圖書館AGV智能分揀系統功能設計與建設實踐

張鏡輝

關鍵詞：自動分揀;自動搬運;圖書館;機器人

中圖分類號：G250 文獻標識碼：A 文章編號：1003-1588（2022）04-0105-05

1從自動分揀到自動搬運

圖書分揀是根據圖書標注的信息如分類號、顏色等，按照一定規則進行分門別類排序整理，根據這種原理誕生了由機器自動識讀并進行歸整的自動分揀設備。關于自動分揀設備最早的研究，可見于20世紀20年代由荷蘭爾瑪公司研發的世界第一臺信件分揀設備[1]。

1.1自動分揀在圖書領域的應用實踐

經過近一百年的演變與發展，特別是條碼技術、RFID技術、計算機技術及智能化技術的發展，如今針對不同的應用領域，自動分揀技術已研發出堆塊式分揀技術、擋板式分揀技術、搖臂式分揀技術、斜導輪式分揀技術、交叉帶式分揀技術等[2]。目前，我國已有移載分揀技術、交叉帶分揀技術[3]、滑塊分揀技術[4]和AGV機器人分揀技術[5]等四種分揀技術應用于圖書館領域，詳見表1。

1.2自動搬運首次應用于圖書館

自動分揀完成了圖書從混亂至有序狀態的工作，自動搬運則是在分揀完成后將圖書搬運至書架區的工作，自動搬運不僅需要完成水平區域的搬運，還需要完成垂直區域的搬運，毫無疑問自動搬運是科技與重體力的結合體。自動搬運需要與自動分揀系統對接，一旦滿箱后及時自動補位空箱，并將滿箱圖書搬至電梯，與電梯智能交互，實現搬運分揀完成的書箱到每個樓層指定站點，同時搬走每個樓層的空箱的全流程自動化。自動分揀與自動搬運配套使用，即可通過機械設備自動完成圖書從回館到上架前的大部分重復性體力勞動。就圖書館實際情況而言，館藏圖書大多分布于各樓層，搬運環境非常復雜，自動搬運系統不僅需要與電梯交互，還需要具備在有人環境下安全行進，搬運機器人要滿足一定過溝、過坎能力，具備完整的環境感知能力，包括但不限于激光掃描、雷達防撞、超聲避障、安全觸邊等。

從調研情況看，目前我國已有深圳寶安圖書館、天津濱海圖書館、廣州南沙圖書館、貴州省圖書館四家完成了AGV自動分揀工作，但尚無一家公共圖書館完成自動搬運工作，上述各館準備將自動搬運系統建設列入分揀系統二期工程實施。

2分揀區域位置選取與規劃

自動分揀與自動搬運系統建設首先需要考慮的是分揀區域位置選取與規劃，即究竟在哪個樓層、哪個位置比較適合。分揀區位置選取與規劃要綜合考慮電力、網絡、樓層、圖書上架、觀賞性等多個因素。在機房供電線路電力保障方面，圖書館要考慮配置穩壓器和過電壓防護設備，最好配置冗余或并行電力電纜線路為計算機系統供電。電源線和通信線纜應隔離鋪設，對關鍵設備實施電磁屏蔽以保證設備能夠正常運轉。在網絡規劃方面，圖書館要考慮建設專用Wi-Fi網絡，與辦公用和讀者用Wi-Fi邏輯或物理隔離，保障通信完整性及通信過程中敏感信息字段或整個報文的保密性，同時保障機器人設備與服務器流暢的通信速度。圖書館應統計各還書點讀者還書量，將分揀區部署在還書量最多樓層，也可以根據分揀區部署情況優化還書點設置，從而提高機器人搬運圖書的效率。自動分揀及搬運系統具有較高科普價值，因此人流量也是需要考慮的因素。

