張靜端

(東華大學(xué) 圖書館， 上海 201620)

基于GIS技術(shù)的高校圖書館座位管理系統(tǒng)

張靜端

(東華大學(xué) 圖書館， 上海 201620)

摘要：為解決高校圖書館自習(xí)室座位不合理占用、使用效率低的問題，將地理信息系統(tǒng)(GIS)與圖書館座位系統(tǒng)結(jié)合，采用客戶端/服務(wù)器模式(C/S)和瀏覽器/服務(wù)器模式(B/S)相結(jié)合的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)技術(shù)和傳感器技術(shù)，研制了基于GIS的圖書館座位管理系統(tǒng).該系統(tǒng)具有座位查詢、座位定位及座位預(yù)約等功能，可有效減少占座現(xiàn)象，其可視化的友好界面方便學(xué)生操作，為學(xué)生營造了良好的學(xué)習(xí)環(huán)境.

關(guān)鍵詞：圖書館； 地理信息系統(tǒng)(GIS)； 座位查詢； 座位定位； 座位預(yù)約； 熱釋紅外探測器

高校圖書館自習(xí)室是學(xué)生學(xué)習(xí)的重要場所.隨著高校學(xué)生人數(shù)增多，而圖書館自習(xí)室座位資源有限，因此，許多高校的圖書館自習(xí)室出現(xiàn)座位尋找費時、占座位等現(xiàn)象[1-9]，造成座位有效使用率嚴重降低以及物品失竊等不安全隱患，擾亂了正常的學(xué)習(xí)秩序.各高校采取了不同的圖書館座位管理方法.部分高校采用搖號分配圖書館座位[10]，另有部分高校安裝各類圖書館座位管理系統(tǒng)[11-18]，例如基于單片機和紅外接近開關(guān)的圖書館座位管理系統(tǒng)[11]、基于壓力傳感的圖書館座位管理系統(tǒng)[12]、基于無線射頻識別(RFID)的圖書館座位管理系統(tǒng)[13-15]等.

采用搖號分配圖書館座位的措施在操作上比較快捷，并在很大程度上便于學(xué)校維持圖書館秩序，但搖號方式隨機性大，對學(xué)生有失公平，同時降低了圖書館自習(xí)室的使用效率.

基于單片機和紅外接近開關(guān)的圖書館座位管理系統(tǒng)是一個以單片機作為控制核心, 由移位寄存器和發(fā)光二極管(LED)組成顯示模塊以及紅外接近開關(guān)構(gòu)成傳感器單元的監(jiān)控管理系統(tǒng).該系統(tǒng)具有硬件電路簡單、軟件功能完善、控制系統(tǒng)可靠的特點，在一定程度上避免了亂占座位，使圖書館座位得到進一步的利用.但該系統(tǒng)依然存在尋找座位費時和他人幫忙占座問題，同時沒有提供座位預(yù)約、座位定位功能以及沒有友好的可視化人機操作界面.

基于壓力傳感的圖書館座位管理系統(tǒng)是在座位底部安裝壓力傳感器，通過檢測壓力判斷座位上是否有學(xué)生，并對學(xué)生離開座位的時間計時，對比學(xué)生人體重量以防止他人搶座或幫忙占座.座位使用情況可在觸摸屏上顯示.該系統(tǒng)在很大程度上減少了亂占座位的不文明現(xiàn)象，使座位得到公平合理的利用，實現(xiàn)數(shù)字化管理，但不能對座位提前預(yù)約，利用率低、人機操作界面簡單等問題依然存在.

基于RFID的圖書館座位管理系統(tǒng)結(jié)合了RFID 技術(shù)、紅外線感應(yīng)技術(shù)以及學(xué)生信息管理軟件.RFID電子標簽內(nèi)存儲了學(xué)生的姓名、學(xué)號等關(guān)鍵信息，并與學(xué)生的校園卡集成在一起. RFID讀寫器對可識別范圍內(nèi)集成RFID電子標簽的校園卡讀取學(xué)生身份信息，將讀取信息與管理軟件中學(xué)生信息進行比對，用以判斷該學(xué)生是否擁有圖書館座位使用權(quán)限.該系統(tǒng)利用現(xiàn)代技術(shù)手段完善高校圖書館的管理方法，彌補以往僅靠人工管理的不足，為學(xué)生創(chuàng)造了良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，但無法提前預(yù)約座位、不能提供友好人機界面，而且成本略高于學(xué)校所能承受的范圍.

