5G 時代智慧科技館建設的探索與實踐

0 引言

 

為響應國家網(wǎng)絡安全和信息化政策，中國科協(xié) 于 2018 年提出“智慧科技館”建設工程，包括智慧展教、智慧學習、智慧服務等[1-2]。中國科協(xié)的政策引領 催生了國內“智慧科技館”研究、探索和建設的浪潮， 同時科技館作為以“科技”為主題的場館，應用最新 科技實現(xiàn)“智慧化”是其應有之義。我國博物館對信 息技術的應用已領先于國外博物館[3]，在智慧博物館、智慧城市、智慧交通、智慧工業(yè)園區(qū)等智慧項目建設實踐的基礎上，國內智慧科技館建設勢必逐步 走上正軌并邁向高潮。

 

 

 1 5G 在智慧科技館中的應用探索

 

如何理解“智慧科技館”或者“科技館智慧化”？ 以數(shù)字化為基礎，在某種程度上信息化、智能化、智 慧化的層次逐漸提高，智慧科技館就是借助信息化 技術，實現(xiàn)科技館傳播、服務、運行、管理基本智能 化的、以人為本的智能生態(tài)系統(tǒng)[4]。按此定義，要充分運用信息化技術實現(xiàn)科技館傳播、服務、運營、管理的智能化，同時強調以人為本，就離不開 5G 技 術。ITU （國際電信聯(lián)盟） 為 5G 定義了 eMBB、mMTC、URLLC 三大應用場景[5]。湖北省科技館已 完成三大運營商 5G 信號覆蓋，除供館方和觀眾通 信上網(wǎng)外，5G 還將被應用于智慧科技館建設的各 個環(huán)節(jié)。

 

 

1.1 eMBB 與信號通道

 

eMBB（enhanced Mobile Broadband，增強型移 動寬帶），是指在現(xiàn)有移動寬帶業(yè)務場景的基礎上，對于用戶體驗等性能的進一步提升，是最貼近日常 生活的應用場景，主要體現(xiàn)為信號通道的高速與穩(wěn) 定，典型應用包括超高清視頻、VR、AR 等[6]。 科技館作為非正規(guī)科學教育機構，觀眾參觀行為具有“非制度化、非常規(guī)化”的特征，即使在預約限流的情況下，觀眾數(shù)量也呈兩極分化。傳統(tǒng)信號通道難以承載瞬時客流峰值所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量，很可能造成移動通信和網(wǎng)絡的崩潰，以及智慧系統(tǒng)癱瘓。 5G 具有高容量、高速率、高并發(fā)數(shù)、高穩(wěn)定性等特點，作為智慧科技館的信號通道，足以應對瞬時客流峰值、超高清視頻、VR、AR 多點使用所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸壓力，保證系統(tǒng)穩(wěn)定和高效運行。與此同時，5G的靈活性和可移動性，為展教設備、手持終端的安裝、移動、更新提供了更多可能性。

 

5G 的出現(xiàn)并不意味光纖和 AP（Access Point，無線接入點）的淘汰。以展廳中控系統(tǒng)為例，目前主流還是通過光纖和 AP 控制。5G 作為信號通道還繞不開資費較高和內部數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)兩個阻礙，資費較高使得作為公益性事業(yè)單位的科技館提高了運營成本，內部數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)使得涉密信息傳輸增加了風險。因此，如何充分發(fā)揮 5G 信號通道的優(yōu)勢，盡可能規(guī)避可能產(chǎn)生的風險，需要根據(jù)科技館的實際情況進行合理抉擇與組合使用。

 

 

1.2 mMTC 與感知互聯(lián)

 

mMTC（massive Machine Type Communications，海量大連接），對應大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)服務，主要體現(xiàn)物與物、人與物之間的信息傳輸與交互，典型應用包括智慧城市、智慧工業(yè)園區(qū)、智慧場館、智能家居等。

 

