情景感知系統在智能圖書(shū)館的運用研究論文
引言
21世紀，隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )信息的高速發(fā)展，人類(lèi)社會(huì )面臨著(zhù)信息超載、信息爆炸等嚴峻問(wèn)題，這使得圖書(shū)館的變遷步伐比過(guò)去任何一個(gè)時(shí)代都要迅速。智能圖書(shū)館或智慧圖書(shū)館（下文除有特別說(shuō)明外統一采用智能圖書(shū)館）正是在這樣的人類(lèi)社會(huì )變革和劇烈的信息環(huán)境變遷中從傳統圖書(shū)館、數字圖書(shū)館等概念和實(shí)踐中逐步變化而來(lái)的。作為繼數字圖書(shū)館之后的新一代圖書(shū)館，智能圖書(shū)館綜合了感知智能化和數字圖書(shū)館服務(wù)智能化[1]，為人們提供智能化的感知、環(huán)境、管理和人性服務(wù)。而智能圖書(shū)館的智能化感知、環(huán)境、管理和服務(wù)需要借助情景感知技術(shù)才能實(shí)現。
情景感知技術(shù)通過(guò)傳感器和iBeacon基站采集及用戶(hù)主動(dòng)輸入等方式獲取原始情景信息，并對原始情景信息進(jìn)行處理，得出應用可以理解的高層情景信息，進(jìn)而提供相關(guān)應用。
作為極具發(fā)展前景的新型信息處理技術(shù)，情景感知技術(shù)有很多種，本文把能夠以獨立形式存在的一項情景感知技術(shù)稱(chēng)為單元情景感知技術(shù)，包括各種類(lèi)型的傳感器技術(shù)、RFID（無(wú)線(xiàn)射頻識別）技術(shù)，在RFID技術(shù)基礎上發(fā)展而來(lái)的NFC（近場(chǎng)通信）技術(shù)以及蘋(píng)果公司近年研發(fā)的iBeacon技術(shù)都是單元情景感知技術(shù)，而各個(gè)單元情景感知技術(shù)都有各自的發(fā)展過(guò)程。相應的單元情景感知技術(shù)發(fā)展到一定程度后，可以按照一定的技術(shù)目的和相應的模式[2]組成具備不同功能的情景感知系統。因此，按照發(fā)展階段，情景感知應用可以分為單元情景感知技術(shù)應用階段（孤立地應用單元情景感知技術(shù)，尚未開(kāi)發(fā)應用情景感知系統）、情景感知系統應用初級階段（開(kāi)發(fā)應用具備簡(jiǎn)單功能的情景感知系統）和情景感知系統應用高級階段（開(kāi)發(fā)應用功能強大的情景感知系統）。
目前，在智能辦公、旅游等領(lǐng)域，國內外的研究機構已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)了若干具備一定功能的情景感知系統，情景感知應用已進(jìn)入了情景感知系統應用初級階段。但是，在圖書(shū)館領(lǐng)域，情景感知應用尚處于以RFID技術(shù)為關(guān)鍵技術(shù)[3]的單元情景感知技術(shù)應用階段，眾多的其他單元情景感知技術(shù)尚未推廣應用到圖書(shū)館中，這限制了圖書(shū)館向智能化感知的方向發(fā)展，更難以使圖書(shū)館提供智能化的環(huán)境、管理和服務(wù)。因此，圖書(shū)館要實(shí)現智能化的感知、環(huán)境、管理和服務(wù)，關(guān)鍵是開(kāi)發(fā)并應用情景感知系統，通過(guò)系統來(lái)整合相關(guān)單元情景感知技術(shù)，發(fā)揮集成優(yōu)勢。然而，尚未開(kāi)發(fā)出成型的針對圖書(shū)館的情景感知系統。因此，在借鑒其他領(lǐng)域情景感知系統開(kāi)發(fā)案例的基礎上，本文構建了針對智能圖書(shū)館的情景感知系統框架，并描述了系統在圖書(shū)館中應用的場(chǎng)景。
