智慧图书馆视域下新一代图书馆文献智能仓储系统研究——以深圳图书馆北馆为例

刘 哲

（深圳图书馆 深圳 518036）

公共图书馆是城市公共文化服务的重要组成部分，需要根据社会文化需求和科技发展现状不断调整其服务理念并进行技术升级。“十四五”时期是公共图书馆创新发展的关键时期，智慧图书馆是目前学界与业界关于图书馆未来形态的共识，体现了科技赋能的新时代发展逻辑。2020年，国家图书馆提出了建设“全国智慧图书馆体系”[1]，产生了在全国层面推动图书馆事业发展以加速智慧化转型的工作设想。

柯平认为图书馆向智慧图书馆转型是一个复杂的过程，在转型前和转型后之间有一个比较长的转型期[2]。柯平等还认为目前我们所建设的实际上是“智能图书馆”，是智慧图书馆的初级形态，也是从数字图书馆、复合图书馆向智慧图书馆转型的中间状态[3]。

在智能图书馆建设进展方面，国内部分图书馆进行了多方位的先行探索和实践，如深圳图书馆引进了RFID技术创设图书馆智能化应用环境[4]，武汉大学图书馆引进了图书自动盘点机器人[5]，广东省立中山图书馆采用了图书采分编智能作业系统[6],苏州图书馆建成大型智能立体书库并开展相关应用研究[7]等。上述案例都是图书馆结合自身业务发展需要，紧跟智能科技发展动态，积极将先进技术和管理理念引进图书馆行业，并根据图书馆行业的特点进行重新规划和设计，产生了良好的应用效果。因此以智能技术赋能图书馆事业不是单纯的技术引进和照搬，而是采取以终为始的思维模式，以实际需求为出发点，在技术积累的基础上选择合适且成熟的技术，并进行相应的改造和提升。

城市图书馆是公共文化服务的主阵地，全国大中型城市图书馆正逐步以联盟的形式向公众提供服务，如深圳“图书馆之城”统一服务平台[8]、嘉兴“城乡一体化公共图书馆服务体系建设”[9]、广州市公共图书馆统一服务平台[10]、佛山市联合图书馆[11]等，实现了一证通行，通借通还。“全城一个图书馆”在为市民带来便利服务的同时，纸本文献流转量和调配需求也在不断提升，因此需要建设一个以文献智能仓储系统为支撑的智能化图书馆文献调配中心。

针对深圳“图书馆之城”业务发展的需要，深圳图书馆先行先试，在“十四五”发展规划中提出了智慧图书馆“创新推动智慧引领”的建设目标，其中包括以资源为中心的馆藏建设智慧化，要求完成智能立体书库与分拣、调阅智能化系统的建设和使用，构建文献智能化管理、调配机制，履行全市文献资源科学贮存、管理和利用的职能。

2.1 纸本文献阅读需求持续增长

尽管近年来数字阅读发展速度较快，但并未完全取代传统的纸质图书阅读，笔者总结了近20年来的国民阅读趋势，发现图书阅读变中趋稳，近年来呈现稳步增长的态势。2020年，我国成年国民的图书阅读率达到59.5%，接近1999年的60.4%[12]，2021年该指标进一步升至59.7%[13]。2003年深圳全市公共图书馆年度图书外借量为158.61万册次，2019年外借量上升至1 556.08万册次[14]，为2003年的近10倍。深圳图书馆面向全市提供图书预借服务已超过10年，深受读者欢迎，其图书预借量年均增长近20%。虽然2020年受新冠肺炎疫情影响，其配送服务暂停时间较长，当年服务量有所下降，但2021年其恢复正常服务后，全年预借图书量达到历史最高，有近30万册，详见图1。

