基于物联网的智能“云图书馆”架构与思考，本文主要内容关键词为：云图论文,架构论文,书馆论文,智能论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
作为IT应用的重镇，信息技术的每一次浪潮都不可避免地影响着图书馆，2009年初，美国总统奥巴马提出“智慧地球”的经济振兴战略，要把新一代IT技术充分运用在各行业中，把感应器嵌入和装备到各种物体中，并且被普遍链接，形成所谓“物联网”，实现人类社会与物理系统的整合[1]，由此引发了全球物联网关注热潮。物联网成为继PC、互联网、无线通信技术之后影响图书馆发展的第四代技术[2]。对云图书馆的研究更不能脱离物联网，国家“十二五”规划已经明确提出，要发展宽带融合安全的下一代国家基础设施，推进物联网的应用。物联网的智能化识别和管理功能有利于构建无所不在的信息社会，是图书馆发展必不可少的桥梁。物联网、云计算和图书馆相结合，可以高效灵活地把资源和服务有机整合起来，实现任何信息载体、任何人、任何物、任何时间、任何地点的互联互通[3]。与物联网结合之后，“云图书馆”才会真正从概念走向应用，物联网在图书馆领域的广泛应用，意味着图书馆真正从局域走向泛在，必将对图书馆管理和服务产生巨大的影响与改变。
1 基于物联网的智能“云图书馆”
物联网就是“物物相连的互联网”，比较公认的定义是指通过射频识别(RFID)装置、红外线感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相链接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[4]。在图书馆领域，物联网把图书的管理空间延伸到图书馆之外，并通过图书携带的信息，把图书文献的内容以多种形式传递给读者。
我国图书馆界一直非常关注RFID在图书馆应用的数据模型问题，在国家图书馆的推动下，2009年成立了“图书馆应用无线射频技术：数据模型”行业标准工作小组，深圳图书馆是国内最大的RFID项目和第一家全面使用RFID设备的图书馆，浙江图书馆也于2010年成功实施了RFID智能图书管理系统，为物联网技术在图书馆的普及发展及深度开发展示了广泛的前景。
2 云图书馆与物联网的结合
云图书馆的含义是：云图书馆依赖互联网，并利用互联网提供全面的图书馆服务，包括图书借阅、数字文献的阅读、虚拟参考咨询等。2009年5月，R.Wallis和F.Haugen等人提出了“云计算图书馆”的新概念，表明图书馆界已经找到了一个能使云计算在图书馆应用的新概念[5]。几乎所有的“云”服务都可以在图书馆领域得到应用[6]，包括各类图书馆应用软件、大量的数字资源。图书馆可作为“云”提供商提供平台服务；也可以作为一种服务中介，整合多家平台和资源。2009年，孙卫发表了《图书馆在云时代的思考》，提出了“地域性的总分馆图书馆自动化云计算环境”和“利用虚拟机技术把各自图书馆的多种应用和服务整合成内部云计算环境”的构想[7]；白才进、王红发表《建构图书馆的“云”时代》，从技术角度设计并提出了图书馆云计算应用的模型[8]，云图书馆在云计算技术支撑下，通过互联网把分散的图书馆设备、资源、数据等与用户紧密地联系在一起，作为一个大型的存在于网络的数据库，向广大用户提供统一界面的新型图书馆服务。
云图书馆解决了图书馆系统和数字化资源融合的问题，但是进入流通领域的纸张载体的图书依然脱离图书馆的控制，解决的最佳途径就是采用物联网技术进行图书和知识的管理。基于物联网的智能云图书馆，在图书馆设施管理上，不但可以通过物联网技术对每个图书馆的建筑、设施、设备进行智能化管理，还可以对空间环境的可控状态进行管理，包括阅览室、藏书室的温度、湿度、亮度的智能化调节，甚至还可以通过图书在流通环节的监控；在图书文献的管理上，不但可以完成馆内自动传输归架、统计等工作，还可以实现图书文献跨馆借阅和归还。
云图书馆为物联网的建立提供了有力的通信保障，物联网是云图书馆应用的高级阶段。基于物联网的智能“云图书馆”，就是把信息资源通过物联网技术，与云图书馆实现智能链接，使图书馆管理与服务智慧化，不仅提供资源的服务，而且通过人和知识的融合，为用户营造一个和谐的知识生态环境，提高更高层次的知识服务[9]。以云图书馆为依托的超级强大的计算机群，对图书馆网络内的人员、图书文献、机器、设备和基础设施进行实时的管理和控制，以更加精细和动态的方式，让图书馆达到“智慧”状态，提高文献资源利用率，改善图书馆与用户以及自然属性的信息资源之间的关系。
