基于GIS技术的高校图书馆座位管理系统

张静端

(东华大学 图书馆， 上海 201620)

基于GIS技术的高校图书馆座位管理系统

张静端

(东华大学 图书馆， 上海 201620)

摘要：为解决高校图书馆自习室座位不合理占用、使用效率低的问题，将地理信息系统(GIS)与图书馆座位系统结合，采用客户端/服务器模式(C/S)和浏览器/服务器模式(B/S)相结合的数据库结构技术和传感器技术，研制了基于GIS的图书馆座位管理系统.该系统具有座位查询、座位定位及座位预约等功能，可有效减少占座现象，其可视化的友好界面方便学生操作，为学生营造了良好的学习环境.

关键词：图书馆； 地理信息系统(GIS)； 座位查询； 座位定位； 座位预约； 热释红外探测器

高校图书馆自习室是学生学习的重要场所.随着高校学生人数增多，而图书馆自习室座位资源有限，因此，许多高校的图书馆自习室出现座位寻找费时、占座位等现象[1-9]，造成座位有效使用率严重降低以及物品失窃等不安全隐患，扰乱了正常的学习秩序.各高校采取了不同的图书馆座位管理方法.部分高校采用摇号分配图书馆座位[10]，另有部分高校安装各类图书馆座位管理系统[11-18]，例如基于单片机和红外接近开关的图书馆座位管理系统[11]、基于压力传感的图书馆座位管理系统[12]、基于无线射频识别(RFID)的图书馆座位管理系统[13-15]等.

采用摇号分配图书馆座位的措施在操作上比较快捷，并在很大程度上便于学校维持图书馆秩序，但摇号方式随机性大，对学生有失公平，同时降低了图书馆自习室的使用效率.

基于单片机和红外接近开关的图书馆座位管理系统是一个以单片机作为控制核心, 由移位寄存器和发光二极管(LED)组成显示模块以及红外接近开关构成传感器单元的监控管理系统.该系统具有硬件电路简单、软件功能完善、控制系统可靠的特点，在一定程度上避免了乱占座位，使图书馆座位得到进一步的利用.但该系统依然存在寻找座位费时和他人帮忙占座问题，同时没有提供座位预约、座位定位功能以及没有友好的可视化人机操作界面.

基于压力传感的图书馆座位管理系统是在座位底部安装压力传感器，通过检测压力判断座位上是否有学生，并对学生离开座位的时间计时，对比学生人体重量以防止他人抢座或帮忙占座.座位使用情况可在触摸屏上显示.该系统在很大程度上减少了乱占座位的不文明现象，使座位得到公平合理的利用，实现数字化管理，但不能对座位提前预约，利用率低、人机操作界面简单等问题依然存在.

基于RFID的图书馆座位管理系统结合了RFID 技术、红外线感应技术以及学生信息管理软件.RFID电子标签内存储了学生的姓名、学号等关键信息，并与学生的校园卡集成在一起. RFID读写器对可识别范围内集成RFID电子标签的校园卡读取学生身份信息，将读取信息与管理软件中学生信息进行比对，用以判断该学生是否拥有图书馆座位使用权限.该系统利用现代技术手段完善高校图书馆的管理方法，弥补以往仅靠人工管理的不足，为学生创造了良好的学习环境，但无法提前预约座位、不能提供友好人机界面，而且成本略高于学校所能承受的范围.

本文提出基于地理信息系统(GIS)的图书馆座位管理系统，可以有效地解决上述图书馆座位管理系统存在的问题.本系统与校园网相连，具有访问权限的学生可在任意一台远程计算机上进行实时座位查询、座位定位、座位预约.图书馆大厅内安装具有触摸显示屏的计算机终端，同样可以进行上述座位操作.本系统提供了可视化、友好的人机操作界面.

