摘 要： 針對(duì)圖書館遇到的圖書數(shù)量大、圖書錯(cuò)亂架、讀者藏書、盤點(diǎn)困難等問題，設(shè)計(jì)了一種閉架書庫控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)圖書自動(dòng)化借還功能。同時(shí)進(jìn)行了圖書揀選作業(yè)問題改進(jìn)遺傳算法的研究，該遺傳算法能夠使圖書揀選作業(yè)時(shí)間長、效率低的問題得到有效改善。最后對(duì)整個(gè)閉架書庫控制系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明設(shè)計(jì)的圖書自動(dòng)化借還的閉架書庫控制系統(tǒng)是有效的。

關(guān)鍵詞： 閉架書庫； 自動(dòng)存取系統(tǒng)； RFID； 遺傳算法

中圖分類號(hào)： TN911?34； TM417 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）13?0116?05

Abstract： Aiming at the problems of plenty books， wrong book placement， books hidden by readers and difficult checking in the library， a closed shelf stack control system was designed to realize the books′ automatic borrowing and returning functions. The improved genetic algorithm for book picking operation is researched， which can effectively improve the problems of long?time and low?efficiency book picking operation. The running experiment for the whole closed shelf stack control system was carried on. The experimental results show that the designed closed shelf stack control system to automatically borrow and return the books is effective.

Keywords： closed shelf stack； automatic access system； RFID； genetic algorithm

0 引 言

近年來由于讀者對(duì)知識(shí)的需求量增大，導(dǎo)致圖書館對(duì)藏書量、文獻(xiàn)量、面積和容納讀者量比十幾年前大大的增加，而大多數(shù)圖書館的管理模式并未與時(shí)俱進(jìn)，從而面臨諸多挑戰(zhàn)[1?3]。主要表現(xiàn)為：圖書數(shù)量大、圖書錯(cuò)亂架、讀者藏書、盤點(diǎn)困難等問題。針對(duì)上述問題，國內(nèi)外很多圖書館開始采用閉架書庫的管理模式，使用封閉式書庫系統(tǒng)將大量圖書通過精密自動(dòng)化系統(tǒng)來管理。主要使用兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理，一種是無線射頻識(shí)別技術(shù)RFID[4?5]（Radio Frequency Identification），實(shí)現(xiàn)對(duì)書籍的跟蹤、識(shí)別、掃描；另一種是自動(dòng)存取系統(tǒng)（Automated Storage and Retrieval System，ASRS），應(yīng)用于圖書館自動(dòng)借還書。特別是RFID技術(shù)，由于其技術(shù)本身的優(yōu)勢，在圖書館管理中得到了迅猛發(fā)展。但目前RFID技術(shù)在圖書館的應(yīng)用還處于自動(dòng)化應(yīng)用初級(jí)階段（流通借還階段） ，并未真正實(shí)現(xiàn)單本圖書的自動(dòng)化存取和書庫管理[6?8]。

基于此，結(jié)合上述兩種方法，提出一種閉架書庫控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)主要功能：用程序?qū)λ械脑O(shè)備進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)圖書的借、還、運(yùn)輸?shù)炔僮鳎辉趨f(xié)調(diào)各種設(shè)備之間工作的基礎(chǔ)上，完成借還圖書的業(yè)務(wù)流程和任務(wù)調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)真正全自動(dòng)借還圖書。

1 閉架書庫結(jié)構(gòu)

閉架書庫主要結(jié)構(gòu)由硬件部分和軟件部分組成。閉架書庫的硬件部分是ASRS設(shè)備，軟件部分包括圖書檢索預(yù)約系統(tǒng)和閉架書庫控制系統(tǒng)。

1.1 硬件部分

硬件部分為ASRS設(shè)備，由自動(dòng)化的機(jī)械設(shè)備組成，ASRS設(shè)備是實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)閉架書庫的基礎(chǔ)。這部分的作用是：接收控制命令，完成對(duì)閉架書庫自動(dòng)借還流程的操作。

