張郁松 楊文華

（南京信息工程大學(xué)圖書館，江蘇 南京 210044）

張郁松 女，工程師，碩士在讀。

楊文華 女，工程師，本科學(xué)歷。

1 引言

圖書管理系統(tǒng)（也稱圖書館管理系統(tǒng)）的主要功能是對(duì)圖書的采購(gòu)、編目、檢索、統(tǒng)計(jì)和流通等環(huán)節(jié)進(jìn)行控制管理。圖書管理的關(guān)鍵問題是圖書的分類標(biāo)識(shí)和存放位置的確定。最早的解決方案是對(duì)圖書進(jìn)行館藏分類編目以規(guī)定其存放位置，按照規(guī)定位置進(jìn)行有序排放，然后以卡片記錄每種圖書的分類和位置等信息?？梢?，按規(guī)定位置有序排放是圖書定位的關(guān)鍵。每本圖書都具有規(guī)定位置和實(shí)際位置兩種位置信息。規(guī)定位置與實(shí)際位置必須相符，這樣才能實(shí)現(xiàn)圖書的定位。如果發(fā)生“錯(cuò)架”的情況，相關(guān)圖書的實(shí)際位置信息將丟失，圖書定位無(wú)法實(shí)現(xiàn)。這種方式完全依賴于人工操作，其對(duì)應(yīng)系統(tǒng)可稱為第一代圖書管理系統(tǒng)，第一代系統(tǒng)屬于人工系統(tǒng)?；谟?jì)算機(jī)、條形碼以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的圖書管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)圖書相關(guān)信息錄入、處理、存儲(chǔ)以及遠(yuǎn)程獲取的電子化和自動(dòng)化，系統(tǒng)呈現(xiàn)分布式結(jié)構(gòu)，是目前普遍采用的技術(shù)方案，可稱為第二代圖書管理系統(tǒng)，第二代系統(tǒng)屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?？梢钥吹?，第二代系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)圖書管理高度自動(dòng)化的同時(shí)，人工干預(yù)仍然較多，智能化程度低，且延用按照?qǐng)D書規(guī)定位置有序排放的定位方案，同樣存在著圖書編目工作量大、圖書歸架任務(wù)繁重、圖書查找不便以及圖書錯(cuò)架導(dǎo)致其實(shí)際位置信息丟失等明顯缺點(diǎn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，為圖書館管理方式的變革提供了現(xiàn)實(shí)技術(shù)條件，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能圖書館的研究逐步開展并走向深入[1-3]。智能圖書館的綜合管理系統(tǒng)應(yīng)包括智能圖書管理、智能建筑管理、智能人員管理3大功能。其中基于物聯(lián)網(wǎng)的圖書管理系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)圖書管理的全面智能化，可稱為第三代圖書管理系統(tǒng)，屬于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于圖書管理系統(tǒng)，可以打破傳統(tǒng)的圖書定位方式，無(wú)需依賴圖書有序排放來(lái)獲得其實(shí)際位置信息，而是通過物聯(lián)網(wǎng)感知圖書的存在及其實(shí)際存放位置，形成“館藏圖書動(dòng)態(tài)位置信息表”。這一根本性的變化，使得圖書采購(gòu)、編目、檢索、統(tǒng)計(jì)和流通等環(huán)節(jié)的智能化管理成為可能。文獻(xiàn)[3]對(duì)智能圖書館圖書定位問題進(jìn)行分析研究，給出若干初步的認(rèn)識(shí)和結(jié)論。筆者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究，對(duì)問題的實(shí)質(zhì)作進(jìn)一步分析和概括，提出圖書管理物聯(lián)網(wǎng)的一般結(jié)構(gòu)。圖書管理物聯(lián)網(wǎng)是智能圖書管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，也是智能圖書館綜合管理物聯(lián)網(wǎng)的基本模型，對(duì)這一問題進(jìn)行深入研究有重要意義。

