情景感知系统在智能图书馆的运用研究论文
引言
21世纪，随着网络信息的高速发展，人类社会面临着信息超载、信息爆炸等严峻问题，这使得图书馆的变迁步伐比过去任何一个时代都要迅速。智能图书馆或智慧图书馆（下文除有特别说明外统一采用智能图书馆）正是在这样的人类社会变革和剧烈的信息环境变迁中从传统图书馆、数字图书馆等概念和实践中逐步变化而来的。作为继数字图书馆之后的新一代图书馆，智能图书馆综合了感知智能化和数字图书馆服务智能化[1]，为人们提供智能化的感知、环境、管理和人性服务。而智能图书馆的智能化感知、环境、管理和服务需要借助情景感知技术才能实现。
情景感知技术通过传感器和iBeacon基站采集及用户主动输入等方式获取原始情景信息，并对原始情景信息进行处理，得出应用可以理解的高层情景信息，进而提供相关应用。
作为极具发展前景的新型信息处理技术，情景感知技术有很多种，本文把能够以独立形式存在的一项情景感知技术称为单元情景感知技术，包括各种类型的传感器技术、RFID（无线射频识别）技术，在RFID技术基础上发展而来的NFC（近场通信）技术以及苹果公司近年研发的iBeacon技术都是单元情景感知技术，而各个单元情景感知技术都有各自的发展过程。相应的单元情景感知技术发展到一定程度后，可以按照一定的技术目的和相应的模式[2]组成具备不同功能的情景感知系统。因此，按照发展阶段，情景感知应用可以分为单元情景感知技术应用阶段（孤立地应用单元情景感知技术，尚未开发应用情景感知系统）、情景感知系统应用初级阶段（开发应用具备简单功能的情景感知系统）和情景感知系统应用高级阶段（开发应用功能强大的情景感知系统）。
目前，在智能办公、旅游等领域，国内外的研究机构已经成功开发了若干具备一定功能的情景感知系统，情景感知应用已进入了情景感知系统应用初级阶段。但是，在图书馆领域，情景感知应用尚处于以RFID技术为关键技术[3]的单元情景感知技术应用阶段，众多的其他单元情景感知技术尚未推广应用到图书馆中，这限制了图书馆向智能化感知的方向发展，更难以使图书馆提供智能化的环境、管理和服务。因此，图书馆要实现智能化的感知、环境、管理和服务，关键是开发并应用情景感知系统，通过系统来整合相关单元情景感知技术，发挥集成优势。然而，尚未开发出成型的针对图书馆的情景感知系统。因此，在借鉴其他领域情景感知系统开发案例的基础上，本文构建了针对智能图书馆的情景感知系统框架，并描述了系统在图书馆中应用的场景。
1智能图书馆与情景感知技术的理论关联
1.1情景与情景感知
目前关于情景（context）、情景感知（context—awareness）的定义较多。国内通常也使用情境或上下文一词。因此，情景感知也称作情境感知，上下文感知。目前广泛使用的是Dey对情景和情景感知的定义：情景是用来描述实体情形的任何信息，其中实体是指在人与人、人与应用以及应用与应用之间的交互过程中，与这些交互操作相关的任何人物、地点或物体；Dey认为普适计算环境中使用情景的应用，不管是用台式计算机还是移动设备，都是情景感知；如果一个系统使用情景来提供相关信息和/或服务给用户（相关性取决于用户的任务），那么该系统是情景感知系统[4]。
1.2智能图书馆
目前关于智能（智慧）图书馆的定义，学界观点大致分为几个类别：
（1）智能图书馆是应用了智能技术的图书馆建筑，“是高新技术（计算机、多媒体、现代通讯、智能保安、环境监控等）与建筑艺术的有机结合。”[5]该观点又演变为“智能技术+图书馆建筑+数字图书馆”[6]，后来该观点逐渐倾向于服务与管理，认为“智能图书馆通过CPS来实现智能化的服务和管理”[7]。
（2）强调智慧图书馆的可被感知性，即“智慧图书馆综合了感知智慧化和数字图书馆服务智慧化”[1]。
（3）认为智慧图书馆的主要构成要素是物联网和图书馆数字化，将智慧图书馆定义为“智慧图书馆=图书馆+物联网+云计算+智慧化设备，它通过物联网来实现智慧化的服务和管理”[8]。
