張鏡輝
關(guān)鍵詞:自動(dòng)分揀;自動(dòng)搬運(yùn);圖書館;機(jī)器人
中圖分類號(hào):G250 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-1588(2022)04-0105-05
1從自動(dòng)分揀到自動(dòng)搬運(yùn)
圖書分揀是根據(jù)圖書標(biāo)注的信息如分類號(hào)、顏色等,按照一定規(guī)則進(jìn)行分門別類排序整理,根據(jù)這種原理誕生了由機(jī)器自動(dòng)識(shí)讀并進(jìn)行歸整的自動(dòng)分揀設(shè)備。關(guān)于自動(dòng)分揀設(shè)備最早的研究,可見于20世紀(jì)20年代由荷蘭爾瑪公司研發(fā)的世界第一臺(tái)信件分揀設(shè)備[1]。
1.1自動(dòng)分揀在圖書領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)踐
經(jīng)過近一百年的演變與發(fā)展,特別是條碼技術(shù)、RFID技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及智能化技術(shù)的發(fā)展,如今針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域,自動(dòng)分揀技術(shù)已研發(fā)出堆塊式分揀技術(shù)、擋板式分揀技術(shù)、搖臂式分揀技術(shù)、斜導(dǎo)輪式分揀技術(shù)、交叉帶式分揀技術(shù)等[2]。目前,我國(guó)已有移載分揀技術(shù)、交叉帶分揀技術(shù)[3]、滑塊分揀技術(shù)[4]和AGV機(jī)器人分揀技術(shù)[5]等四種分揀技術(shù)應(yīng)用于圖書館領(lǐng)域,詳見表1。
1.2自動(dòng)搬運(yùn)首次應(yīng)用于圖書館
自動(dòng)分揀完成了圖書從混亂至有序狀態(tài)的工作,自動(dòng)搬運(yùn)則是在分揀完成后將圖書搬運(yùn)至?xí)軈^(qū)的工作,自動(dòng)搬運(yùn)不僅需要完成水平區(qū)域的搬運(yùn),還需要完成垂直區(qū)域的搬運(yùn),毫無疑問自動(dòng)搬運(yùn)是科技與重體力的結(jié)合體。自動(dòng)搬運(yùn)需要與自動(dòng)分揀系統(tǒng)對(duì)接,一旦滿箱后及時(shí)自動(dòng)補(bǔ)位空箱,并將滿箱圖書搬至電梯,與電梯智能交互,實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)分揀完成的書箱到每個(gè)樓層指定站點(diǎn),同時(shí)搬走每個(gè)樓層的空箱的全流程自動(dòng)化。自動(dòng)分揀與自動(dòng)搬運(yùn)配套使用,即可通過機(jī)械設(shè)備自動(dòng)完成圖書從回館到上架前的大部分重復(fù)性體力勞動(dòng)。就圖書館實(shí)際情況而言,館藏圖書大多分布于各樓層,搬運(yùn)環(huán)境非常復(fù)雜,自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)不僅需要與電梯交互,還需要具備在有人環(huán)境下安全行進(jìn),搬運(yùn)機(jī)器人要滿足一定過溝、過坎能力,具備完整的環(huán)境感知能力,包括但不限于激光掃描、雷達(dá)防撞、超聲避障、安全觸邊等。
從調(diào)研情況看,目前我國(guó)已有深圳寶安圖書館、天津?yàn)I海圖書館、廣州南沙圖書館、貴州省圖書館四家完成了AGV自動(dòng)分揀工作,但尚無一家公共圖書館完成自動(dòng)搬運(yùn)工作,上述各館準(zhǔn)備將自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)建設(shè)列入分揀系統(tǒng)二期工程實(shí)施。