硬件部分如圖1所示，主要有如下幾個(gè)部分：借書臺(tái)：閉架書庫現(xiàn)場的取書窗口；還書臺(tái)：閉架書庫現(xiàn)場的還書窗口；工裝板：用于放置書簍并傳送到指定位置；書簍：用于存放圖書；整書機(jī)構(gòu)：將同一用戶的書整合到同一書簍；借書傳送帶：用于暫存借書書簍；整還書傳送帶：整個(gè)閉架書庫的調(diào)度中心；巷道車傳送帶：連接多個(gè)巷道車和整還書傳送帶；書簍搬運(yùn)裝置：用于設(shè)備之間的書簍搬運(yùn)；固定書架：用于存放各種圖書；巷道車：用于在書架之間進(jìn)行圖書的存取。

1.2 軟件部分

閉架書庫的核心是軟件部分，包含了圖書預(yù)約檢索系統(tǒng)和閉架書庫控制系統(tǒng)。其主要功能如下：

（1） 管理各種數(shù)據(jù)信息，包括圖書信息、用戶信息、查詢統(tǒng)計(jì)信息等；

（2） 對(duì)閉架書庫當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，向可編程控制器（PLC）發(fā)送指令控制硬件運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)整個(gè)借還書流程；

（3） 對(duì)流程進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。

2 閉架書庫控制系統(tǒng)整體及模塊設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)閉架書庫分為三個(gè)層次：PLC、監(jiān)控控制單元以及ASRS硬件設(shè)備是底層，控制系統(tǒng)為中間層，圖書預(yù)約檢索系統(tǒng)和閉架書庫的數(shù)據(jù)庫是閉架書庫的頂層，系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 控制系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)劃分

閉架書庫控制系統(tǒng)的任務(wù)流程主要分為借書流程和還書流程，因此控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)處理預(yù)約訂單、圖書出入架處理、調(diào)度書簍、整書、處理借書臺(tái)和還書臺(tái)的任務(wù)、處理日志信息、處理故障問題以及處理數(shù)據(jù)庫信息的功能。

基于上述功能，可以將整個(gè)控制系統(tǒng)劃分為八大模塊。訂單模塊；自動(dòng)借還模塊；圖書整理模塊；借書臺(tái)模塊；還書臺(tái)模塊；通信模塊；異常問題解決模塊；數(shù)據(jù)庫模塊。

2.3 訂單模塊

控制系統(tǒng)對(duì)用戶預(yù)約訂單進(jìn)行處理由訂單模塊完成，達(dá)到了將預(yù)約訂單表的預(yù)約信息轉(zhuǎn)化為借書任務(wù)的目的，并以預(yù)約圖書信息為依據(jù)發(fā)送借書任務(wù)至巷道車任務(wù)隊(duì)列。

2.4 自動(dòng)借還模塊

控制系統(tǒng)的核心模塊是自動(dòng)借還模塊，該模塊也是控制系統(tǒng)對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行管控進(jìn)而完成借還書任務(wù)的核心，使借書流程和還書流程得以實(shí)現(xiàn)。

