情景感知系統在智慧圖書館的運用研究論文

　　引言

　　21世紀，隨著網路資訊的高速發展，人類社會面臨著資訊超載、資訊爆炸等嚴峻問題，這使得圖書館的變遷步伐比過去任何一個時代都要迅速。智慧圖書館或智慧圖書館（下文除有特別說明外統一採用智慧圖書館）正是在這樣的人類社會變革和劇烈的資訊環境變遷中從傳統圖書館、數字圖書館等概念和實踐中逐步變化而來的。作為繼數字圖書館之後的新一代圖書館，智慧圖書館綜合了感知智慧化和數字圖書館服務智慧化[1]，為人們提供智慧化的感知、環境、管理和人性服務。而智慧圖書館的智慧化感知、環境、管理和服務需要藉助情景感知技術才能實現。

　　情景感知技術透過感測器和iBeacon基站採集及使用者主動輸入等方式獲取原始情景資訊，並對原始情景資訊進行處理，得出應用可以理解的高層情景資訊，進而提供相關應用。

　　作為極具發展前景的新型資訊處理技術，情景感知技術有很多種，本文把能夠以獨立形式存在的一項情景感知技術稱為單元情景感知技術，包括各種型別的感測器技術、RFID（無線射頻識別）技術，在RFID技術基礎上發展而來的NFC（近場通訊）技術以及蘋果公司近年研發的iBeacon技術都是單元情景感知技術，而各個單元情景感知技術都有各自的發展過程。相應的單元情景感知技術發展到一定程度後，可以按照一定的技術目的和相應的模式[2]組成具備不同功能的情景感知系統。因此，按照發展階段，情景感知應用可以分為單元情景感知技術應用階段（孤立地應用單元情景感知技術，尚未開發應用情景感知系統）、情景感知系統應用初級階段（開發應用具備簡單功能的情景感知系統）和情景感知系統應用高階階段（開發應用功能強大的情景感知系統）。

　　目前，在智慧辦公、旅遊等領域，國內外的研究機構已經成功開發了若干具備一定功能的情景感知系統，情景感知應用已進入了情景感知系統應用初級階段。但是，在圖書館領域，情景感知應用尚處於以RFID技術為關鍵技術[3]的單元情景感知技術應用階段，眾多的其他單元情景感知技術尚未推廣應用到圖書館中，這限制了圖書館向智慧化感知的方向發展，更難以使圖書館提供智慧化的環境、管理和服務。因此，圖書館要實現智慧化的感知、環境、管理和服務，關鍵是開發並應用情景感知系統，透過系統來整合相關單元情景感知技術，發揮整合優勢。然而，尚未開發出成型的針對圖書館的情景感知系統。因此，在借鑑其他領域情景感知系統開發案例的基礎上，本文構建了針對智慧圖書館的情景感知系統框架，並描述了系統在圖書館中應用的場景。

　　1智慧圖書館與情景感知技術的理論關聯

　　1.1情景與情景感知

　　目前關於情景（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：情景是用來描述實體情形的任何資訊，其中實體是指在人與人、人與應用以及應用與應用之間的互動過程中，與這些互動操作相關的任何人物、地點或物體；Dey認為普適計算環境中使用情景的應用，不管是用臺式計算機還是移動裝置，都是情景感知；如果一個系統使用情景來提供相關資訊和/或服務給使用者（相關性取決於使用者的任務），那麼該系統是情景感知系統[4]。

　　1.2智慧圖書館

　　目前關於智慧（智慧）圖書館的定義，學界觀點大致分為幾個類別：

　　（1）智慧圖書館是應用了智慧技術的圖書館建築，“是高新技術（計算機、多媒體、現代通訊、智慧保安、環境監控等）與建築藝術的有機結合。”[5]該觀點又演變為“智慧技術+圖書館建築+數字圖書館”[6]，後來該觀點逐漸傾向於服務與管理，認為“智慧圖書館透過CPS來實現智慧化的服務和管理”[7]。

　　（2）強調智慧圖書館的可被感知性，即“智慧圖書館綜合了感知智慧化和數字圖書館服務智慧化”[1]。

　　（3）認為智慧圖書館的主要構成要素是物聯網和圖書館數字化，將智慧圖書館定義為“智慧圖書館=圖書館+物聯網+雲計算+智慧化裝置，它透過物聯網來實現智慧化的服務和管理”[8]。