本文提出基于地理信息系統(tǒng)(GIS)的圖書館座位管理系統(tǒng)，可以有效地解決上述圖書館座位管理系統(tǒng)存在的問題.本系統(tǒng)與校園網(wǎng)相連，具有訪問權(quán)限的學(xué)生可在任意一臺遠程計算機上進行實時座位查詢、座位定位、座位預(yù)約.圖書館大廳內(nèi)安裝具有觸摸顯示屏的計算機終端，同樣可以進行上述座位操作.本系統(tǒng)提供了可視化、友好的人機操作界面.

1系統(tǒng)總體設(shè)計

本文將圖書館座位的空間信息管理與屬性信息管理相結(jié)合，并將這些信息保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)，采用已矢量化的紙質(zhì)地圖(即數(shù)字化地圖) 或分布圖方式，增加了系統(tǒng)直觀性，實現(xiàn)了圖書館座位分布及使用情況的可視化管理.本系統(tǒng)分為6部分：遠程計算機、計算機終端、觸摸屏顯示單元、數(shù)據(jù)處理單元、區(qū)域子系統(tǒng)單元、探測器單元，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.在圖書館自習(xí)室座位上安裝具有熱釋紅外傳感器的探測器，用以檢測座位當前使用情況.

圖1　圖書館座位管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1　The overall structure of library seat management system

2系統(tǒng)工作原理

圖書館內(nèi)座位具有“占用”“空閑”“預(yù)約”3種狀態(tài)，并在座位靠背上裝有指示燈.當指示燈為紅色，表明座位上有人；指示燈為綠色，表明座位上沒人并且無人預(yù)約；指示燈為黃色，表明座位已被預(yù)定.學(xué)生可在計算機終端的觸摸屏上或具有訪問權(quán)限的遠程計算機上，對圖書館內(nèi)座位狀態(tài)進行座位查詢、座位所在位置定位、座位預(yù)約等操作.

2.1座位查詢

在計算機終端的觸摸屏上或具有訪問權(quán)限的遠程計算機上選擇需查詢的自習(xí)室號，系統(tǒng)就會調(diào)取GIS圖書館座位管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫內(nèi)對應(yīng)自習(xí)室座位使用情況數(shù)據(jù)，并以數(shù)字化地圖或分布圖方式顯示在觸摸屏上或遠程計算機上，學(xué)生可以一目了然地了解該自習(xí)室座位使用情況.

2.2座位定位

在計算機終端的觸摸屏上或具有訪問權(quán)限的遠程計算機上選擇出發(fā)地點和目標座位，GIS圖書館座位管理系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)采用最短路徑分析方法，計算出從出發(fā)地點到目標座位的最佳路徑，同時在觸摸屏上以地圖圖形方式顯示該路徑、所需時間等信息，以方便學(xué)生快速到達所定座位，從而節(jié)省路程時間.座位定位工作原理如圖2所示.

圖2　座位定位工作原理Fig.2　Working principle of the seat positioning

2.3座位預(yù)約

在計算機終端的觸摸屏上或具有訪問權(quán)限的遠程計算機上點擊 “預(yù)約”按鈕，選擇自習(xí)室內(nèi)處于“空閑”狀態(tài)的座位，計算機終端將該座位的預(yù)約數(shù)據(jù)通過通用串行總線(USB)通信方式將操作指令發(fā)送給數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元接收到操作指令進行命令和數(shù)據(jù)處理后，通過無線通信方式發(fā)送給相應(yīng)的區(qū)域子系統(tǒng)，區(qū)域子系統(tǒng)再通過無線通信方式將該操作指令發(fā)送給指定的探測器單元，探測器處理單元根據(jù)接收到的指令，點亮指定座位指示燈，此時狀態(tài)指示燈為黃色，以標明該座位處于“預(yù)約”狀態(tài).座位預(yù)約工作原理如圖3所示.