3 基于物联网的智能“云图书馆”的架构
物联网在架构上一般分为3个逻辑层次，包括感知层、传输层、应用层。但这3个层次并没有清晰反映出物联网的物理结构。为了更好地分析和假设基于物联网的智能云图书馆结构，在设计基于物联网的云图书馆的架构时，客观地根据物联网图书馆智能化要求，以及感、传、智、用、运、管各环节的物理和逻辑属性，在架构上设计成5个层级，分别为：①采用SOA(Service-Oriented Architecture，面向服务架构)、EAI(Enterprise Application Integration，企业应用集成)、M2M(Mobile to Mobile或Machine to Man或Machine to Machine)技术结合，实现由众多图书馆服务器组成的设备层HaaS(Hardware as a Service)。②由云计算中间件实现的分布式集群的平台层PaaS。③由互联网及IP网关、Wireless及Mobiol网关构成的传输层CaaS(Connect as a Service)。④由ONS(Object Name Service即对象命名服务)技术、RFID技术、移动定位技术、智能识别卡等构成的感知层DaaS(Device as a Service)。⑤由Web构成面向应用和服务的应用层SaaS，通过这5个层次构成基于物联网的云图书馆的基本架构。见图1。
图1 物联网智能“云图书馆”架构
3.1 智能云终端感知层
可以理解为传感器，负责信息的采集、汇聚、通信及接受应用程序的各项操作等，其核心是RFID系统、红外线感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备。这个层面能够把“物”改变成为“智能物”的设备，它的主要应用是给移动和非移动资产贴上标签，实现各种跟踪和管理[10]。图书上的智能标签主要包括RFID标签、智能定位芯片、数据存储智能芯片。RFID芯片主要处理在图书馆范围内的识别和自动归架；智能定位芯片对脱离图书在空间范围的图书文献，在流通环节进行跟踪和定位；智能存储芯片主要存储图书的相关信息以及图书管理的信息。
3.2 智能云设施层
这个层次是链接智能终端入网的关键，主要包括广泛分布的物联网感知节点、设置在不同地点的图书馆的服务器、带宽等物理资源，以物联网云图书馆服务节点方式，有效地整合智能终端资源，把智能终端和整个云图书馆网络设施虚拟成为共享的资源池。它包括物理机器、虚拟机器以及其他资源，如存储局域网络(SAN)、网络装置、防火墙等，依靠云计算先进的虚拟化技术，形成基础设施资源池，提供各种云服务共享，并通过网格技术实现工作负载均衡分配，以此提高云服务的并行处理性能。
3.3 感应云传输层
负责应用程序与节点操作间的功能联结，是基于物联网的智能云图书馆体系的核心。感应传输网络主要包括3类：互联网、3G无线网络、卫星网络。互联网是信息传输的基本网络，云计算把图书馆紧密地联系在一起；卫星网络主要依赖北斗系统民用部分，对图书进行跟踪定位的信息处理和传输；3G网络，一方面弥补卫星定位网络的应用，同时又可以直接向终端用户传递数字化的文献。
3.4 智能云平台层
智能云平台层主要负责基于物联网的云图书馆系统的管理、维护、操作等，包括平台的业务管理、感知信息的调度、应用发布、应用签约和终端管理功能，并通过模块化方式融入业务网络管理域，并实现单一功能的标准化和模块化。对终端接入控制和用户的认证纳入统一架构，确保客户管理、用户计费和业务开通信息的同步和准确。
3.5 智能云应用层
基于物联网的云图书馆应用涵盖整个云图书馆业务的管理、维护、操作等。主要包括以图书流转为核心的图书借阅、图书编目、图书采访、图书归架等功能，虽然每个图书馆的业务都是重复的，具体差别主要体现在馆藏资源、用户地域、借出图书流动性不确定等方面。基于物联网的智能云图书馆不但可以有效地把图书馆共同的业务功能整合到一起，还可以根据图书所有者属性差异化的个性特征，自动跟踪传递管理流通中的馆藏资源。在云图书馆平台上运行这些服务，不仅扩大了图书馆的用户服务范围和业务功能，还把分散的图书馆、海量的图书文献和广大读者有机整合。
