基于图书馆Wi-Fi 网络的智能应用研究

(天津图书馆，天津 300201)

1 Wi-Fi 概述及其在图书馆行业的应用背景

Wi-Fi 全称Wireless Fidelity，是无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）的重要组成部分，最早出现于1999 年，是Wi-Fi 联盟（当时名为Wireless Ethernet Compatibility Alliance，WECA，后于2002 年10 月改名为Wi-Fi Alliance）产品的品牌认证[1]，也是一种基于IEEE 802.11 标准最为常见的WLAN 通信技术。与同属WLAN 体系的Bluetooth、Zigbee、HomeRF 等无线技术相比，Wi-Fi 具有更广的信号覆盖范围、更高的数据传输速率、更安全的访问控制技术和更开放的设备使用条件，与无线移动网络（如2G/3G/4G/5G）相比又具有信号穿透力强、易部署、免资费等优势，因此被广泛应用于室内外移动通信、路径导航、目标定位和数据采集等领域。中国知网数据显示，图书馆行业最早关于Wi-Fi 的研究是2000 年张华发表的 《无线局域网在图书馆自动化中的应用和影响》 一文。2003 年起随着“智慧图书馆”“图书馆虚拟空间”等概念的相继提出，Wi-Fi 逐渐被图书馆行业重视，针对Wi-Fi 网络的探索、研究和应用进入快速发展阶段。2004 年清华大学、上海交通大学、复旦大学等国内多所一流大学率先在校园部署无线局域网[2]，成为Wi-Fi 网络建设和应用的先驱。2005 年西安交通大学图书馆[3]率先使用接入点（Access Point，AP）、无线接入控制器（AC）、无线终端（Station，STA）和无线网络管理系统的技术架构成功解决了Wi-Fi 网络全覆盖环境下的安全控制和用户管理问题；2010 年北京邮电大学图书馆通过J2EE+NOKIA 地图导航系统架构和RFID+Wi-Fi+Zigbee 感知定位技术开发出智能图书馆示范系统，实现手机图书智能清点、OPAC 感知定位和基于位置的读者信息推送等功能，为图书馆行业开发和部署基于物联网的智慧图书馆提供了策略指导[4]。在21 世纪第一个10 年，图书馆行业在普及和深入推进Wi-Fi 技术应用方面发挥了积极的示范作用。随着Wi-Fi4、Wi-Fi5、Wi-Fi6（表1）标准在第二个10 年的不断更新，基于Wi-Fi 的融合技术已在社会多个领域发挥出更具创新性的应用价值，例如近年来STA 数量的爆发式增长为4G、5G 等移动通信网络造成了巨大负担[5]，而Wi-Fi 能有效承载分流，成为4G 和5G 网络覆盖盲区的最有力补充，极大缓解了运营商的服务压力。2019 年7 月深圳福田地铁站使用Wi-Fi6+5G 建成全国首个智慧交通枢纽，通过免费网络接入和数字支付方式极大改善了旅客乘车体验。国外学者研究发现通过物联网驱动的Wi-Fi 节点信号强度指标（RSSI）能准确定位搜救目标[6]，解决了以往在没有任何GPS和5G 信号的矿井内无法及时发现遇险矿工的难题。图书馆应该从其他行业对Wi-Fi 技术的创新应用中汲取灵感，创新思路，帮助自身摆脱发展过程中遇到的各种困境。

表1 无线局域网标准Table 1 WLAN standard

2 Wi-Fi 网络规划和管理

美国早在2004 年就提出了“无线费城计划”，自此无线城市建设浪潮开始席卷全球。2013 年中国移动提出Wi-Fi、GSM、TD-SCDMA 和LTE“四网协同”战略[7]，确立了Wi-Fi 长期发展思想，中国“十三五”规划则明确要求要加快信息网络新技术开发应用，在城镇热点公共区域推广免费高速WLAN 接入[8]。随着国家Wi-Fi 网络建设计划的推进和建设规模的进一步扩大，城镇级公共区域的Wi-Fi 全覆盖将势在必行。