　　（4）認為智慧圖書館是智慧化技術和智慧化服務管理的結合體，技術上要體現數字化、網路化和智慧化的特性，服務管理方面則要展現綠色環保和以人為本的理念，且儘可能滿足使用者個性化需求。

　　不難發現，以上四類觀點中對智慧圖書館的闡釋都包含有情景感知技術。無論是強調技術還是側重於服務與管理，亦或是聚焦於可被感知性、移動性等要素，智慧圖書館都必須建立在以RFID技術和各類感測器技術等情景感知技術獲取圖書館的使用者、資源、環境等各方面的情景資訊，並在情景資訊資料探勘的`基礎上形成智慧圖書館智慧化環境、智慧化管理和智慧化服務的基本框架上。

　　2情景感知的應用

　　2.1情景感知的應用實踐

　　情景感知已在許多領域有了應用，包括旅遊、智慧辦公、智慧家居、醫療衛生等領域。計算科學領域也在研究情景感知技術應用，尤其在移動計算、可穿戴計算、普適計算、人機互動等方面[9]。隨著感測器技術、RFID技術等單元情景感知技術的不斷髮展，國內外很多研究機構開展了在智慧辦公、旅遊等領域的情景感知系統專案研究，有的專案已經形成體系並逐漸開始商業應用，典型的專案包括ActiveBadge、ActiveMap、Cyberguide、EasyLiving、SmartClassroom等。可見，在智慧辦公、旅遊等領域，國內外的研究機構已經開發成功了若干具備一定功能的情景感知系統，情景感知應用已進入了情景感知系統應用初級階段。

　　2.2情景感知在圖書館領域的應用前景

　　在圖書館領域，國內外已有許多高校圖書館和公共圖書館應用了RFID圖書管理系統，將RFID技術應用到了自助借還圖書、館藏管理、門禁系統等方面，大幅提高了圖書館的資訊化管理程度，比如國外的新加坡國家圖書館和國內的深圳圖書館新館[10]。但是，RFID技術僅僅是一種單元情景感知技術，眾多其他的單元情景感知技術尚未在圖書館中得到推廣應用。

　　總體來看，在圖書館領域，情景感知應用尚處於以RFID技術為關鍵技術[3]的單元情景感知技術應用階段。由情景感知在智慧辦公、旅遊等領域已進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已經發展到了一定程度，因此，開發針對圖書館領域的情景感知系統所面臨的技術問題已不再難以解決。本文認為，可以開發針對圖書館的情景感知系統，透過情景感知系統整合相關的單元情景感知技術，發揮整合優勢，以促進圖書館向智慧圖書館轉型。

　　結合開發情景感知系統的案例，可以發現，將低層資訊處理與高層應用開發分開，透過引入框架來處理原始情景資訊的採集、推理等以降低系統開發難度是目前通用的做法[11]。因此，構建框架是開發情景感知系統的關鍵。

　　3智慧圖書館情景感知系統的框架構建

　　關於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是基於通訊中介軟體上的系統框架，Aura、ACAI都是基於多代理的框架，ActiveCampus是基於客戶/伺服器架構的框架，CAPNET是支援移動多媒體應用的感知計算框架，SOCAM是面向情景感知服務且包含基於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]。

　　透過借鑑眾多系統框架，本文將智慧圖書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

　　情景獲取層位於系統的最底層，主要功能是透過無線感測器網路（WirelessSensorNetworks，WSNs）技術、RFID（RadioFrequencyIdentification）技術、NFC技術和iBeacon技術等情景感知技術獲取原始的情景資訊，並對情景資訊進行初步處理，然後提供給上一層做處理。

　　WSNs、RFID、NFC與iBeacon是四種各具優勢的互補的情景感知技術，可以在圖書館中組合使用。

　　WSNs包含多種感測器，可以感知、獲取許多型別情景資訊，並可以覆蓋整個圖書館，但是單個節點價格適中且壽命短，標示和識別能力較弱。因此，可以用RFID或NFC標籤代替部分節點以節省成本，與iBeacon基站結合使用以提高獲取使用者情景資訊的力度。