2 圖書管理物聯(lián)網(wǎng)需求分析

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)智能圖書管理系統(tǒng)，“物—物互聯(lián)”的概念具體體現(xiàn)為每本館藏圖書與管理中心之間建立聯(lián)系。智能圖書管理系統(tǒng)的各種應(yīng)用層高級(jí)功能的實(shí)現(xiàn)，有賴于其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)——圖書管理物聯(lián)網(wǎng)的合理設(shè)計(jì)。因此首先對(duì)該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行如下需求分析。

①圖書管理物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)管理中心與每本館藏圖書之間的實(shí)時(shí)通信連接，對(duì)館藏圖書進(jìn)行實(shí)時(shí)感知與監(jiān)測(cè)，其中心任務(wù)是獲取所有館藏圖書的動(dòng)態(tài)位置信息，在管理中心形成館藏圖書動(dòng)態(tài)位置信息表。

館藏圖書動(dòng)態(tài)位置信息表除反映在館存放圖書的實(shí)際位置信息之外，還應(yīng)指明借出圖書的去向，即圖書的借閱者信息。因此還須結(jié)合圖書借閱子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)借閱信息，以形成全館統(tǒng)一的、全息的館藏圖書動(dòng)態(tài)位置信息表。

②圖書管理物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的擴(kuò)展和延伸。在新的圖書管理物聯(lián)網(wǎng)中，已有的互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)無(wú)需改動(dòng)，這樣既節(jié)省建網(wǎng)成本，體現(xiàn)對(duì)舊系統(tǒng)的投資保護(hù)，又有利于新舊系統(tǒng)的平滑過渡。

③圖書管理物聯(lián)網(wǎng)須具有分層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在已有互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展和延伸，要求網(wǎng)絡(luò)具有分層結(jié)構(gòu)。分層結(jié)構(gòu)可提高圖書動(dòng)態(tài)位置信息表的刷新速度。分層結(jié)構(gòu)本身是一種結(jié)構(gòu)化、模塊化設(shè)計(jì)，利于設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化和可靠性的提高。

④各層網(wǎng)絡(luò)的通信節(jié)點(diǎn)須采用主從式結(jié)構(gòu)[4]。管理中心的通信主站要獲得某圖書的位置信息，只需召喚該書電子標(biāo)簽中的信息，傳輸上來(lái)的信息中包括閱覽室、書架、書架層和區(qū)域的地址信息，也就是該圖書的動(dòng)態(tài)位置信息。中心主站與圖書、圖書與圖書之間不需對(duì)等通信，因此各層網(wǎng)絡(luò)只需采用主從式結(jié)構(gòu)，即各層網(wǎng)絡(luò)均有一個(gè)主站和眾多從站，主站對(duì)從站的數(shù)據(jù)進(jìn)行輪詢召喚。

⑤須明確圖書動(dòng)態(tài)位置信息表的實(shí)時(shí)性，即刷新速度這一重要的性能指標(biāo)，并據(jù)此提出各層網(wǎng)絡(luò)的通信速率要求。這一指標(biāo)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備選型及網(wǎng)絡(luò)各方面的性能指標(biāo)都有決定性的影響。

⑥各層網(wǎng)絡(luò)的軟硬件組成須進(jìn)行結(jié)構(gòu)化與標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。與其他計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)一樣，結(jié)構(gòu)化與標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)利于降低成本、提高可靠性，利于系統(tǒng)維護(hù)、系統(tǒng)兼容和升級(jí)換代，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的本質(zhì)要求[4]。

⑦圖書管理物聯(lián)網(wǎng)作為智能圖書管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，須對(duì)其上層應(yīng)用功能提供簡(jiǎn)單的、標(biāo)準(zhǔn)的接口，屏蔽自身內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu)與方法，實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用功能與下層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的可靠的、有效的和透明的信息交互。

⑧智能圖書管理系統(tǒng)是智能圖書館綜合管理系統(tǒng)（包括智能圖書管理、智能人員管理和智能建筑管理等功能）的一個(gè)組成部分。其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，圖書管理物聯(lián)網(wǎng)，理應(yīng)是統(tǒng)一的圖書館綜合管理物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)基本模型，一個(gè)有機(jī)的組成。因此設(shè)計(jì)時(shí)，須充分考慮它的開放性，使之易于擴(kuò)展，以適應(yīng)系統(tǒng)規(guī)模和功能不斷增加與拓展的需要。