2.4.1 借書流程

借書流程的步驟如圖3所示。

（1） 巷道車線程從巷道車任務(wù)隊(duì)列中得到借書任務(wù)，進(jìn)而確定圖書所在書格的坐標(biāo)信息。

（2） 確定巷道車狀態(tài)，然后執(zhí)行相應(yīng)取書指令。

（3） 巷道車線程實(shí)施借書書簍運(yùn)送指令，將書簍從巷道車運(yùn)送到巷道車傳送帶上。

（4） 巷道車傳送帶線程得到借書書簍運(yùn)送任務(wù)。

（5） 巷道車傳送帶線程下達(dá)借書書簍運(yùn)送指令到書簍運(yùn)送裝置任務(wù)隊(duì)列。

（6） 運(yùn)送裝置線程得到借書書簍運(yùn)送任務(wù)，將借書書簍從巷道車傳送帶運(yùn)送到整還書傳送帶上。

（7） 搬運(yùn)裝置線程下達(dá)整書判斷指令到整書機(jī)構(gòu)。

2.4.2 還書流程

還書的流程步驟如圖4所示。

（1） 整還書傳送帶線程取得任務(wù)，辨別任務(wù)類型；

（2） 整還書傳送帶線程將還書書簍從還書臺(tái)輸送至整還書傳送帶上，下達(dá)還書搬運(yùn)指令到搬運(yùn)裝置任務(wù)隊(duì)列；

（3） 運(yùn)送裝置線程取得還書書簍搬運(yùn)指令，將還書書簍由整還書傳送帶運(yùn)送到巷道車傳送帶上；

（4） 巷道車線程取得還書指令，將還書書簍由巷道車傳送帶運(yùn)送到巷道車上；

（5） 巷道車線程對(duì)歸還圖書進(jìn)行書格匹配，實(shí)施書架還書任務(wù)；

（6） 查驗(yàn)是否完成還書任務(wù)，如完成，本次還書流程執(zhí)行結(jié)束。

2.5 圖書整理模塊

圖書整理模塊主要是將不同書簍的圖書整合到同一書簍中，以免用戶取書時(shí)調(diào)用多個(gè)書簍，占用過多資源。

圖書整理任務(wù)的主要步驟如下：

（1） 判斷有訂單的圖書是否都已經(jīng)在整還書傳送帶上。

（2） 取得該訂單編號(hào)、圖書對(duì)應(yīng)的工裝板編號(hào)、書格編號(hào)，進(jìn)行圖書整理。

（3） 整書機(jī)構(gòu)線程將書簍運(yùn)送到借書傳送帶上。

（4） 整理圖書任務(wù)完成。

2.6 借書臺(tái)模塊

讀取用戶卡、控制借書臺(tái)實(shí)施取書任務(wù)、圖書RFID信息掃描和圖書AFI狀態(tài)改寫等功能均由借書臺(tái)取書模塊實(shí)現(xiàn)。

借書臺(tái)任務(wù)主要步驟如下：

（1） 用戶在借書臺(tái)上刷卡，對(duì)用戶信息進(jìn)行驗(yàn)證，判斷圖書是否已到借書傳送帶。

（2） 借書臺(tái)線程完成書簍運(yùn)送任務(wù)，將借書書簍由借書傳送帶運(yùn)送到借書臺(tái)上。

（3） 在借書臺(tái)取書，對(duì)圖書RFID信息進(jìn)行驗(yàn)證。

（4） 記錄用戶借書信息。

2.7 還書臺(tái)模塊

對(duì)圖書RFID信息掃描、控制還書臺(tái)實(shí)施還書任務(wù)和圖書AFI狀態(tài)改寫等功能均由還書臺(tái)還書模塊實(shí)現(xiàn)。

實(shí)現(xiàn)還書任務(wù)的主要步驟如下：

（1） 還書臺(tái)線程對(duì)圖書RFID信息進(jìn)行掃描，驗(yàn)證圖書信息。

（2） 還書臺(tái)線程對(duì)圖書擺放狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證，將圖書移送至還書臺(tái)。

（3） 對(duì)當(dāng)前還書臺(tái)書簍的狀態(tài)進(jìn)行判斷，將歸還圖書放入書簍指定書格中。

（4） 判定還書臺(tái)書簍空滿狀態(tài)，若已滿，則下達(dá)還書書簍搬運(yùn)指令到整還書傳送帶任務(wù)隊(duì)列，等待書簍搬運(yùn)。

2.8 通信模塊

閉架書庫控制系統(tǒng)與硬件之間的通信主要包含三個(gè)方面：一是閉架書庫控制系統(tǒng)與借還書臺(tái)之間的通信，這部分使用了基于TCP/IP的Socket通信；二是計(jì)算機(jī)與PLC之間的通信，這部分使用了PLC生產(chǎn)廠家提供的通信協(xié)議，但需要在此基礎(chǔ)上制定上層流程，以實(shí)現(xiàn)高可靠性和可擴(kuò)展性的通信協(xié)議；三是RFID掃描器，這部分也使用了廠家提供的SDK程序，以讀取RFID標(biāo)簽信息。