3功能設計規劃

3.1還書口設計

還書口分為讀者還書口和館員還書口兩種，讀者還書口一般采用自助還書口模式，而館員還書口可采用人工供書或自動供件臺模式。總體來說，還書口數量測算要根據每日平均還書量、峰值還書量以及AGV機器人數量而定。讀者還書口支持ISO15693協議，采用讀者一次歸還一本的自助歸還模式。自助還書口和關鍵在于還書速度與機器人數量匹配問題，8～10個機器人能夠滿足一個還書口的極限分揀需求，當讀者還書量較大時，在還書口輸送皮帶處需要留有3～5個冗余位置，使圖書還回而機器人未到位時有位置供等待。滿足更大數量及未來擴展需求也是圖書館需要考慮的因素，采用一個冗余設計以及備用調用是較好的解決方案。館員還書口可以使用人工投喂方式，投喂速度可達900本/小時以上，能滿足中小型圖書館分揀需求，也可使用自動供件臺方式。自動供件臺方式可自動分離圖書，效率在500本/小時左右，可7×24小時工作，支持圖書尺寸與讀者自助還書一樣，具體規格均為：長度160mm～400mm，寬度110mm～300mm，高度2mm～50mm，重量50g～2500g。

3.2格口設計

格口是位于操作平臺上的分揀口，操作平臺上的格口數量越多，分揀得越細。格口設計需要考慮兩個因素：一是圖書館各類目圖書數量并不均衡，某些類目如小說I類、經濟F類圖書非常多，馬列A類等相對較少，因此存在類目細分和類目合并等問題。二是可以采用二次分揀方式，如第一次采用5類粗分揀，第二次5類分揀再重復一次，通過兩次5類分揀即可完成25類分揀。圖書從還書口經過時，設備會讀取圖書標簽，標簽中的條碼數據又可通過自動化系統鏈接到該圖書書目信息和館藏信息。機器人從還書口不僅取得圖書實物，還會取得圖書書目信息和館藏信息，從而將圖書按照軟件系統指令運送至指定格口。

3.3機器人規劃

機器人具體負責分揀與搬運工作，分為AGV分揀機器人與AGV搬運機器人。有多種分揀機器人可供圖書館選擇，如高位車、翻蓋模式、頂升模式等。對接方式采用皮帶式，可直接接受來自投入口、自動供件臺的圖書。不同機器人的效率不同，如高位車采用“視覺+慣性”導航實現厘米級定位精度，自重約60kg，負載達10kg，運行速度約2.2m/s左右，充電1.5小時，續航8小時。翻蓋機器人的導航方式與高位車類似，自重12kg，相對高位車而言，又低又輕，可實現毫米級定位精度，載荷重量6kg，運行速度約3m/s。AGV搬運機器人將分揀完成后的圖書周轉箱搬走，通過與電梯交互，直接搬運至指定樓層站點，同時補運一個空箱至分揀格口，自動實現點對點的自動搬運，自動進行路徑規劃及取放圖書周轉箱動作，實現了圖書館無人化智能搬運。搬運機器人采用激光SLAM混合導航，自重約170kg，負載可達600kg，空載速度約2.0m/s，滿載速度為1.5m/s，充電1.5小時，續航8小時，完全可以滿足圖書館的圖書載重要求。18CCCA80-D8B3-45E8-9059-27E88BD2598E

3.4充電站規劃

圖書館可根據機器人數量、充電時間、續航時間確定充電站數量，一般可按每3～5臺機器人部署一個充電站，以保證充電效率。機器人在運行過程中會實時上報電池狀態給服務器，根據預設充電邏輯，服務器調度機器人到充電站充電。機器人運行至充電站，完成充電接口自動對接，正常后上報至服務器，服務器收到狀態正常后給充電站發送啟動充電指令，開始對機器人充電。在充電過程中，機器人將電池狀態上報服務器，檢測充電完畢后，服務器給充電站發送停止充電指令。分揀機器人和搬運機器人采用不同規格的充電站，均可實現自動充電。分揀機器人采用220伏單相三線制C類小接口，搬運機器人采用220伏單相三線制B類大接口。