图1 图书预借数量统计表（单位：册）

2.2 受馆舍空间限制，二线书库文献数量增长但服务效率降低

从过去的封闭型书库，到半开架型，再到后来的全开架，图书馆的目标一直都是要最大限度地利用馆藏资源。随着文献数量的增长，图书馆依然要回归分级藏书体系，即新书利用有限的空间实行全开架管理，年份已久的文献在适度剔旧、剔复后，转入二线书库实行闭架管理。目前，图书馆的二线书库普遍存在，且一部分设置在异地，提供调阅服务存在困难。以深圳图书馆为例，目前该馆有45.19%的可服务馆藏存放在馆外书库，最远的书库离图书馆超过45公里，故其对于读者的调阅需求只能提供差时服务，即提出需求后的第2天通过物流传递读者所需文献。

2.3 深圳地区公共图书馆流通图书转运效率和配送质量有待提高

据统计，2019年深圳全市统一服务平台需物流转运的异地还书数量超过214万册,自助图书馆年配送图书数量在200万册左右[15]。目前这些图书分发、交接主要采用人工作业的方式，很难做到配送策略持续优化和交接工作组织不断精细化，转运效率和配送质量也有待提高。

基于上述原因，建设一个现代化、高效率的文献调配中心，为全市文献流转提供存储和调配空间是城市图书馆一体化建设的客观需要，且日益迫切。在此背景下，2019年12月，兼具全市调剂书库和文献调配中心功能的深圳图书馆北馆开工建设。

文献智能仓储系统由存储书库（立体书库和密集架书库）、分拣系统、传输系统等主要部分组成，技术核心设备是采用自动存取系统（Automatic Storage and Retrieval System，简称ASRS）的立体书库。

3.1 ASRS在图书馆领域的应用特点

目前ASRS以普遍应用于各行业，如食品[15]、制造[16]、物流[17]、石油化工[18]、航天[19]68、军事[20]等，共同的应用特点主要包括占地少、存储量大、应用场景众多、可靠性高、存取效率高、大流量出入库、盘点和统计便捷、可实现全流程管理等。图书馆应用ASRS与其他领域的不同之处包括以下三点。

3.1.1 SKU量级不同

SKU全称为库存量单位（Stock Keeping Unit），即库存进出计量的基本单元，对一种物品而言，当其品牌、型号、配置、等级、花色、包装容量、单位、生产日期、保质期、用途、价格、产地等属性中的任一属性与其他物品存在不同时，便可称为一个单品，每种单品均对应有唯一的SKU号。对于其他行业的ASRS整体而言，其管理的SKU数量较少，据可查询的文献记载，即使在品种较多的航天零件仓储系统，SKU数量也仅为千位级别（1 900多种）[19]68。而图书馆的每一册文献都有独立编码，即一个SKU，因此容量为400万册的立体书库，理论上其SKU数量为400万。

3.1.2 物品流向不同

其他行业ASRS管理的立体仓库是物品的临时存放场所，零配件、成品、货物等都有上下游流程对接，实现存储物品的单向流动，一旦物品出库，其存储单元会立即被释放。图书馆立体书库是图书文献相对稳定的存放地点，文献流通是出库和入库双向流动，在ASRS管理中可实现回原存储单元或不回原存储单元。

3.1.3 自动化程度不同

其他行业ASRS的存储单元（料箱或托盘）中一般会存放同类SKU，符合标准化作业的要求，能够实现如机器码垛、整体封装、自动传输等整件进出的全自动作业。而图书馆ASRS存储单元中存放的是不同的SKU，需要依靠人工逐册登记放入，无法实现整箱进出，除非书箱的入库来源或出库目的地相同，并且已将书箱中文献的登记工作前置完成。

3.2 ASRS在图书馆的应用局限

图书馆在引进ASRS时都会结合本馆需求进行再设计，目前大部分应用案例都是以单一的高密度存储功能为设计核心，即以高效率存储为主，而非为高流量的文献提取和配送而设计[21]。加州大学北岭分校的奥维亚特图书馆（Oviatt Library） 是第一个将ASRS应用到馆藏储存的图书馆，该项目于1991 年建造完成并投入使用，用于储存使用率较低的馆藏[22]19。在后续运行中，图书馆员逐渐发现了ASRS快速存取的优势，不仅大大提高了服务效率，也解决了传统书库难以同时满足高效存储和高效借阅的问题[23]。2000 年之后，随着奥维亚特图书馆参考部门将一些使用率高的资料放入，越来越多的高利用率馆藏被装载到ASRS，用户开始频繁请求存储在该系统的馆藏资料[22]19，图书馆应用ASRS遂向服务功能转变，其在图书馆也存在应用局限。

