一種經(jīng)濟(jì)高效的圖書傳遞自動(dòng)化設(shè)計(jì)新方案

【摘要】本文結(jié)合我國實(shí)際情況，提出了一種圖書資料自動(dòng)傳遞服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新方案。其特點(diǎn)：自動(dòng)傳遞圖書的機(jī)器并非高新智能化機(jī)器人，而是由簡單的自帶動(dòng)力可移式機(jī)械自動(dòng)夾具、觸碰電子開關(guān)和電腦控制的軌道搬道叉系統(tǒng)負(fù)責(zé)共同完成，因該系統(tǒng)無需圖像識別技術(shù)和高智能化設(shè)計(jì)，故大大簡化了設(shè)計(jì)，降低了成本。

【關(guān)鍵詞】移動(dòng)式自動(dòng)夾具? 軌道系統(tǒng)? 自動(dòng)化

一、當(dāng)今自助圖書館系統(tǒng)及其問題

2002年，美國猶他州J.Willard Marriott自助圖書館實(shí)現(xiàn)是借助碼垛機(jī)和機(jī)器人共同完成的。由碼垛機(jī)從立體倉庫中取出圖書，再由移動(dòng)機(jī)器人將其送到借書口。缺點(diǎn)：造價(jià)高，僅機(jī)器人系統(tǒng)就高達(dá)1200萬美元。這種ARC系統(tǒng)還存在一旦自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)生故障，則整個(gè)書庫無法運(yùn)行。

德國洪堡大學(xué)圖書館自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)，圖書的傳遞是直接使用搬運(yùn)機(jī)器人完成的。機(jī)器人在總服務(wù)臺(tái)與各功能區(qū)之間移動(dòng)，將圖書按照分類搬運(yùn)到指定位置。特色：機(jī)器人的上部設(shè)有導(dǎo)軌，可以將收集箱自動(dòng)卸在固定的位置上。導(dǎo)航是依靠埋設(shè)在地面上的磁導(dǎo)引線實(shí)現(xiàn)的。缺點(diǎn)：它不能完成圖書的自動(dòng)上下架操作。

2002年，美國約翰·霍普金斯大學(xué)通過推了圖書館機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置（CAPM）來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。它移動(dòng)路徑和定位是依靠存儲(chǔ)在機(jī)器人主控制器中的電子地圖來實(shí)現(xiàn)的。由于存在不足，在此基礎(chǔ)上，新加坡國立大于當(dāng)年研究出基于RFID定位技術(shù)的機(jī)器人，同時(shí)增加了放置圖書的托盤和改換新型書架與之配合。新型書架裝有若干個(gè)有托盤的儲(chǔ)物柜，圖書放置在固定規(guī)格的托盤上。由于整個(gè)系統(tǒng)改造成本過高，因而沒有得到大范圍推廣。2003 年，西班牙卡斯捷羅大學(xué)推出類似的圖書自動(dòng)存取機(jī)器人，又作了改進(jìn)，其優(yōu)點(diǎn)：現(xiàn)有書架不需要做大的改動(dòng)。缺點(diǎn)：機(jī)器人更加復(fù)雜，造價(jià)過高。

在我國，2007年12月，東莞圖書館推出了國內(nèi)首臺(tái)迷你型自助圖書館，這也是當(dāng)今國內(nèi)最先進(jìn)的自助式圖書館或說圖書自動(dòng)借還服務(wù)機(jī)，它兼容條形碼和 RFID（Radio Frequency Identification，無線射頻識別）技術(shù)，雖說實(shí)現(xiàn)了圖書自動(dòng)外借、還書自動(dòng)歸架功能，性能還不錯(cuò)，遺憾的是，它只能容納 500 冊左右的圖書，而且只有在外配人工流動(dòng)服務(wù)車與實(shí)體圖書館不斷進(jìn)行圖書交換，售價(jià)較高，不大實(shí)用，僅此自動(dòng)化書架，一種技術(shù)的象征。

