RFID 作為一種無線射頻技術，可以無需機械及光學接觸，即可通過無線電訊號對需要識別特定目標進行數據的讀寫，并且具有快速、安全、重復使用等諸多優勢，在當今備受許多行業的青睞。到2016年RFID技術在我國圖書館實踐運行使用已經整整十年時間，從當初零星之火到如今在圖書館業內的廣泛應用，可以說RFID 技術在圖書館的深入應用，促進了圖書館服務模式、管理平臺、服務內容等多方面的發展和變革，不僅使傳統的流通方式發生了很大的變化，更拓展了服務的空間和時間。對圖書館員來說，使用RFID技術不僅減輕了工作的難度，還提高了服務的效能。圖書館與RIFD技術的結合無疑給讀者及圖書館員都帶來了很大的便利性，在未來RFID技術必定在智慧圖書館的發展中繼續扮演著重要的角色。

一、 圖書館盤點圖書工作現狀與局限

圖書盤點作為圖書館的一項基礎性工作，對圖書館員了解本館紙質資源的情況非常重要。通過及時對在架圖書進行盤點，可以準確掌握到圖書的數量、位置等情況，既讓圖書館員及時了解圖書在架情況，又方便了讀者的圖書查詢。目前盤點圖書的方式主要有人工清點、條碼掃描盤點、RFID設備盤點等。

以南京圖書館為例，開架外借圖書分布于兩個樓層，在架流通圖書約90萬冊，全年借還總流通量超過300萬冊。面對巨大的流通量，如何保證流通資源的準確性，提高圖書流通環節的效率，這些問題都是靠圖書盤點工作來實現。作為讀者服務中重要的環節，從早期的人工清點，到現在使用RFID手持設備盤點，使得圖書館員以及讀者能夠準確地了解到紙質資源的情況，提高了圖書館讀者服務工作的質量。

現階段，使用RFID 技術盤點圖書方式越來越多地被圖書館所采用，因為RFID 技術盤點圖書不僅完成了之前可能需要花費幾倍時間的工作量，同時還增加了盤點圖書的準確性，受到了大多數圖書館員的偏愛。

以國家圖書館中文外借室為例，RFID 圖書盤點工作分為期末盤點與循環盤點兩種方式。期末盤點是在閉室情況下進行，數據有延時性但準確度較高；循環盤點是通過固定周期在開放時間進行，數據及時性高，但循環周期間隔時間決定著工作的強度。由于可以及時了解在架圖書的當前信息，循環盤點方法在圖書館也被廣泛采用。通過壓縮采集數據周期的時間間隔，保證了讀者能夠在借閱時獲取圖書的準確位置，同時能讓圖書館員了解掌握圖書的完整信息。有的圖書館使用3D呈現的方式，讓讀者能夠在網頁上很直觀地看到圖書所在的架位，極大地方便了讀者對紙質資源的獲取。

然而，由于圖書盤點工作的實施主體依然是圖書館員，RFID只是實現盤點工作的輔助性技術手段，因此我們認為這依然沒有脫離人工盤點的傳統方式。為了獲取到圖書在架信息的準確性，往往就要加大盤點的頻率，圖書館員需要花費大量的時間來回奔波于書架之間，無形之中增加了他們的基礎勞動時間，從而減少了對讀者直接服務的時間。

二、RFID技術與圖書盤點智能機器人結合可能性

智慧型圖書館是圖書館事業發展的主流方向。智慧型圖書館的重要表現形式之一就是圖書館員知識專題化服務程度。圖書館員作為讀者與圖書之間的橋梁，如果能將RFID技術與智能機器人技術相結合，設計出一種以RFID為核心技術的圖書盤點智能機器人，其特點是不受時間、空間等因素影響，可在開架環境中通過圖書館員下達的盤點指令，自動的對目標書架進行圖書盤點工作。將極大地改變圖書盤點工作現狀。用智能機器人代替傳統人工盤點工作，就能突破圖書館服務方法的單一模式，促進圖書館服務方式的轉變，創造服務形式的多元化。

三、RFID圖書盤點智能機器人設計需求與實現條件

設計需求：機器人應用的范圍應該包括開架與閉架兩種，開架方式下進行圖書盤點遇到的情況相比較閉架時應該復雜了許多，本文討論的是開架方式下設備自動實現圖書盤點。設計需求包括以下幾方面內容：