3 圖書管理物聯(lián)網(wǎng)一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上述需求分析，圖書管理物聯(lián)網(wǎng)一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)采用3層結(jié)構(gòu)，包括：一個(gè)“圖書管理上層網(wǎng)絡(luò)”，為第1層子網(wǎng)絡(luò)；多個(gè)“閱覽室圖書信息傳感網(wǎng)”，為第2層子網(wǎng)絡(luò)；許多“書架圖書信息傳感網(wǎng)”，為第3層子網(wǎng)絡(luò)。其中的每一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)都是主從式結(jié)構(gòu)，并且同時(shí)、獨(dú)立地運(yùn)行，主站對(duì)各從站進(jìn)行數(shù)據(jù)輪詢。這樣，每本館藏圖書的標(biāo)識(shí)及位置信息經(jīng)過3層網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴蠈泳W(wǎng)絡(luò)的中心主站?？梢?，全網(wǎng)規(guī)?？梢院荦嫶?，但只有上述3種類型的子網(wǎng)絡(luò)，且以簡(jiǎn)單的方式分層連接，相互獨(dú)立運(yùn)行，十分有利于結(jié)構(gòu)化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。以下簡(jiǎn)述3種子網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能。

圖1 圖書管理物聯(lián)網(wǎng)一般結(jié)構(gòu)

3.1 書架圖書信息傳感網(wǎng)

每個(gè)書架都設(shè)有一個(gè)書架圖書信息傳感網(wǎng)，簡(jiǎn)稱書架網(wǎng)。書架網(wǎng)采用射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)[5]，是物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)與典型特征的體現(xiàn)。該網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)書架網(wǎng)主站，而書架上眾多圖書的電子標(biāo)簽則是該網(wǎng)絡(luò)的從站。連接書架網(wǎng)主站與圖書電子標(biāo)簽的信道即無(wú)線射頻信道。

書架網(wǎng)主站由RFID閱讀器、數(shù)據(jù)處理單元和收/發(fā)單元組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 書架網(wǎng)主站結(jié)構(gòu)

RFID閱讀器由RFID閱讀控制單元和許多探頭組成。探頭與控制單元以有線方式連接。書架的每層都被分成若干小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域都分配有特定地址碼，并安裝1個(gè)探頭。探頭就是RFID閱讀器的天線，它發(fā)出召喚信號(hào)時(shí)，對(duì)應(yīng)小區(qū)域的圖書的電子標(biāo)簽即給出應(yīng)答信號(hào)，這樣，圖書信息被傳送到RFID閱讀控制單元。RFID閱讀控制單元控制所有探頭依次發(fā)出召喚信號(hào)，并將收到的圖書應(yīng)答信息及應(yīng)答信號(hào)強(qiáng)度報(bào)告給數(shù)據(jù)處理單元。應(yīng)注意到，書架網(wǎng)主站的RFID閱讀器有多個(gè)探頭，以適應(yīng)書架的多層和每層的多區(qū)域劃分。這與普通的單一探頭RFID閱讀器是不同的。

數(shù)據(jù)處理單元對(duì)RFID閱讀器讀取的圖書數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)接收到的圖書應(yīng)答信息，接收信號(hào)強(qiáng)度及接收該信號(hào)的探頭的地址碼，可以確定書架上每本圖書的精確位置（處在哪一層的哪個(gè)小區(qū)域），生成“書架藏書動(dòng)態(tài)位置信息表”。因?yàn)镽FID閱讀器不停地輪詢采集圖書信息，所以，書架藏書動(dòng)態(tài)位置信息表是實(shí)時(shí)更新的，即書架上藏書或位置一旦有變化，立即反映在該表中。

當(dāng)收到閱覽室網(wǎng)主站的數(shù)據(jù)召喚命令時(shí)，數(shù)據(jù)處理單元通過收/發(fā)單元將書架藏書動(dòng)態(tài)位置信息表數(shù)據(jù)傳送給閱覽室網(wǎng)主站。