2分揀區(qū)域位置選取與規(guī)劃
自動(dòng)分揀與自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)建設(shè)首先需要考慮的是分揀區(qū)域位置選取與規(guī)劃,即究竟在哪個(gè)樓層、哪個(gè)位置比較適合。分揀區(qū)位置選取與規(guī)劃要綜合考慮電力、網(wǎng)絡(luò)、樓層、圖書上架、觀賞性等多個(gè)因素。在機(jī)房供電線路電力保障方面,圖書館要考慮配置穩(wěn)壓器和過電壓防護(hù)設(shè)備,最好配置冗余或并行電力電纜線路為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)供電。電源線和通信線纜應(yīng)隔離鋪設(shè),對(duì)關(guān)鍵設(shè)備實(shí)施電磁屏蔽以保證設(shè)備能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方面,圖書館要考慮建設(shè)專用Wi-Fi網(wǎng)絡(luò),與辦公用和讀者用Wi-Fi邏輯或物理隔離,保障通信完整性及通信過程中敏感信息字段或整個(gè)報(bào)文的保密性,同時(shí)保障機(jī)器人設(shè)備與服務(wù)器流暢的通信速度。圖書館應(yīng)統(tǒng)計(jì)各還書點(diǎn)讀者還書量,將分揀區(qū)部署在還書量最多樓層,也可以根據(jù)分揀區(qū)部署情況優(yōu)化還書點(diǎn)設(shè)置,從而提高機(jī)器人搬運(yùn)圖書的效率。自動(dòng)分揀及搬運(yùn)系統(tǒng)具有較高科普價(jià)值,因此人流量也是需要考慮的因素。
3功能設(shè)計(jì)規(guī)劃
3.1還書口設(shè)計(jì)
還書口分為讀者還書口和館員還書口兩種,讀者還書口一般采用自助還書口模式,而館員還書口可采用人工供書或自動(dòng)供件臺(tái)模式??傮w來說,還書口數(shù)量測(cè)算要根據(jù)每日平均還書量、峰值還書量以及AGV機(jī)器人數(shù)量而定。讀者還書口支持ISO15693協(xié)議,采用讀者一次歸還一本的自助歸還模式。自助還書口和關(guān)鍵在于還書速度與機(jī)器人數(shù)量匹配問題,8~10個(gè)機(jī)器人能夠滿足一個(gè)還書口的極限分揀需求,當(dāng)讀者還書量較大時(shí),在還書口輸送皮帶處需要留有3~5個(gè)冗余位置,使圖書還回而機(jī)器人未到位時(shí)有位置供等待。滿足更大數(shù)量及未來擴(kuò)展需求也是圖書館需要考慮的因素,采用一個(gè)冗余設(shè)計(jì)以及備用調(diào)用是較好的解決方案。館員還書口可以使用人工投喂方式,投喂速度可達(dá)900本/小時(shí)以上,能滿足中小型圖書館分揀需求,也可使用自動(dòng)供件臺(tái)方式。自動(dòng)供件臺(tái)方式可自動(dòng)分離圖書,效率在500本/小時(shí)左右,可7×24小時(shí)工作,支持圖書尺寸與讀者自助還書一樣,具體規(guī)格均為:長(zhǎng)度160mm~400mm,寬度110mm~300mm,高度2mm~50mm,重量50g~2500g。
3.2格口設(shè)計(jì)
