人工智能背景下图书馆机器人的应用

中国国家图书馆 王宇鸽

人工智能技术的进一步发展和应用对社会各个领域都产生了重大影响，机器人技术的发展也为智慧图书馆建设带来了一个崭新的契机。本文主要针对机器人在图书馆行业中的应用发展现状及存在问题做出分析思考，对未来我国智慧图书馆中机器人的应用架构进行设计。

1956年的达特茅斯(Dartmouth)学会上出现了一个新名词“人工智能”。不同文献对人工智能的定义不一样，比较容易理解的解释就是能够做出和人类大脑相似反应的机器，这个个领域中包括语言识别、机器学习、图像识别、大数据分析和自然语言处理等技术[1]。

目前，世界各国从国家战略角度深入推动人工智能的研究应用，一些机构单位也纷纷将人工智能作为未来的发展方向，围绕人工智能的创新创业也在不断涌现。图书馆的每次重大发展都是伴随着科学技术的创新和突破，伴随着大数据、语音语义、云计算等相关技术的成熟以及机器人硬件性能的不断提升，机器人的外形和功能用途也越来越丰富。“人工智能+”时代机器人进入图书馆是大势所趋，机器人在图书馆的深入应用不仅在于能够有效减轻我国图书馆工作人员的心理压力，提高工作人员的服务质量和实际工作效率，还可以让读者在图书馆中的信息获取和数字阅读变得更加便捷。

1 图书馆机器人的应用研究现状

机器人技术学科是一门交叉学科,是一个包括机械设计、远程诊断、导航定位、自动存储、人工智能语音语义分析、智能扫描、人机交互、语料库规划与设计等一系列学科的集成与应用，将机器人应用于图书馆的图书搬运、图书盘点、图书借还、图书扫描、智能咨询、数字阅读、特殊人群服务等各个场景中，不仅可以提高图书馆的智慧化程度，解决管理和服务过程中的工作效率低问题，也可以提升服务质量和水平，有效提升读者对图书馆相关服务的体验。

1.1 国外图书馆机器人的研究应用现状

国外科研人员很早就开展了图书馆机器人的相关研究和推广应用，主要研究解决图书馆馆员在管理图书和服务过程中遇到的问题，其研究范围比较广泛，涉及到图书馆智能咨询、图书管理、面向特殊人群的服务等。

在智能咨询研究方面，德国汉堡大学等欧洲图书馆最早开展人工智能语音聊天机器人的研究，聊天数据机器人能够通过对学校图书馆的个人网站、聊天室和笔录等各种信息数据资源的信息综合属性分析与数据搜集进行挖掘，进而来改善聊天效果。日本法政大学自主研究的数字信息聊天技术机器人远程学习问答系统，可以对所有包含在该技术知识库信息进行准确解释和回答，并且在与用户交流互动中，能够不断学习更新预料的基本语法和使用规则。阿拉伯开放大学也开发了基于不同语料库自动设计制造和输出不同语言ALICE各种原型的模拟实验,对不同语料库结构进行了基本可视性优化、不同编程语言的训练，为用户提供个性化咨询推荐服务；在图书馆管理方面，德国柏林大学图书馆和日本大阪大学图书馆成功应用了图书自动存取机器人，该机器人能够对图书自主导航和定位，对图书进行上下架；针对残疾人特殊群体，德国不莱梅大学设计了一个为残障人士提供书籍识别、抓取和放回服务。爱尔兰利默里克大学开发的移动机器人可以帮助轻度残障人士或者身体不方便的老年读者进行互动。

1.2 国内图书馆机器人的研究应用现状

国内一些图书馆也在智能机器人方面进行了相关研究和实践，国内图书馆机器人研究大多在探索发展阶段，由于相关技术的成熟度、图书馆语料库的缺失，目前图书馆机器人还不够智能，即使是在专业的图书馆咨询方面也效果一般。笔者通过对CNKI数据库2018-2020年的论文研究现状来看，国内的研究关注点主要在智能咨询、图书盘点管理、机器人预料技术、机器人视觉处理、机器人路线规划设计等方面[2]。国内的机器人应用范围主要是集中在聊天咨询机器人方面。

清华大学图书馆是国内最早对深入探索咨询服务机器人研究的大型综合性大学图书馆，在2010年先后引进成功推出了基于A和AIML的两种人工聪慧智能数字标记咨询语言的书馆咨询服务机器人，后面其他国内大学图书馆也先后成功引进了许多自动智能实时在线参考咨询服务管理机器人，如中国上海交通大学图书馆基于MIMSN的自动智能实时在线语音聊天咨询服务管理机器人、重庆文理学院图书馆基于MIAIMLBot(参考文本自动实时返回)的自动实时在线虚拟智能参考资料咨询查阅服务管理机器人等，以及目前位于中国上海闵行区图书馆智能微信咨询机器人，省级重点公共图书馆位于浙江图书馆智能参考资料查阅在线咨询服务机器人等[3]。国家图书馆自主设计开发的新型数字智能化阅读机器人“小图”实现了聊天咨询功能外，拓展了OPAC系统书籍自动检索、参观讲解、读者卡信息自动查询等业务。南京大学图书馆的盘点机器人，实现对图书的准确定位和盘点。