機器人的自檢功能。在開始一系列工作之前，必須要完成設備的自檢工作，以保證各個部件是否能正常運轉，以及電池供電等方面能否支撐設備完成本次指令。

獲取當前圖書架位的實際情況拓撲。對當前書架的架位信息可以規劃在系統中，這樣可以使得設備在運行前能夠很清楚地對當前架位信息有客觀的判斷分析。

機器人的定位及軌跡行進路線。首先需要對整個開架環境的地圖進行有效的構建，并規劃好合理的行進路線，在設備偏離位置時可以自動回到預設的線路上。如果在行進的線路上遇到障礙物，應稍作等待后再根據實際情況做新的線路規劃。

使用RFID技術對在架圖書進行盤點，盤點圖書時機械臂的前后左右上下3軸方向移動，盤點圖書的機械臂應具備3軸方向的移動功能，確保圖書盤點過程中沒有遺漏。完成盤點任務后形成情況匯總，在對本次盤點操作結束后，需要對本次盤點的過程做一個情況匯總并呈現給圖書館員。

運行邏輯：機器人運行系統邏輯如圖1 所示，在圖書館員下達圖書盤點的指令后，系統自動開始進入工作模式，機器人首先判斷自身電源系統能否完成該項工作，以及判斷各設備有無故障，如果系統保持正常，設備將按照規劃線路對書架圖書進行盤點，如遇到讀者或其他障礙時，設備會自動停止等待。如遇到偏離線路時，根據預設線路中的信號源，歸位到最近的信號源重新進入規劃線路，盤點書架時根據圖像識別系統，先確定有無書架標簽，如果找到書架標簽時，對該書架進行盤點。等完整盤點動作結束后，將對這次盤點工作進行匯總呈現給圖書館員，并且回到充電位置待命。

圖1

系統構成：如圖2 所示，整個系統由供電系統、圖像感知系統、導航定位系統、機械驅動系統、RFID 盤點系統這五大子系統組成。

圖2

設備設計自主穿梭于各個書架之間進行圖書盤點，供電系統主要由可充電蓄電池組成。圖像感知系統包括視覺圖像分析、紅外測距，用于觀察設備在行進過程中是否遇到障礙物，設備是否在軌道中運行以及觀察書架號，用來確定自身實際位置。導航定位系統由無線接收器、地圖構建系統、偏移歸位系統組成，在系統初始化階段需要對整個室內環境進行地圖初始化構建，并規劃好行進的線路，在偏離軌道時系統需要通過無線接收器找到最近的初始化點位置，重新進入軌道行進。機械驅動系統包括電機馬達系統、機械臂系統等組成，電機馬達系統用于設備的行進及停止，機械臂系統用于到達盤點區域后設備通過機械臂的移動，帶動RFID設備盤點圖書。RFID盤點系統用于對盤點圖書的統計、錄入、匯總等，將完整的信息呈現出來，使圖書館員直觀地看到當前圖書在架情況。

四、RFID圖書盤點智能機器人結構設計及關鍵技術

結構設計：RFID圖書盤點機器人的二維結構設計如圖3所示，該機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、馬達驅動制動裝置、機械臂滑動裝置、距離和圖像感應設備主機硬件及顯示屏、RFID標簽識別等設備組成。軟件包括各個硬件的控制程序，使設備能夠按照程序化方式在規劃線路中運行，如遇到偏離軌道及障礙物等情況，可自行判斷重新進行圖書盤點。

RFID 圖書盤點機器人的二維結構設計如圖3所示，該機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、馬達驅動制動裝置、機械臂滑動裝置、距離和圖像感應設備主機硬件及顯示屏、RFID標簽識別等設備組成。軟件包括各個硬件的控制程序，使設備能夠按照程序化方式在規劃線路中運行，如遇到偏離軌道及障礙物等情況，可自行判斷重新進行圖書盤點。