2.9 異常問題解決模塊

任何一種系統(tǒng)在實(shí)際使用過程中，都有可能碰上各種各樣可預(yù)料的或者不可預(yù)料的異常情況，這些異常情況包括硬件故障和軟件故障。不論發(fā)生什么故障，閉架書庫控制系統(tǒng)都需要做以下幾件事：對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；發(fā)現(xiàn)故障；對(duì)故障進(jìn)行識(shí)別；根據(jù)故障情況進(jìn)行處理；將處理情況反饋系統(tǒng)，形成日志。

2.10 數(shù)據(jù)庫模塊

數(shù)據(jù)庫模塊的作用在于訪問圖書館原有的OPAC集成化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，對(duì)數(shù)據(jù)表進(jìn)行讀寫操作，以獲得所需圖書信息以及記錄相關(guān)內(nèi)容。

3 圖書揀選作業(yè)問題優(yōu)化

圖書館由于書架越來越多，導(dǎo)致出現(xiàn)了圖書揀選作業(yè)時(shí)間長、效率低的問題。所以需要對(duì)圖書的揀選路徑做出優(yōu)化，以提高閉架書庫借還書運(yùn)行效率。使用一種改進(jìn)的遺傳算法可以對(duì)這一問題進(jìn)行優(yōu)化求解。

要對(duì)揀選作業(yè)問題進(jìn)行優(yōu)化，首先，要清楚揀選作業(yè)問題；其次，對(duì)作業(yè)問題進(jìn)行優(yōu)化求解。

3.1 揀選作業(yè)問題分析

揀選作業(yè)的工作步驟為：從數(shù)據(jù)庫中取得需要借出的圖書數(shù)量以及圖書對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)位置，然后巷道車從初始位置依次行進(jìn)到待取圖書的坐標(biāo)位置進(jìn)行取書，之后回到初始位置，完成揀選作業(yè)。對(duì)揀選作業(yè)進(jìn)行優(yōu)化就是要合理規(guī)劃圖書揀選順序，使揀選作業(yè)行走路徑最短。

圖書揀選作業(yè)模型可做如下設(shè)定：

設(shè)定1：揀選書格的位置以坐標(biāo)表示，坐標(biāo)（0，0）設(shè)定為初始位置；

設(shè)定2：巷道車水平行進(jìn)速度為垂直行進(jìn)速度為能同時(shí)沿軸和軸行進(jìn)，并且勻速行走。

3.2 求解揀選作業(yè)優(yōu)化問題

可用遺傳算法優(yōu)化求解閉架書庫圖書揀選作業(yè)時(shí)間問題。遺傳算法是一種具有“記錄信息+檢測對(duì)比”迭代過程的隨機(jī)搜索算法，而傳統(tǒng)遺傳算法有收斂慢、自動(dòng)優(yōu)化能力差等弊端，因此使用一種“反轉(zhuǎn)算子”改進(jìn)算法。改進(jìn)的遺傳算法求解閉架書庫揀選路徑優(yōu)化問題步驟如下：

（1） 確定位置坐標(biāo)，排序編碼。假定染色體由段組成，每個(gè)待揀選書格點(diǎn)編號(hào)對(duì)應(yīng)一致，例如，假設(shè)一次揀選作業(yè)中的5個(gè)書格點(diǎn)的坐標(biāo)為（22，6），（24，3），（15，5），（38，2）和（12，6），加上初始坐標(biāo)（0，0），書格點(diǎn)編號(hào)的排列方式即為揀選作業(yè)的一種方案，為1，2，3，4，5，6。

（2） 設(shè)定適合度函數(shù)。確定遺傳算法的適合度函數(shù)為從初始位置出發(fā)，完成本圖書揀選工作，再回到初始位置的時(shí)間倒數(shù)。則種群中單個(gè)個(gè)體（書格點(diǎn)序列） 的適合度函數(shù)如式（3）所示：