3.2.1 服务对象单一

汪建满通过归纳5个国外图书馆应用ASRS的情况，指出其服务对象以在校师生为主[7]72。在目前的应用案例中，ASRS的服务对象一般为读者个人，服务方式包括到馆自取或异地传送。现代城市图书馆除了要满足读者个人的文献服务需求外，还需要服务全市各级公共图书馆，实现全市文献的批量调配，但目前以上功能还无法实现。

3.2.2 服务功能单一

图书馆在引进ASRS时都会针对服务需求进行设计，立体书库作为图书文献相对稳定的存放地点，实现文献“静态储存”是它的主要功能，目前大部分应用案例也都是以高密度存储功能为核心，以处理单册文献为主要作业方式。而立体仓库的核心优势是采用先进的自动化物料搬运设备，不仅能使物品在仓库内实现按需自动存取，还能与仓库外的上下游环节进行有机连接，从而形成一个自动化的物流系统。这是一种“动态储存”[24]，能够实现“先进先出”[25]和库内循环，但该功能在图书馆行业尚无应用。

3.2.3 逐册存取，出入库效率较低

国外图书馆的立体书库多采用重型堆垛机和较大的金属书箱，武云霞等详细介绍了立体书库文献出库的操作过程[26]，即图书入库采用逐册采集馆藏条形码或RFID标签的方式，借出时出库也采用同样方式，出入库效率较低，难以承担城市图书馆区域大批量文献调配的任务，没有发挥出立体仓库大流量出入库的技术优势。

3.2.4 设备类型单一

目前图书馆的应用案例多是单纯引进立体书库设备，在设计上采用存储书箱直接或间接对接服务台的方式，以最短的传递路径保证最高的文献提取效率。其他行业在应用中还会配套建设自动传输系统、自动分拣系统等，以形成高效的智能仓储物流体系。

4.1 系统构成

深圳图书馆北馆距深圳图书馆中心馆约15公里，总建筑面积约7.2万平方米，设计文献容量800万册，阅览座位约2 200个。北馆承担了“一馆一库三中心”的功能，既是城市公共图书馆，也是全市文献调剂书库，以及深圳“图书馆之城”的联合采编中心、网络数据中心和文献调配中心，其中调剂书库和文献调配中心的功能主要由文献智能仓储系统承担。

文献智能仓储系统由存储书库（立体书库和密集架书库）、分拣系统、传输系统等组成，采用双核心设计，即立体书库系统和大型分拣系统，通过高度集成的系统来满足多种文献流通作业，实现文献高密度存储与调阅、“图书馆之城”文献集散中心、自助图书馆配送、预借服务等功能。

4.1.1 分拣系统

分拣系统位于建筑首层西侧，区域层高5.5米，主分拣线设计占地约448平米，采用直线交叉带分拣机，设置了60个分拣格口，通过识别图书RFID标签来处理单本图书分拣，设计分拣效率为1万册/小时，具备自动换箱功能。系统10个投入工位包括4个投入专用工位和6个立库拣选工作站共用工位，通过皮带传输线将图书传送至分拣机。

4.1.2 立体书库

立体书库设计容量为400万册，主要用于存储预借图书，缓存流通图书（包括 “图书馆之城”流转图书、自助图书馆配送图书等），承担全市通借通还图书的集散、周转工作。高密度存储货架安装在图书馆地下三层，库区高度跨地下三层和地上一层，其中地下部分高16.8米，地面以上5.5米，可用高度18.6米，设计占地约2 862平方米，划分了五个独立的库区，其中1—4号库区存储约5.96万个A型书箱，5号库区存放约1.3万个B型书箱，文献容量超过400万册；
配置15台料箱式堆垛机（miniload），通过双层传输线连接库区外，8个拣选工作站位于库前区，库区内部实现无人作业。

