图书馆闭架书库控制系统的研究与实现

0 引 言

近年来由于读者对知识的需求量增大，导致图书馆对藏书量、文献量、面积和容纳读者量比十几年前大大的增加，而大多数图书馆的管理模式并未与时俱进，从而面临诸多挑战[1?3]。主要表现为：图书数量大、图书错乱架、读者藏书、盘点困难等问题。针对上述问题，国内外很多图书馆开始采用闭架书库的管理模式，使用封闭式书库系统将大量图书通过精密自动化系统来管理。主要使用两种技术实现自动化管理，一种是无线射频识别技术RFID[4?5]（Radio Frequency Identification），实现对书籍的跟踪、识别、扫描；另一种是自动存取系统（Automated Storage and Retrieva System，ASRS），应用于图书馆自动借还书。特别是RFID技术，由于其技术本身的优势，在图书馆管理中得到了迅猛发展。但目前RFID技术在图书馆的应用还处于自动化应用初级阶段（流通借还阶段） ，并未真正实现单本图书的自动化存取和书库管理[6?8]。

基于此，结合上述两种方法，提出一种闭架书库控制系统，实现两个主要功能：用程序对所有的设备进行控制，以实现图书的借、还、运输等操作；在协调各种设备之间工作的基础上，完成借还图书的业务流程和任务调度，从而实现真正全自动借还图书。

1 闭架书库结构

闭架书库主要结构由硬件部分和软件部分组成。闭架书库的硬件部分是ASRS设备，软件部分包括图书检索预约系统和闭架书库控制系统。

1.1 硬件部分

硬件部分为ASRS设备，由自动化的机械设备组成，ASRS设备是实现全自动闭架书库的基础。这部分的作用是：接收控制命令，完成对闭架书库自动借还流程的操作。

硬件部分如图1所示，主要有如下几个部分：借书台：闭架书库现场的取书窗口；还书台：闭架书库现场的还书窗口；工装板：用于放置书篓并传送到指定位置；书篓：用于存放图书；整书机构：将同一用户的书整合到同一书篓；借书传送带：用于暂存借书书篓；整还书传送带：整个闭架书库的调度中心；巷道车传送带：连接多个巷道车和整还书传送带；书篓搬运装置：用于设备之间的书篓搬运；固定书架：用于存放各种图书；巷道车：用于在书架之间进行图书的存取。

1.2 软件部分

闭架书库的核心是软件部分，包含了图书预约检索系统和闭架书库控制系统。其主要功能如下：

（1） 管理各种数据信息，包括图书信息、用户信息、查询统计信息等；

（2） 对闭架书库当前运行状态进行监控，向可编程控制器（PLC）发送指令控制硬件运行，实现整个借还书流程；

（3） 对流程进行优化调度。

2 闭架书库控制系统整体及模块设计

2.1 控制系统结构设计

整个闭架书库分为三个层次：PLC、监控控制单元以及ASRS硬件设备是底层，控制系统为中间层，图书预约检索系统和闭架书库的数据库是闭架书库的顶层，系统具体结构如图2所示。

2.2 控制系统模块设计划分

闭架书库控制系统的任务流程主要分为借书流程和还书流程，因此控制系统需要实现处理预约订单、图书出入架处理、调度书篓、整书、处理借书台和还书台的任务、处理日志信息、处理故障问题以及处理数据库信息的功能。

基于上述功能，可以将整个控制系统划分为八大模块。订单模块；自动借还模块；图书整理模块；借书台模块；还书台模块；通信模块；异常问题解决模块；数据库模块。 2.3 订单模块