2 图书馆机器人应用现状的分析思考

笔者对于机器人在国内外各类图书馆领域的应用发展现状问题进行了广泛调研，从上面调研情况来看，图书馆行业已经在机器人的应用方面积累了一定的经验，但是基本还处于试验和测试阶段，尚未大规模进入图书馆真实场景应用阶段，特别是涉及人工智能、图书准确定位和抓取、多机器人协作等技术研究应用还远没有想象中的那么深入[4]。笔者对图书馆机器人的应用进行了梳理和分析，认为机器人在图书馆的深入应用方面存在以下问题需要思考。

2.1 图书馆专业语料库缺失

图书馆服务机器人，不论是停留在原地面向终端读者提供智能咨询屏幕或者机器，还是在图书馆大厅或书架之间具有交互功能的服务类机器人，都应该让读者感觉是在与一个真正图书馆员对话，应该能为读者提供既灵活又智能的服务。但从目前国内图书馆机器人的发展现状来看，由于相关技术的成熟度不够，图书馆专门的语料库尤其是中文语料库严重缺乏,导致现有机器人语境分析能力和语义分析能力比较弱，机器人提供的服务经常无法给读者提供准确的语义回答，图书馆机器人普遍存在对图书馆专业词汇和中文自然语言的理解处理有误，也无法根据自然语言问题进行后续深度自我学习和动态更新，这些都导致目前机器人大脑不够智慧，所提供的专业咨询和服务效果一般。因此今后图书馆应该高度地重视对图书馆专业语料库方面的机器人建设，研究重点也应放在图书馆专业语料库的自动化创建、语法规则库的更新、机器人的深度自我学习方面[5]。

2.2 语音语义识别响应方面存在网络延迟

目前国内应用图书馆机器人，通常在用户对机器人说话时，机器人通过6麦阵列麦克风进行声音采集、机器人语音模块监听到声音、会调用科大讯飞或者百度等第三方语音引擎来实现语音识别合成服务，然后通过4G或者图书馆WiFi网络传输将监听到的音频流转换文本返回给机器人语音处理模块[6]。语音模块再调用机器人服务器端的语义分析功能，发送需要进行语义识别出的文本，服务器端最后经过语义处理再返回机器人回答的语音文本。这一复杂的交互响应受第三方应用的稳定性、图书馆嘈杂的环境和图书馆网络时延影响较大，会出现语音输入命令后的传输和处理环节出现网络延迟，导致用户体验不好。未来机器人应考虑利用第五代通讯技术的高带宽、低延时特性，来实现语音交互控制，时延将会比现有网络传输大大缩短[7]。

2.3 多用途智能机器人在图书馆的真实场景应用欠缺

由于图书馆内部结构具有开放、动态、结构复杂的特点，又受图书馆业务复杂性和相关技术的制约，智能机器人目前在图书馆服务方面仍然存在一些挑战。RFID技术和图书馆移动技术的结合，为读者能够精确地定位和获得图书馆资源提供了很好的解决方案，但是因为受书架、图书厚度、信号干扰等一些列因素干扰，导致图书馆机器人在为读者提供服务方面的应用还不理想。现有在图书馆应用的单个机器人虽然能完成简单的参考咨询服务、图书借还以及图书运输、图书盘点等服务，但是相对来说服务形式比较单一，服务质量不高，机器人无法同时满足多个任务的处理需要，比如既能自动定位导航，又能智能咨询，并且能进行智能搬运、智能借还等的设计，要比单一用途机器人系统的设计架构更加复杂，但是从智能机器人的智能发展趋势来看，图书馆智慧服务时代的智能机器人应进一步关注多功能用途机器人系统在图书馆的架构设计和实现。

2.4 多轮语音语义对话交互的不足

图书馆机器人目前在图书馆的应用，基本都是单次的语音语义交互，机器人目前还不能做到像真人一样完成复杂场景的语音语义任务。而事实上，读者获取图书馆服务时候，读者虽然可能有明确目标需求，但是读者不可能一次性把所有的需求都和机器人说清楚，因此机器人需要针对读者进行多轮交互问答，让读者是在和机器人的对话过程中，不断修正和完善自己的需求，另一方面，当读者在陈述需求不够具体和明确时，机器人也应该通过询问、澄清和确认来帮助读者寻找满意的结果。因此未来图书馆机器人应该更重视多轮语音语义对话的开发，利用知识关联来进行多轮交互的智能互动问答。

3 图书馆机器人应用架构

在未来，人工智能机器人技术将应用在图书馆更广泛的业务场景里，将给用户提供更快捷、更多样、更立体、更方便、更精准、更即时的服务。基于上述的分析思考，本文提出了多用途智能机器人的融合应用架构设计，如图1所示。一个完整的图书馆机器人的应用包括机器人客户端、服务器端、云应用端，打造面向机器人终端控制的云支撑平台，将机器人管理通用的控制框架和应用管理框架部署在云端，该架构设计可以为图书馆大规模的不同用途的机器人应用，提供统一的语音语义识别、管理、监控、计算等服务。下面分别对这三个端进行详细描述：