　　RFID可以應用到圖書館很多方面，包括：RFID標籤代替條形碼作為圖書標籤；應用到自助圖書查詢、自助借還圖書、自助掃描、自助列印、自助影印、自助充值與自助繳費等自助業務、門禁系統中；協助館員對圖書快速編目、分揀、盤點、查詢、定位和順架。

　　NFC向下相容RFID，可以看做RFID的演進版本，並且相較於RFID，NFC具有距離近、頻寬高、能耗低、保密性和安全性高等特點。

　　但由於推出時間較短，加上前期的標準之爭，在國內的發展明顯落後於國外，主要應用於移動支付等領域，在國內圖書館界尚未有應用例項。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標籤成功用於圖書館中[12]。因此，對於已應用RFID技術的圖書館，可以引入NFC對RFID系統進行升級改造；尚未應用RFID技術的圖書館，可以根據自身情況，應用RFID或NFC或兩者結合應用。

　　iBeacon基站在獲取使用者情景資訊方面效果優於WSNs，而且續航時間長，可以與WSNs結合使用，共同獲取使用者的位置、軌跡等情景資訊，以保證更好的效果；可以向用戶推送個性化的情景資訊，如借書到期資訊、講座資訊、培訓資訊等；可以實現釐米級的精確室內導航，優於WiFi室內導航效果，從而指引使用者快速找到所需圖書或指引使用者到相應位置。

　　總之，在情景獲取層，結合WSNs、RFID、NFC、iBeacon等情景感知技術，可明顯提高感知、獲取原始情景資訊的效率。情景處理層對原始情景資訊進行初步處理後，按相應的資料格式和要求提交給情景處理層處理。

　　3.2情景處理層

　　情景處理層是整個系統的核心功能層，包括情景資訊處理、情景直譯器、情景管理器三個主要模組[9]：

　　（1）情景資訊處理：該模組的主要功能是把情景獲取層提交的情景資訊轉化成規範的情景資訊，該過程本質上是一種情景建模過程。目前有很多情景感知系統框架採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並不相同，缺乏普適性。對情景建模的研究按時間可以分為早期的鍵值對模型、中期的重點域模型和近期的智慧模型。

　　近期的智慧模型可以歸納為基於物件角色的情景建模、基於模式標識的情景建模、基於空間的情景建模、基於本體的情景建模、面向物件的情景建模、基於邏輯的建模、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。鑑於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於邏輯的建模。基於情景資訊的繁雜性和海量性等特點，情景建模方法要滿足可理解性、時效性與時序性、儲存性與查詢性、關聯性、推理性、可分散式、應用性、維護性這八個要求，基於此，本文對剩下的六種建模方法進行對比分析，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小；在其他六個屬性方面，六種建模方法差異較大。綜合比較，在這八個屬性方面，面向物件的情景建模最為優秀。因此，面向物件的情景建模更適合作為圖書館情景感知系統的建模方法。

　　（2）情景管理器：該模組主要負責對情景資訊和系統的管理，接受使用者自定義的情景資訊規則，並存儲到情景資料庫中。該模組可以整體地設定和管理系統，並直接操作和管理智慧圖書館內的裝置。使用者可以透過手持裝置連線到情景管理器，對系統情景資訊規則進行設定和修改。

　　（3）情景直譯器：該模組包括情景資料庫和情景推理引擎兩個子模組。情景資料庫用來記錄歷史情景資訊和使用者自定義的情景資訊規則，這些規則從情景管理器中讀取並存儲在情景資料庫中。這些規則作為情景推理的依據，供情景推理引擎使用，推理結果會反饋給情景資料庫，作為歷史情景資訊儲存起來。情景推理引擎用來將低層的情景資訊轉化為高層的情景資訊，是情景處理層的核心模組。該模組整合經過情景資訊處理模組處理過的情景資訊，利用使用者自定義的情景資訊規則和歷史情景資訊進行簡單的情景推理。

　　3.3情景應用層

　　情景應用層位於情景感知系統頂層，該層提供人機互動介面，從情景直譯器中獲取高層情景資訊，根據情景推理的結果提供智慧化的環境，為管理者提供智慧化的管理，併為使用者提供智慧化的服務。

　　4情景感知系統對於構建智慧圖書館的價值

　　基於上述的情景感知系統框架，可以開發智慧圖書館情景感知系統。而當開發並應用成熟的情景感知系統，即情景感知應用在圖書館領域處於情景感知系統應用高階階段時，智慧圖書館會產生巨大變化，可以從環境、管理、服務這三個角度來描述。