1系统总体设计

本文将图书馆座位的空间信息管理与属性信息管理相结合，并将这些信息保存在系统数据库内，采用已矢量化的纸质地图(即数字化地图) 或分布图方式，增加了系统直观性，实现了图书馆座位分布及使用情况的可视化管理.本系统分为6部分：远程计算机、计算机终端、触摸屏显示单元、数据处理单元、区域子系统单元、探测器单元，系统总体结构如图1所示.在图书馆自习室座位上安装具有热释红外传感器的探测器，用以检测座位当前使用情况.

图1　图书馆座位管理系统总体结构Fig.1　The overall structure of library seat management system

2系统工作原理

图书馆内座位具有“占用”“空闲”“预约”3种状态，并在座位靠背上装有指示灯.当指示灯为红色，表明座位上有人；指示灯为绿色，表明座位上没人并且无人预约；指示灯为黄色，表明座位已被预定.学生可在计算机终端的触摸屏上或具有访问权限的远程计算机上，对图书馆内座位状态进行座位查询、座位所在位置定位、座位预约等操作.

2.1座位查询

在计算机终端的触摸屏上或具有访问权限的远程计算机上选择需查询的自习室号，系统就会调取GIS图书馆座位管理系统的数据库内对应自习室座位使用情况数据，并以数字化地图或分布图方式显示在触摸屏上或远程计算机上，学生可以一目了然地了解该自习室座位使用情况.

2.2座位定位

在计算机终端的触摸屏上或具有访问权限的远程计算机上选择出发地点和目标座位，GIS图书馆座位管理系统根据数据库内的数据采用最短路径分析方法，计算出从出发地点到目标座位的最佳路径，同时在触摸屏上以地图图形方式显示该路径、所需时间等信息，以方便学生快速到达所定座位，从而节省路程时间.座位定位工作原理如图2所示.

图2　座位定位工作原理Fig.2　Working principle of the seat positioning

2.3座位预约

在计算机终端的触摸屏上或具有访问权限的远程计算机上点击 “预约”按钮，选择自习室内处于“空闲”状态的座位，计算机终端将该座位的预约数据通过通用串行总线(USB)通信方式将操作指令发送给数据处理单元，数据处理单元接收到操作指令进行命令和数据处理后，通过无线通信方式发送给相应的区域子系统，区域子系统再通过无线通信方式将该操作指令发送给指定的探测器单元，探测器处理单元根据接收到的指令，点亮指定座位指示灯，此时状态指示灯为黄色，以标明该座位处于“预约”状态.座位预约工作原理如图3所示.

图3　座位预约工作原理Fig.3　Working principle of the seat reservation

3系统模块及基本功能

3.1远程计算机

为方便广大学生使用图书馆自习室座位资源，节省座位查询、座位预约而往返图书馆的时间，本系统提供图书馆座位管理网站.远程计算机与计算机终端通过WAN(TCP/IP)相连.学生在远程计算机登录该网站，通过相应的身份认证就可以在远程计算机上进行座位查询、座位定位及座位预约等操作.

3.2计算机终端(GIS图书馆座位管理系统)

本系统针对与自习室座位有关的空间信息、属性信息等进行及时、有效的管理，这些信息以地图、图形或数据等形式在计算机终端上进行实时显示，实现可视化的直观效果.计算机终端主要由数据库系统和信息处理(座位定位、座位查询、座位预约等)功能组成，如图4所示.该系统具有空间数据管理、空间数据查询、空间图形显示、空间信息分析等功能.

图4　系统结构图Fig.4　System architecture diagram

空间数据库主要存储描述图书馆自习室座位所处位置或区域等空间信息.为了便于管理，图书馆座位的空间信息以区域为单位进行分层处理，即根据数据的性质分类，将性质相同或相近的归在一起形成一个数据层.如将图书馆座位的空间数据按楼层划分为多个图层类.每个图层类又可细分为若干个图层,如以某层一个独立自习室为一个图层.