4 基于物联网的智能“云图书馆”信息流分析
4.1 基于物联网的智能“云图书馆”的信息流
信息流一方面是指图书在馆内流转和管理的过程中产生的数据传递过程，另一方面是指图书在流通环节通过智能感应终端，对图书监控和使用情况进行数据传递。基于物联网的智能“云图书馆”的信息流，依赖于云图书馆链接的网络，使众多图书馆信息化管理成为一个整体，图书被借阅后，在智能感应终端内生成相关的借阅数据，图书馆通过定位系统定期确定图书的物理空间位置信息，并通过网络把图书归还信息传递给图书所有者，及时提醒读者按时归还，读者可以选择就近的图书馆归还图书，这时，借出的图书馆在管理信息中标记上图书已经归还，在归还途中尚未入库。然后通过第三方物流系统，把图书送回原馆，此过程可利用定位系统对图书进行跟踪。见图2。
图2 物联网智能“云图书馆”业务流程
4.2 基于物联网的智能“云图书馆”的信息流特征分析
未来物联网运营平台需要存储数以亿计的传感设备在不同时间采集的海量信息，并对这些信息进行汇总、拆分、统计、备份，这需要弹性增长的存储资源、网络传输资源和大规模的并行计算能力。基于物联网的智能“云图书馆”的信息流特征呈现出终端标志个性化和数据流量海量化两个特征。一方面，每个图书文献都携带了独一无二的标志信息，可作为独立的感知终端，其智能芯片除了携带不可改变基本属性的信息之外，还包括用来识别图书拥有者、图书编号、图书存储位置、图书管理者等相对稳定的信息，另外还包括图书借阅者、图书借阅时间、归还时间等动态的信息；另一方面，在基于物联网的云图书馆中，每一个图书文献都是一个感知单元，面对图书馆海量馆藏，每一个文献的感知芯片上又都携带许多不变数据和可变数据，智能感知设备对海量图书进行管理，呈现一种海量信息管理状态。图书文献的数量、流动性和图书管理环节，决定智能物联网在对图书的管理上，所感知的海量信息都要经过网络进行及时传输，大流量信息对云计算图书馆网络建设与传输提出更高的要求。
5 基于物联网的智能“云图书馆”的关键技术
5.1 智能识别技术
智能识别技术一般包括RIFD技术、定位技术。RFID技术是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别对象并获取相关数据[11]。RIFD感应器分为有源和无源两种方式，图书馆领域应用无源高频段比较多。高频段的感应器可以通过腐蚀或者印刷的方式制作天线，也可以把一些数据写进标签之中，比较适合在图书上应用。但无源高频段存在传输距离比较短和短时间处理数据量不大的缺点。目前的卫星定位系统主要指GPS系统，我国北斗定位系统的民用服务最近宣布将向民用开发定位服务，因其芯片价格低廉的优势，预计可在物联网智能云图书馆领域被充分利用。移动通信定位需要专门的通信设备，价格较高，相对于图书应用还有一定困难。卫星定位和手机定位需要专门的设备和不间断的电源，其中卫星定位精度较高，但要依赖于全球卫星网络系统，手机定位系统相对比较大众化，定位精度一般，需要依赖已经建立的移动通信网络，这部分网络已经比较成熟。RIFD定位相比较前两种定位技术，不需要卫星和移动网络，其关键是RIFD读写器的分布与设立情况，一般传输距离比较近，适合于图书馆内部的文献管理。卫星定位则适合于对脱离图书馆的图书文献进行跟踪定位管理。
5.2 传感器技术
传感器是指能感受(或响应)规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号的输出器件或装置，可以将检测到的信息按需要的形式输出，能够感知、获取和监测图书信息[12]。基于物联网的智能云图书馆中，传感器是最基础的应用，传输器节点通常由数据采集、数据处理、数据接收和传输构成。随着技术的发展，传感器的应用领域越来越广。嵌入式智能技术是实现传感智能化的重要发展趋势之一[13]，例如，可将芯片直接印刷到图书上，不怕弯曲和磕碰。有利于对图书文献原始信息进行可靠的捕获和转换，并实现准确地测试和控制。
5.3 网络通信技术