控制系统对用户预约订单进行处理由订单模块完成，达到了将预约订单表的预约信息转化为借书任务的目的，并以预约图书信息为依据发送借书任务至巷道车任务队列。

2.4 自动借还模块

控制系统的核心模块是自动借还模块，该模块也是控制系统对硬件设备进行管控进而完成借还书任务的核心，使借书流程和还书流程得以实现。

2.4.1 借书流程

借书流程的步骤如图3所示。

（1） 巷道车线程从巷道车任务队列中得到借书任务，进而确定图书所在书格的坐标信息。

（2） 确定巷道车状态，然后执行相应取书指令。

（3） 巷道车线程实施借书书篓运送指令，将书篓从巷道车运送到巷道车传送带上。

（4） 巷道车传送带线程得到借书书篓运送任务。

（5） 巷道车传送带线程下达借书书篓运送指令到书篓运送装置任务队列。

（6） 运送装置线程得到借书书篓运送任务，将借书书篓从巷道车传送带运送到整还书传送带上。

（7） 搬运装置线程下达整书判断指令到整书机构。

2.4.2 还书流程

还书的流程步骤如图4所示。

（1） 整还书传送带线程取得任务，辨别任务类型；

（2） 整还书传送带线程将还书书篓从还书台输送至整还书传送带上，下达还书搬运指令到搬运装置任务队列；

（3） 运送装置线程取得还书书篓搬运指令，将还书书篓由整还书传送带运送到巷道车传送带上；

（4） 巷道车线程取得还书指令，将还书书篓由巷道车传送带运送到巷道车上；

（5） 巷道车线程对归还图书进行书格匹配，实施书架还书任务；

（6） 查验是否完成还书任务，如完成，本次还书流程执行结束。

2.5 图书整理模块

图书整理模块主要是将不同书篓的图书整合到同一书篓中，以免用户取书时调用多个书篓，占用过多资源。

图书整理任务的主要步骤如下：

（1） 判断有订单的图书是否都已经在整还书传送带上。

（2） 取得该订单编号、图书对应的工装板编号、书格编号，进行图书整理。

（3） 整书机构线程将书篓运送到借书传送带上。

（4） 整理图书任务完成。

2.6 借书台模块

读取用户卡、控制借书台实施取书任务、图书RFID信息扫描和图书AFI状态改写等功能均由借书台取书模块实现。

借书台任务主要步骤如下：

（1） 用户在借书台上刷卡，对用户信息进行验证，判断图书是否已到借书传送带。

（2） 借书台线程完成书篓运送任务，将借书书篓由借书传送带运送到借书台上。

（3） 在借书台取书，对图书RFID信息进行验证。

（4） 记录用户借书信息。

2.7 还书台模块

对图书RFID信息扫描、控制还书台实施还书任务和图书AFI状态改写等功能均由还书台还书模块实现。

实现还书任务的主要步骤如下：

（1） 还书台线程对图书RFID信息进行扫描，验证图书信息。

（2） 还书台线程对图书摆放状态进行验证，将图书移送至还书台。

（3） 对当前还书台书篓的状态进行判断，将归还图书放入书篓指定书格中。

（4） 判定还书台书篓空满状态，若已满，则下达还书书篓搬运指令到整还书传送带任务队列，等待书篓搬运。

2.8 通信模块

闭架书库控制系统与硬件之间的通信主要包含三个方面：一是闭架书库控制系统与借还书台之间的通信，这部分使用了基于TCP/IP的Socket通信；二是计算机与PLC之间的通信，这部分使用了PLC生产厂家提供的通信协议，但需要在此基础上制定上层流程，以实现高可靠性和可扩展性的通信协议；三是RFID扫描器，这部分也使用了厂家提供的SDK程序，以读取RFID标签信息。

2.9 异常问题解决模块

任何一种系统在实际使用过程中，都有可能碰上各种各样可预料的或者不可预料的异常情况，这些异常情况包括硬件故障和软件故障。不论发生什么故障，闭架书库控制系统都需要做以下几件事：对系统进行实时监控；发现故障；对故障进行识别；根据故障情况进行处理；将处理情况反馈系统，形成日志。

2.10 数据库模块

数据库模块的作用在于访问图书馆原有的OPAC集成化系统的数据库，对数据表进行读写操作，以获得所需图书信息以及记录相关内容。

3 图书拣选作业问题优化

图书馆由于书架越来越多，导致出现了图书拣选作业时间长、效率低的问题。所以需要对图书的拣选路径做出优化，以提高闭架书库借还书运行效率。使用一种改进的遗传算法可以对这一问题进行优化求解。

要对拣选作业问题进行优化，首先，要清楚拣选作业问题；其次，对作业问题进行优化求解。

3.1 拣选作业问题分析

拣选作业的工作步骤为：从数据库中取得需要借出的图书数量以及图书对应的坐标位置，然后巷道车从初始位置依次行进到待取图书的坐标位置进行取书，之后回到初始位置，完成拣选作业。对拣选作业进行优化就是要合理规划图书拣选顺序，使拣选作业行走路径最短。

