情景感知系統在智能圖書館的運用研究論文
引言
21世紀，隨著網絡信息的高速發展，人類社會面臨著信息超載、信息爆炸等嚴峻問題，這使得圖書館的變遷步伐比過去任何一個時代都要迅速。智能圖書館或智慧圖書館（下文除有特別說明外統一采用智能圖書館）正是在這樣的人類社會變革和劇烈的信息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后的新一代圖書館，智能圖書館綜合了感知智能化和數字圖書館服務智能化[1]，為人們提供智能化的感知、環境、管理和人性服務。而智能圖書館的智能化感知、環境、管理和服務需要借助情景感知技術才能實現。
情景感知技術通過傳感器和iBeacon基站采集及用戶主動輸入等方式獲取原始情景信息，并對原始情景信息進行處理，得出應用可以理解的高層情景信息，進而提供相關應用。
作為極具發展前景的新型信息處理技術，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，包括各種類型的傳感器技術、RFID（無線射頻識別）技術，在RFID技術基礎上發展而來的NFC（近場通信）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后，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級階段（開發應用功能強大的情景感知系統）。
目前，在智能辦公、旅游等領域，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，情景感知應用尚處于以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能化感知的方向發展，更難以使圖書館提供智能化的環境、管理和服務。因此，圖書館要實現智能化的感知、環境、管理和服務，關鍵是開發并應用情景感知系統，通過系統來整合相關單元情景感知技術，發揮集成優勢。然而，尚未開發出成型的針對圖書館的情景感知系統。因此，在借鑒其他領域情景感知系統開發案例的基礎上，本文構建了針對智能圖書館的情景感知系統框架，并描述了系統在圖書館中應用的場景。
1智能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信息，其中實體是指在人與人、人與應用以及應用與應用之間的交互過程中，與這些交互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設備，都是情景感知；如果一個系統使用情景來提供相關信息和/或服務給用戶（相關性取決于用戶的任務），那么該系統是情景感知系統[4]。
1.2智能圖書館
目前關于智能（智慧）圖書館的定義，學界觀點大致分為幾個類別：
（1）智能圖書館是應用了智能技術的圖書館建筑，“是高新技術（計算機、多媒體、現代通訊、智能保安、環境監控等）與建筑藝術的有機結合。”[5]該觀點又演變為“智能技術+圖書館建筑+數字圖書館”[6]，后來該觀點逐漸傾向于服務與管理，認為“智能圖書館通過CPS來實現智能化的服務和管理”[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+云計算+智慧化設備，它通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能化技術和智能化服務管理的結合體，技術上要體現數字化、網絡化和智能化的特性，服務管理方面則要展現綠色環保和以人為本的理念，且盡可能滿足用戶個性化需求。
不難發現，以上四類觀點中對智能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于服務與管理，亦或是聚焦于可被感知性、移動性等要素，智能圖書館都必須建立在以RFID技術和各類傳感器技術等情景感知技術獲取圖書館的用戶、資源、環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館智能化環境、智能化管理和智能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，包括旅游、智能辦公、智能家居、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、人機交互等方面[9]。隨著傳感器技術、RFID技術等單元情景感知技術的不斷發展，國內外很多研究機構開展了在智能辦公、旅游等領域的情景感知系統項目研究，有的項目已經形成體系并逐漸開始商業應用，典型的項目包括ActiveBadge、ActiveMap、Cyberguide、EasyLiving、SmartClassroom等。可見，在智能辦公、旅游等領域，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信息化管理程度，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，情景感知應用尚處于以RFID技術為關鍵技術[3]的單元情景感知技術應用階段。由情景感知在智能辦公、旅游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，通過情景感知系統整合相關的單元情景感知技術，發揮集成優勢，以促進圖書館向智能圖書館轉型。
結合開發情景感知系統的案例，可以發現，將低層信息處理與高層應用開發分開，通過引入框架來處理原始情景信息的采集、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智能圖書館情景感知系統的框架構建
關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/服務器架構的框架，CAPNET是支持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]。
通過借鑒眾多系統框架，本文將智能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
情景獲取層位于系統的最底層，主要功能是通過無線傳感器網絡（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信息，并對情景信息進行初步處理，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包含多種傳感器，可以感知、獲取許多類型情景信息，并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標簽代替部分節點以節省成本，與iBeacon基站結合使用以提高獲取用戶情景信息的力度。
RFID可以應用到圖書館很多方面，包括：RFID標簽代替條形碼作為圖書標簽；應用到自助圖書查詢、自助借還圖書、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務、門禁系統中；協助館員對圖書快速編目、分揀、盤點、查找、定位和順架。