属性数据库主要包括空间数据属性信息库，用于存储对应于空间实体的地理特征信息，如描述性信息及关键词.由于专题图是非常理想的可视化分析工具，因此，属性信息的表达可以用专题图来实现.

3.3数据处理单元

数据处理单元主要有通信功能，负责区域子系统与计算机终端的通信，通常安装在计算机终端附近.数据处理单元与区域子系统间采用无线通信方式，遵循无线通信协议；其与计算机终端间采用USB通信方式，遵循USB标准通信协议.

3.4触摸屏显示单元

触摸显示单元为人与计算机提供了友好的操作界面.触摸显示单元以地图、图形或数据等方式显示图书馆座位使用情况.触摸显示单元通过数据总线与计算机终端相连，使用特定的数据通信协议.为使用方便，可在图书馆内放置多个计算机终端与触摸屏显示单元.

3.5区域子系统

将整个图书馆自习室按房间分布情况、面积大小等综合指标分成若干个区域，称为分区.在每个分区内安装一台区域子系统，用于管理该分区内安装在所有座位上的人体探测器，与数据处理单元及探测器间均采用无线通信方式，遵循无线通信协议.

3.6热释红外探测器单元

本系统主要采用热释红外传感器，有效探测距离为0.3 m，其原理如图5所示.该探测器与区域子系统间采用无线通信方式，遵循无线通信协议.状态指示灯为红色、绿色、黄色3种状态，分别对应座位的“占用”“空闲”“预约”.

图5　红外探测器原理Fig.5　Principle of infrared detector

4关键问题及其解决方法

4.1座位定位问题

本系统的座位定位功能，即查找从出发地点到目标座位的最佳路径，包括路程最短或用时最快，可以由GIS系统的最短路径技术实现.最短路径问题求解算法有很多，主要有Dijkstra算法、SPFA(shortest path faster algorithm)、Bellman-Ford算法和Floyd-Warshall算法，不同算法对比如表1所示.

表1　最短路径算法对比

由于本系统的图书馆自习室座位较多，即网络的节点数较多，导致最短路径算法的时间复杂度和空间复杂度都相当可观，因此Dijkstra算法为最佳，但该算法在图形数据的存储空间及程序运行效率上还存在一定的问题.为此本系统采用一种改进的Dijkstra算法.用改进的Dijkstra算法构造数据结构的存储网络，其具体代码如下：

Public Type Seatnode(点结构)

Dim Seatnode ID() As Integer'节点ID，唯一标识节点

Dim AdjoinSeatnode ID() As Integer'邻接节点ID

Dim AdjoinNum() As Integer'邻接弧段数量

Dim AdjoinSeatArcID() As Integer'邻接弧段ID

Dim AdjoinClamp() As Double'指向邻接节点的矢量的角度

End Type

Public Type SeatArc(弧结构)

Dim SeatArcID() As Integer'弧段ID，唯一标识弧段

Dim SeatArcLength() As Double'弧段长

End Type

改进的Dijkstra算法在数据存储空间上，由于节点对象大小不固定，所以避免了数据冗余,因此，其需要的存储空间较小.

改进的Dijkstra算法在求解最短路径过程中起、止点具有方向性趋势，在遍历节点时，每次搜索过程中仅考虑当前节点的邻节点，故修改次数较少，而在经典Dijkstra算法中，每次都对未确定永久标号的节点进行遍历，故修改次数较多.因此，改进的Dijkstra算法较经典Dijkstra算法提高了程序运行效率.

4.2图书馆座位专题图

本系统采用客户端/服务器模式(C/S)和浏览器/服务器模式(B/S)相结合的数据库设计方式.数据库中与图书馆座位信息有关的数据通过符号化，以地理信息的载体，即地图形式表达或传输给学生.