4.1.3 传输系统

传输系统包含水平和垂直传输线路，用于解决作业楼层功能区域之间以及全馆各个服务楼层的文献传输。水平传输设备包括电辊筒输送机（整箱）、皮带传输线（单册）、自动导引运输车（整箱）；
垂直线路则是利用建筑的两个核心筒内的垂直竖井完成，传输设备包括1台轿厢式提升机（整箱）和1套轨道小车（多册）系统。

4.1.4 密集架书库

密集架书库设计容量为300万册，主要用于存放全市的保障本文献。10间库房分布在地下一至三层，用轨道小车实现书库与地上服务楼层之间文献的双向传输，为本地提供调阅服务，今后可对接物流扩展至全市公共图书馆。

4.2 创新设计理念，打造新一代文献智能仓储系统

深圳图书馆北馆文献智能仓储系统根据深圳市“图书馆之城”发展的需要，充分发挥ASRS的技术优势，与全馆自动化系统协同设计，采取全新的仓储业务模式，实施模块化作业，打造面向全市读者和图书馆用户的全新文献智能仓储系统（见图1）。

图1 文献智能仓储系统分区图

4.2.1 立体书库与分拣系统双核心设计，实现高度协同

由于北馆承担着作为全市调剂书库和“图书馆之城”文献调配中心的任务，故设计需要兼顾文献存储和文献配送两方面的功能需求。本项目智能仓储系统采取了立体书库和分拣系统双核心设计，通过传输系统相连，规划了不同的作业模式以对接多项业务流程，存储和处理高流通率的预借文献和全城流通文献，在大容量存储、高效率提取文献的基础上，注重各系统的独立运行和高度协同，利用高速分拣设备和料箱堆垛机，提高全市文献的中转效率；
充分利用ASRS的管理算法，实现库内文献时间与位置的精准轮转，使书库成为一个有序的生命体。

（1）入库前分拣模式，库内轮转

按配送线路分拣：“图书馆之城”统一服务平台上的基层图书馆具有数量多、分布广、馆藏容量小的特点，在人工处理模式下很难做到馆际文献轮换。文献智能仓储系统建成后，立库与分拣系统协同作业的方式，为基层图书馆实现文献品种和服务周期的精准轮换创造了条件。以自助图书馆图书配送为例，读者在图书馆及自助图书馆还回的自助图书馆配送图书，系统会按配送线路分拣后整箱传送入5号库存储，还会通过分拣结果记录书箱内图书的物流配送线路和入库时间，在立库内通过管理系统预置配送线路和配送周期轮转策略排序等待出库。当执行文献配送作业时，按配送线路整箱出库，对接自助图书馆物流，实现精准配送。

按文献所属馆分拣：读者在图书馆及自助图书馆还回的各馆图书，其中需要转运回馆的，经“图书馆之城”物流或自助图书馆物流运抵中心，再按照文献所属馆分拣后经整箱传输线传送入5号库缓存。当执行文献回馆配送作业时，又按所属馆整箱批量出库，对接“图书馆之城”物流，提高转运效率。

（2）出库后分拣模式，对应各类业务需求

预借图书：图书馆LAS系统定时读取读者发出的借书请求并通知立库出箱拣选，出箱后的预借图书按照读者选择的取书方式分别传递。读者到馆自取的图书经调阅小车传输至各楼层服务台；
选择快递到家的图书，则利用播种墙系统进行合单后由快递公司配送；
选择服务点取书方式的图书系统会按配送线路集中分拣后交物流配送。

本地还回图书：馆内各服务楼层还回的图书经垂直传输系统整箱入5号库缓存，按照常规每日2次和高峰期每日3次的频率集中出库，经整箱传输线送至投入工位单册分拣。完成分拣后，本地服务区的图书经垂直传输系统整箱传送至各服务楼层，其他服务点的图书则传送至中转区或5号库存放。

4.2.2 图书和书箱生命周期管理

图书和书箱是文献智能仓储系统的主要标的，但图书和书箱会在立库系统、分拣系统、垂直传输系统、文献调阅系统中不断轮换、不断变化位置，因此，引入生命周期管理模式十分必要。