　　4.1智慧化的環境

　　智慧化的環境包括智慧的照明系統、智慧的溫溼度控制系統、智慧的消防與安保系統等[3]。智慧照明系統透過在館內部署大量的光敏感測器，實時採集各個區域的亮度資訊，根據光線的強弱，可以自動開啟、關閉窗簾，並調節燈光的亮度；智慧溫溼度控制系統透過在館內部署大量的溫溼度感測器，實時採集、監控各區域不同點位的溫度、溼度，並根據人體適宜的溫溼度對空調進行自動調節；智慧消防系統透過在館內部署大量煙霧感測器和影片監控系統，對各區域進行實時監控，可以在第一時間自動開啟噴淋系統滅火，並及時通知管理者和消防部門[14]。情景感知系統使館內各種裝置更加智慧化的執行，從而優化了人力和物質資源的配置，降低了能耗和成本。

　　4.2智慧化的管理

　　智慧化的管理主要包括行政管理、圖書管理、使用者管理。行政管理方面，藉助情景感知系統，館員的工作效率大幅提升，並從許多繁瑣的日常事務中解脫出來，比如開關燈、空調等裝置。圖書管理方面，可以為圖書貼上NFC標籤，以簡化圖書的編目、分揀、盤點、查詢、定位、順架等工作。使用者管理方面，透過使用者的情景資料庫來獲知其歷史記錄，從而分析得出其閱讀偏好，進而提供個性化服務；透過統計分析所有使用者的情景資料庫，以改善館藏結構等。此外，內建NFC晶片的智慧手機或者可穿戴裝置，如智慧眼鏡、智慧手錶、智慧手環等（下文統稱為智慧裝置）已經代替了傳統的借書證，使用者可以透過這些智慧裝置辦理許多自助業務。

　　4.3智慧化的服務

　　藉助情景感知系統，圖書館可以為使用者提供智慧化的服務。按照使用者進入圖書館的流程及主要的需求，常見的情景感知服務包括：

　　（1）註冊服務：當新使用者剛進入圖書館時，情景感知系統會自動標記使用者為未知使用者，並主動與使用者的內建NFC晶片的智慧裝置通訊，由使用者輸入相關認證資訊，從而迅速完成使用者註冊過程。使用者可以透過這些智慧裝置隨時設定聯絡方式等使用者資訊，而這些使用者資訊經過使用者同意後會自動儲存到使用者個人的情景資料庫中。

　　（2）導航服務：使用者進入圖書館時，透過其智慧裝置連入情景感知系統，獲取圖書館的實時立體場景，並可透過語音輸入或文字輸入等方式查詢路線或圖書等，系統會自動提供最優路線和精確位置。

　　（3）定製服務：使用者根據自己的需求、目的、愛好等定製自己所需的資源、服務、專家和使用者介面，並可以選擇手機定製、Email定製等定製方式。

　　（4）推送服務：使用者可自行設定是否獲取推送資訊及推送資訊的時間、地點、型別。

　　（5）參考諮詢服務：在智慧圖書館中，系統可以為使用者提供網路虛擬參考諮詢、QQ、微信、微博等多種形式的參考諮詢服務。例如，使用者在尋找就業類書籍時難以選擇合適書籍，便可以透過網路虛擬參考諮詢服務獲取相關參考內容。

　　5結語

　　情景感知系統在構建智慧圖書館中具有重要作用。雖然情景感知在圖書館領域的應用尚處於以RFID技術為關鍵技術的單元情景感知技術應用階段，尚未開發出成型的針對圖書館的情景感知系統，但隨著感測器技術、RFID技術、NFC技術、iBeacon技術等單元情景感知技術的不斷髮展，以及在智慧辦公、旅遊等領域已經開發出情景感知系統，本文認為，針對圖書館領域的情景感知系統開發所面臨的技術問題已經不再難以解決。為此，本文構建了情景感知系統的框架，並描述了圖書館領域處於情景感知系統應用高階階段時情景感知系統對圖書館的環境、管理和服務產生的巨大變化。針對圖書館的情景感知系統將在不久的將來得到開發並應用，為圖書館的發展注入新的活力，大力推動圖書館步入智慧化的新時代。

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