圖3　座位預(yù)約工作原理Fig.3　Working principle of the seat reservation

3系統(tǒng)模塊及基本功能

3.1遠程計算機

為方便廣大學(xué)生使用圖書館自習(xí)室座位資源，節(jié)省座位查詢、座位預(yù)約而往返圖書館的時間，本系統(tǒng)提供圖書館座位管理網(wǎng)站.遠程計算機與計算機終端通過WAN(TCP/IP)相連.學(xué)生在遠程計算機登錄該網(wǎng)站，通過相應(yīng)的身份認證就可以在遠程計算機上進行座位查詢、座位定位及座位預(yù)約等操作.

3.2計算機終端(GIS圖書館座位管理系統(tǒng))

本系統(tǒng)針對與自習(xí)室座位有關(guān)的空間信息、屬性信息等進行及時、有效的管理，這些信息以地圖、圖形或數(shù)據(jù)等形式在計算機終端上進行實時顯示，實現(xiàn)可視化的直觀效果.計算機終端主要由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和信息處理(座位定位、座位查詢、座位預(yù)約等)功能組成，如圖4所示.該系統(tǒng)具有空間數(shù)據(jù)管理、空間數(shù)據(jù)查詢、空間圖形顯示、空間信息分析等功能.

圖4　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4　System architecture diagram

空間數(shù)據(jù)庫主要存儲描述圖書館自習(xí)室座位所處位置或區(qū)域等空間信息.為了便于管理，圖書館座位的空間信息以區(qū)域為單位進行分層處理，即根據(jù)數(shù)據(jù)的性質(zhì)分類，將性質(zhì)相同或相近的歸在一起形成一個數(shù)據(jù)層.如將圖書館座位的空間數(shù)據(jù)按樓層劃分為多個圖層類.每個圖層類又可細分為若干個圖層,如以某層一個獨立自習(xí)室為一個圖層.

屬性數(shù)據(jù)庫主要包括空間數(shù)據(jù)屬性信息庫，用于存儲對應(yīng)于空間實體的地理特征信息，如描述性信息及關(guān)鍵詞.由于專題圖是非常理想的可視化分析工具，因此，屬性信息的表達可以用專題圖來實現(xiàn).

3.3數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理單元主要有通信功能，負責(zé)區(qū)域子系統(tǒng)與計算機終端的通信，通常安裝在計算機終端附近.數(shù)據(jù)處理單元與區(qū)域子系統(tǒng)間采用無線通信方式，遵循無線通信協(xié)議；其與計算機終端間采用USB通信方式，遵循USB標準通信協(xié)議.

3.4觸摸屏顯示單元

觸摸顯示單元為人與計算機提供了友好的操作界面.觸摸顯示單元以地圖、圖形或數(shù)據(jù)等方式顯示圖書館座位使用情況.觸摸顯示單元通過數(shù)據(jù)總線與計算機終端相連，使用特定的數(shù)據(jù)通信協(xié)議.為使用方便，可在圖書館內(nèi)放置多個計算機終端與觸摸屏顯示單元.

3.5區(qū)域子系統(tǒng)

將整個圖書館自習(xí)室按房間分布情況、面積大小等綜合指標分成若干個區(qū)域，稱為分區(qū).在每個分區(qū)內(nèi)安裝一臺區(qū)域子系統(tǒng)，用于管理該分區(qū)內(nèi)安裝在所有座位上的人體探測器，與數(shù)據(jù)處理單元及探測器間均采用無線通信方式，遵循無線通信協(xié)議.

3.6熱釋紅外探測器單元

本系統(tǒng)主要采用熱釋紅外傳感器，有效探測距離為0.3 m，其原理如圖5所示.該探測器與區(qū)域子系統(tǒng)間采用無線通信方式，遵循無線通信協(xié)議.狀態(tài)指示燈為紅色、綠色、黃色3種狀態(tài)，分別對應(yīng)座位的“占用”“空閑”“預(yù)約”.