2.1 Wi-Fi 网络架构

图书馆应根据馆舍建筑空间和知识服务对象等条件和需求，遵循实用、全面、安全、易于维护和可弹性扩展等原则规划Wi-Fi 网络。

目前图书馆行业通常采用非独立式无线网络架构进行组网[9]，以有效整合LAN 和WLAN 资源，实现优势互补。如图1 所示，一个典型的Wi-Fi 网络主要包含有PoE 交换机、AC、AP 和STA 等设备，由PoE 交换机连接各AP，由AC 完成AP 的数据汇聚、配置管理以及STA 的接入认证，通过向上接入核心层交换机并汇入LAN 骨干网络实现Internet 数据通信。PoE 交换机、AC 和AP 的组网模式能够实现统一用户接入、上网行为管理和自动规划射频等基础功能，在集中管控全网设备的基础上进一步减少人工干预[10]，AP 可设置成与AC 自动关联以实时获取配置列表和更新软件版本，最大程度上实现零配置、免维护和即插即用，节省网络管理成本。为进一步加强用户接入认证安全，应在汇聚层交换机接入Radius 认证服务器控制Wi-Fi接入用户的身份认证。为均衡网络和服务器性能开销，提高网络安全防护能力，应在核心交换机上部署负载均衡（LB）、入侵检测（IDS）、入侵防御（IPS）和应用控制网关（ACG）等安全业务板卡。核心交换机旁路接入上网行为管理设备实现对Wi-Fi 接入用户的实时行为管控。

2.2 安全管理和优化

Wi-Fi 信号易被搜索发现且STA 到AP 的整个接入和数据通信过程都暴露在空气介质中，有被非法用户接入并获取密码的风险[11]，为有效降低风险应采取用户接入认证[12]、用户分级和非法用户入侵防御等安全管理措施。现阶段常用的安全措施包括：①配置802.1X、Portal、Radius 等认证服务器实现对接入用户的识别和审计，从源头上加强用户准入管理；②针对用户角色，如图书馆工作人员、读者和临时访客等接入用户划分VLAN 和SSID，通过设置不同权限实现精细识别；③使用MAC 地址绑定、IP 地址过滤、WPA/WPA2 加密等基础手段提高安全防御，据了解目前国外研究人员已成功使用椭圆曲线伪随机数发生器（BBS-ECPRNG）算法生成比WPA2 更难以被破解的密码[13]，并有望在将来的无线路由器产品中加以应用；④通过上网行为管理软硬件产品提供的防共享技术和非法Wi-Fi 热点识别技术侦测网络攻击，识别并封堵非法用户，实现主动防御。

带宽是影响Wi-Fi 接入用户体验效果的直接因素，应考虑提高互联网出口总带宽，采取独立千兆光纤接入或提高单用户接入速度等措施优化无线网络服务质量。在准入策略上应提供更丰富的用户认证方式如读者证、身份证、短信、二维码等，进一步提高接入灵活性。

3 图书馆Wi-Fi 智能应用场景及模式研究

图1 图书馆Wi-Fi 网络架构Fig.1 Library's Wi-Fi network architecture

经过对Wi-Fi 技术近20 年的探索和应用，包括公共图书馆、高校图书馆、行业图书馆等在内的社会公益性服务机构、教育机构和商业机构都在不断推动Wi-Fi 和物联网、GPS、大数据、人工智能等技术的融合应用中做出了大量尝试，以不断挖掘其在知识服务和智能管理领域的深层应用价值。

3.1 创新图书馆知识服务场景

范并思教授认为信息技术是过去20 年图书馆事业发生巨变的决定性推动力量之一[14]，新技术应用使数字化、移动化、自助化的知识服务发展为更具活力和核心价值的图书馆主流服务模式。基于Wi-Fi 接入的移动式阅读因具有用户泛在化特性，为全民阅读推广提供了新的服务思路[15]，进一步丰富了图书馆知识服务内容。

3.1.1 更灵活的移动阅读

Wi-Fi 凭借其移动互联特性助力图书馆更灵活地开展移动型数字阅读服务。读者以往在电子阅览室、数字体验区等固定场地的视听、阅览体验常常受开放时间、空间、设备和座位数量等条件限制，在Wi-Fi 网络环境下读者可以选择使用图书馆提供或个人自带的移动阅读设备更加灵活便捷地进行数字阅读。国家图书馆、太原市图书馆等国内多家图书馆均开通了电子书阅读器外借和数字资源免费下载服务，读者可选择租借图书馆提供的预装有数字资源的手持电子书阅读器，或使用手机、平板电脑等智能终端免费下载使用数字资源。通过稳定、快速的无线网络接入营造移动式数字阅读环境，打破读者以往只能在图书馆固定区域才能进行数字阅读的限制，进一步丰富了读者的阅读体验。