RFID閱讀器設(shè)計(jì)中需注意兩個(gè)問題。其一，圖書精確定位是通過判斷圖書電子標(biāo)簽應(yīng)答信號(hào)的強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)的，因此，探頭與電子標(biāo)簽的有效通信距離必須控制，若通信距離超出規(guī)定范圍，探頭將收到其他小區(qū)域甚至其他書架上圖書的較強(qiáng)的應(yīng)答信號(hào)，給圖書的精確定位造成困難。其二，探頭發(fā)出召喚信號(hào)時(shí)，將有許多圖書同時(shí)給出應(yīng)答，即存在應(yīng)答信號(hào)碰撞問題，防碰撞算法是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一，技術(shù)已趨成熟。故這一問題可以通過選用高效的防碰撞算法加以解決[6]。

顯然，中心站所生成的館藏圖書動(dòng)態(tài)位置信息表的實(shí)時(shí)性指標(biāo)，即刷新速度主要取決于每個(gè)書架網(wǎng)主站對(duì)本書架圖書電子標(biāo)簽的讀取速度。因?yàn)槊總€(gè)書架網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，同時(shí)采集圖書電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，而圖書管理上層網(wǎng)絡(luò)和閱覽室網(wǎng)的高速數(shù)據(jù)傳輸很容易做到。所以說(shuō)，雖然圖書管理物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模龐大，但館藏圖書動(dòng)態(tài)位置信息表的刷新速度卻可以很快。

3.2 閱覽室圖書信息傳感網(wǎng)

每個(gè)閱覽室都設(shè)有一個(gè)閱覽室圖書信息傳感網(wǎng)，簡(jiǎn)稱閱覽室網(wǎng)。該網(wǎng)絡(luò)由1個(gè)閱覽室網(wǎng)主站、許多書架網(wǎng)主站以及信道組成，仍采用主從式結(jié)構(gòu)。顯然，書架網(wǎng)主站在本網(wǎng)絡(luò)中處于從站的地位。因此，書架網(wǎng)主站也是上下層網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)絡(luò)通過主站輪詢的方式實(shí)時(shí)采集本室所有書架的藏書動(dòng)態(tài)位置信息表，再附加上該閱覽室標(biāo)識(shí)，生成“閱覽室藏書動(dòng)態(tài)位置信息表”，保存于閱覽室網(wǎng)主站。該信息表是一個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，隨時(shí)更新，實(shí)時(shí)地反映本閱覽室的藏書及實(shí)際存放位置信息。

閱覽室網(wǎng)的信道將閱覽室網(wǎng)主站與各書架網(wǎng)主站連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)它們之間的通信。該信道可以采用無(wú)線方式，這時(shí)，閱覽室網(wǎng)就是一個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)，已有的工作方式和通信協(xié)議可直接使用，無(wú)需重新設(shè)計(jì)開發(fā)。當(dāng)然，該信道也可以采用有線方式，這時(shí)各節(jié)點(diǎn)的通信機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)且成本低廉。

3.3 圖書管理上層網(wǎng)絡(luò)

圖書管理上層網(wǎng)絡(luò)由中心主站和各閱覽室網(wǎng)主站組成。同樣采用主從式結(jié)構(gòu)。各閱覽室網(wǎng)主站在本網(wǎng)中則處于從站的地位。可見，閱覽室網(wǎng)主站也是連接上下層網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)。

中心主站以輪詢方式從各閱覽室網(wǎng)主站收集各閱覽室藏書動(dòng)態(tài)位置信息表，并結(jié)合圖書借閱信息（由圖書借閱子系統(tǒng)提供），在中心主站生成“館藏圖書動(dòng)態(tài)位置信息表”。該表記錄著全館每一本圖書當(dāng)前的實(shí)際位置信息。該信息指明了某本圖書或在館內(nèi)的某室某書架某層的某區(qū)域中，或已借出在某讀者手中。而且，圖書實(shí)際存放位置的變化在表中隨時(shí)得到反映。