圖3

關鍵技術：傳統構建地圖的方式有度量、拓撲兩種方式。其中度量地圖又分為特征地圖與柵格地圖，特征地圖指的是機器人通過傳感器對周圍的環境進行特征感知，從而達到精確定位的效果，由于對設備觀測信息等要求較高，適用于高度復雜環境地圖構建。柵格地圖則是整個環境地圖使用柵格方式分割成很小的地圖塊，對每個小塊用0 和1 的方式區分識別是障礙物還是可移動區域，該方式創建簡單易于維護，較常在復雜度較低的環境中使用。拓撲地圖則是使用區塊的方式將環境中關鍵區域進行分割，而區域間的邊則表示關系連接，如在圖書館開架環境中書架區域、閱覽區域可分別作為兩個不同區域，拓撲地圖能夠很容易地劃分各個區域并易于拓展，但是在區域內部較難完成精確定位。

機器人主要工作區域在圖書館書架區，該區域位置相對固定，與閱覽區又有明確的分割，所以本文采用了拓撲地圖+ 軌跡色帶標識的方式對機器人的行進路線進行規劃，使用色帶標識的方式，增加了機器人在行進區域中定位的準確性。機器人行進導航定位路線見圖4。

圖4

我們將整個區域劃分為兩部分，一是書架區域，除此之外的規劃為閱覽區域，機器人在書架區域內通過在底部的視覺系統找到按照地上事先鋪設的移動軌跡標識，根據軌跡色帶標識的路線來行進盤點工作，在書架標簽區域做預設軌道標識，機器人行進到此區域即停止運行開始盤點該架位圖書。如果機器人當前處于閱覽區域時，則通過搜尋失位信號源來重新進入預設軌道區域，繼續進行上一次盤點工作。

如圖5 所示，機器人機械臂分為X、Y、Z 軸三個方向，X 軸表示書架的寬度，Y 軸表示書架的高度，Z軸表示需要盤點圖書或書架標簽的深度。當機器人沿軌跡色帶標識行進到指定架位時，需要首先通過視覺系統獲取圖像信息，確定書架標簽的個數，RFID盤點沿機械臂Y 軸移動到需要盤點的書架標簽位置，對書架標簽先進行掃描確認，然后根據圖像識別信息，獲取到該層圖書書脊的位置，確定機械臂Z 軸的深度，對該層圖書進行掃描盤點。

圖5

一般情況下書架的層數以及每層書架的寬度均是固定的，可以通過預設寬度及高度值來確定機械臂移動的距離，需要注意的是書籍的擺放位置可能深度不一致，所以通過圖像獲取書脊位置并且通過距離感應獲取到需要盤點圖書的深度非常重要，盡量保持RFID盤點設備靠近書脊的位置，可以有效避免在盤點過程中信號疏漏導致的盤點不準確。圖書書脊的識別可以通過書脊下方的索引號獲得。在架圖書的書脊下部位置均貼有索書號。通過這一明顯特征，為圖像處理時提供了便利。通過灰度、二值化等算法后，可以通過索書號清晰的辨別出書脊數量位置等信息，為距離感知提供了很好的依據。

圖書盤點系統由RFID讀寫器對圖書及書架的標簽進行數據讀取，并將數據存入數據庫，前端結合業務系統數據將架位、圖書信息進行展示，其系統結構如圖6 所示。標簽識別技術現在已經比較成熟，通過RFID讀寫器對圖書及書架的RFID標簽進行識別，讀取到該書或書架的條碼信息。

圖6

盤點系統設計分為展示層、應用層、數據庫、基礎平臺四個方面，通過前端RFID讀寫器獲取到條碼號，將數據存入架位數據庫中，并形成完整的圖書架位信息。其中應用層設計分為采集、整理、更新、剔除等四個功能模塊，為圖書館員提供完整的圖書盤點工作流程，滿足多種業務需求。通過與業務數據庫相關聯獲取到圖書的完整信息，最終在前端展示平臺將完整的圖書架位信息呈現。在前端展示平臺中，通過Unity3D 等軟件結合圖書架位信息，可以展現出完整的3D 場景模型，方便了讀者及圖書館員對圖書的直觀查找。

在以智慧圖書館為發展趨勢的大背景下，本文通過設計智能設備并結合RFID 技術，將圖書館的圖書盤點工作交給了智能機器人去完成。在機器人設計上考慮到了簡潔、便利、可擴展等適合圖書館應用的因素，通過使用軌跡色帶標識的方式，簡化了機器人在開架環境中導航定位的復雜度，同時考慮到開架環境中讀者的因素造成機器人在偏離設定軌道時的情況，通過在書架位置預設信號源方式，機器人找尋無線信號源返回預設軌道。