科技館為觀眾提供大量展品展項、教育活動器材，還裝配有安防、監(jiān)控、燈光、暖通等設施設備，且一般占據(jù)較大空間，要實現(xiàn)智慧運營和管理，就必須將展品展項等設施設備物聯(lián)網(wǎng)化，將原本需線下操作、人工分析的工作進行數(shù)字化處理。當前大部分場館的物聯(lián)網(wǎng)，主要依靠 Wi-Fi、Zigbee、藍牙、RFID 等短距離無線傳輸技術，屬于家庭用的小范圍技術 [7]，應用于科技館中具有一定的局限性，例如：因層高引起信號衰減、設備功耗較高，導致運營成本提升等。

 

mMTC 將在 6GHz 以下頻段發(fā)展，同時應用在大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)上，而 NB-IoT（Narrow Band Internetof Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）是 5G 商用的前奏和基礎。NB-IoT 是 5G 的三個標準（LTE、LTE-U、NB-IoT）之一，具有低功耗、廣覆蓋、低成本、大容量等特點，其傳輸距離可達 10km，足以覆蓋一座小縣城，而且 1個基站可以連接 20 多萬個終端[8]。

 

 

1.3 URLLC 與交互管理

 

URLLC （Ultra-Reliable and Low Latency Communications，高可靠低時延），使用場景的特點是對時延、可靠性和高可用性有嚴格的要求[9]，典型應用包括工業(yè)控制、無人機控制、無人駕駛、遠程醫(yī)療、智能安防等。

 

在安全方面，科技館作為公益服務機構，高峰時期會接待大量觀眾，其中大部分為少年兒童，當涉及到智能安防、智能安檢、人群疏散引導等智能系統(tǒng)時，需要做到快速反應。當前科技館管理人員很難實時掌握展廳運轉情況，對于沖突、突發(fā)故障、現(xiàn)場疏導的處理會出現(xiàn)信息延時和信息差，而 5G 的引入將緩解這種被動局面。

 

URLLC 場景應用將極大拓展科技館教育項目。科技館越到未來越需要跟上科技發(fā)展步伐，例如：將最新的機器人成果向觀眾展示，無人機方陣的實時表演、無人駕駛汽車的特定巡演，只有 5G 傳輸，才能達到特定效果。

 

 

2 智慧科技館的整體設計

 

eMBB、mMTC、URLLC 三大 5G 應用場景在科技館中不是割裂開來的，需要融合使用。智慧科技館因 5G 賦能，但同樣需要使用 AI、大數(shù)據(jù)、VR、AR 等其他新興技術，甚至在一定時期還將繼續(xù)使用傳統(tǒng)信號通道和物聯(lián)網(wǎng)方式。智慧科技館是在非正規(guī)科學教育機構的定位上，服務觀眾參觀、服務業(yè)務運營、服務領導決策、服務未來拓展。依托 5G 應用場景，根據(jù)已有智慧場館建設實踐，結合設計公司為湖北省科技館提供的智慧科技館建設方案資料，可以將智慧科技館大體分為智慧傳播、智慧服務、智慧運營、智慧管理四大模塊[4]，前兩個主要服務觀眾，后兩個主要服務館方（見圖 1）。

 

 

 

2.1 智慧傳播

 

場館的傳播主要有“場館與觀眾”“場館部門之間”和“場館決策層與業(yè)務層”三個主要傳播渠道[10]，主要解決的是科技館的引流、入口和信息交流問題，包括線上平臺、協(xié)作平臺、智能推薦、云端社群等內容。傳統(tǒng)科技館傳播主要通過網(wǎng)站、微信公眾號等宣傳展覽、教育活動、工作動態(tài)，通過傳統(tǒng)媒體宣傳惠民科普活動等，本質上還是一種科普信息化的“干部思維”[11]。

 

 

2.1.1 線上觀眾入口

 