格口是位于操作平臺(tái)上的分揀口,操作平臺(tái)上的格口數(shù)量越多,分揀得越細(xì)。格口設(shè)計(jì)需要考慮兩個(gè)因素:一是圖書館各類目圖書數(shù)量并不均衡,某些類目如小說I類、經(jīng)濟(jì)F類圖書非常多,馬列A類等相對(duì)較少,因此存在類目細(xì)分和類目合并等問題。二是可以采用二次分揀方式,如第一次采用5類粗分揀,第二次5類分揀再重復(fù)一次,通過兩次5類分揀即可完成25類分揀。圖書從還書口經(jīng)過時(shí),設(shè)備會(huì)讀取圖書標(biāo)簽,標(biāo)簽中的條碼數(shù)據(jù)又可通過自動(dòng)化系統(tǒng)鏈接到該圖書書目信息和館藏信息。機(jī)器人從還書口不僅取得圖書實(shí)物,還會(huì)取得圖書書目信息和館藏信息,從而將圖書按照軟件系統(tǒng)指令運(yùn)送至指定格口。
3.3機(jī)器人規(guī)劃
機(jī)器人具體負(fù)責(zé)分揀與搬運(yùn)工作,分為AGV分揀機(jī)器人與AGV搬運(yùn)機(jī)器人。有多種分揀機(jī)器人可供圖書館選擇,如高位車、翻蓋模式、頂升模式等。對(duì)接方式采用皮帶式,可直接接受來自投入口、自動(dòng)供件臺(tái)的圖書。不同機(jī)器人的效率不同,如高位車采用“視覺+慣性”導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位精度,自重約60kg,負(fù)載達(dá)10kg,運(yùn)行速度約2.2m/s左右,充電1.5小時(shí),續(xù)航8小時(shí)。翻蓋機(jī)器人的導(dǎo)航方式與高位車類似,自重12kg,相對(duì)高位車而言,又低又輕,可實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)定位精度,載荷重量6kg,運(yùn)行速度約3m/s。AGV搬運(yùn)機(jī)器人將分揀完成后的圖書周轉(zhuǎn)箱搬走,通過與電梯交互,直接搬運(yùn)至指定樓層站點(diǎn),同時(shí)補(bǔ)運(yùn)一個(gè)空箱至分揀格口,自動(dòng)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的自動(dòng)搬運(yùn),自動(dòng)進(jìn)行路徑規(guī)劃及取放圖書周轉(zhuǎn)箱動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)了圖書館無人化智能搬運(yùn)。搬運(yùn)機(jī)器人采用激光SLAM混合導(dǎo)航,自重約170kg,負(fù)載可達(dá)600kg,空載速度約2.0m/s,滿載速度為1.5m/s,充電1.5小時(shí),續(xù)航8小時(shí),完全可以滿足圖書館的圖書載重要求。18CCCA80-D8B3-45E8-9059-27E88BD2598E
3.4充電站規(guī)劃
圖書館可根據(jù)機(jī)器人數(shù)量、充電時(shí)間、續(xù)航時(shí)間確定充電站數(shù)量,一般可按每3~5臺(tái)機(jī)器人部署一個(gè)充電站,以保證充電效率。機(jī)器人在運(yùn)行過程中會(huì)實(shí)時(shí)上報(bào)電池狀態(tài)給服務(wù)器,根據(jù)預(yù)設(shè)充電邏輯,服務(wù)器調(diào)度機(jī)器人到充電站充電。機(jī)器人運(yùn)行至充電站,完成充電接口自動(dòng)對(duì)接,正常后上報(bào)至服務(wù)器,服務(wù)器收到狀態(tài)正常后給充電站發(fā)送啟動(dòng)充電指令,開始對(duì)機(jī)器人充電。在充電過程中,機(jī)器人將電池狀態(tài)上報(bào)服務(wù)器,檢測(cè)充電完畢后,服務(wù)器給充電站發(fā)送停止充電指令。分揀機(jī)器人和搬運(yùn)機(jī)器人采用不同規(guī)格的充電站,均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電。分揀機(jī)器人采用220伏單相三線制C類小接口,搬運(yùn)機(jī)器人采用220伏單相三線制B類大接口。