縱觀以上各國先進(jìn)設(shè)計(jì)方案，不難看出，國際上先進(jìn)的自助圖書館系統(tǒng)，主要還是采用獨(dú)立機(jī)器人技術(shù)方案，靠它獨(dú)立完成自動(dòng)化借還書刊的操作，不足的是，機(jī)器人制造復(fù)雜，上下架抓取圖書動(dòng)作是變化的，使用圖像識別完成這樣的工作成本高許多。據(jù)了解，截至目前，還沒有很成熟的技術(shù)和裝備在實(shí)體真實(shí)圖書館自動(dòng)化中得到廣泛應(yīng)用。其原因主要還是圖書館自動(dòng)存取操作量較大，涉及到的技術(shù)問題多，要想降低制作成本不容易，所以傳統(tǒng)模式難以推廣。

二、系統(tǒng)新設(shè)計(jì)方案

（一）系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路：

圖書館自動(dòng)完成借還書（自動(dòng)上下架）系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)思路：其硬件主要由兩個(gè)部分組成，移動(dòng)式自動(dòng)夾具和軌道控制系統(tǒng)?；具\(yùn)作過程：以借書為例（還歸則相反）。系統(tǒng)讀取讀者在自助借還書機(jī)終端輸入的圖書信息資料后，將自動(dòng)在館內(nèi)所藏紙質(zhì)圖書文獻(xiàn)資料數(shù)據(jù)庫中搜索，在找到相關(guān)圖書信息記錄后，即可讀取其存放的物理地址，以及獲得該書的軌道路徑信息，其后，系統(tǒng)啟動(dòng)電腦控制的軌道系統(tǒng)，發(fā)出無線電信號，由此形成從借書處到達(dá)該書位置的唯一的通道，即通往該處的軌道被打開（其余處在關(guān)閉狀態(tài)）。軌道的岔路口由軌道口上安裝的搬道叉機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，這個(gè)機(jī)構(gòu)可接受無線電信號，只有搬道與不搬兩個(gè)動(dòng)作二選一，這樣就簡化了操作和控制過程的設(shè)計(jì)。移動(dòng)式自動(dòng)夾具安裝在軌道上，可在軌道上運(yùn)行，負(fù)責(zé)傳送讀者所需要的圖書，有獨(dú)立前行的動(dòng)力（自帶電池驅(qū)動(dòng)），能沿軌道行走，方向完全由軌道控制的，到達(dá)指定位置停車，是通過碰到軌道上的滑塊觸碰開關(guān)實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)夾具取書操作，完成的是一種固定動(dòng)作，即準(zhǔn)確抓取或歸還讀者所需圖書，當(dāng)動(dòng)作完成，觸碰開關(guān)發(fā)出信號，軌道系統(tǒng)上的滑塊放行，移動(dòng)式夾具將繼續(xù)向前行走，也就是進(jìn)入返程狀態(tài)，設(shè)計(jì)行走的軌道是單行線，循環(huán)線，由此移動(dòng)式夾具最終將圖書傳送到服務(wù)前臺(tái)交讀者。歸還圖書上架原理大致相同。對遠(yuǎn)程讀者，解決的基本思路是：再借鑒電子商務(wù)快遞運(yùn)作模式，通過Internet網(wǎng)上借還操作平臺(tái)，直接與快遞公司聯(lián)網(wǎng)的合作，實(shí)現(xiàn)紙質(zhì)文獻(xiàn)資料的遠(yuǎn)程自助借還書服務(wù)。

我們這里構(gòu)思設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，實(shí)際上由四大部分組成：

（1）自助借還書機(jī)。它是讀者與圖書館服務(wù)系統(tǒng)交流信息的一個(gè)實(shí)體電腦操作平臺(tái)，與當(dāng)前某些圖書館使用的自助借還書機(jī)外觀上大致相同。不同的是，它左右連接有傳送軌道，有啟動(dòng)通往該書存放位置的軌道系統(tǒng)開關(guān)，開通出一條直達(dá)存放該書位置的唯一軌道。

（2）移動(dòng)式自動(dòng)夾具。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，這部分常稱之為機(jī)器人。這里設(shè)計(jì)相對簡單許多，并非機(jī)器人，它是由圖書運(yùn)輸小車和自動(dòng)式機(jī)械夾具組成的一個(gè)裝置，一種機(jī)械機(jī)構(gòu)，沒有智能，是運(yùn)送圖書的載體，但自帶動(dòng)力，可通過其上方安裝的碰撞開關(guān)，完成固定的機(jī)械動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)取下和放回操作。