（3） 產(chǎn)生初始種群，按隨機(jī)方法產(chǎn)生一組初始種群。

（4） 對(duì)初始種群進(jìn)行選擇、交叉、變異操作，此步按照常規(guī)遺傳算法進(jìn)行。

（5） 反轉(zhuǎn)操作。使用一種反轉(zhuǎn)算子提升遺傳算法找尋最優(yōu)解的能力，在常規(guī)的選擇、交叉、變異完成之后，就會(huì)隨機(jī)產(chǎn)生兩個(gè)整數(shù)和將和反轉(zhuǎn)位置之后進(jìn)行適合度計(jì)算，若適合度較高則留下，若適合度較低則反轉(zhuǎn)無效。使用這種方式是由于遺傳算法中交叉操作雖然能夠保證群體的多元性，但是對(duì)于傳承上一代較優(yōu)的信息卻不利，特別是群體中包含著大量的高適合度的子代時(shí)，交叉操作會(huì)對(duì)傳承的較優(yōu)基因有所損壞，使子代繼承到親代的優(yōu)良基因變得困難，從而大大降低交叉算子的搜索能力。

（6） 適合度函數(shù)評(píng)估，評(píng)選出適應(yīng)值大的個(gè)體進(jìn)行下一代的交叉、變異和反轉(zhuǎn)操作，并循環(huán)以上步驟，直至達(dá)到最大遺傳代數(shù)后，選出最優(yōu)解，結(jié)束運(yùn)算。

4 閉架書庫控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

運(yùn)行效率較高和對(duì)閉架書庫硬件設(shè)備進(jìn)行科學(xué)調(diào)度是評(píng)判閉架書庫控制系統(tǒng)的重要指標(biāo)。閉架書庫借還書流程運(yùn)行的時(shí)間主要分為兩部分：一是閉架書庫設(shè)備運(yùn)行消耗的時(shí)間，硬件設(shè)備的運(yùn)行效率決定了這部分時(shí)間；二是閉架書庫控制系統(tǒng)對(duì)閉架書庫設(shè)備的控制以及圖書揀選作業(yè)等消耗的時(shí)間，控制系統(tǒng)執(zhí)行效率決定了這部分時(shí)間，兩者是串行關(guān)系。將實(shí)驗(yàn)分為借書作業(yè)時(shí)間、借書流程時(shí)間、還書作業(yè)時(shí)間、還書流程時(shí)間。

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在運(yùn)行控制系統(tǒng)的情況下，5次借書流程（一次均借7本書）花費(fèi)的時(shí)間如圖5所示。

在運(yùn)行控制系統(tǒng)的情況下，5次還書流程（一次均還7本書）花費(fèi)的時(shí)間如圖6所示。

4.2 實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，借書作業(yè)平均時(shí)間為313 s，借書流程平均時(shí)間為315 s；還書作業(yè)平均時(shí)間為203 s，還書流程平均時(shí)間為204 s。由此可以看出，借書作業(yè)時(shí)間和借書流程時(shí)間基本相等，還書作業(yè)時(shí)間和還書流程時(shí)間基本相等。顯然能夠說明控制系統(tǒng)能夠?qū)﹂]架書庫硬件設(shè)備進(jìn)行合理地調(diào)度，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 論

閉架書庫使用了書簍、工裝板和傳送帶這種形式，根據(jù)此種形式，設(shè)計(jì)了閉架書庫控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)圖書自動(dòng)借還的功能。

根據(jù)對(duì)圖書自動(dòng)借還的要求，進(jìn)行了閉架書庫控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模塊設(shè)計(jì)，包括：圖書借還流程，包括涉及到的訂單處理、自動(dòng)借還、整理圖書等模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)施方法；系統(tǒng)通信模塊的設(shè)計(jì)；異常處理模塊的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)較好，使得系統(tǒng)重構(gòu)和擴(kuò)展容易實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，也進(jìn)行了圖書揀選問題的優(yōu)化分析，創(chuàng)新性的將反轉(zhuǎn)算子引入到常用遺傳算法中，使圖書的揀選問題得以優(yōu)化解決。最后進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，控制系統(tǒng)能夠?qū)﹂]架書庫硬件設(shè)備進(jìn)行合理調(diào)度，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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