3.5交接區(qū)設(shè)計(jì)
交接區(qū)是指搬運(yùn)機(jī)器人滿箱、空箱交換區(qū)域。搬運(yùn)機(jī)器人將分揀完成后的滿格書箱運(yùn)送至各樓層書箱交接區(qū),供館員上架圖書,同時(shí)將各交接區(qū)空書箱運(yùn)回分揀車間,每個(gè)樓層可根據(jù)需要設(shè)置或預(yù)留多個(gè)書箱交接區(qū)。
3.6其他配套設(shè)施
在自動(dòng)分揀與自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)建設(shè)過程中,圖書館還需要考慮圖書周轉(zhuǎn)箱、導(dǎo)航碼、專用Wi-Fi網(wǎng)及玻璃隔斷等其他配套設(shè)施建設(shè)。其中,圖書周轉(zhuǎn)箱用于裝載圖書,當(dāng)箱中圖書達(dá)到限定數(shù)量時(shí)呼叫搬運(yùn)機(jī)器人,因此圖書周轉(zhuǎn)箱的數(shù)量與分揀格口數(shù)和搬運(yùn)機(jī)器人數(shù)量相關(guān)。一般來說,圖書周轉(zhuǎn)箱還需要配套用于箱位感應(yīng)的周轉(zhuǎn)箱暫存位。導(dǎo)航碼為AGV分揀機(jī)器人定位基點(diǎn),鋪設(shè)于分揀區(qū)域平臺(tái)上,為AGV分揀機(jī)器人行進(jìn)的基準(zhǔn)坐標(biāo),供機(jī)器人定位導(dǎo)航使用。專用Wi-Fi網(wǎng)用于負(fù)責(zé)機(jī)器人與控制系統(tǒng)之間的通信。在機(jī)器人與調(diào)度控制系統(tǒng)之間需要傳遞控制數(shù)據(jù)、調(diào)度數(shù)據(jù)以及監(jiān)控狀態(tài)管理。一般來說,按每個(gè)機(jī)器人待機(jī)狀態(tài)4M帶寬、運(yùn)行狀態(tài)8M帶寬計(jì)算即可。此外,機(jī)器人工作時(shí)有一定的噪音(每臺(tái)約60~70分貝左右),同時(shí)為了防止讀者將雜物投入分揀區(qū)域,影響機(jī)器人行走,最好在分揀區(qū)周邊安裝玻璃隔離。
4汕頭市圖書館建設(shè)實(shí)踐
汕頭市圖書館是集閱讀、研究、活動(dòng)、休閑于一體的文化活動(dòng)場(chǎng)所,較早實(shí)現(xiàn)了圖書館自動(dòng)化和智能化RFID建設(shè),館內(nèi)部署了多臺(tái)自助借還設(shè)備,讀者通過身份證即可實(shí)現(xiàn)自助借還書。截至2020年12月,汕頭市圖書館共有館藏文獻(xiàn)154萬冊(cè)(件),年讀者接待量超100萬人次,持證讀者達(dá)18.9萬名,具備建設(shè)AGV自動(dòng)分揀與搬運(yùn)系統(tǒng)的基本條件。
汕頭市圖書館根據(jù)上述區(qū)域規(guī)劃與功能設(shè)計(jì)路徑,結(jié)合自身的業(yè)務(wù)特點(diǎn)及建筑結(jié)構(gòu),將自動(dòng)分揀車間部署在圖書館一樓少兒閱讀區(qū),區(qū)域面積約290平方米,分揀區(qū)構(gòu)建圖見下頁圖1。
具體建設(shè)規(guī)模包括:①讀者自助還書口3套。每套每小時(shí)最大處理還書量為300冊(cè),預(yù)留一套讀者投入口位置作為未來業(yè)務(wù)增長(zhǎng)需求或系統(tǒng)效率冗余備份。該功能組件位于區(qū)內(nèi)西南角,讀者進(jìn)館后穿過玻璃巷道時(shí)可觀賞機(jī)器人分揀過程,通過自助借還機(jī)可完成還書工作。②館員自動(dòng)供件臺(tái)1套。汕頭市圖書館采用自動(dòng)供件裝置,每次可處理500冊(cè)以上的裝載量(按圖書長(zhǎng)280mm、寬200mm、厚12mm計(jì)算),處理時(shí)長(zhǎng)約為1小時(shí),數(shù)量與分揀區(qū)域分揀效率匹配。