（3）軌道系統(tǒng)。它是運(yùn)輸圖書移動(dòng)式自動(dòng)夾具行駛的軌道。和平時(shí)看到軌道不同的是，它不僅是航線，是引領(lǐng)小車到達(dá)指定位的位置通道。通道的生成，由各路口上安裝的搬道叉決定。搬道信息是電腦系統(tǒng)發(fā)出的無線電信息控制，這些信息來自于館藏圖書數(shù)據(jù)中，當(dāng)需要的書一旦被確定，各道口信息其實(shí)也被唯一確定了。

（4）多媒體模擬演示系統(tǒng)。這是一種模擬仿真的軟件系統(tǒng)，也是本設(shè)計(jì)構(gòu)思的一大特色，啟用的目的，為的是讓讀者能在機(jī)器檢索過程中有身臨其境之感，虛擬化更貼近生活。

下面就整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分別闡述我們這些設(shè)計(jì)中的主要思路和其中的一些具體做法。

（二）自助借還機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案：

這里所講的自助借還書機(jī)，是指圖書紙質(zhì)文獻(xiàn)自動(dòng)借還系統(tǒng)的服務(wù)電腦終端操作機(jī)，是讀者與系統(tǒng)對話的操作平臺(tái)。由一臺(tái)普通電腦的終端（用來檢索查尋輸入和反饋顯示信息），一個(gè)射頻卡感應(yīng)器或掃描儀（用于讀取讀者借閱卡信息），一臺(tái)小型打印機(jī)（給讀者提供借還清單），和一個(gè)擁有“投取書刊口”，后方連接有一條專用導(dǎo)軌，有一出一進(jìn)的循環(huán)線，上面有一個(gè)可移動(dòng)式機(jī)械夾具共同組成的裝置。借書時(shí)，讀者只需將借閱卡放入射頻卡感應(yīng)器上感應(yīng)或掃描儀上掃描一下，讓電腦讀取借閱卡中信息，驗(yàn)證讀者身份，其后，讀者就可在電腦顯示屏上看到館藏相關(guān)提示信息，讀者可根據(jù)需要，在電腦上選擇任何一種排架法，檢索自己所需文獻(xiàn)（圖書），按下確定按鈕，當(dāng)該書信息出現(xiàn)后，表明檢索成功，此后電腦系統(tǒng)啟動(dòng)移動(dòng)式自動(dòng)夾具，以及軌道控制系統(tǒng)（電腦開始向各軌道路口搬道叉及滑塊發(fā)出信號）和運(yùn)行多媒體動(dòng)畫模擬演示系統(tǒng)。這時(shí)電腦顯示屏畫面將以三維動(dòng)畫形式展示出整個(gè)物理檢索全過程。動(dòng)畫與移動(dòng)式自動(dòng)夾具實(shí)際行走經(jīng)過的情況大致基本相同。為節(jié)省資金，我們也可在移動(dòng)式自動(dòng)夾具上安裝攝像頭，把一路經(jīng)過的情況反饋顯示到電腦顯示屏上，讓讀者看到移動(dòng)式自動(dòng)夾具行走過程中看到的書庫及架位情況。若研發(fā)經(jīng)費(fèi)緊，多媒體動(dòng)畫模擬演示系統(tǒng)則可省去，用攝像頭傳遞的視頻信號取代。

圖書歸還，即圖書上架，其原理與借書（下架）基本相同，讀者只要將要?dú)w還的書刊按要求投入到“投取書刊口”，當(dāng)掃描儀掃描到書上提供的計(jì)算機(jī)條形碼后，則自動(dòng)修改相應(yīng)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，并打印出歸還信息清單到讀者，打開通往該書存放位置的唯一通道。