1智能圖書(shū)館與情景感知技術(shù)的理論關(guān)聯(lián)
1.1情景與情景感知
目前關(guān)于情景（context）、情景感知（context—awareness）的定義較多。國內通常也使用情境或上下文一詞。因此，情景感知也稱(chēng)作情境感知，上下文感知。目前廣泛使用的是Dey對情景和情景感知的定義：情景是用來(lái)描述實(shí)體情形的任何信息，其中實(shí)體是指在人與人、人與應用以及應用與應用之間的交互過(guò)程中，與這些交互操作相關(guān)的任何人物、地點(diǎn)或物體；Dey認為普適計算環(huán)境中使用情景的應用，不管是用臺式計算機還是移動(dòng)設備，都是情景感知；如果一個(gè)系統使用情景來(lái)提供相關(guān)信息和/或服務(wù)給用戶(hù)（相關(guān)性取決于用戶(hù)的任務(wù)），那么該系統是情景感知系統[4]。
1.2智能圖書(shū)館
目前關(guān)于智能（智慧）圖書(shū)館的定義，學(xué)界觀(guān)點(diǎn)大致分為幾個(gè)類(lèi)別：
�。�1）智能圖書(shū)館是應用了智能技術(shù)的圖書(shū)館建筑，“是高新技術(shù)（計算機、多媒體、現代通訊、智能保安、環(huán)境監控等）與建筑藝術(shù)的有機結合�！盵5]該觀(guān)點(diǎn)又演變?yōu)椤爸悄芗夹g(shù)+圖書(shū)館建筑+數字圖書(shū)館”[6]，后來(lái)該觀(guān)點(diǎn)逐漸傾向于服務(wù)與管理，認為“智能圖書(shū)館通過(guò)CPS來(lái)實(shí)現智能化的服務(wù)和管理”[7]。
�。�2）強調智慧圖書(shū)館的可被感知性，即“智慧圖書(shū)館綜合了感知智慧化和數字圖書(shū)館服務(wù)智慧化”[1]。
�。�3）認為智慧圖書(shū)館的主要構成要素是物聯(lián)網(wǎng)和圖書(shū)館數字化，將智慧圖書(shū)館定義為“智慧圖書(shū)館=圖書(shū)館+物聯(lián)網(wǎng)+云計算+智慧化設備，它通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)來(lái)實(shí)現智慧化的服務(wù)和管理”[8]。
�。�4）認為智慧圖書(shū)館是智能化技術(shù)和智能化服務(wù)管理的結合體，技術(shù)上要體現數字化、網(wǎng)絡(luò )化和智能化的特性，服務(wù)管理方面則要展現綠色環(huán)保和以人為本的理念，且盡可能滿(mǎn)足用戶(hù)個(gè)性化需求。
不難發(fā)現，以上四類(lèi)觀(guān)點(diǎn)中對智能圖書(shū)館的闡釋都包含有情景感知技術(shù)。無(wú)論是強調技術(shù)還是側重于服務(wù)與管理，亦或是聚焦于可被感知性、移動(dòng)性等要素，智能圖書(shū)館都必須建立在以RFID技術(shù)和各類(lèi)傳感器技術(shù)等情景感知技術(shù)獲取圖書(shū)館的用戶(hù)、資源、環(huán)境等各方面的情景信息，并在情景信息數據挖掘的`基礎上形成智能圖書(shū)館智能化環(huán)境、智能化管理和智能化服務(wù)的基本框架上。
2情景感知的應用
2.1情景感知的應用實(shí)踐