圖5　紅外探測器原理Fig.5　Principle of infrared detector

4關(guān)鍵問題及其解決方法

4.1座位定位問題

本系統(tǒng)的座位定位功能，即查找從出發(fā)地點到目標座位的最佳路徑，包括路程最短或用時最快，可以由GIS系統(tǒng)的最短路徑技術(shù)實現(xiàn).最短路徑問題求解算法有很多，主要有Dijkstra算法、SPFA(shortest path faster algorithm)、Bellman-Ford算法和Floyd-Warshall算法，不同算法對比如表1所示.

表1　最短路徑算法對比

由于本系統(tǒng)的圖書館自習(xí)室座位較多，即網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)較多，導(dǎo)致最短路徑算法的時間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度都相當可觀，因此Dijkstra算法為最佳，但該算法在圖形數(shù)據(jù)的存儲空間及程序運行效率上還存在一定的問題.為此本系統(tǒng)采用一種改進的Dijkstra算法.用改進的Dijkstra算法構(gòu)造數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲網(wǎng)絡(luò)，其具體代碼如下：

Public Type Seatnode(點結(jié)構(gòu))

Dim Seatnode ID() As Integer'節(jié)點ID，唯一標識節(jié)點

Dim AdjoinSeatnode ID() As Integer'鄰接節(jié)點ID

Dim AdjoinNum() As Integer'鄰接弧段數(shù)量

Dim AdjoinSeatArcID() As Integer'鄰接弧段ID

Dim AdjoinClamp() As Double'指向鄰接節(jié)點的矢量的角度

End Type

Public Type SeatArc(弧結(jié)構(gòu))

Dim SeatArcID() As Integer'弧段ID，唯一標識弧段

Dim SeatArcLength() As Double'弧段長

End Type

改進的Dijkstra算法在數(shù)據(jù)存儲空間上，由于節(jié)點對象大小不固定，所以避免了數(shù)據(jù)冗余,因此，其需要的存儲空間較小.

改進的Dijkstra算法在求解最短路徑過程中起、止點具有方向性趨勢，在遍歷節(jié)點時，每次搜索過程中僅考慮當前節(jié)點的鄰節(jié)點，故修改次數(shù)較少，而在經(jīng)典Dijkstra算法中，每次都對未確定永久標號的節(jié)點進行遍歷，故修改次數(shù)較多.因此，改進的Dijkstra算法較經(jīng)典Dijkstra算法提高了程序運行效率.

4.2圖書館座位專題圖

本系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器模式(C/S)和瀏覽器/服務(wù)器模式(B/S)相結(jié)合的數(shù)據(jù)庫設(shè)計方式.數(shù)據(jù)庫中與圖書館座位信息有關(guān)的數(shù)據(jù)通過符號化，以地理信息的載體，即地圖形式表達或傳輸給學(xué)生.

為給學(xué)生呈現(xiàn)可視化形象的圖書館座位狀態(tài)，需對普通的圖書館平面圖數(shù)字化，即GIS專題圖.專題圖的制作包含導(dǎo)入地形圖原圖、數(shù)字化地圖(主要有數(shù)字化自習(xí)室、數(shù)字化多媒體室、數(shù)字化樓梯、數(shù)字化通道等)、增加圖幅比例尺、生成專題圖等.圖書館座位專題圖制作使用北京超圖公司開發(fā)的SuperMap Objects軟件.因為沒有真3維GIS軟件產(chǎn)品，為了能真實地再現(xiàn)圖書館室內(nèi)地形、地物的3維景觀，將常規(guī)2維空間操作數(shù)擴展到2.5維，實現(xiàn)GIS空間數(shù)據(jù)的3維動態(tài)交互可視化.