（三）移動(dòng)式自動(dòng)夾具設(shè)計(jì)方案

這里所講的移動(dòng)式自動(dòng)夾具，它是由動(dòng)力運(yùn)送小車，夾具（包含掛鉤的機(jī)械式機(jī)構(gòu)）等配件所組成的裝置。它可以有多個(gè)行駛輪，比如：前面輪起支撐運(yùn)輸作用，卡在其行駛的工字型軌道上不脫軌。后輪子為動(dòng)力輪，它會(huì)根據(jù)碰撞開關(guān)，即當(dāng)遇到有一定壓力的接觸或無壓力下，會(huì)自動(dòng)與軌道分離或接觸，實(shí)現(xiàn)不斷電情況下完成停車和行駛動(dòng)作。（注：借或還任何一本書都只有維一條行駛通道，圖書存放地址決定，由此，搬道方向二選一也是明確的）。夾具上的取放圖書的掛鉤機(jī)構(gòu)無需智能化圖像識別技術(shù)，因?yàn)槊勘緯拇娣盼恢檬枪潭ǖ?，夾具由滑塊精確定位停車。故它的上下架動(dòng)作是固定的，使用現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。為保證夾具抓取的上架下動(dòng)作準(zhǔn)確，我們對書刊擺放要求是：標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，即位置必須是相對固定的，其措施是，每本書都配有書套，取、還圖書時(shí)，是連同書套一起的。

移動(dòng)式自動(dòng)夾具行駛路線，基本上要走四段路，過三個(gè)路口。第一段是從借書處到達(dá)書庫指定樓層，在選擇不同樓層時(shí)出現(xiàn)一個(gè)路口分支，軌道系統(tǒng)有一次軌道搬道決定方向。第二段是，到達(dá)指定書庫書第一書架底端，這時(shí)開始出現(xiàn)第二個(gè)路口分支，搬道決定是繼續(xù)向前找書架，還是開始往上爬行到達(dá)指定書架層。第三段是行駛到達(dá)指定書架層時(shí)，有一次軌道搬道，決定繼續(xù)上爬找到書架層，還是開始水平移動(dòng)尋書。第四段路是水平運(yùn)動(dòng)尋書，它的停車（定位）由該軌道段上安裝的滑塊位置決定，而滑塊位置又是由電腦系統(tǒng)讀取到的該書位置信息相應(yīng)字段后，發(fā)出的信號確定的。這個(gè)滑塊定位技術(shù)，實(shí)際上是十分成熟的技術(shù)，有現(xiàn)成的可用，如：當(dāng)前無人機(jī)定位技術(shù)的應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)應(yīng)用，均可實(shí)現(xiàn)。

這里要說明的是，移動(dòng)式自動(dòng)夾具還書（上架），其動(dòng)作也是固定的。如何讓夾具判斷是執(zhí)行上架還是下架動(dòng)作，以可以移動(dòng)式自動(dòng)夾具是否是空載為標(biāo)準(zhǔn)，若為空車，即夾具放書觸碰開關(guān)不受壓，到達(dá)指定位置是下架操作，否則是上架動(dòng)作，而這兩個(gè)動(dòng)作正好是相對的，由上安裝的電機(jī)正反轉(zhuǎn)決定。移動(dòng)式自動(dòng)夾具和我們平時(shí)看到的火車一樣，只管順軌道向前行駛，無需智能管理，只有遇到滑塊阻擋，即到達(dá)指定位置，因觸碰到開關(guān)自動(dòng)停車，啟動(dòng)夾具對圖書的上下架操作是連貫的動(dòng)作。