为给学生呈现可视化形象的图书馆座位状态，需对普通的图书馆平面图数字化，即GIS专题图.专题图的制作包含导入地形图原图、数字化地图(主要有数字化自习室、数字化多媒体室、数字化楼梯、数字化通道等)、增加图幅比例尺、生成专题图等.图书馆座位专题图制作使用北京超图公司开发的SuperMap Objects软件.因为没有真3维GIS软件产品，为了能真实地再现图书馆室内地形、地物的3维景观，将常规2维空间操作数扩展到2.5维，实现GIS空间数据的3维动态交互可视化.

4.3座位空闲或占用判断

探测器采用热释红外传感器和盛群半导体公司生产的HT46R47智能处理芯片.热释红外传感器感应距离不大于0.3m，感应角度小于10°.HT46R47具有4通道9位解析度的A/D转换器，采集精度高.为节省现场施工布线成本，同时美化环境，探测器采用无线数据通信方式，为此使用锂电池对探测器供电.

对座位空闲或占用状态进行检测时，智能处理芯片HT46R47通过热释红外传感器和A/D转换器进行连续10次数据采集.智能处理芯片对10个数据从小到大进行排序，去掉一个最小值和一个最大值，对其余8个数据求取平均数，将该平均数与A/D转换器满量程值进行比较，用以判断当前座位使用情况.此外，如热释红外传感器的感应距离和感应角度较大时，可以使用黑胶带对菲涅尔透镜进行部分遮光处理.

5系统实现

5.1热释红外探测器检测实现

为减少电量损失，智能处理芯片在无数据收发、数据采集及数据处理时处于睡眠状态，当有外部事件(即有人在座位上)时，芯片被唤醒，退出睡眠状态.红外探测器程序流程如图6所示.

(a) 数据接收流程图 　(b) 主程序数据处理流程图

5.2计算机终端实现

以北京超图公司开发的SuperMap Objects为平台，采用SuperMap Objects 6的地理信息模块，运用SQL Server数据库管理系统，开发工具采用Microsoft Visual Studio. NET,编程语言采用Visual C #. NET.

本系统使用SuperMap Objects的接口功能,调用核心组件库(SuperMap.ocx)、布局组件库(SuperLayout.ocx)、空间分析组件库(SuperAnalyst.ocx)、属性表组件库(Super GirdView.ocx)、工作空间管理组件库(SuperWkspManager.ocx) 等实现各功能模块.

5.3系统时效性

由于图书馆座位维修、更换等动态变化，各分区空间数据时效性强，为使学生第一时间掌握座位变化，及时对数据库进行维护和更新是非常必要的.

6结语

本文利用了GIS中的空间分析、空间数据与属性数据等技术，结合计算机、智能处理芯片等硬件与软件，成功开发了基于GIS的图书馆座位管理系统，实现了图书馆自习室座位查询、座位定位、座位预约等功能.该系统不仅可以减少占座现象，提高座位利用效率，而且提供了友好的可视化和操作界面，为广大学生营造了良好的学习环境.

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Seat Management System of University Library Based on GIS Technology

ZHANGJing-duan

(Library, Donghua University, Shanghai 201620，China)

Abstract:In order to solve the problem that the study room seats of the university library are unreasonably occupied, and the use efficiency of the study room seats is low, the geographic information system (GIS) is combined with library seat system, and the sensor technology and the database technology of combining client/server (C/S) with brower /server (B/S) are used, so that the library seat management system based on GIS is developed. The system has seat inquiry, seat positioning and seat reservation, etc., so it can effectively reduce the phenomenon that the study room seats of the university library are unreasonably occupied. It provides friendly visual interface, and makes students convenient operation and orderly learning environment.

Key words:library; geographic information system (GIS); seat inquiry; seat positioning; seat reservation; heat release infrared detector

文章编号：1671-0444(2016)02-0242-06

收稿日期：20115-11-10

作者简介：张静端(1963—)，女，陕西西安人，学士，馆员，研究方向为图书管理系统.E-mail:zhangjingduan2@163.com

中图分类号：TP 391

文献标志码：A