智慧傳播的目的是吸引觀眾，將線上流量轉化為線下觀眾數(shù)量，為此必須重視線上科普陣地。一是完善線上平臺。在官方網(wǎng)站、微信公眾號、小程序等線上平臺中嵌入科技館虛擬漫游和室內微型地圖，主動展示科技館全景；搭建預約、購票、導覽、個性化定制參觀路線等系統(tǒng)，將觀眾服務信息擺在首位，可以嘗試與旅游平臺合作推廣。二是促進觀眾主動傳播。VR 互動、AR 展示、巨幅科技史名畫換臉等是營造科技館“網(wǎng)紅打卡地”，促進觀眾主動宣傳展示的科技手段。三是智能推薦和云端社群服務。大數(shù)據(jù)分析后產(chǎn)生用戶畫像，可以將特定展品、教育活動、主題展覽定點推送給注冊用戶，同時建立云端社群定期維護，形成“鐵粉”傳播陣地。

 

 

2.1.2 科普信息化

 

智慧傳播是科技館科普信息化的主要載體，需要在創(chuàng)新傳統(tǒng)傳播方式的基礎上，運用 5G 等信息技術開發(fā)新的傳播方式和內容。一是打造科普直播品牌。借用抖音、快手、斗魚等平臺，在不便線下活動時，面向特定群體開展科普直播。新冠疫情以來，湖北省科技館已開展“童趣玩科學”科普直播活動 10余場，共吸引觀眾 100 余萬人次。二是開展跨時空科普協(xié)作。利用 5G 和 VR 技術，借鑒湖北省博物館與山東省博物館實現(xiàn)曾侯乙編鐘和天風海濤古琴的跨時空演奏，國內各大型科技館可以實現(xiàn)“電磁大舞臺”等展項的跨時空聯(lián)動表演。三是打造科技大數(shù)據(jù)綜合展示平臺。通過 5G 信號，將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、水文監(jiān)測數(shù)據(jù)、自然保護區(qū)實時影像、交通數(shù)據(jù)等接入展示平臺，讓觀眾實時了解自然、交通等與生活息息相關卻很難接觸到的信息。

 

 

2.2 智慧服務

 

智慧服務旨在為觀眾參觀前、參觀時到參觀后進行全流程服務，從進門、參觀、休息到出門，大致包括檢票、安檢、導視、導覽、互動、輔導、評估、反饋，以及支撐的資源庫、會員庫、專家?guī)臁⒅驹刚邘斓萚4]。智慧服務是科技館智慧化最主要的體現(xiàn)，也是智慧科技館特色和水平的體現(xiàn)，考驗著科技館和設計公司的想像力。

 

 

2.2.1 參觀前服務

 

參觀前服務是指觀眾即將來到科技館門口，智慧科技館系統(tǒng)所能提供的服務。一是路線推薦和智慧停車服務?？萍拣^與高德地圖、百度地圖共享館內實時人數(shù)，當觀眾以科技館為目的地進行導航時，除展示路線外，還會顯示在館人數(shù)和 1 小時等候人數(shù)預測；觀眾將被直接導航到智慧停車場，在停車場入館時完成檢票和安檢。二是人臉識別入館和無感安檢。在線上平臺搭建會員系統(tǒng)，支持已預約的會員通過人臉識別閘機無感入館和安檢。三是豐富入館方式。普通觀眾憑二維碼、身份證從閘機入館，人工售票窗口設在閘機附近。四是建立數(shù)據(jù)庫。包括資源庫、會員庫、專家?guī)?、志愿者庫、觀眾庫等，是智慧服務的數(shù)據(jù)基礎。例如：按身份證、手機號、出入館時間分條目記錄觀眾信息建立觀眾庫，為后期研究做準備。五是設置失信黑名單，對預約兩次未到館的觀眾設置黑名單，需到館解除。

 

 

2.2.2 參觀中服務

 