（四）軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

軌道系統(tǒng)是引領(lǐng)移動(dòng)式自動(dòng)夾具到達(dá)指定位的指揮系統(tǒng)，也是圖書傳送的導(dǎo)航路線。為提高工作效率，軌道上同時(shí)可有多臺(tái)這樣的移動(dòng)式自動(dòng)夾具工作。為防止發(fā)生堵車現(xiàn)象，設(shè)計(jì)采用單行線方案、循環(huán)線方案設(shè)計(jì)，前車通過搬道叉后，搬道機(jī)構(gòu)會(huì)恢復(fù)默認(rèn)狀態(tài)，以便后續(xù)移動(dòng)式自動(dòng)夾具不受前車影響。移動(dòng)式自動(dòng)夾具只有碰到滑塊阻擋才會(huì)啟動(dòng)上下架操作，若碰到前車受阻，僅此停車（識別是通過不同位置的碰撞開關(guān)確定的）。軌道設(shè)計(jì)的另一特點(diǎn)是，它的起點(diǎn)與終點(diǎn)分別與自助借還書機(jī)左右口相連。軌道系統(tǒng)的任務(wù)是引領(lǐng)小車到達(dá)指定所需要書擺放的位置。其軌道布局：我們參考做法是：沿著所有排書架每層底邊布軌。這里講的書架可以是指書架聯(lián)合體，即，同一排所有書架左右相連的，它可以很長，可以從書庫的最左端一直排到最右端，也可以轉(zhuǎn)彎，軌道可以在不同排書架的同一層上設(shè)計(jì)成S形狀，邏輯上把各排書架連為一體。當(dāng)取還書動(dòng)作完成后，小車順軌道繼續(xù)前進(jìn)，由于是循環(huán)線，故自動(dòng)進(jìn)入返程狀態(tài)。這個(gè)返回軌道設(shè)計(jì)與進(jìn)入軌道大致相同，相對對稱，相當(dāng)于一個(gè)在左，一個(gè)在右。軌道系統(tǒng)得到電腦系統(tǒng)讀取的信息指令后，連接書庫的軌道上變換軌道的搬道叉會(huì)根據(jù)該書位置在數(shù)據(jù)庫中提供的信息做出相對應(yīng)變道搬道操作，這個(gè)操作控制同樣有現(xiàn)成技術(shù)可用，如當(dāng)今遠(yuǎn)程搖控玩具小汽車的無線電控制技術(shù)，僅此開關(guān)，0/1二選一動(dòng)作。

三、結(jié)束語

通常需要智能高科技機(jī)器人才能完成的導(dǎo)航搬運(yùn)工作，我們的方案則是通過搬運(yùn)圖書夾具和軌道自動(dòng)搬道叉變道實(shí)現(xiàn)，而所有搬道信息，包括滑塊到達(dá)指定位控制夾具停車，又都是通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)事先從已經(jīng)存放在圖書館建立的數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)書對應(yīng)字段中獲取的，通過電腦發(fā)出遠(yuǎn)程無線電搖控信號，指揮軌道上丁字路口的搬道叉，用簡單的0/1動(dòng)作變道指揮，實(shí)現(xiàn)夾具導(dǎo)航?；瑝K定位，由此取代傳統(tǒng)的運(yùn)送機(jī)器人智能化尋找，也就是說，只要系統(tǒng)讀取到該書的信息，位置就被確定了，移動(dòng)式自動(dòng)夾具行走的軌道路線就被唯一確定了。移動(dòng)式夾具只管往前行駛，到達(dá)指定位置會(huì)有一個(gè)滑塊阻擋，這個(gè)滑塊負(fù)責(zé)在書架存放該本書位置起定位作用。因?yàn)槭菃涡芯€，循環(huán)線設(shè)計(jì)，所以沒有倒車問題和擁堵問題發(fā)生，即使有堵車，也是暫時(shí)性的。通過軌道系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，這是本系統(tǒng)與國內(nèi)外自助圖書館系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)同一功能上在設(shè)計(jì)上的最大不同之處。由于實(shí)現(xiàn)方案相對簡單，只是設(shè)計(jì)思路上的創(chuàng)新，無需要新技術(shù)研發(fā)，運(yùn)用現(xiàn)有已成熟的技術(shù)，這就大大降低了制造成本，是個(gè)完全可行的經(jīng)濟(jì)方案，使大規(guī)模推廣普及成為了可能。

參考文獻(xiàn)：

[1]方建軍.張曄.圖書館圖書自動(dòng)存取機(jī)器人的研究與應(yīng)用[J].圖書館建設(shè)，2012，（7）.

[2]鄭曉霞.高校圖書館自助借還服務(wù)模式探討[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2009，（6）.

[3]何躍兵.探討圖書館機(jī)械自動(dòng)化[J].蘭臺(tái)世界，2014-01-12.

基金項(xiàng)目：2019年江西省文化藝術(shù)科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：YG2018027）。