情景感知已在許多領(lǐng)域有了應用，包括旅游、智能辦公、智能家居、醫療衛生等領(lǐng)域。計算科學(xué)領(lǐng)域也在研究情景感知技術(shù)應用，尤其在移動(dòng)計算、可穿戴計算、普適計算、人機交互等方面[9]。隨著(zhù)傳感器技術(shù)、RFID技術(shù)等單元情景感知技術(shù)的不斷發(fā)展，國內外很多研究機構開(kāi)展了在智能辦公、旅游等領(lǐng)域的情景感知系統項目研究，有的項目已經(jīng)形成體系并逐漸開(kāi)始商業(yè)應用，典型的項目包括ActiveBadge、ActiveMap、Cyberguide、EasyLiving、SmartClassroom等�？梢�(jiàn)，在智能辦公、旅游等領(lǐng)域，國內外的研究機構已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功了若干具備一定功能的情景感知系統，情景感知應用已進(jìn)入了情景感知系統應用初級階段。
2.2情景感知在圖書(shū)館領(lǐng)域的應用前景
在圖書(shū)館領(lǐng)域，國內外已有許多高校圖書(shū)館和公共圖書(shū)館應用了RFID圖書(shū)管理系統，將RFID技術(shù)應用到了自助借還圖書(shū)、館藏管理、門(mén)禁系統等方面，大幅提高了圖書(shū)館的信息化管理程度，比如國外的新加坡國家圖書(shū)館和國內的深圳圖書(shū)館新館[10]。但是，RFID技術(shù)僅僅是一種單元情景感知技術(shù)，眾多其他的單元情景感知技術(shù)尚未在圖書(shū)館中得到推廣應用。
總體來(lái)看，在圖書(shū)館領(lǐng)域，情景感知應用尚處于以RFID技術(shù)為關(guān)鍵技術(shù)[3]的單元情景感知技術(shù)應用階段。由情景感知在智能辦公、旅游等領(lǐng)域已進(jìn)入情景感知系統應用初級階段可知，許多單元情景感知技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了一定程度，因此，開(kāi)發(fā)針對圖書(shū)館領(lǐng)域的情景感知系統所面臨的技術(shù)問(wèn)題已不再難以解決。本文認為，可以開(kāi)發(fā)針對圖書(shū)館的情景感知系統，通過(guò)情景感知系統整合相關(guān)的單元情景感知技術(shù)，發(fā)揮集成優(yōu)勢，以促進(jìn)圖書(shū)館向智能圖書(shū)館轉型。
結合開(kāi)發(fā)情景感知系統的案例，可以發(fā)現，將低層信息處理與高層應用開(kāi)發(fā)分開(kāi)，通過(guò)引入框架來(lái)處理原始情景信息的采集、推理等以降低系統開(kāi)發(fā)難度是目前通用的做法[11]。因此，構建框架是開(kāi)發(fā)情景感知系統的關(guān)鍵。
3智能圖書(shū)館情景感知系統的框架構建
關(guān)于情景感知系統框架的研究很多，目前已有大量的情景感知系統框架，如Gaia是基于通信中間件上的系統框架，Aura、ACAI都是基于多代理的框架，ActiveCampus是基于客戶(hù)/服務(wù)器架構的框架，CAPNET是支持移動(dòng)多媒體應用的感知計算框架，SOCAM是面向情景感知服務(wù)且包含基于本體的情景模型的系統框架，CASA是具有安全保證的情景感知系統框架[11]。
通過(guò)借鑒眾多系統框架，本文將智能圖書(shū)館情景感知系統框架分為三層，分別是情景獲取層，情景處理層，情景應用層，框架如圖1所示。
3.1情景獲取層
情景獲取層位于系統的最底層，主要功能是通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（WirelessSensorNetworks，WSNs）技術(shù)、RFID（RadioFrequencyIdentification）技術(shù)、NFC技術(shù)和iBeacon技術(shù)等情景感知技術(shù)獲取原始的情景信息，并對情景信息進(jìn)行初步處理，然后提供給上一層做處理。
WSNs、RFID、NFC與iBeacon是四種各具優(yōu)勢的互補的情景感知技術(shù)，可以在圖書(shū)館中組合使用。