圖書管理上層網(wǎng)的信道則使用圖書館局域網(wǎng)總線，因此該網(wǎng)絡(luò)屬于互聯(lián)網(wǎng)，完全遵循互聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)方式及通信協(xié)議。原互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)無(wú)需改動(dòng)，新的圖書管理物聯(lián)網(wǎng)由原互聯(lián)網(wǎng)添加閱覽室網(wǎng)和書架網(wǎng)擴(kuò)展而來(lái)?；ヂ?lián)網(wǎng)屬于對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，但這并不影響主從式的圖書管理上層網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)。圖書管理上層網(wǎng)可以看作在互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)的一個(gè)虛擬專用網(wǎng)（VPN）。

4 智能圖書管理系統(tǒng)應(yīng)用層功能特征

以上述圖書管理物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的智能圖書管理系統(tǒng)，其應(yīng)用層功能將表現(xiàn)出與傳統(tǒng)管理系統(tǒng)顯著不同的特征，概述如下。

館藏圖書依靠物聯(lián)網(wǎng)傳感進(jìn)行定位。原理上，任何圖書可以放置在館內(nèi)任何位置，動(dòng)態(tài)位置信息表中都有它的實(shí)時(shí)位置信息，因而可以被迅速查詢到。但是，館藏圖書還是有必要按規(guī)定位置有序排放，這樣做的目的是方便讀者瀏覽同類圖書或相關(guān)圖書，而不是以此確定圖書的實(shí)際位置信息。圖書的規(guī)定位置信息可以由中心主站經(jīng)由閱覽室網(wǎng)主站下發(fā)到各書架網(wǎng)主站。書架網(wǎng)主站可以開發(fā)特定的智能化功能，圖書歸架時(shí)，可提示圖書應(yīng)放位置，對(duì)圖書錯(cuò)放的情況給出警示，這樣會(huì)極大方便圖書歸架工作。

圖書電子標(biāo)簽技術(shù)普及之后，電子標(biāo)簽的粘貼或置入可直接由圖書生產(chǎn)商完成，在其中記錄對(duì)應(yīng)的統(tǒng)一書號(hào)等相關(guān)信息。圖書館的編目只是將圖書信息錄入系統(tǒng)并規(guī)定其館藏位置，形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，這完全可以借助圖書管理物聯(lián)網(wǎng)以及相應(yīng)的系統(tǒng)軟件自動(dòng)完成，體現(xiàn)出圖書編目的智能化。

圖書磁條磁化與消磁的防盜技術(shù)，在物聯(lián)網(wǎng)智能管理系統(tǒng)中沒有必要。在圖書館出口處可以設(shè)置RFID閱讀器對(duì)出入館圖書進(jìn)行自動(dòng)讀取監(jiān)測(cè)，并與館藏圖書動(dòng)態(tài)位置信息表對(duì)照，給出指示或告警。

圖書檢索、統(tǒng)計(jì)和流通等環(huán)節(jié)，借助于圖書管理物聯(lián)網(wǎng)所生成的圖書動(dòng)態(tài)位置信息表和其他相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以實(shí)現(xiàn)高度智能化。

5 結(jié)語(yǔ)

筆者對(duì)智能圖書館管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)——圖書管理物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了分析研究，在需求分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)結(jié)構(gòu)化及標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)原則，對(duì)該網(wǎng)絡(luò)的一般結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提供了一個(gè)實(shí)用的參考模型。設(shè)計(jì)中，充分考慮了新舊系統(tǒng)平滑過渡的需求，強(qiáng)調(diào)新系統(tǒng)在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上擴(kuò)展延伸而非推倒重建，為現(xiàn)有圖書管理系統(tǒng)向物聯(lián)網(wǎng)智能系統(tǒng)的逐步演進(jìn)提供了切實(shí)可行的途徑。例如，以此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，條形碼與電子標(biāo)簽并存是一種可行的過渡方案[7]。另外，針對(duì)筆者提出的圖書管理物聯(lián)網(wǎng)一般結(jié)構(gòu)進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)仿真研究以及小規(guī)模實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真及測(cè)試結(jié)果證明了該一般結(jié)構(gòu)的可行性。綜合考慮智能圖書管理、智能人員管理以及智能建筑管理諸項(xiàng)功能，進(jìn)行一般結(jié)構(gòu)分析，構(gòu)建統(tǒng)一的圖書館綜合管理物聯(lián)網(wǎng)則是下一步的研究工作。

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