生命周期指进入一个系统时即生成一个记录，出系统时则本记录终止，记载了书籍进出立体书库的时间。从整体上看，一本图书或书箱会在不同系统中轮转，每次轮转到一个系统都会留下时间痕迹。

引入生命周期管理模式可从任何一个时间切片看到整个系统的图书、书箱分布状况，便于观察和了解每个时段的具体情况，无须从历史操作数据向回推演来复原当时的情况。

4.2.3 书箱分型设计满足各类作业需要

基于北馆兼顾全市调剂书库和“图书馆之城”物流中心的职能，智能仓储系统设计了两种书箱，即A型书箱和B型书箱（见图2）。

图2 A型书箱和B型书箱外观示意图

A型书箱为主存储箱，主要用于存放可预借/调阅图书，实行统一编码管理，存储位置为1—4号库。图书摆放采用书脊垂直书箱底部、书脊朝向书箱长侧边方向的方式，符合国内出版图书的保存和利用特点；
长侧边镂空，便于工作人员查看书脊的书名和书标；
书箱中带有活动隔板，将书箱分隔为2—6个单元，图书在装箱时会将其信息绑定至具体单元；
长隔板两侧能同时放置正度16开的图书, 存储容量为56册（按单册图书20mm的厚度计算）。

B型书箱兼具存储箱、分拣箱和中转箱功能，统一编码管理，存储位置为5号库。B型分拣箱负责承接分拣格口的滑落图书，可直接转为存储箱，设计存储容量约为58册（按单册图书20mm的厚度计算），存储范围涵盖“图书馆之城”的图书、自助图书馆的图书、本地还回图书等，可使各项作业流程在分拣、传输、缓存等环节中得以优化和统一。

4.2.4 拣选工作站衔接各业务系统

（1）多功能设计

拣选工作站集成设计了立体书库拣选和分拣投入的功能，工作人员可根据系统订单进行A型书箱图书的出入库操作，也可以将待分拣图书逐本放置在皮带机上传送到分拣机。拣选工作站也是轨道小车传输起始站点之一，可以将立体书库拣选出库的文献装入轨道小车运送到各楼层的服务台。

（2）传输线连接出入库作业

拣选工作站和立库巷道之间设计了双层环形传输线进行连接，用于书箱出库和入库传输。这种以传输线连接的方式可以均衡分配拣选工作站和立库巷道的作业任务，进而提升整体作业效率。

（3）书箱可旋转，方便出入箱操作

根据A型书箱图书立放、书脊朝向两侧的特点，系统设计了两级书箱旋转装置，方便工作人员拣选图书。第一级旋转装置位于立体书库的出库传输线上，系统会根据书箱中图书存放单元的信息分析出需要出箱的朝向，扫描识别书箱外表面贴的书箱编码和方向编码（两侧），判断该朝向是否面向工作人员，如果不是，则通过第一级旋转装置将书箱旋转180度再传送到工作人员面前；
如果书箱的两侧单元都有需要出箱的图书，则通过拣选工作站的第二级旋转装置进行180度旋转。图书入库装箱也需要使用拣选工作站的旋转装置。

4.2.5 整箱作业串联各个功能区域

智能仓储系统设计了多条整箱传输线，相应系统均设置了通道和系统接口，如立体书库系统支持整箱出入库模式，包括A型书箱和B型书箱，配置1条整箱上线专用通道和2条整箱下线专用通道；
分拣系统分拣箱（B型书箱）可通过水平传输系统对接立库系统直接入库、暂留中转区及装卸区出馆，或通过垂直传输系统转至各楼层；
还书系统的还书箱（B型书箱）可通过垂直传输系统转运至作业区。

4.2.6 自动导引运输车（AGV）实现跨区转运

（1）潜伏式AGV

智能仓储系统在不适合部署电辊筒输送机的中转区和装卸区采用了潜伏式AGV搬运B型书箱，主要用于对接立体书库系统、分拣系统和物流装载区。其搬运方式为通过移栽机将书箱排列在搬运货架上，AGV顶升货架运送至目的地。每个货架可装载4个B型书箱。