3.1.2 更准确的文献定位

以往读者和图书管理员需要根据索书号或排架号寻找在架目标文献，查找效率低，而通过RFID 标签识别、GPS 和Wi-Fi 定位等技术融合，在文献阅览室、书库等过去较难进行文献精确查找的大面积区域实现文献的准确定位，不仅有效解决了图书架位布局受限和布线复杂等问题，而且大幅提高了工作人员图书盘点和排架的工作效率。目前基于Wi-Fi 的图书智能定位导航系统已在图书馆投入应用，比较典型的有北京联合大学图书馆研发的图书智能定位系统[16]，该系统利用RFID 图书信息采集系统读取在架图书的状态数据，经Wi-Fi 同步至图书管理系统数据库，实现图书智能定位和无线书联网，帮助读者和工作人员更加快速准确地寻找到目标文献。在Wi-Fi 接入环境下读者还可以通过移动终端实时获取图书馆发布的动态信息，如文献借阅排行、在架图书信息、流通统计、阅览自习室座位使用率等实时数据，更加快捷、高效地利用图书馆资源。

3.1.3 更智能的人机交互

少年儿童、老年人和残障读者是图书馆特别重视的服务群体。为该群体提供更具吸引力和关怀力的引导、辅助式阅读服务是体现图书馆公共文化服务均等化的有利举措，基于Wi-Fi 的移动智能服务能够更方便地引导低龄、老龄和残障读者完成自助阅读，体现图书馆的人文关怀。例如天津图书馆、萧山图书馆、西南大学图书馆等多家图书馆均使用了智能服务机器人为读者提供问路指引、图书检索、知识问答等丰富的互动功能；西南大学图书馆则面向特殊群体如残障、视障读者提供了可安装在轮椅和盲人拐杖等工具上的一键式无线通信设备[17]，极大改善了自助阅读条件。

3.1.4 更便捷的移动支付

截至2020 年3 月，中国手机支付用户数量已超过7.65 亿，占手机网民的85.3[18]，移动支付规模居全球第一。借助支付宝、微信等移动支付平台收取押金、文献逾期、图书赔偿、文印和代检代查委托等有偿服务费用，通过免现金支付形式简化读者缴费服务，成为目前图书馆行业的主流结算形式，如上海交通大学基于移动认证与支付的图书馆自助文印平台[19]，使用“移动认证”+“移动支付”的运营模式节省读者刷卡认证和人工支付等环节，成为Wi-Fi 在智慧图书馆自助服务中的典型应用。

3.1.5 更便民的延伸服务

在Wi-Fi 全覆盖环境下，通过无线路由器和自助阅读机的简单组合即可解决图书馆下属各级文化服务场所纸质馆藏量受限和服务模式单一等问题，更好实现图书馆总分馆模式下数字资源借阅服务的全面覆盖。如天津市和平区图书馆在各商业网点内设置的数字阅读机可通过Wi-Fi 连接至图书馆云端服务器，实时更新数据库资源，读者仅需扫描二维码即可实现纸质图书借还和电子资源下载阅览，通过这种小、快、灵的数字服务模式进一步提高图书资源流通效率，拓宽图书借阅服务渠道（表2）。

3.2 完善图书馆智慧管理模式

李彩宁[20]认为智慧型图书馆应以秉承图书馆基本职能与核心价值为前提，依托信息技术，利用互联、感知等智能化技术深入挖掘用户信息资源，在不同应用场景下提供更为精准化的服务，通过不断优化业务流程提升服务效能，实现自身可持续发展。随着移动通信技术的快速发展和配套STA 产品的市场普及，移动互联数据已在图书馆行业体现出越来越重要的战略价值，较之4G、5G 的高资费和信号覆盖差等劣势，Wi-Fi 的免费接入和全覆盖能吸引更多读者来到图书馆，成为获取移动互联数据的最直接途径。