WSNs包含多種傳感器，可以感知、獲取許多類(lèi)型情景信息，并可以覆蓋整個(gè)圖書(shū)館，但是單個(gè)節點(diǎn)價(jià)格適中且壽命短，標示和識別能力較弱。因此，可以用RFID或NFC標簽代替部分節點(diǎn)以節省成本，與iBeacon基站結合使用以提高獲取用戶(hù)情景信息的力度。
RFID可以應用到圖書(shū)館很多方面，包括：RFID標簽代替條形碼作為圖書(shū)標簽；應用到自助圖書(shū)查詢(xún)、自助借還圖書(shū)、自助掃描、自助打印、自助復印、自助充值與自助繳費等自助業(yè)務(wù)、門(mén)禁系統中；協(xié)助館員對圖書(shū)快速編目、分揀、盤(pán)點(diǎn)、查找、定位和順架。
NFC向下兼容RFID，可以看做RFID的演進(jìn)版本，并且相較于RFID，NFC具有距離近、帶寬高、能耗低、保密性和安全性高等特點(diǎn)。
但由于推出時(shí)間較短，加上前期的標準之爭，在國內的發(fā)展明顯落后于國外，主要應用于移動(dòng)支付等領(lǐng)域，在國內圖書(shū)館界尚未有應用實(shí)例。但在國外已有應用，奧地利城市克拉福根和日本飯能市已將NFC標簽成功用于圖書(shū)館中[12]。因此，對于已應用RFID技術(shù)的圖書(shū)館，可以引入NFC對RFID系統進(jìn)行升級改造；尚未應用RFID技術(shù)的圖書(shū)館，可以根據自身情況，應用RFID或NFC或兩者結合應用。
iBeacon基站在獲取用戶(hù)情景信息方面效果優(yōu)于WSNs，而且續航時(shí)間長(cháng)，可以與WSNs結合使用，共同獲取用戶(hù)的位置、軌跡等情景信息，以保證更好的效果；可以向用戶(hù)推送個(gè)性化的情景信息，如借書(shū)到期信息、講座信息、培訓信息等；可以實(shí)現厘米級的精確室內導航，優(yōu)于WiFi室內導航效果，從而指引用戶(hù)快速找到所需圖書(shū)或指引用戶(hù)到相應位置。
總之，在情景獲取層，結合WSNs、RFID、NFC、iBeacon等情景感知技術(shù)，可明顯提高感知、獲取原始情景信息的效率。情景處理層對原始情景信息進(jìn)行初步處理后，按相應的數據格式和要求提交給情景處理層處理。
3.2情景處理層
情景處理層是整個(gè)系統的核心功能層，包括情景信息處理、情景解釋器、情景管理器三個(gè)主要模塊[9]：
�。�1）情景信息處理：該模塊的主要功能是把情景獲取層提交的情景信息轉化成規范的情景信息，該過(guò)程本質(zhì)上是一種情景建模過(guò)程。目前有很多情景感知系統框架采用了各種情景建模方法，但是大部分情景建模方法適應的情形并不相同，缺乏普適性。對情景建模的研究按時(shí)間可以分為早期的鍵值對模型、中期的重點(diǎn)域模型和近期的智能模型。
近期的智能模型可以歸納為基于對象角色的情景建模、基于模式標識的情景建模、基于空間的情景建模、基于本體的情景建模、面向對象的情景建模、基于邏輯的建模、高層次的情景抽象建模、不確定性的情景建模這八種建模方法。鑒于要篩選針對情景處理層的建模方法，所以首先排除針對高層模型的高層次情景抽象建模和更適合高層模型的基于邏輯的建模�；谇榫靶畔⒌姆彪s性和海量性等特點(diǎn)，情景建模方法要滿(mǎn)足可理解性、時(shí)效性與時(shí)序性、存儲性與查詢(xún)性、關(guān)聯(lián)性、推理性、可分布式、應用性、維護性這八個(gè)要求，基于此，本文對剩下的六種建模方法進(jìn)行對比分析，結果如表1所示（“+”代表該屬性較好，“—”代表該屬性較差）[13]。由表1可知，在可理解性和應用性方面，六種建模方法差異較��；在其他六個(gè)屬性方面，六種建模方法差異較大。綜合比較，在這八個(gè)屬性方面，面向對象的情景建模最為優(yōu)秀。因此，面向對象的情景建模更適合作為圖書(shū)館情景感知系統的建模方法。