（4）认为智慧图书馆是智能化技术和智能化服务管理的结合体，技术上要体现数字化、网络化和智能化的特性，服务管理方面则要展现绿色环保和以人为本的理念，且尽可能满足用户个性化需求。
不难发现，以上四类观点中对智能图书馆的阐释都包含有情景感知技术。无论是强调技术还是侧重于服务与管理，亦或是聚焦于可被感知性、移动性等要素，智能图书馆都必须建立在以RFID技术和各类传感器技术等情景感知技术获取图书馆的用户、资源、环境等各方面的情景信息，并在情景信息数据挖掘的`基础上形成智能图书馆智能化环境、智能化管理和智能化服务的基本框架上。
2情景感知的应用
2.1情景感知的应用实践
情景感知已在许多领域有了应用，包括旅游、智能办公、智能家居、医疗卫生等领域。计算科学领域也在研究情景感知技术应用，尤其在移动计算、可穿戴计算、普适计算、人机交互等方面[9]。随着传感器技术、RFID技术等单元情景感知技术的不断发展，国内外很多研究机构开展了在智能办公、旅游等领域的情景感知系统项目研究，有的项目已经形成体系并逐渐开始商业应用，典型的项目包括ActiveBadge、ActiveMap、Cyberguide、EasyLiving、SmartClassroom等。可见，在智能办公、旅游等领域，国内外的研究机构已经开发成功了若干具备一定功能的情景感知系统，情景感知应用已进入了情景感知系统应用初级阶段。
2.2情景感知在图书馆领域的应用前景
在图书馆领域，国内外已有许多高校图书馆和公共图书馆应用了RFID图书管理系统，将RFID技术应用到了自助借还图书、馆藏管理、门禁系统等方面，大幅提高了图书馆的信息化管理程度，比如国外的新加坡国家图书馆和国内的深圳图书馆新馆[10]。但是，RFID技术仅仅是一种单元情景感知技术，众多其他的单元情景感知技术尚未在图书馆中得到推广应用。
总体来看，在图书馆领域，情景感知应用尚处于以RFID技术为关键技术[3]的单元情景感知技术应用阶段。由情景感知在智能办公、旅游等领域已进入情景感知系统应用初级阶段可知，许多单元情景感知技术已经发展到了一定程度，因此，开发针对图书馆领域的情景感知系统所面临的技术问题已不再难以解决。本文认为，可以开发针对图书馆的情景感知系统，通过情景感知系统整合相关的单元情景感知技术，发挥集成优势，以促进图书馆向智能图书馆转型。
结合开发情景感知系统的案例，可以发现，将低层信息处理与高层应用开发分开，通过引入框架来处理原始情景信息的采集、推理等以降低系统开发难度是目前通用的做法[11]。因此，构建框架是开发情景感知系统的关键。
3智能图书馆情景感知系统的框架构建
关于情景感知系统框架的研究很多，目前已有大量的情景感知系统框架，如Gaia是基于通信中间件上的系统框架，Aura、ACAI都是基于多代理的框架，ActiveCampus是基于客户/服务器架构的框架，CAPNET是支持移动多媒体应用的感知计算框架，SOCAM是面向情景感知服务且包含基于本体的情景模型的系统框架，CASA是具有安全保证的情景感知系统框架[11]。
通过借鉴众多系统框架，本文将智能图书馆情景感知系统框架分为三层，分别是情景获取层，情景处理层，情景应用层，框架如图1所示。
3.1情景获取层
情景获取层位于系统的最底层，主要功能是通过无线传感器网络（WirelessSensorNetworks，WSNs）技术、RFID（RadioFrequencyIdentification）技术、NFC技术和iBeacon技术等情景感知技术获取原始的情景信息，并对情景信息进行初步处理，然后提供给上一层做处理。
WSNs、RFID、NFC与iBeacon是四种各具优势的互补的情景感知技术，可以在图书馆中组合使用。
WSNs包含多种传感器，可以感知、获取许多类型情景信息，并可以覆盖整个图书馆，但是单个节点价格适中且寿命短，标示和识别能力较弱。因此，可以用RFID或NFC标签代替部分节点以节省成本，与iBeacon基站结合使用以提高获取用户情景信息的力度。
