图书盘点机器人中图书精确定位技术研究

董殿永

摘要：文章梳理了国内外图书馆盘点机器人的应用研究现状以及图书盘点方式，重点分析了图书盘点机器人的图书精确定位技术，包括基于RFID的图书精确定位技术和基于书脊图像识别的图书精确定位技术。智能图书盘点机器人可以有效减轻图书馆员的工作量，大大减少读者找书时间。图书盘点机器人在图书馆的应用将会提升图书馆的创新服务能力，提高图书馆智能化水平，有助于推进智慧图书馆的建设进程。

關键词：图书馆；机器人；图书盘点；射频识别；图像识别

中图分类号：TP18  文献标志码： Ａ

0 引言

随着物联网、云计算、大数据和人工智能等技术的发展，智慧图书馆将成为图书馆发展的新形态。智慧图书馆的服务愿景之一是服务手段智能化，以机器人为核心的图书馆智能服务是智慧图书馆的重要特征。图书馆机器人的应用范围非常广泛，不断地推动图书馆的创新和升级，为读者提供更加智能、高效、便捷的服务。

国家文化和旅游部2017年发布了《关于推动数字文化产业创新发展的指导意见》，提出在图书馆等文化产业领域推广智能机器人等相关技术，丰富智慧图书馆的创新服务模式［1］。国家发改委、教育部等7部委2019年联合推出《关于促进互联网+社会服务发展的意见》，鼓励服务机器人、智能终端等新技术在教育文化领域的创新应用。

当今社会，机器人技术正快速发展，已被广泛应用于各种场合，包括工业、医疗、教育、娱乐等领域。在图书馆领域，机器人技术也被广泛应用，特别是智慧图书馆中的图书盘点机器人将成为不可或缺的一部分［2］。

为实现图书盘点机器人的高效工作，需要整合利用多种技术，如图书精确定位、机器人精确定位、机器人路径规划、机械手设计、人工智能、自然语言处理等。其中，图书精确定位技术可以实现对图书馆中每一本图书的精确定位，为图书盘点机器人提供基础数据；机器人精确定位技术则可以准确识别机器人当前位置，为路径规划提供必要信息；机器人路径规划技术可以使机器人在图书馆中高效地行进，避免与人和其他机器人的碰撞；机械手设计技术可以实现机器人对图书的抓取和放置；人工智能和自然语言处理技术则可以实现机器人与用户的交互，如图书查询、参考咨询等。

图书馆机器人可以应用于多种场合，智能仓储机器人可以实现图书的分类和储存，图书盘点机器人可以实现对图书馆中的图书进行盘点，AGV搬运机器人可以实现图书的搬运和配送，图书拾取机器人可以实现图书的检索和拾取，参考咨询机器人可以为读者提供参考咨询服务，智能导引机器人可以为读者提供馆内导航服务，残障辅助机器人可以为残障读者提供帮助，虚拟社交机器人可以实现与读者的虚拟交互。

CNKI学术期刊论文库中，以“图书馆机器人”为搜索词，获取近10年来图书馆机器人相关论文篇数数据，如图1所示。近10年图书馆机器人相关研究热度增长速度很快。论文发表单位中排名前3的为：南京大学、华中科技大学和武汉大学，其中南京大学论文发表数量是武汉大学的2倍多。

1 图书馆机器人国内外研究现状

2002年，美国犹他州J.Willard Marriott图书馆建设自动化图书存取中心（Automated Retrieval Center），该图书馆200万册图书被存放在立体仓库中，通过机器人和码垛机完成图书的自动存取［3］。目前，国外已有几十家图书馆引入自动化图书存取仓库系统。日本大阪市立大学图书馆应用电磁导引AGV机器人，实现图书的搬运、归还、放置等工作［4］。澳大利亚公共图书馆引入可编程人型机器人NAO和Pepper，为读者提供引导和问答服务，该机器人由软银旗下阿尔德巴兰机器人公司研发。2018年，新加坡国家图书馆联合研发了一款AuRoSS图书盘点机器人，利用激光和超声波导引机器人，通过扫描图书上的RFID标签来报告错架的书籍，盘点准确率达99%，已在新加坡多个图书馆中应用。