�。�2）情景管理器：該模塊主要負責對情景信息和系統的管理，接受用戶(hù)自定義的情景信息規則，并存儲到情景數據庫中。該模塊可以整體地設置和管理系統，并直接操作和管理智能圖書(shū)館內的設備。用戶(hù)可以通過(guò)手持設備連接到情景管理器，對系統情景信息規則進(jìn)行設置和修改。
�。�3）情景解釋器：該模塊包括情景數據庫和情景推理引擎兩個(gè)子模塊。情景數據庫用來(lái)記錄歷史情景信息和用戶(hù)自定義的情景信息規則，這些規則從情景管理器中讀取并存儲在情景數據庫中。這些規則作為情景推理的依據，供情景推理引擎使用，推理結果會(huì )反饋給情景數據庫，作為歷史情景信息存儲起來(lái)。情景推理引擎用來(lái)將低層的情景信息轉化為高層的情景信息，是情景處理層的核心模塊。該模塊整合經(jīng)過(guò)情景信息處理模塊處理過(guò)的情景信息，利用用戶(hù)自定義的情景信息規則和歷史情景信息進(jìn)行簡(jiǎn)單的情景推理。
3.3情景應用層
情景應用層位于情景感知系統頂層，該層提供人機交互接口，從情景解釋器中獲取高層情景信息，根據情景推理的結果提供智能化的環(huán)境，為管理者提供智能化的管理，并為用戶(hù)提供智能化的服務(wù)。
4情景感知系統對于構建智能圖書(shū)館的價(jià)值
基于上述的情景感知系統框架，可以開(kāi)發(fā)智能圖書(shū)館情景感知系統。而當開(kāi)發(fā)并應用成熟的情景感知系統，即情景感知應用在圖書(shū)館領(lǐng)域處于情景感知系統應用高級階段時(shí)，智能圖書(shū)館會(huì )產(chǎn)生巨大變化，可以從環(huán)境、管理、服務(wù)這三個(gè)角度來(lái)描述。
4.1智能化的環(huán)境
智能化的環(huán)境包括智能的照明系統、智能的溫濕度控制系統、智能的消防與安保系統等[3]。智能照明系統通過(guò)在館內部署大量的光敏傳感器，實(shí)時(shí)采集各個(gè)區域的亮度信息，根據光線(xiàn)的強弱，可以自動(dòng)打開(kāi)、關(guān)閉窗簾，并調節燈光的亮度；智能溫濕度控制系統通過(guò)在館內部署大量的溫濕度傳感器，實(shí)時(shí)采集、監控各區域不同點(diǎn)位的溫度、濕度，并根據人體適宜的溫濕度對空調進(jìn)行自動(dòng)調節；智能消防系統通過(guò)在館內部署大量煙霧傳感器和視頻監控系統，對各區域進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，可以在第一時(shí)間自動(dòng)開(kāi)啟噴淋系統滅火，并及時(shí)通知管理者和消防部門(mén)[14]。情景感知系統使館內各種設備更加智能化的運行，從而優(yōu)化了人力和物質(zhì)資源的配置，降低了能耗和成本。
4.2智能化的管理
智能化的管理主要包括行政管理、圖書(shū)管理、用戶(hù)管理。行政管理方面，借助情景感知系統，館員的工作效率大幅提升，并從許多繁瑣的日常事務(wù)中解脫出來(lái)，比如開(kāi)關(guān)燈、空調等設備。圖書(shū)管理方面，可以為圖書(shū)貼上NFC標簽，以簡(jiǎn)化圖書(shū)的編目、分揀、盤(pán)點(diǎn)、查找、定位、順架等工作。用戶(hù)管理方面，通過(guò)用戶(hù)的情景數據庫來(lái)獲知其歷史記錄，從而分析得出其閱讀偏好，進(jìn)而提供個(gè)性化服務(wù)；通過(guò)統計分析所有用戶(hù)的情景數據庫，以改善館藏結構等。此外，內置NFC芯片的智能手機或者可穿戴設備，如智能眼鏡、智能手表、智能手環(huán)等（下文統稱(chēng)為智能設備）已經(jīng)代替了傳統的借書(shū)證，用戶(hù)可以通過(guò)這些智能設備辦理許多自助業(yè)務(wù)。