3.5交接區設計

交接區是指搬運機器人滿箱、空箱交換區域。搬運機器人將分揀完成后的滿格書箱運送至各樓層書箱交接區，供館員上架圖書，同時將各交接區空書箱運回分揀車間，每個樓層可根據需要設置或預留多個書箱交接區。

3.6其他配套設施

在自動分揀與自動搬運系統建設過程中，圖書館還需要考慮圖書周轉箱、導航碼、專用Wi-Fi網及玻璃隔斷等其他配套設施建設。其中，圖書周轉箱用于裝載圖書，當箱中圖書達到限定數量時呼叫搬運機器人，因此圖書周轉箱的數量與分揀格口數和搬運機器人數量相關。一般來說，圖書周轉箱還需要配套用于箱位感應的周轉箱暫存位。導航碼為AGV分揀機器人定位基點，鋪設于分揀區域平臺上，為AGV分揀機器人行進的基準坐標，供機器人定位導航使用。專用Wi-Fi網用于負責機器人與控制系統之間的通信。在機器人與調度控制系統之間需要傳遞控制數據、調度數據以及監控狀態管理。一般來說，按每個機器人待機狀態4M帶寬、運行狀態8M帶寬計算即可。此外，機器人工作時有一定的噪音（每臺約60～70分貝左右），同時為了防止讀者將雜物投入分揀區域，影響機器人行走，最好在分揀區周邊安裝玻璃隔離。

4汕頭市圖書館建設實踐

汕頭市圖書館是集閱讀、研究、活動、休閑于一體的文化活動場所，較早實現了圖書館自動化和智能化RFID建設，館內部署了多臺自助借還設備，讀者通過身份證即可實現自助借還書。截至2020年12月，汕頭市圖書館共有館藏文獻154萬冊（件），年讀者接待量超100萬人次，持證讀者達18.9萬名，具備建設AGV自動分揀與搬運系統的基本條件。

汕頭市圖書館根據上述區域規劃與功能設計路徑，結合自身的業務特點及建筑結構，將自動分揀車間部署在圖書館一樓少兒閱讀區，區域面積約290平方米，分揀區構建圖見下頁圖1。

具體建設規模包括：①讀者自助還書口3套。每套每小時最大處理還書量為300冊，預留一套讀者投入口位置作為未來業務增長需求或系統效率冗余備份。該功能組件位于區內西南角，讀者進館后穿過玻璃巷道時可觀賞機器人分揀過程，通過自助借還機可完成還書工作。②館員自動供件臺1套。汕頭市圖書館采用自動供件裝置，每次可處理500冊以上的裝載量（按圖書長280mm、寬200mm、厚12mm計算），處理時長約為1小時，數量與分揀區域分揀效率匹配。③AGV分揀機器人15套。單臺AGV機器人平均分揀效率為每小時32件，汕頭市圖書館目前高峰時期（周末節假日等）平均單日最大還書量預計為2，000冊，單小時最大峰值還書量預計為400冊，為確保自動分揀系統滿足峰值處理要求，配置13套AGV分揀機器人，考慮到未來業務增長及故障情況，預留20%處理量冗余，即實際配置15套。④AGV搬運機器人3套。配置邏輯為：分揀效率為400冊/小時，單個格口周轉箱平均承載圖書40冊，折合每小時產生滿格周轉箱為400/40=10箱。搬運機器人最遠單程搬運距離約140米，搭乘電梯2層，單臺搬運機器人平均每小時可提供的整箱搬運數量為6個來回，由此計算需要配置2套滿足效率，剩余1套用于滿足未來業務增長及系統冗余備份。⑤分揀機器人充電站5套。平均每4套分揀機器人配置1套充電站，備用1套。⑥搬運機器人充電站2套。平均每4套搬運AGV設備配置1套充電站，備用1套。⑦缺電喚醒充電裝置1套。當設備無法進行充電或設備電量耗盡無法自動回到充電樁位置時，可通過缺電喚醒充電裝置由人工為AGV設備充電。⑧AGV自動分揀調度系統1套。該系統可實現對所有AGV機器人的統一調度控制，包括智能路徑規劃、任務智能分配、地圖信息管理、交通管制、狀態監控、智能充電調整等。