參觀中服務主要為智慧展教，包括導視、導覽、互動、輔導等環(huán)節(jié)。一是智慧導視?；诱故酒粒诳諘鐖龅匕惭b大型屏幕，展示場館信息、客流信息、展廳熱力圖、展項熱度、影片和教育活動安排等重要信息。二是智慧導覽。多元導覽設備，在展廳出入口放置柜式導覽設備，或將導覽系統(tǒng)嵌入微信，通過導覽系統(tǒng)規(guī)劃參觀路線，并且通過室內微型地圖、精準定位了解自己所處的精確位置；個性化參觀路線定制與推薦，根據(jù)不同展覽主題和對觀眾的人群畫像，推薦參觀路線和核心展項，完成主題展覽的參觀學習。三是智慧互動。人機協(xié)作展項，觀眾與協(xié)作機器人共同完成某項任務；展項與線上活動配合，線上 AR 游戲等活動需通過線下展項配合完成；教育活動服務、展項預約提醒，減少排隊負擔，根據(jù)預約順序提前10 分鐘提醒觀眾到場等候。四是智慧輔導。科技輔導員是目前國內科技館的短板，AI 科技輔導員可以通過機器人、手機小程序等方式為觀眾提供智慧導覽[12]；虛擬學習單，則改變傳統(tǒng)紙質學習單，將虛擬學習單應用于科技館學習輔導。

 

 

2.2.3 參觀后服務

 

參觀后服務是解決觀眾參觀后的反饋、分享和學習效果評估。一是反饋系統(tǒng)。觀眾使用小程序預約參觀后，就建立一個服務單，觀眾離館后有反饋提示，既可以用以提升觀眾的參與感，又可以完成觀眾自我評價和對場館的評價。二是評估系統(tǒng)?？萍拣^的教育評估仍處于起步階段，主要難題是如何在不干預情況下獲得觀眾學習數(shù)據(jù)，智慧評估系統(tǒng)在觀眾允許的情況下能將觀眾的對話、表情、行為等要素數(shù)據(jù)化，并提取關鍵學習數(shù)據(jù)，供評估人員進行專業(yè)評估。

 

 

2.3 智慧運營

 

智慧運營為運用信息技術保障科技館正常對外服務、對內管理的綜合系統(tǒng)，包括智慧樓宇系統(tǒng)在科技館的遷移，以及科技館展廳智慧化建設。

 

 

2.3.1 智慧樓宇

 

樓宇智能化在國內已較為成熟，其出現(xiàn)和應用不僅帶來了更安全、舒適的辦公環(huán)境，也使得樓宇日常管理更加高效快捷[13]。一是能效管理，主要為精確控制空調、燈、辦公設備、展品等耗電設備。二是智能安防，主要包括場域安防、滅火系統(tǒng)、紅外圍欄、電子巡更、失物尋回、擁堵疏散等功能。三是視頻監(jiān)控系統(tǒng)，主要通過人臉識別攝像頭、高清攝像頭監(jiān)控公共空間，并對特定人員進行追蹤。四是出入口控制系統(tǒng)，限制流量的同時，為兒童和家人進行頭像匹配，兒童單獨出館或發(fā)現(xiàn)家人不匹配時，觸發(fā)警報。五是其他智慧樓宇系統(tǒng)。

 

 

2.3.2 智慧展廳

 

展廳是場館面向公眾服務的主要場所，除智慧傳播、智慧服務有關系統(tǒng)外，還包含信息發(fā)布、公共廣播、展品控制等內容。一是信息發(fā)布，信息發(fā)布智能管理系統(tǒng)能夠做到對電子屏發(fā)布內容進行智能審查，發(fā)現(xiàn)問題時立即上報工作人員二次確認；公共屏幕采取封閉式后臺管理和智能審查。二是公共廣播，分展廳獨立播報語音廣播、背景音樂、展廳解說等。三是展品控制，包括展品等固定資產(chǎn)的全生命周期記錄，以及展品一鍵開關機、操作情況記錄、維修工單生成與處理等。

 

 

2.4 智慧管理

 

2.4.1 綜合管理平臺

 