4.3智能化的服務(wù)
借助情景感知系統，圖書(shū)館可以為用戶(hù)提供智能化的服務(wù)。按照用戶(hù)進(jìn)入圖書(shū)館的流程及主要的需求，常見(jiàn)的情景感知服務(wù)包括：
�。�1）注冊服務(wù)：當新用戶(hù)剛進(jìn)入圖書(shū)館時(shí)，情景感知系統會(huì )自動(dòng)標記用戶(hù)為未知用戶(hù)，并主動(dòng)與用戶(hù)的內置NFC芯片的智能設備通信，由用戶(hù)輸入相關(guān)認證信息，從而迅速完成用戶(hù)注冊過(guò)程。用戶(hù)可以通過(guò)這些智能設備隨時(shí)設置聯(lián)系方式等用戶(hù)信息，而這些用戶(hù)信息經(jīng)過(guò)用戶(hù)同意后會(huì )自動(dòng)存儲到用戶(hù)個(gè)人的情景數據庫中。
�。�2）導航服務(wù)：用戶(hù)進(jìn)入圖書(shū)館時(shí)，通過(guò)其智能設備連入情景感知系統，獲取圖書(shū)館的實(shí)時(shí)立體場(chǎng)景，并可通過(guò)語(yǔ)音輸入或文字輸入等方式查找路線(xiàn)或圖書(shū)等，系統會(huì )自動(dòng)提供最優(yōu)路線(xiàn)和精確位置。
�。�3）定制服務(wù)：用戶(hù)根據自己的需求、目的、愛(ài)好等定制自己所需的資源、服務(wù)、專(zhuān)家和用戶(hù)界面，并可以選擇手機定制、Email定制等定制方式。
�。�4）推送服務(wù)：用戶(hù)可自行設置是否獲取推送信息及推送信息的時(shí)間、地點(diǎn)、類(lèi)型。
�。�5）參考咨詢(xún)服務(wù)：在智能圖書(shū)館中，系統可以為用戶(hù)提供網(wǎng)絡(luò )虛擬參考咨詢(xún)、QQ、微信、微博等多種形式的參考咨詢(xún)服務(wù)。例如，用戶(hù)在尋找就業(yè)類(lèi)書(shū)籍時(shí)難以選擇合適書(shū)籍，便可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )虛擬參考咨詢(xún)服務(wù)獲取相關(guān)參考內容。
5結語(yǔ)
情景感知系統在構建智能圖書(shū)館中具有重要作用。雖然情景感知在圖書(shū)館領(lǐng)域的應用尚處于以RFID技術(shù)為關(guān)鍵技術(shù)的單元情景感知技術(shù)應用階段，尚未開(kāi)發(fā)出成型的針對圖書(shū)館的情景感知系統，但隨著(zhù)傳感器技術(shù)、RFID技術(shù)、NFC技術(shù)、iBeacon技術(shù)等單元情景感知技術(shù)的不斷發(fā)展，以及在智能辦公、旅游等領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)發(fā)出情景感知系統，本文認為，針對圖書(shū)館領(lǐng)域的情景感知系統開(kāi)發(fā)所面臨的技術(shù)問(wèn)題已經(jīng)不再難以解決。為此，本文構建了情景感知系統的框架，并描述了圖書(shū)館領(lǐng)域處于情景感知系統應用高級階段時(shí)情景感知系統對圖書(shū)館的環(huán)境、管理和服務(wù)產(chǎn)生的巨大變化。針對圖書(shū)館的情景感知系統將在不久的將來(lái)得到開(kāi)發(fā)并應用，為圖書(shū)館的發(fā)展注入新的活力，大力推動(dòng)圖書(shū)館步入智能化的新時(shí)代。
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