5應用實踐過程中的幾點思考

汕頭市圖書館從2017年就已經開始追蹤探討AGV自動分揀與搬運系統在公共圖書館的應用，從最初文獻調研、考察交流、需求明確，到項目申報、專家咨詢、現場規劃、方案編寫、專家論證、招標采購、應用實施，前后經歷了3～4年的時間，也見證了AGV自動分揀技術在圖書館發展與應用的整個歷程。在整個項目申報與實施過程中，筆者有以下幾點想法供業界參考。

5.1項目建設要以經濟適用為主

在AGV自動分揀規劃時，圖書館一定要在充分考慮現有設備與系統兼容性的基礎上，充分利用已有資源和設備，以最大限度地滿足實際工作要求為宗旨。系統總體設計要充分考慮用戶當前各業務層次、各環節管理中的便利性和可行性，把滿足業務管理和服務管理作為第一要素進行考慮，全部人機操作設計也應充分考慮不同用戶的實際需要。

5.2最大限度地體現便捷性與人性化

公共圖書館是公共文化服務的前沿陣地和服務窗口，規劃與設計應盡量體現便捷性和人性化，以方便讀者利用為主要宗旨，盡量減少甚至要求無任何門檻要求，包括各軟件系統、自助服務系統接口及界面設計均要根據人體結構特征及視覺特征進行優化設計，人機交互界面也要盡可能美觀大方，操作簡便實用。

5.3安全可靠應擺在更加靠前的位置

自動分揀及搬運系統上線后，讀者還書分揀、館員還書分揀以及圖書跨樓層之間自動搬運將完全依賴于該系統，若系統出現故障，會極大影響公共文化服務體驗。因此，圖書館對AGV圖書自動分揀及搬運系統安全性與可靠性提出了更高要求：一是要求各項系統應能提供有效的安全機制，保證異常情況的系統運作。二是要求系統設計充分考慮高可靠性和高穩定性，保證常年7×24小時不間斷運行。

5.4開放靈活保證系統較強的適應能力

AGV圖書自動分揀及搬運系統項目在設計過程中，應充分考慮到未來圖書館可能出現的新業務及可能出現的新變革，在解決現有業務實際需要的前提下，靈活拓展各系統，使系統具備較強適應能力。以分揀機器人和搬運機器人為例，單個機器人故障不會影響整個系統運作，工作人員只需移除故障機器人并重啟即可，即使在極端情況下，通過更換即可快速清除故障，不會造成積壓或停擺。

5.5新興行業迭代升級較快

在公共圖書館領域內采用AGV自動分揀與搬運系統還是一個新鮮事物，案例并不多見，且在不斷發展之中，包括鋼平臺結構、分揀機器人與搬運機器人技術更新、分揀路線設計與規劃等，均在快速地迭代升級。圖書館需充分認識迭代升級更多的是外圍硬件與軟件更新，其核心思想、理念與部件一定要保證其穩定性，同時，開放性、靈活性要求間接地保證了迭代升級的可能性。

6結語

AGV智能分揀系統是智能化技術應用于圖書館分揀業務的一次應用與突破，把圖書館員從簡單、繁重的體力勞動中解放出來，在降低出錯率的同時大幅提升分揀效率，代表著圖書館分揀業務的發展方向，符合圖書館智能化事業發展方向，也符合國家產業升級戰略，值得在大中型圖書館普及推廣和應用。18CCCA80-D8B3-45E8-9059-27E88BD2598E