美国圣荷西市图书馆开发的一款图书盘点机器人BookBot，可以在不影响图书馆正常运营的情况下进行图书盘点，大大提高了盘点的效率和准确性。BookBot在盘点时可同时拍摄每本书的封面，以帮助图书馆员更快地核实盘点结果。美国国家标准局（NIST）研发的“RFID-Enabled Autonomous Robot”可以自主地检索和盘点图书，准确率高达99.9%。美国圣母大学图书馆采用基于机器人和RFID的盘点方法，实现了图书馆的自动化管理，提高了盘点效率和准确性。德国一家科技公司开发了一款图书盘点机器人，通过读取书籍上的RFID标签进行图书盘点，并可以自动识别和定位需要盘点的书籍，盘点速度和准确度非常高。日本的一些图书馆采用了一款名为“Torobako”的图书盘点机器人，可以自动移动到书架，并通过扫描书籍的条形码进行盘点。与其他机器人不同，Torobako可以通过对书架的空间布局进行分析，以确定书籍的具体位置，进一步提高盘点效率。英国公司开发的一款图书盘点机器人“ShelfieBot”，可以自动巡视图书馆，通过摄像头和激光雷达来确定书籍的位置，并且可以读取书籍的条形码和RFID标签来进行盘点。“ShelfieBot”可以将图书馆内的书籍进行分类，并通过识别书籍封面上的图案和文字来进行分组，从而帮助图书馆员更好地组织和管理图书。加拿大多伦多大学研发的“LISSA”机器人可以通过机器学习技术自主学习和适应新环境，提高盘点精度和效率。

南京大学图书馆联合计算机学院自主研发了基于RFID的图书盘点机器人“图客”，如图2所示，能够自主寻书、高效盘点、自主充电，其图书定位精度高达98%，图书盘点效率高达2万册/h［5］。武汉大学图书馆引进了RFID图书盘点机器人“图客”，并认证了机器人盘点效率、盘点的准确性，可大幅度减少读者找书的时间。北方工业大学和南京师范大学研究图书自动存取机器人相关技术，通过视觉识别图书索书号进行图书定位，并利用机械手抓取图书实现图书上下架。2017年，宁波大学引进了图书馆机器人“旺宝”，可为读者提供日常咨询、借还书指引、扫码找书、读者引路、与读者会话交流等服务。2018年，广州智媒云图公司推出了“图书馆书童”图书盘点机器人，基于书脊图像识别技术，每小时可以盘点2.5万册图书。2019年，深圳宝安区图书馆建成AGV图书自动分拣系统，系统包括28台AGV分拣机器人、4台AGV搬运机器人。另外，我国苏州市第二图书馆建立了智能立体书库，包含自动化存取系统、流通分拣系统等［6］。天津滨海图书馆、贵州省图书馆、广州南沙图书馆相继运用AGV自动分拣技术服务于读者。南开大学图书馆采用基于机器人和RFID的盘点系统，将盘点时间缩短了80%以上，同时提高了图书盘点准确率［7］。

2 传统图书盘点方法

图书盘点技术的发展和图书馆馆藏技术的发展息息相关，传统的图书盘点方法主要如下。

2.1 卡片目录图书盘点方法

卡片目录图书盘点方法是一种基于卡片目录的图书盘点方法，主要应用于小规模的图书馆和书店。该方法通过给每本书绑定一个唯一的编号，并将编号与书名、作者、出版社等信息记录在卡片目录上，然后通过手工或者半自动的方式逐一扫描每本书上的编号，与卡片目录中的信息进行比对，从而实现图书盘点［8］。该方法的优点是实现简单，成本较低，适用于规模较小的图书馆和书店。缺点是需要手工记录每本书的编号，工作效率低，易出错［9］。

2.2 条形码图书盘点方法

条形码图书盘点方法在图书盘点中被广泛应用。条形码图书盘点方法利用图书上的条形码进行自动识别和记录，比手工盘点省时省力，减少了人为误差［10］。

激光扫描器扫描图书的条形码，将信息传输至中央处理器，中央处理器将扫描到的条形码信息与书目数据库进行比对，确认每本图书的在库状态，并形成一份盘点报表［11］。

条形码图书盘点与手工盘点相比，条形码盘点方法能够实现自动化盘点，减少人工干预，提高盘点效率。利用条形码自动识别，避免了人工盘点的疏漏和错误，能够更加准确地记录图书信息。然而，由于条形码通常被粘贴在图书内部，需要手工翻开图书进行扫描盘点，导致图书馆很少对馆藏图书进行盘点。因此，有不少图书馆选择付费外包的方式进行图书盘点［12］。