③AGV分揀機(jī)器人15套。單臺(tái)AGV機(jī)器人平均分揀效率為每小時(shí)32件,汕頭市圖書館目前高峰時(shí)期(周末節(jié)假日等)平均單日最大還書量預(yù)計(jì)為2,000冊(cè),單小時(shí)最大峰值還書量預(yù)計(jì)為400冊(cè),為確保自動(dòng)分揀系統(tǒng)滿足峰值處理要求,配置13套AGV分揀機(jī)器人,考慮到未來業(yè)務(wù)增長(zhǎng)及故障情況,預(yù)留20%處理量冗余,即實(shí)際配置15套。④AGV搬運(yùn)機(jī)器人3套。配置邏輯為:分揀效率為400冊(cè)/小時(shí),單個(gè)格口周轉(zhuǎn)箱平均承載圖書40冊(cè),折合每小時(shí)產(chǎn)生滿格周轉(zhuǎn)箱為400/40=10箱。搬運(yùn)機(jī)器人最遠(yuǎn)單程搬運(yùn)距離約140米,搭乘電梯2層,單臺(tái)搬運(yùn)機(jī)器人平均每小時(shí)可提供的整箱搬運(yùn)數(shù)量為6個(gè)來回,由此計(jì)算需要配置2套滿足效率,剩余1套用于滿足未來業(yè)務(wù)增長(zhǎng)及系統(tǒng)冗余備份。⑤分揀機(jī)器人充電站5套。平均每4套分揀機(jī)器人配置1套充電站,備用1套。⑥搬運(yùn)機(jī)器人充電站2套。平均每4套搬運(yùn)AGV設(shè)備配置1套充電站,備用1套。⑦缺電喚醒充電裝置1套。當(dāng)設(shè)備無法進(jìn)行充電或設(shè)備電量耗盡無法自動(dòng)回到充電樁位置時(shí),可通過缺電喚醒充電裝置由人工為AGV設(shè)備充電。⑧AGV自動(dòng)分揀調(diào)度系統(tǒng)1套。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)所有AGV機(jī)器人的統(tǒng)一調(diào)度控制,包括智能路徑規(guī)劃、任務(wù)智能分配、地圖信息管理、交通管制、狀態(tài)監(jiān)控、智能充電調(diào)整等。
5應(yīng)用實(shí)踐過程中的幾點(diǎn)思考
汕頭市圖書館從2017年就已經(jīng)開始追蹤探討AGV自動(dòng)分揀與搬運(yùn)系統(tǒng)在公共圖書館的應(yīng)用,從最初文獻(xiàn)調(diào)研、考察交流、需求明確,到項(xiàng)目申報(bào)、專家咨詢、現(xiàn)場(chǎng)規(guī)劃、方案編寫、專家論證、招標(biāo)采購(gòu)、應(yīng)用實(shí)施,前后經(jīng)歷了3~4年的時(shí)間,也見證了AGV自動(dòng)分揀技術(shù)在圖書館發(fā)展與應(yīng)用的整個(gè)歷程。在整個(gè)項(xiàng)目申報(bào)與實(shí)施過程中,筆者有以下幾點(diǎn)想法供業(yè)界參考。
5.1項(xiàng)目建設(shè)要以經(jīng)濟(jì)適用為主
在AGV自動(dòng)分揀規(guī)劃時(shí),圖書館一定要在充分考慮現(xiàn)有設(shè)備與系統(tǒng)兼容性的基礎(chǔ)上,充分利用已有資源和設(shè)備,以最大限度地滿足實(shí)際工作要求為宗旨。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要充分考慮用戶當(dāng)前各業(yè)務(wù)層次、各環(huán)節(jié)管理中的便利性和可行性,把滿足業(yè)務(wù)管理和服務(wù)管理作為第一要素進(jìn)行考慮,全部人機(jī)操作設(shè)計(jì)也應(yīng)充分考慮不同用戶的實(shí)際需要。
5.2最大限度地體現(xiàn)便捷性與人性化