图1 图书馆机器人应用架构Fig.1 Library robot application architecture

3.1 机器人的客户端

图书馆机器人的客户端是不同外形和功能样式的硬件机器人，面向读者和管理员开发部署分布式异构的机器人客户端应用，客户端机器人向读者提供人机交互的界面，主要实现的功能用途包括智能咨询，数字阅读、智能借还、智能办证、智能讲解、图书扫描、图书盘点和搬运、图书馆楼宇控制、以及保卫、扫地等后勤服务。其中语音采集、图像采集、语音和动作响应等贯穿在所有的机器人应用之中。机器人客户端将读者的应用需求进行诸如位置、图像、声音等数据的采集，采集后通过服务请求模块向云服务器端的程序发起服务请求以及接受云端服务请求结果，服务请求模块主要负责采集数据的封装，应具备超时重传、失败重传等功能，应能根据请求结果做出相应的语音和动作响应。由于机器人具有较强的移动性，若机器人通过无线网接入应用服务，其网络地址会随着位置的变换而切换，机器人随时可能上线或者下线，为保证请求的网络无延迟可达，可利用第五代通讯技术进行无线通讯，通过客户端获取机器人应用数据、对机器人应用进行操控[8]。

3.2 机器人的云端服务

机器人云端服务的应用是整个图书馆机器人结构设计的核心部分，我们知道机器人通常配套多个处理器来执行计算，但是诸如移动机器人或无人机等产品，由于其严格的尺寸和有限的负荷要求，只具备有限的处理和存储能力，因此可以将大型计算任务传输到云端去执行。利用云端服务器的数据存储和高速计算能力，实现计算处理、数据存储、控制管理等模块。其中计算处理模块主要实现对客户端发送的服务请求进行图像识别、动作识别、语音识别、语义分析等复杂的技术处理，通过建设图书馆初始化规范语料库，让图书馆机器人具备智能语义识别能力；数据存储提供了重要数据信息的存储功能，包含非结构文件数据和结构化数据库数据，数据存储是计算处理的数据支撑，可以对机器人客户端上传的图像、语音、动作等文件数据和地点、光感信息等数据与存储数据进行匹配，也可以存储如计算处理需要的语料模型和计算数据等；控制管理模块将云端计算处理后的结果最终反馈到机器人终端上，它是所有机器人语音反馈和动作反馈的管理控制中心，其主要负责动态维护分布式机器人集群中所有的机器人列表，实时监控机器人运行状态，负责分布式机器人控制指令的转化和消息传递，提供对多机器人的消息指令转化和集中应用控制，云端服务应用经过计算后最终会对机器人进行动作反馈处理，通过5G信号传回给机器人客户端进行动作执行。通过将机器人相关运算任务传输到云端不仅降低了机器人本体的性能要求，也降低了机器人制造成本，可促使机器人向小型化、微型化方向发展。云平台可同时为多台机器人提供服务，云端服务为机器人提供可扩展的资源，同时也促进不同的客户端机器人之间实现信息和数据共享[9]。

3.3 机器人的服务器端

服务器端实现了对客户端多用途机器人的管理控制，通过人机交互界面应用和接口，提供机器人客户端应用的自动建模、习惯模拟、行走路线配置、机器人管理控制、语料知识体系管理等支撑功能。管理员通过服务器端的自动建模技术对语料库问答添加样本后开启自动模拟训练，在客户端应用中随着读者提问的问题越来越多样化，可以为学习度低的问答添加样本，持续优化，通过习惯模拟不断丰富完善语料库的问答内容，提高机器人的问答能力、回答准确度；在服务器端，管理员可以对分布在图书馆不同位置的机器人进行路线行走规划设置，使机器人自主规避障碍物，通过自动规划路线，完成任务；管理员还可以通过服务器端管理控制中心对机器人实现直接控制，实现不同机器人应用的动态部署、更新、启动、停止等功能，也可以通过一些环境信息感知显示应用或图像采集显示应用来对客户端机器人采集的数据进行人为干预处理。机器人服务器端将建设的图书馆专业语料库和外部第三方知识库进行融合，形成适合图书馆的知识体系，提供知识体系的内容动态更新管理机制[10]。通过服务器端的知识内容支撑，客户端机器人提供的服务能够更加丰富和智能。

4 结语

未来无论是对图书馆的管理者、一线工作人员，还是对公众读者来说，智能机器人的服务应用是必不可少的。但是在图书馆机器人应用中，还存在图书馆专业语料库缺失，语音语义识别响应慢，图书馆读者服务应用还不理想，无法满足读者个性化、多元化的智能化体验需求。未来随着人工智能技术的日益成熟，图书馆的智能机器人会向多样化、多元化的深层次应用方向发展，会有越来越多采用不同方式服务的多用途融合应用机器人出现在图书馆，图书馆机器人的大脑会变得更加智能、专业、知识丰富，未来的图书馆机器人将会以更加灵活的响应速度为读者提供服务，将彻底改变用户和图书馆资源和服务的交互方式，图书馆的智慧化服务和管理模式也将到来。