RFID可以应用到图书馆很多方面，包括：RFID标签代替条形码作为图书标签；应用到自助图书查询、自助借还图书、自助扫描、自助打印、自助复印、自助充值与自助缴费等自助业务、门禁系统中；协助馆员对图书快速编目、分拣、盘点、查找、定位和顺架。
NFC向下兼容RFID，可以看做RFID的演进版本，并且相较于RFID，NFC具有距离近、带宽高、能耗低、保密性和安全性高等特点。
但由于推出时间较短，加上前期的标准之争，在国内的发展明显落后于国外，主要应用于移动支付等领域，在国内图书馆界尚未有应用实例。但在国外已有应用，奥地利城市克拉福根和日本饭能市已将NFC标签成功用于图书馆中[12]。因此，对于已应用RFID技术的图书馆，可以引入NFC对RFID系统进行升级改造；尚未应用RFID技术的图书馆，可以根据自身情况，应用RFID或NFC或两者结合应用。
iBeacon基站在获取用户情景信息方面效果优于WSNs，而且续航时间长，可以与WSNs结合使用，共同获取用户的位置、轨迹等情景信息，以保证更好的效果；可以向用户推送个性化的情景信息，如借书到期信息、讲座信息、培训信息等；可以实现厘米级的精确室内导航，优于WiFi室内导航效果，从而指引用户快速找到所需图书或指引用户到相应位置。
总之，在情景获取层，结合WSNs、RFID、NFC、iBeacon等情景感知技术，可明显提高感知、获取原始情景信息的效率。情景处理层对原始情景信息进行初步处理后，按相应的数据格式和要求提交给情景处理层处理。
3.2情景处理层
情景处理层是整个系统的核心功能层，包括情景信息处理、情景解释器、情景管理器三个主要模块[9]：
（1）情景信息处理：该模块的主要功能是把情景获取层提交的情景信息转化成规范的情景信息，该过程本质上是一种情景建模过程。目前有很多情景感知系统框架采用了各种情景建模方法，但是大部分情景建模方法适应的情形并不相同，缺乏普适性。对情景建模的研究按时间可以分为早期的键值对模型、中期的重点域模型和近期的智能模型。
近期的智能模型可以归纳为基于对象角色的情景建模、基于模式标识的情景建模、基于空间的情景建模、基于本体的情景建模、面向对象的情景建模、基于逻辑的建模、高层次的情景抽象建模、不确定性的情景建模这八种建模方法。鉴于要筛选针对情景处理层的建模方法，所以首先排除针对高层模型的高层次情景抽象建模和更适合高层模型的基于逻辑的建模。基于情景信息的繁杂性和海量性等特点，情景建模方法要满足可理解性、时效性与时序性、存储性与查询性、关联性、推理性、可分布式、应用性、维护性这八个要求，基于此，本文对剩下的六种建模方法进行对比分析，结果如表1所示（“+”代表该属性较好，“—”代表该属性较差）[13]。由表1可知，在可理解性和应用性方面，六种建模方法差异较小；在其他六个属性方面，六种建模方法差异较大。综合比较，在这八个属性方面，面向对象的情景建模最为优秀。因此，面向对象的情景建模更适合作为图书馆情景感知系统的建模方法。
（2）情景管理器：该模块主要负责对情景信息和系统的管理，接受用户自定义的情景信息规则，并存储到情景数据库中。该模块可以整体地设置和管理系统，并直接操作和管理智能图书馆内的设备。用户可以通过手持设备连接到情景管理器，对系统情景信息规则进行设置和修改。
（3）情景解释器：该模块包括情景数据库和情景推理引擎两个子模块。情景数据库用来记录历史情景信息和用户自定义的情景信息规则，这些规则从情景管理器中读取并存储在情景数据库中。这些规则作为情景推理的依据，供情景推理引擎使用，推理结果会反馈给情景数据库，作为历史情景信息存储起来。情景推理引擎用来将低层的情景信息转化为高层的情景信息，是情景处理层的核心模块。该模块整合经过情景信息处理模块处理过的情景信息，利用用户自定义的情景信息规则和历史情景信息进行简单的情景推理。
3.3情景应用层
情景应用层位于情景感知系统顶层，该层提供人机交互接口，从情景解释器中获取高层情景信息，根据情景推理的结果提供智能化的环境，为管理者提供智能化的管理，并为用户提供智能化的服务。
