忆影响实验结果，在两轮实验中保证同一个志愿者拿到的清单中没有重复，记录各位志愿者完成图书查找所用时间。

效果分析：①机器人盘点效率分析。在实验一中，机器人盘点开始和结束的时间分别为当天的22：15和次日的08：04，共盘点图书192997册，折算为自动盘点每千册图书平均用时为183秒。馆员通过RFID盘点车为567本样本图书进行了盘点，平均用时为573秒，折算为人工盘点每千册图书平均用时约1010秒。机器人与人工盘点效率的对比为1010/183。因此，机器人自动盘点效率约为人工盘点的5.5倍。机器人自动盘点效率高、无须人工干预的优势，为图书馆定期实施馆藏盘点提供了可能。②机器人定位准确性分析。在实验一中，机器人可以准确地将567本书中的549本定位到同层书架，定位准确率约为96.83%。而两名馆员可以分别准确地将535本和542本定位到同层书架，平均定位准确率约为94.97%。因此，在同层书架的定位准确性上，熟悉盘点操作的馆员与机器人不相上下。对机器人定位到正确书架层格的549本图书，可以进一步分析其左右排序的准确性。经计算，机器人对单册图书左右排序的准确率约为95%，基于此可在同一层书架内，较为精准地实现单册图书的左右排序。如将其应用在虚拟书架层面的可视化显示上，可为读者提供图书左右排序的虚拟导航。人工盘点目前还无法实现这一点，因此机器人自动盘点具有不可替代的优势。

定位信息对读者找书效率影响分析：对实验二的结果进行分析发现，在得到图书定位信息后，所有志愿者的找书效率均有提升，平均达到了32.2%，其中35%的志愿者找书效率提升超过40%，最高达到50%。本实验可以验证提供图书定位信息将显著提高读者的找书效率。

馆藏数据报表分析：以2018年12月20日的盘点数据报表为例，机器人当天共盘点637465册图书。其中，共有705册图书馆藏地错误，约占馆藏总量的0.11%；207册为借出状态的图书，约占0.03%；412册为状态异常图书，约占0.06%。所有异常图书均标明了条形码、索书号、书名，以及当前所在的列号、排号、架号等信息。从馆藏数据报表可以发现，常见的馆藏管理问题有：上架错误、图书流通错误和图书状态错误等。上架错误包括图书架位或馆藏地错误，机器人盘点时根据该书索书号及图书馆集成系统中存储的原始馆藏地判断；图书流通错误包括被错误上架的已预约图书、读者已还回但操作失败的图书、通借通还中间流程错误的图书；图书状态错误指在架上出现被设定为屏蔽、剔除、丢失等状态的图书。这些问题仅通过人工盘点模式难以被发现。馆员根据馆藏数据报表可以每天对非正常状态的图书进行纠错，一方面有助于提高馆藏管理效率，形成馆藏维护的良性循环，使得馆藏在架正确率越来越高，另一方面有利于提升读者对馆藏资源的利用率和对图书馆服务的满意度。

2.第五代机器人运行效果参数

工作频率：13.56MHz（高频）；860—960MHz（超高频）

图书盘点漏读率：超高频低于3%；高频低于5%

图书排序精度：误差±5cm

定位粒度：厘米级

图书层定位精度：高于98%

图书盘点效率：20000册/小时

电池工作时间：连续运行时间不小于10小时

运行噪音：小于35分贝（距离机器人1米处）

详情请下载：南京大学图书馆 ：智能图书盘点机器人（图）.pdf