公共圖書館是公共文化服務(wù)的前沿陣地和服務(wù)窗口,規(guī)劃與設(shè)計(jì)應(yīng)盡量體現(xiàn)便捷性和人性化,以方便讀者利用為主要宗旨,盡量減少甚至要求無任何門檻要求,包括各軟件系統(tǒng)、自助服務(wù)系統(tǒng)接口及界面設(shè)計(jì)均要根據(jù)人體結(jié)構(gòu)特征及視覺特征進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),人機(jī)交互界面也要盡可能美觀大方,操作簡(jiǎn)便實(shí)用。
5.3安全可靠應(yīng)擺在更加靠前的位置
自動(dòng)分揀及搬運(yùn)系統(tǒng)上線后,讀者還書分揀、館員還書分揀以及圖書跨樓層之間自動(dòng)搬運(yùn)將完全依賴于該系統(tǒng),若系統(tǒng)出現(xiàn)故障,會(huì)極大影響公共文化服務(wù)體驗(yàn)。因此,圖書館對(duì)AGV圖書自動(dòng)分揀及搬運(yùn)系統(tǒng)安全性與可靠性提出了更高要求:一是要求各項(xiàng)系統(tǒng)應(yīng)能提供有效的安全機(jī)制,保證異常情況的系統(tǒng)運(yùn)作。二是要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮高可靠性和高穩(wěn)定性,保證常年7×24小時(shí)不間斷運(yùn)行。
5.4開放靈活保證系統(tǒng)較強(qiáng)的適應(yīng)能力
AGV圖書自動(dòng)分揀及搬運(yùn)系統(tǒng)項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)充分考慮到未來圖書館可能出現(xiàn)的新業(yè)務(wù)及可能出現(xiàn)的新變革,在解決現(xiàn)有業(yè)務(wù)實(shí)際需要的前提下,靈活拓展各系統(tǒng),使系統(tǒng)具備較強(qiáng)適應(yīng)能力。以分揀機(jī)器人和搬運(yùn)機(jī)器人為例,單個(gè)機(jī)器人故障不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作,工作人員只需移除故障機(jī)器人并重啟即可,即使在極端情況下,通過更換即可快速清除故障,不會(huì)造成積壓或停擺。
5.5新興行業(yè)迭代升級(jí)較快
在公共圖書館領(lǐng)域內(nèi)采用AGV自動(dòng)分揀與搬運(yùn)系統(tǒng)還是一個(gè)新鮮事物,案例并不多見,且在不斷發(fā)展之中,包括鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)、分揀機(jī)器人與搬運(yùn)機(jī)器人技術(shù)更新、分揀路線設(shè)計(jì)與規(guī)劃等,均在快速地迭代升級(jí)。圖書館需充分認(rèn)識(shí)迭代升級(jí)更多的是外圍硬件與軟件更新,其核心思想、理念與部件一定要保證其穩(wěn)定性,同時(shí),開放性、靈活性要求間接地保證了迭代升級(jí)的可能性。
6結(jié)語
AGV智能分揀系統(tǒng)是智能化技術(shù)應(yīng)用于圖書館分揀業(yè)務(wù)的一次應(yīng)用與突破,把圖書館員從簡(jiǎn)單、繁重的體力勞動(dòng)中解放出來,在降低出錯(cuò)率的同時(shí)大幅提升分揀效率,代表著圖書館分揀業(yè)務(wù)的發(fā)展方向,符合圖書館智能化事業(yè)發(fā)展方向,也符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)升級(jí)戰(zhàn)略,值得在大中型圖書館普及推廣和應(yīng)用。18CCCA80-D8B3-45E8-9059-27E88BD2598E