（2） 夹抱式AGV

在图书馆主要还书服务区使用夹抱式AGV对接四台自助还书机和垂直提升机，完成读者一次还书多本、还回图书整箱自动转运至一楼的分拣作业区的任务。

4.2.7 轨道小车自动卸载以提高工作效率

轨道小车系统主要负责将从书库中拣选出的读者预借文献或调阅文献传输到楼层服务台，或将读者调阅后的文献回库。系统设置了8个站点，包括地下3个密集架书库站点，1个立体书库作业区站点，3个服务区站点（分别为少儿区服务台、3楼预借服务台和5楼调阅服务台）。配备了24台运载小车，每台可装载1—5册图书。小车具备到站自动卸载功能，卸载后即可承接后续运送任务，无须等待工作人员处理。轨道小车单次运行时间不超过8分钟，这给读者提供了方便快捷的借阅体验。

作为图书馆文献智能仓储系统的核心，ASRS在图书馆的应用已超过30年，在文献存储和快捷提取方面积累了丰富的使用经验，这点也成为大部分图书馆用户引进该系统的原因。随着各类型图书馆，特别是城市图书馆总分馆体系或图书馆联盟的中心图书馆被赋予文献调配调剂的功能需求，各馆引进ASRS时会在保持现有优势的基础上，结合实际业务需求，整合物流行业的成熟技术和设备，围绕ASRS进行功能拓展和性能提升，实现兼具高效率存储和高流量存取的建设目标。

5.1 整合硬件设备，拓展系统功能

图书馆在建设立体书库的同时，引进自动化分拣及传输设备，可有效提升文献智能仓储系统的文献处理能力和效率，形成建立在书库功能基础上的文献物流处理中心。在深圳图书馆北馆的案例中，引进大型直线交叉带分拣设备使文献智能仓储系统具备及时处理全城流通文献的中转功能；
通过箱式辊筒输送机连接立体书库和分拣机，采用往复式提升机实现作业区至各服务楼层双向书箱传输；
具备自卸功能的轨道小车实现了单本文献跨楼层纵向传输，能将读者需要的图书快速送达各楼层服务台；
采用AGV对接库区和装卸月台，不仅可节省人力资源，还能不受作业时间的约束，提高作业灵活性。

5.2 提升系统软件智能化水平

由于业务范围扩展，图书馆文献智能仓储系统对管理软件的要求也在不断提高。除书库管理功能之外还被赋予了更多智能化管理功能和设备管理能力，以实现对接多种不同类型的设备，下达作业任务及接受作业结果。同时其与图书馆业务系统衔接得更加频繁紧密，依托数据中台实现数据实时交互，及时响应读者调阅文献的需求，实现文献出库、传输、送达全过程自动衔接；
出入库作业范围突破馆舍的局限，理论上可以扩大至整个图书馆网络总分馆体系的每一级节点。

5.3 重新规划文献处理流程

对于图书馆文献管理来说，新一代文献智能仓储系统是一种新的业务模式，在引入设备和软件系统的同时，还需要引入物流行业成熟的管理理念，遵循标准化、专业化及可实现的原则，结合业务需要设计新的图书馆文献处理相关业务流程，替代传统的人工作业和管理模式，包括但不限于业务类型管理、作业时序、工位设计、工序衔接、场地规划等，明确工作内容和步骤，提高整体工作效率。

深圳图书馆北馆计划于2023年建成并交付使用，覆盖图书馆文献服务全流程的智能仓储系统也将同步投入运行，届时馆藏文献的高效进出、智能管理、精准配送等诸多设计功能将逐一得到验证，形成辐射全市的智能化文献物流枢纽，有利于提升“图书馆之城”的服务效能，助力深圳图书馆实现“创新推动智慧引领”的建设目标。

新一代文献智能仓储系统将成为未来城市图书馆联盟一体化服务强有力的支撑手段，实现馆藏文献的高效进出、智能管理、精准配送等，可有效提升城市图书馆文献存储的智能化管理水平，实现图书馆以文献资源为中心的馆藏建设、存储、流通等流程的智慧化管理，为图书馆事业智慧化转型发展奠定重要基础。

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