NFC向下兼容RFID，可以看做RFID的演進版本，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。
但由于推出時間較短，加上前期的標準之爭，在國內的發展明顯落后于國外，主要應用于移動支付等領域，在國內圖書館界尚未有應用實例。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標簽成功用于圖書館中[12]。因此，對于已應用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基站在獲取用戶情景信息方面效果優于WSNs，而且續航時間長，可以與WSNs結合使用，共同獲取用戶的位置、軌跡等情景信息，以保證更好的效果；可以向用戶推送個性化的情景信息，如借書到期信息、講座信息、培訓信息等；可以實現厘米級的精確室內導航，優于WiFi室內導航效果，從而指引用戶快速找到所需圖書或指引用戶到相應位置。
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、獲取原始情景信息的效率。情景處理層對原始情景信息進行初步處理后，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。基于情景信息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、存儲性與查詢性、關聯性、推理性、可分布式、應用性、維護性這八個要求，基于此，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，面向對象的情景建模最為優秀。因此，面向對象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：該模塊主要負責對情景信息和系統的管理，接受用戶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館內的設備。用戶可以通過手持設備連接到情景管理器，對系統情景信息規則進行設置和修改。
（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子模塊。情景數據庫用來記錄歷史情景信息和用戶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，推理結果會反饋給情景數據庫，作為歷史情景信息存儲起來。情景推理引擎用來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。該模塊整合經過情景信息處理模塊處理過的情景信息，利用用戶自定義的情景信息規則和歷史情景信息進行簡單的情景推理。
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境，為管理者提供智能化的管理，并為用戶提供智能化的服務。
4情景感知系統對于構建智能圖書館的價值
基于上述的情景感知系統框架，可以開發智能圖書館情景感知系統。而當開發并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于情景感知系統應用高級階段時，智能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智能化的環境
智能化的環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]。智能照明系統通過在館內部署大量的光敏傳感器，實時采集各個區域的亮度信息，根據光線的強弱，可以自動打開、關閉窗簾，并調節燈光的亮度；智能溫濕度控制系統通過在館內部署大量的溫濕度傳感器，實時采集、監控各區域不同點位的溫度、濕度，并根據人體適宜的溫濕度對空調進行自動調節；智能消防系統通過在館內部署大量煙霧傳感器和視頻監控系統，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，并及時通知管理者和消防部門[14]。情景感知系統使館內各種設備更加智能化的運行，從而優化了人力和物質資源的配置，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、圖書管理、用戶管理。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中解脫出來，比如開關燈、空調等設備。圖書管理方面，可以為圖書貼上NFC標簽，以簡化圖書的編目、分揀、盤點、查找、定位、順架等工作。用戶管理方面，通過用戶的情景數據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；通過統計分析所有用戶的情景數據庫，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、智能手環等（下文統稱為智能設備）已經代替了傳統的借書證，用戶可以通過這些智能設備辦理許多自助業務。
4.3智能化的服務
借助情景感知系統，圖書館可以為用戶提供智能化的服務。按照用戶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）注冊服務：當新用戶剛進入圖書館時，情景感知系統會自動標記用戶為未知用戶，并主動與用戶的內置NFC芯片的智能設備通信，由用戶輸入相關認證信息，從而迅速完成用戶注冊過程。用戶可以通過這些智能設備隨時設置聯系方式等用戶信息，而這些用戶信息經過用戶同意后會自動存儲到用戶個人的情景數據庫中。
（2）導航服務：用戶進入圖書館時，通過其智能設備連入情景感知系統，獲取圖書館的實時立體場景，并可通過語音輸入或文字輸入等方式查找路線或圖書等，系統會自動提供最優路線和精確位置。
（3）定制服務：用戶根據自己的需求、目的、愛好等定制自己所需的資源、服務、專家和用戶界面，并可以選擇手機定制、Email定制等定制方式。
（4）推送服務：用戶可自行設置是否獲取推送信息及推送信息的時間、地點、類型。
（5）參考咨詢服務：在智能圖書館中，系統可以為用戶提供網絡虛擬參考咨詢、QQ、微信、微博等多種形式的參考咨詢服務。例如，用戶在尋找就業類書籍時難以選擇合適書籍，便可以通過網絡虛擬參考咨詢服務獲取相關參考內容。
5結語
情景感知系統在構建智能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于以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，但隨著傳感器技術、RFID技術、NFC技術、iBeacon技術等單元情景感知技術的不斷發展，以及在智能辦公、旅游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，并描述了圖書館領域處于情景感知系統應用高級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并應用，為圖書館的發展注入新的活力，大力推動圖書館步入智能化的新時代。
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