基于物联网的云图书馆的传感网络主要应用于图书馆内的近距离网络通信技术和图书馆外的广域网络传输通信技术。近距离通信方面主要指对RFID芯片数据采集、数据处理、数据的传输过程。RFID近距离通信网络也称为传感网，由传感器模块、处理模块、无线通信模块和能量供应模块4个部分组成。其数据传输协议遵循ISO/IEC18000标准。在广域网路通信方面，主要指两个方面，一是图书通过卫星定位网络传输数据；二是利用在互联网组成的云图书馆网络，传输图书文献的馆际互借、跨馆归还等信息与数据。广域网络通信主要包括IP互联网、卫星通信网络、移动通信网络技术等实现信息的远程传输。
6 基于物联网的智能云图书馆发展趋势及面临的挑战
云计算物联网平台的开发、结构设计、中间件设计以及智能识别感应技术中，其中最为关键点就是EAI(企业应用集成)，EAI是图书馆信息化建设的基础，可以把不同平台上用不同方案建立的异构图书馆应用集成到一起，使之成为物联网云计算的超级服务器，使物联网“云图书馆”的感应识别无处不在。
6.1 嵌入式智能感应芯片技术面临的突破
嵌入式智能芯片技术不仅是图书馆智能化的关键，也是物联网技术发展与成熟的关键。大致包括两种功能：一是静态功能，一般不带电源，具有移动性、被感知能力和少量的数据存储能力，不具备计算和联网能力，仅提供被动的链接。二是动态功能，一般带有电源，具有移动、感知、存储、计算和联网能力。可以收集、整理复杂信息，甚至可以更改嵌入式程序而改变节点。对于图书馆来说，智能感应芯片的智能化要求主要是微型化、智能化、高容量化。需要实现智能标志信息、智能定位信息、内容存储信息、动态变化信息等的完美融合。未来智能芯片技术在功能化融合、高容量存储技术与微型化之间还需有所突破。
6.2 感应节点的建设规模与布局的挑战
基于物联网的云图书馆读写标签的感应节点包括两类，一是标签感知节点，二是空间定位跟踪节点。标签感知节点需要拥有读写器设备及相应的管理系统，空间定位节点则需要购买卫星定位管理系统，这些都需要图书馆购置大量的设备。哪些图书馆需要成为感应节点？需要多少图书馆成为感应节点？这些图书馆怎样进行空间布局？诸如此类的问题都为物联网智能云图书馆综合规划带来了挑战。另外，物联网是由大量传感网节点构成的，在信息感知的过程中，各个流动感知标签的数据传输会占用大量的网络带宽，这显然是不可行的。在图书馆应用中，多数情况只关心监测结果，并不需要收集大量原始数据，采用数据融合和智能处理技术是处理该类问题的有效手段，人工智能理论包括智能信息获取、海量信息处理、信息特征识别和数据融合、物理信号处理与识别等基础技术在图书馆领域急需进一步研发与应用。
6.3 云图书馆传感网络建设面临的突破
就物联网云图书馆体系结构而言，其网络融合了互联网、移动网乃至卫星定位网，需要整合多网传输协议，尤其是移动网络和卫星网络和云图书馆网络接口和协议的研究。云图书馆传感网络需依托多种网络通信协议、云图书馆管理系统和物联网应用支撑技术。其中，图书馆云计算网络的架构与实现需要虚拟化技术、网格技术、并行计算技术的支撑，云计算图书馆的系统开发和部署还需要较长的时间才能实现。这就要求将现代的先进微电子技术、芯片设计技术、纳米材料与技术、现代信息通信技术、计算机网络技术、云图书馆网络架构技术等有机结合，以实现其微型化、集成化、多功能化及智能化，特别是实现传感器网络特有的超低功耗系统设计技术需要较大突破。
6.4 标准化编码
物联网技术在图书文献的标准化主要有，基于物联网的图书编目标准；基于多种手段识别感应编码和传输协议的规范，图书馆物联网的架构规范，感应识别终端与平台的接口标准与规范，不同图书馆自定义编码的规范。一般分为基本属性编码和通信编码，基本属性编码包括图书编目信息编码、图书所有者身份编码、图书管理信息编码等。通信编码包括网络协议、安全识别、识别接口、通信接口等。
7 结束语
目前，图书馆物联网技术应用主要停留在传感器和近距离通信的初级阶段，主要是RFID技术的使用，图书馆使用RFID仅仅在自助借还和理架上发挥效用，物联网应用局限在感知识别和馆内文献管理上，大多数图书馆对物联网应用重视不够，技术研发力量不足，有待于深度挖掘和进一步普及。基于物联网的智能云图书馆的研究和开发是图书馆面临前所未有的机遇，更是巨大的挑战。将“物理图书”纳入到“云”中，则是图书馆未来发展的一个大趋势。物联网和云计算技术相互弥补、相互融合，有利于图书馆从局域走向泛在，真正成为无时不有，无所不含的信息空间，为读者提供超强的环境感知、内容感知以及智能服务。对于物联网和云图书馆的融合，需要图书馆界投入更大的热情，进行更加深入的研究、探索和实践。