綜合管理平臺是智慧科技館的最高指揮權限平臺，一些場館被設計在“館長駕駛艙”“中央控制大廳”。一是展示作用，館內所有智慧系統(tǒng)均被集成到綜合管理平臺，通過數(shù)據(jù)可視化形成直觀圖形，在大型 LED 屏幕實時展示出來。二是管理作用，管理人員可以通過綜合管理平臺查看所有智慧系統(tǒng)信息，實時掌握全館運行情況，并下達管理指令。三是關聯(lián)預測作用，大型科技館每日產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是可觀的，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)需要實現(xiàn)各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交叉分析、外部數(shù)據(jù)與系統(tǒng)數(shù)據(jù)的關聯(lián)分析，達到提前預測、提前預警、提前決策的目的。

 

 

2.4.2 公眾展示平臺

 

龐雜的智慧科技館系統(tǒng)并非通過親身體驗都能一一感受到，因此除了讓觀眾感受到智慧服務外，還需要通過公眾展示平臺向觀眾直觀展示場館的智慧化程度。一是利用互動導視屏，實時展示可以被觀眾知曉的數(shù)據(jù)可視化圖形，增強科技館的科技感；二是利用展廳信息發(fā)布屏幕，實時展示外接數(shù)據(jù)、高清視頻，打破科技館的空間限制。

 

 

3 智慧科技館的建設實踐

 

智慧科技館的建設仍處在起步階段，智慧傳播、智慧服務、智慧運營、智慧管理也僅僅是基于 5G 應用場景和其他智慧場館的建設實踐和設計方案而做出的構思和整體設計。隨著 5G、AI、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)應用的不斷進化，智慧科技館的未來發(fā)展也許會出乎所有人的預料。湖北省科技館新館建設正處在智慧科技館的起步時期，作為省級大館，有義務也有意愿對智慧科技館建設實踐做一些嘗試。湖北省科技館新館由湖北省發(fā)改委于 2013 年月批復立項，總用地面積約 19.4 萬 m2 ，主體建筑面積 7.03 萬 m2，展示面積約 4 萬 m2，常設展廳總面積約 1.6 萬 m（2 不含專題展廳），其中二層展廳面積3 298m2，三層展廳面積 12 730 m2 ，共設置展品 525個，其中二層展品 75 個，三層展品 450 個，總概算約11.88 億元。湖北省科技館新館“智慧科技館”建設大體上經(jīng)歷了土建工程的弱電智能化工程建設、展教工程的展廳中控系統(tǒng)建設、開館運營前期的信息化項目建設三個階段，分別從智慧樓宇、智慧展廳、智慧傳播、服務與管理四個方面完成了智慧科技館的整體設計與建設（見圖 2）。

 

 

 

3.1 弱電智能化工程

 

弱電智能化工程全稱為“湖北省科技館新館弱電智能化（設計施工一體化）分包工程”，由武漢烽火信息集成技術有限公司于 2019 年 3 月中標，總投資約 1 600 萬元，已基本完成驗收。項目內容為：根據(jù)招標的技術要求及平面圖紙進行計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)、無線覆蓋、綜合布線系統(tǒng)、無線對講系統(tǒng)、公共廣播系統(tǒng)、信息導引發(fā)布系統(tǒng)、建設設備管理系統(tǒng)、能源監(jiān)測管理系統(tǒng)、電子票務系統(tǒng)、安全防范綜合管理平臺、視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)、弱電 UPS 配電系統(tǒng)、入侵報警系統(tǒng)、出入口控制系統(tǒng)、電子巡查管理系統(tǒng)、停車場管理系統(tǒng)、消防安防控制室及信息機房的整體深化設計，科技館智能化整體的深化設計與施工，以及配套設備和材料的選配、采購、運輸、安裝、調試、維保、主管部門的檢測驗收等。

弱電智能化工程在 2013 年完成初步設計，并獲得項目及概算批復，彼時智慧樓宇尚處在起步階段，因此有關設計目前看來已稍顯落后。作為最早建設的智慧模塊，弱電智能化工也是智慧科技館賴以存在的基礎，但主要為智慧樓宇內容，幾乎沒有涉及到有科技館特色的智慧服務內容。

 

 

3.2 展廳中控系統(tǒng)

