5G 时代智慧科技馆建设的探索与实践

0 引言

 

为响应国家网络安全和信息化政策，中国科协 于 2018 年提出“智慧科技馆”建设工程，包括智慧展教、智慧学习、智慧服务等[1-2]。中国科协的政策引领 催生了国内“智慧科技馆”研究、探索和建设的浪潮， 同时科技馆作为以“科技”为主题的场馆，应用最新 科技实现“智慧化”是其应有之义。我国博物馆对信 息技术的应用已领先于国外博物馆[3]，在智慧博物馆、智慧城市、智慧交通、智慧工业园区等智慧项目建设实践的基础上，国内智慧科技馆建设势必逐步 走上正轨并迈向高潮。

 

 

 1 5G 在智慧科技馆中的应用探索

 

如何理解“智慧科技馆”或者“科技馆智慧化”？ 以数字化为基础，在某种程度上信息化、智能化、智 慧化的层次逐渐提高，智慧科技馆就是借助信息化 技术，实现科技馆传播、服务、运行、管理基本智能 化的、以人为本的智能生态系统[4]。按此定义，要充分运用信息化技术实现科技馆传播、服务、运营、管理的智能化，同时强调以人为本，就离不开 5G 技 术。ITU （国际电信联盟） 为 5G 定义了 eMBB、mMTC、URLLC 三大应用场景[5]。湖北省科技馆已 完成三大运营商 5G 信号覆盖，除供馆方和观众通 信上网外，5G 还将被应用于智慧科技馆建设的各 个环节。

 

 

1.1 eMBB 与信号通道

 

eMBB（enhanced Mobile Broadband，增强型移 动宽带），是指在现有移动宽带业务场景的基础上，对于用户体验等性能的进一步提升，是最贴近日常 生活的应用场景，主要体现为信号通道的高速与稳 定，典型应用包括超高清视频、VR、AR 等[6]。 科技馆作为非正规科学教育机构，观众参观行为具有“非制度化、非常规化”的特征，即使在预约限流的情况下，观众数量也呈两极分化。传统信号通道难以承载瞬时客流峰值所产生的数据流量，很可能造成移动通信和网络的崩溃，以及智慧系统瘫痪。 5G 具有高容量、高速率、高并发数、高稳定性等特点，作为智慧科技馆的信号通道，足以应对瞬时客流峰值、超高清视频、VR、AR 多点使用所产生的数据传输压力，保证系统稳定和高效运行。与此同时，5G的灵活性和可移动性，为展教设备、手持终端的安装、移动、更新提供了更多可能性。

 

5G 的出现并不意味光纤和 AP（Access Point，无线接入点）的淘汰。以展厅中控系统为例，目前主流还是通过光纤和 AP 控制。5G 作为信号通道还绕不开资费较高和内部数据联网两个阻碍，资费较高使得作为公益性事业单位的科技馆提高了运营成本，内部数据联网使得涉密信息传输增加了风险。因此，如何充分发挥 5G 信号通道的优势，尽可能规避可能产生的风险，需要根据科技馆的实际情况进行合理抉择与组合使用。

 

 

1.2 mMTC 与感知互联

 

mMTC（massive Machine Type Communications，海量大连接），对应大规模物联网服务，主要体现物与物、人与物之间的信息传输与交互，典型应用包括智慧城市、智慧工业园区、智慧场馆、智能家居等。

 

科技馆为观众提供大量展品展项、教育活动器材，还装配有安防、监控、灯光、暖通等设施设备，且一般占据较大空间，要实现智慧运营和管理，就必须将展品展项等设施设备物联网化，将原本需线下操作、人工分析的工作进行数字化处理。当前大部分场馆的物联网，主要依靠 Wi-Fi、Zigbee、蓝牙、RFID 等短距离无线传输技术，属于家庭用的小范围技术 [7]，应用于科技馆中具有一定的局限性，例如：因层高引起信号衰减、设备功耗较高，导致运营成本提升等。