3.2.1 基于移动数据的决策分析

自2013 年以来图书馆行业开始认识到无线网络带来的大数据方面的价值[21]。融合RFID 和Wi-Fi 技术，通过大数据分析生成移动用户数据逐渐成为智慧无线网络的重要价值体现。Wi-Fi 精度高、范围广、速度快[22]的特点比蓝牙、红外线等室内定位技术更适用于图书馆场景内的移动定位。Wi-Fi 无线网络全区域覆盖则进一步方便了到馆读者的无障碍接入，通过RFID 和GPS 等技术采集文献实时在架状态、读者活动轨迹、STA 设备信息等移动大数据，对采集到的各种不同类型的数据进行关联、分析，帮助图书馆管理者合理调整馆藏文献资源和服务空间布局，为图书馆实施精准化服务提供客观的策略指导，成为Wi-Fi 又一极富潜力的应用。例如韩国学者通过追踪读者在公共图书馆使用Wi-Fi 行为，发现基于Wi-Fi 信号数据的空间模式分析[23]比以往的观测方法能更有效提高图书馆空间利用率。国内研究人员借助基于Wi-Fi 信号强度指示数据的卷积神经网络将稳定误差1.5m 以内的定位精度提升至85%[24]，上述分析思维和精确定位方法都将对图书馆Wi-Fi 创新应用带来启迪。

表2 图书馆Wi-Fi 应用Fig.2 Library's Wi-Fi applications

3.2.2 基于移动数据的用户画像

作为移动互联网重要的流量入口，Wi-Fi 网络长时间、高频次和低门槛的接入特点在一定程度上提高了用户使用黏性，使其成为图书馆获取读者行为数据的有效途径。通过采集STA 信息，将MAC 地址数据、读者身份数据、文献借还数据、知识搜索行为数据和位置活动数据等多维度交叉数据深入融合，利用大数据分析推断和预测读者利用知识信息的特征和规律，作出可视化描述，生成更为完整细致的用户画像，有助于进一步构建以用户为中心的数字图书馆知识发现体系，实现图书馆个性化、精准化信息服务。

3.2.3 基于Wi-Fi 的移动图书管理

Wi-Fi 网络能够帮助图书管理员突破工作位置固定、管理方式单一的条件限制，实现文献的跨区域移动式管理。例如安徽广播电视大学图书馆基于Wi-Fi的便携式图书管理系统[25]能有效协助工作人员完成文献定位、实时盘点、智能排架和移动借还等图书流通管理工作，该系统还具有提示并引导读者将已归还或阅毕的文献即时自助上架的功能，帮助读者养成阅后即归还、还完即归架，方便他人查找使用的良好阅读习惯，在提升公共阅读素质方面起到了较好的推动作用。

4 对图书馆Wi-Fi 智能应用的再思考

通过对国内外基于Wi-Fi 技术智能应用的研究发现，图书馆行业对Wi-Fi 技术的开发和应用力度还有待进一步加强，相当一部分图书馆还存在重理论轻应用，重示范轻推广的现象，有些图书馆虽然比较重视Wi-Fi 网络的建设和管理，却仍停留在互联网访问的浅层应用阶段，并没有对Wi-Fi 的智能应用进行深入研究，有些图书馆虽然开发出像文献定位、架位导航、人机交互和移动数据采集等示范型应用或创新型设计，但未能将这些小规模、零散的研究成果转化为成熟的产品并在行业内加以大面积宣传推广，Wi-Fi 创新型应用的星星之火尚难以发展为燎原之势，因此图书馆今后应大力巩固和优化Wi-Fi 技术研究成果，不断从其他行业最新的研究成果中汲取先进应用经验，加强自身Wi-Fi 技术成果的分享和推广应用，使Wi-Fi 蕴含的技术应用潜力在知识服务和智慧管理领域得到新一轮挖掘和释放。Wi-Fi 在其20 余年的发展过程中一直展现出强大的生命力，在当前信息技术快速发展的良好科技生态环境下，Wi-Fi+APP、Wi-Fi+O2O、Wi-Fi+大数据、Wi-Fi+二维码、Wi-Fi+GPS、Wi-Fi+RFID、Wi-Fi+5G、Wi-Fi+设备租赁等“Wi-Fi+”模式或大行其道，或初露锋芒，笔者相信随着计算机通信技术的进一步发展，Wi-Fi 将会以更智能的接入方式、更安全的管理手段、更优质的用户体验和更丰富的应用场景，为完善图书馆智慧服务体系创造出更新、更大、更可持续的应用价值。