2.3 RFID图书盘点方法

RFID（Radio Frequency Identification）技术是一种无线通信技术，通过电磁波实现物品的远距离自动识别和数据传输。RFID技术已经被广泛应用于各种场景，包括图书馆。与卡片目录和条形码技术相比，RFID技术可以更快速、更准确地对图书进行盘点，同时也更方便图书馆员的操作。使用RFID技术进行图书盘点时，图书馆需要在每本书中嵌入一个RFID芯片。当盘点机器人靠近图书时，RFID读写器会读取书中RFID芯片上存储的信息，并将信息传输到书目数据库中进行比对。通过这种方式，图书馆员可以准确地知道哪些图书存在盘点差错。

RFID图书盘点的优点在于其速度和准确性，但缺点是需要在每本书中嵌入一个RFID芯片，增加了成本，同时需要馆员的深度参与，不太可能实现常态化的图书盘点。此外，RFID技术需要使用专门的设备进行读取，这也需要一定软硬件成本的投资。不过，随着技术的发展，RFID设备的成本逐渐降低，越来越多的图书馆开始采用RFID技术进行图书盘点。总之，RFID技术作为一种高效、准确的图书盘点方法，正在逐渐被广泛采用，成为图书馆自动化管理的重要组成部分。

2.4 基于机器人和RFID的图书盘点方法

基于机器人和RFID技术的图书盘点方法是当前图书馆智慧化建设的热点研究方向之一。该方法通过将RFID标签粘贴于图书上，利用机器人搭载RFID读写器进行图书盘点，实现图书盘点的自动化和高效化。

机器人和RFID相结合的图书盘点方法具有诸多优点。相比于传统的条形码图书盘点方式，该方法无需手动翻开图书进行扫描盘点，不仅能够提高盘点效率，还能够减少馆藏图书的磨损。由于机器人可以在不间断工作的情况下，对整个馆藏进行定期盘点，保证了图书馆整个馆藏的安全性和完整性。此外，机器人能够精确定位图书，让读者快速找到需要借阅的书籍。

随着智慧图书馆建设的不断推进，机器人和RFID技术在图书馆盘点中的应用前景十分广阔。未来的研究方向还包括机器人与其他智能设备的联动，提高整个图书馆盘点和管理的智能化水平，为读者提供更加优质的图书借阅服务。机器人代替图书馆员进行图书盘点将成为智慧图书馆的重要创新服务模式。馆藏图书常态化盘点、整理、顺架、定位将成为图书馆基础性的工作［13］。精确的图书定位不仅可以让读者快速地找到所需的图书，同时也可以大幅减少图书馆员整架、排架的工作量。

3 图书精确定位技术

3.1 基于RFID的图书精确定位技术

RFID技术为图书精确定位提供了必要的硬件基础，通过在图书内部和书架粘贴RFID标签，实现图书与书架绑定。国内已有多家图书馆应用RFID技术实现图书借还，包括南京大学图书馆、苏州大学图书馆、武汉大学图书馆、南通大学杏林学院图书馆等。

智能图书盘点机器人通过RFID阅读器逐层扫描书架上的图书，获取RFID标签的EPC号、RSSI值、时间戳T、信号相位角θ。对获取的数据建立训练模型，根据模型对图书进行精确排序，并更新数据库中图书的位置信息，生成盘点相关数据报表。应用机器人进行常态化图书盘点的情况下，书架上图书可不需严格排序，每本图书只需与书架格子绑定，读者通过图书查询系统提供三维可视化引导服务，能直观地定位图书的精确位置，减少找书的时间。

3.2 基于二维码的图书精确定位技术

随着图像识别技术的进步，基于二维码的图书精确定位技术被应用于图书定位。该方法在书架和书脊上粘贴二维码标签，层架二维码与图书二维码绑定，使用图像识别传感器，对二维码进行识别，实现图书的精确定位。另外，基于深度学习的图像多目标跟踪技术，可快速实现图书的精确定位。