图书拣选作业模型可做如下设定：

设定1：拣选书格的位置以坐标表示，坐标（0，0）设定为初始位置；

设定2：巷道车水平行进速度为垂直行进速度为能同时沿轴和轴行进，并且匀速行走。

3.2 求解拣选作业优化问题 可用遗传算法优化求解闭架书库图书拣选作业时间问题。遗传算法是一种具有“记录信息+检测对比”迭代过程的随机搜索算法，而传统遗传算法有收敛慢、自动优化能力差等弊端，因此使用一种“反转算子”改进算法。改进的遗传算法求解闭架书库拣选路径优化问题步骤如下：

（1） 确定位置坐标，排序编码。假定染色体由段组成，每个待拣选书格点编号对应一致，例如，假设一次拣选作业中的5个书格点的坐标为（22，6），（24，3），（15，5），（38，2）和（12，6），加上初始坐标（0，0），书格点编号的排列方式即为拣选作业的一种方案，为1，2，3，4，5，6。

（2） 设定适合度函数。确定遗传算法的适合度函数为从初始位置出发，完成本图书拣选工作，再回到初始位置的时间倒数。则种群中单个个体（书格点序列） 的适合度函数如式（3）所示：

（3） 产生初始种群，按随机方法产生一组初始种群。

（4） 对初始种群进行选择、交叉、变异操作，此步按照常规遗传算法进行。

（5） 反转操作。使用一种反转算子提升遗传算法找寻最优解的能力，在常规的选择、交叉、变异完成之后，就会随机产生两个整数和将和反转位置之后进行适合度计算，若适合度较高则留下，若适合度较低则反转无效。使用这种方式是由于遗传算法中交叉操作虽然能够保证群体的多元性，但是对于传承上一代较优的信息却不利，特别是群体中包含着大量的高适合度的子代时，交叉操作会对传承的较优基因有所损坏，使子代继承到亲代的优良基因变得困难，从而大大降低交叉算子的搜索能力。

（6） 适合度函数评估，评选出适应值大的个体进行下一代的交叉、变异和反转操作，并循环以上步骤，直至达到最大遗传代数后，选出最优解，结束运算。

4 闭架书库控制系统实验

运行效率较高和对闭架书库硬件设备进行科学调度是评判闭架书库控制系统的重要指标。闭架书库借还书流程运行的时间主要分为两部分：一是闭架书库设备运行消耗的时间，硬件设备的运行效率决定了这部分时间；二是闭架书库控制系统对闭架书库设备的控制以及图书拣选作业等消耗的时间，控制系统执行效率决定了这部分时间，两者是串行关系。将实验分为借书作业时间、借书流程时间、还书作业时间、还书流程时间。

4.1 实验结果

在运行控制系统的情况下，5次借书流程（一次均借7本书）花费的时间如图5所示。

在运行控制系统的情况下，5次还书流程（一次均还7本书）花费的时间如图6所示。

4.2 实验分析

根据实验结果可以得出，借书作业平均时间为313 s，借书流程平均时间为315 s；还书作业平均时间为203 s，还书流程平均时间为204 s。由此可以看出，借书作业时间和借书流程时间基本相等，还书作业时间和还书流程时间基本相等。显然能够说明控制系统能够对闭架书库硬件设备进行合理地调度，完全达到了设计要求。

5 结 论

闭架书库使用了书篓、工装板和传送带这种形式，根据此种形式，设计了闭架书库控制系统，从而实现图书自动借还的功能。

根据对图书自动借还的要求，进行了闭架书库控制系统的系统结构设计和模块设计，包括：图书借还流程，包括涉及到的订单处理、自动借还、整理图书等模块的设计和实施方法；系统通信模块的设计；异常处理模块的设计。系统设计架构较好，使得系统重构和扩展容易实现。同时，也进行了图书拣选问题的优化分析，创新性的将反转算子引入到常用遗传算法中，使图书的拣选问题得以优化解决。最后进行了现场实验，实验结果证明，控制系统能够对闭架书库硬件设备进行合理调度，完全达到了设计要求。