4.3座位空閑或占用判斷

探測器采用熱釋紅外傳感器和盛群半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的HT46R47智能處理芯片.熱釋紅外傳感器感應(yīng)距離不大于0.3m，感應(yīng)角度小于10°.HT46R47具有4通道9位解析度的A/D轉(zhuǎn)換器，采集精度高.為節(jié)省現(xiàn)場施工布線成本，同時美化環(huán)境，探測器采用無線數(shù)據(jù)通信方式，為此使用鋰電池對探測器供電.

對座位空閑或占用狀態(tài)進行檢測時，智能處理芯片HT46R47通過熱釋紅外傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器進行連續(xù)10次數(shù)據(jù)采集.智能處理芯片對10個數(shù)據(jù)從小到大進行排序，去掉一個最小值和一個最大值，對其余8個數(shù)據(jù)求取平均數(shù)，將該平均數(shù)與A/D轉(zhuǎn)換器滿量程值進行比較，用以判斷當前座位使用情況.此外，如熱釋紅外傳感器的感應(yīng)距離和感應(yīng)角度較大時，可以使用黑膠帶對菲涅爾透鏡進行部分遮光處理.

5系統(tǒng)實現(xiàn)

5.1熱釋紅外探測器檢測實現(xiàn)

為減少電量損失，智能處理芯片在無數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理時處于睡眠狀態(tài)，當有外部事件(即有人在座位上)時，芯片被喚醒，退出睡眠狀態(tài).紅外探測器程序流程如圖6所示.

(a) 數(shù)據(jù)接收流程圖 　(b) 主程序數(shù)據(jù)處理流程圖

5.2計算機終端實現(xiàn)

以北京超圖公司開發(fā)的SuperMap Objects為平臺，采用SuperMap Objects 6的地理信息模塊，運用SQL Server數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，開發(fā)工具采用Microsoft Visual Studio. NET,編程語言采用Visual C #. NET.

本系統(tǒng)使用SuperMap Objects的接口功能,調(diào)用核心組件庫(SuperMap.ocx)、布局組件庫(SuperLayout.ocx)、空間分析組件庫(SuperAnalyst.ocx)、屬性表組件庫(Super GirdView.ocx)、工作空間管理組件庫(SuperWkspManager.ocx) 等實現(xiàn)各功能模塊.

5.3系統(tǒng)時效性

由于圖書館座位維修、更換等動態(tài)變化，各分區(qū)空間數(shù)據(jù)時效性強，為使學(xué)生第一時間掌握座位變化，及時對數(shù)據(jù)庫進行維護和更新是非常必要的.

6結(jié)語

本文利用了GIS中的空間分析、空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)等技術(shù)，結(jié)合計算機、智能處理芯片等硬件與軟件，成功開發(fā)了基于GIS的圖書館座位管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了圖書館自習(xí)室座位查詢、座位定位、座位預(yù)約等功能.該系統(tǒng)不僅可以減少占座現(xiàn)象，提高座位利用效率，而且提供了友好的可視化和操作界面，為廣大學(xué)生營造了良好的學(xué)習(xí)環(huán)境.

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Seat Management System of University Library Based on GIS Technology

ZHANGJing-duan

(Library, Donghua University, Shanghai 201620，China)

Abstract:In order to solve the problem that the study room seats of the university library are unreasonably occupied, and the use efficiency of the study room seats is low, the geographic information system (GIS) is combined with library seat system, and the sensor technology and the database technology of combining client/server (C/S) with brower /server (B/S) are used, so that the library seat management system based on GIS is developed. The system has seat inquiry, seat positioning and seat reservation, etc., so it can effectively reduce the phenomenon that the study room seats of the university library are unreasonably occupied. It provides friendly visual interface, and makes students convenient operation and orderly learning environment.

Key words:library; geographic information system (GIS); seat inquiry; seat positioning; seat reservation; heat release infrared detector

文章編號：1671-0444(2016)02-0242-06

收稿日期：20115-11-10

作者簡介：張靜端(1963—)，女，陜西西安人，學(xué)士，館員，研究方向為圖書管理系統(tǒng).E-mail:zhangjingduan2@163.com

中圖分類號：TP 391

文獻標志碼：A