基于二维码的图书精确定位，較RFID技术成本低，定位速度快。对于比较薄的图书，书脊上不好粘贴二维码，无法进行图像识别定位。

3.3 基于书脊图像识别的图书精确定位技术

基于书脊图像识别的图书精确定位技术是一种新型的图书定位技术，采用计算机视觉和图像识别技术，通过对书脊图像的处理和比对，实现图书位置的快速、准确定位。这种技术主要分为两个步骤：（1）通过图像采集设备对图书进行拍照；（2）使用图像处理和机器学习等算法对图像进行处理和识别，最终实现对图书位置的快速定位。

基于机器视觉的书脊图像识别方法主要有3种。（1）切割书脊图像，定位书脊中的索书号部分，对索书号区域中的字符进行分割，识别索书号，获得图书相关信息。（2）切割书脊图像，定位书脊中文字部分，通过OCR识别书脊文字，结合图书管理数据库，通过模糊匹配方法得出书名信息。（3）建立书脊图像数据库，采用机器学习算法对数据库中的图像进行训练学习，获得书脊特征点集；切割书脊图像，对图像进行特征点检测，获得特征点集；通过特征点集匹配的方式获得检测图书的相关信息。书脊图书识别流程如图3所示。

上述3种方法均需要进行书脊图像切割，书脊图像切割是书脊图像识别的难点，识别的准确性直接关系到整个书脊图像识别的成功率。书脊图像切割步骤：（1）检测书脊图像中的长线段；（2）找出其中的平行线段组作为矩形选定区域的一组平行长边；（3）固定一组平行长边，使用算法确定矩形区域的另外两条短边。

该技术相较于其他图书定位技术，具有精确定位、无需触摸书本、自动化程度高等优点，可以大幅提高图书定位的效率和准确性。

4 结语

文章围绕图书馆盘点机器人技术展开研究，包括国内外图书馆机器人研究现状、图书盘点方法、图书精确定位技术。目前主流的图书精确定位技术，采用RFID技术和相关算法完成，定位准确率高，但费用昂贵。未来基于书脊图像识别，结合书脊图像数据库和深度学习算法，将成为图书精确定位的主要研究方向和应用模式。

目前已有很多研究关注图书盘点机器人中的图书精确定位技术，其中以条形码识别技术和RFID技术的应用较为成熟。针对视觉识别技术的研究，虽然在图书馆场景中应用前景广阔，但目前仍存在一些技术挑战和难点，例如对光线和阴影等环境因素的适应能力、图书重叠、变形等问题的解决。

随着人工智能技术和机器学习算法的不断发展，研究人员开始尝试将这些技术应用于图书盘点机器人的图书精确定位技术中，取得了一些令人鼓舞的成果，例如基于深度學习的视觉识别技术等。笔者建议在图书盘点机器人的图书精确定位技术方面的研究中，继续深化和优化条形码识别技术和RFID技术的应用，提高其识别准确率和工作效率；针对视觉识别技术的应用，加强对光线和阴影等环境因素的适应能力，解决图书重叠和变形等问题，提高识别精度和可靠性；进一步探索机器学习算法和人工智能技术在图书盘点机器人的图书精确定位技术方面的应用，开发更加智能化和高效的图书管理系统；同时，也应考虑数据安全和隐私保护等问题，确保图书管理系统的可靠性和安全性。

建设智慧图书馆的背景下，图书馆应用机器人技术完成创新服务将成为必然趋势。研究表明，图书馆应用图书智能盘点机器人，能有效减轻图书馆员的工作量、大大减少读者寻找图书的时间，同时可提供图书精确定位与可视化服务、机器人引导读者寻书等创新服务。机器人在图书馆的应用，将会进一步提升图书馆的创新服务能力，提升图书馆智能化水平，有助于推进智慧图书馆的建设进程。

参考文献

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（编辑 沈 强）

Research on book precise positioning technology in book inventory robot

Dong  Dianyong

（Nantong University， Nantong 226019， China）

Abstract：  This paper sorts out the application research status of library inventory robots at home and abroad， as well as book inventory methods， and focuses on the analysis of book inventory robot precise positioning technology， including RFID-based book precise positioning technology and book spine image recognition-based book precise positioning technology. Positioning Technology. The intelligent book inventory robot can effectively reduce the workload of librarians and greatly reduce the time for readers to find books. The application of book inventory robots in libraries will enhance the innovative service capabilities of libraries， improve the level of intelligence in libraries， and help promote the construction of smart libraries.

Key words： library; robot; book inventory; radio frequency identification; image recognition