4情景感知系统对于构建智能图书馆的价值
基于上述的情景感知系统框架，可以开发智能图书馆情景感知系统。而当开发并应用成熟的情景感知系统，即情景感知应用在图书馆领域处于情景感知系统应用高级阶段时，智能图书馆会产生巨大变化，可以从环境、管理、服务这三个角度来描述。
4.1智能化的环境
智能化的环境包括智能的照明系统、智能的温湿度控制系统、智能的消防与安保系统等[3]。智能照明系统通过在馆内部署大量的光敏传感器，实时采集各个区域的亮度信息，根据光线的强弱，可以自动打开、关闭窗帘，并调节灯光的亮度；智能温湿度控制系统通过在馆内部署大量的温湿度传感器，实时采集、监控各区域不同点位的温度、湿度，并根据人体适宜的温湿度对空调进行自动调节；智能消防系统通过在馆内部署大量烟雾传感器和视频监控系统，对各区域进行实时监控，可以在第一时间自动开启喷淋系统灭火，并及时通知管理者和消防部门[14]。情景感知系统使馆内各种设备更加智能化的运行，从而优化了人力和物质资源的配置，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、图书管理、用户管理。行政管理方面，借助情景感知系统，馆员的工作效率大幅提升，并从许多繁琐的日常事务中解脱出来，比如开关灯、空调等设备。图书管理方面，可以为图书贴上NFC标签，以简化图书的编目、分拣、盘点、查找、定位、顺架等工作。用户管理方面，通过用户的情景数据库来获知其历史记录，从而分析得出其阅读偏好，进而提供个性化服务；通过统计分析所有用户的情景数据库，以改善馆藏结构等。此外，内置NFC芯片的智能手机或者可穿戴设备，如智能眼镜、智能手表、智能手环等（下文统称为智能设备）已经代替了传统的借书证，用户可以通过这些智能设备办理许多自助业务。
4.3智能化的服务
借助情景感知系统，图书馆可以为用户提供智能化的服务。按照用户进入图书馆的流程及主要的需求，常见的情景感知服务包括：
（1）注册服务：当新用户刚进入图书馆时，情景感知系统会自动标记用户为未知用户，并主动与用户的内置NFC芯片的智能设备通信，由用户输入相关认证信息，从而迅速完成用户注册过程。用户可以通过这些智能设备随时设置联系方式等用户信息，而这些用户信息经过用户同意后会自动存储到用户个人的情景数据库中。
（2）导航服务：用户进入图书馆时，通过其智能设备连入情景感知系统，获取图书馆的实时立体场景，并可通过语音输入或文字输入等方式查找路线或图书等，系统会自动提供最优路线和精确位置。
（3）定制服务：用户根据自己的需求、目的、爱好等定制自己所需的资源、服务、专家和用户界面，并可以选择手机定制、Email定制等定制方式。
（4）推送服务：用户可自行设置是否获取推送信息及推送信息的时间、地点、类型。
（5）参考咨询服务：在智能图书馆中，系统可以为用户提供网络虚拟参考咨询、QQ、微信、微博等多种形式的参考咨询服务。例如，用户在寻找就业类书籍时难以选择合适书籍，便可以通过网络虚拟参考咨询服务获取相关参考内容。
5结语
情景感知系统在构建智能图书馆中具有重要作用。虽然情景感知在图书馆领域的应用尚处于以RFID技术为关键技术的单元情景感知技术应用阶段，尚未开发出成型的针对图书馆的情景感知系统，但随着传感器技术、RFID技术、NFC技术、iBeacon技术等单元情景感知技术的不断发展，以及在智能办公、旅游等领域已经开发出情景感知系统，本文认为，针对图书馆领域的情景感知系统开发所面临的技术问题已经不再难以解决。为此，本文构建了情景感知系统的框架，并描述了图书馆领域处于情景感知系统应用高级阶段时情景感知系统对图书馆的环境、管理和服务产生的巨大变化。针对图书馆的情景感知系统将在不久的将来得到开发并应用，为图书馆的发展注入新的活力，大力推动图书馆步入智能化的新时代。
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