 

展廳中控系統(tǒng)全稱為“湖北省科技館新館常設展廳中控系統(tǒng)設計、設備采購、安裝、調試及相關服務”，由機科發(fā)展科技股份有限公司 2020 年 9 月中標，總投資約 413 萬元，預計將于 2022 年 6 月底完成驗收。項目內容為：一是基于網(wǎng)絡的中控系統(tǒng)展品管理系統(tǒng)。建設一套展品網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，將所有帶電展品分類，按 PC 控制、單片機控制、PLC 控制和時序電源控制等方式，通過內部網(wǎng)絡實現(xiàn)展品開機和關機控制。其中，PC 控制類展品、單片機控制類展品和PLC 控制類展品可實現(xiàn)基礎的狀態(tài)監(jiān)控和預警。系統(tǒng)可在中控室內進行集中開關機操作。二是個性化參觀服務系統(tǒng)。實現(xiàn)特別場館信息收集傳輸和演示，包括天文臺、光伏發(fā)電系統(tǒng)、科普劇場、二層及二層夾層科學教育基地的信息收集、貯存、傳輸和演示。

 

展廳中控系統(tǒng)于 2020 年 6 月確定基本需求和概算，因概算限制僅包含一鍵開關機系統(tǒng)和個性化參觀服務系統(tǒng)，只能滿足常設展廳、兒童展廳、特別場館的智能化控制，主要為智慧展廳內容。

 

 

3.3 信息化項目

 

弱電智能化工程可解決智慧科技館的智慧樓宇，由土建工程專班負責；中控系統(tǒng)可解決智慧展廳，由內容建設專班負責。兩套系統(tǒng)獨立運營，分別能滿足不同部門的需求，但是從智慧科技館的整體性來看，這樣的建設是不完善的。為此，湖北省科協(xié)領導高瞻遠矚，成立新館智能化專班，在新館全面覆蓋 5G 信號的情況下，統(tǒng)籌建成后的弱電智能化工程、展廳中控系統(tǒng)，新增信息化項目，著力將新館建成完善的智慧科技館。

 

信息化項目于 2020 年 6 月底確定需求和概算，根據(jù)湖北省科技館新館工程建設領導小組要求，湖北省財政廳已于 2021 年 9 月完成投資評審，總概算約1500 萬元，預計將于 2022 年 6 月開始實施。項目內容為：一是集成弱電智能化工程、展廳中控系統(tǒng)有關系統(tǒng)。二是搭建智慧傳播系統(tǒng)，包括線上平臺、預約購票系統(tǒng)、AR 體驗項目等。三是搭建智慧服務系統(tǒng)，智慧導視、智慧導覽、智慧互動、智慧輔導、體驗反饋、效果評估等。四是搭建智慧運營系統(tǒng)，在集成弱電智能化工程、展廳中控系統(tǒng)基礎上，豐富有關功能。五是搭建智慧管理系統(tǒng)，建設智能化中央控制大廳，嵌入綜合管理平臺，建設公眾展示平臺。

 

 

4 結語

 

在信息化和人工智能高速發(fā)展的當代，科技館作為以科學技術普及為主要功能的機構，發(fā)展成智慧科技館是其應有之義，然而目前智慧科技館依舊處在起步階段。未來智慧科技館的建設需要注意三個基本要求：一是建立標準體系，探索智慧科技館技術標準、服務標準、管理標準等，規(guī)范智慧科技館建設生態(tài)；二是打造智慧科技館標桿，國內亟需建成一座具有示范意義的智慧科技館，為其他科技館提供參考；三是注意系統(tǒng)性和前瞻性，智慧科技館的建設是一個系統(tǒng)性工程，也是一個持續(xù)性工程，信息技術的飛速發(fā)展將促使智慧科技館不斷迭代進化，因此在進行整體設計時要考慮前瞻性和可拓展性。相信在國家對信息化建設的重視下，在科技館界的不斷嘗試下，智慧科技館建設將不斷向前。

 

作者：黃雁翔