 

mMTC 将在 6GHz 以下频段发展，同时应用在大规模物联网上，而 NB-IoT（Narrow Band Internetof Things，窄带物联网）是 5G 商用的前奏和基础。NB-IoT 是 5G 的三个标准（LTE、LTE-U、NB-IoT）之一，具有低功耗、广覆盖、低成本、大容量等特点，其传输距离可达 10km，足以覆盖一座小县城，而且 1个基站可以连接 20 多万个终端[8]。

 

 

1.3 URLLC 与交互管理

 

URLLC （Ultra-Reliable and Low Latency Communications，高可靠低时延），使用场景的特点是对时延、可靠性和高可用性有严格的要求[9]，典型应用包括工业控制、无人机控制、无人驾驶、远程医疗、智能安防等。

 

在安全方面，科技馆作为公益服务机构，高峰时期会接待大量观众，其中大部分为少年儿童，当涉及到智能安防、智能安检、人群疏散引导等智能系统时，需要做到快速反应。当前科技馆管理人员很难实时掌握展厅运转情况，对于冲突、突发故障、现场疏导的处理会出现信息延时和信息差，而 5G 的引入将缓解这种被动局面。

 

URLLC 场景应用将极大拓展科技馆教育项目。科技馆越到未来越需要跟上科技发展步伐，例如：将最新的机器人成果向观众展示，无人机方阵的实时表演、无人驾驶汽车的特定巡演，只有 5G 传输，才能达到特定效果。

 

 

2 智慧科技馆的整体设计

 

eMBB、mMTC、URLLC 三大 5G 应用场景在科技馆中不是割裂开来的，需要融合使用。智慧科技馆因 5G 赋能，但同样需要使用 AI、大数据、VR、AR 等其他新兴技术，甚至在一定时期还将继续使用传统信号通道和物联网方式。智慧科技馆是在非正规科学教育机构的定位上，服务观众参观、服务业务运营、服务领导决策、服务未来拓展。依托 5G 应用场景，根据已有智慧场馆建设实践，结合设计公司为湖北省科技馆提供的智慧科技馆建设方案资料，可以将智慧科技馆大体分为智慧传播、智慧服务、智慧运营、智慧管理四大模块[4]，前两个主要服务观众，后两个主要服务馆方（见图 1）。

 

 

 

2.1 智慧传播

 

场馆的传播主要有“场馆与观众”“场馆部门之间”和“场馆决策层与业务层”三个主要传播渠道[10]，主要解决的是科技馆的引流、入口和信息交流问题，包括线上平台、协作平台、智能推荐、云端社群等内容。传统科技馆传播主要通过网站、微信公众号等宣传展览、教育活动、工作动态，通过传统媒体宣传惠民科普活动等，本质上还是一种科普信息化的“干部思维”[11]。

 

 

2.1.1 线上观众入口

 

智慧传播的目的是吸引观众，将线上流量转化为线下观众数量，为此必须重视线上科普阵地。一是完善线上平台。在官方网站、微信公众号、小程序等线上平台中嵌入科技馆虚拟漫游和室内微型地图，主动展示科技馆全景；搭建预约、购票、导览、个性化定制参观路线等系统，将观众服务信息摆在首位，可以尝试与旅游平台合作推广。二是促进观众主动传播。VR 互动、AR 展示、巨幅科技史名画换脸等是营造科技馆“网红打卡地”，促进观众主动宣传展示的科技手段。三是智能推荐和云端社群服务。大数据分析后产生用户画像，可以将特定展品、教育活动、主题展览定点推送给注册用户，同时建立云端社群定期维护，形成“铁粉”传播阵地。

 

 

2.1.2 科普信息化

 

智慧传播是科技馆科普信息化的主要载体，需要在创新传统传播方式的基础上，运用 5G 等信息技术开发新的传播方式和内容。一是打造科普直播品牌。借用抖音、快手、斗鱼等平台，在不便线下活动时，面向特定群体开展科普直播。新冠疫情以来，湖北省科技馆已开展“童趣玩科学”科普直播活动 10余场，共吸引观众 100 余万人次。二是开展跨时空科普协作。利用 5G 和 VR 技术，借鉴湖北省博物馆与山东省博物馆实现曾侯乙编钟和天风海涛古琴的跨时空演奏，国内各大型科技馆可以实现“电磁大舞台”等展项的跨时空联动表演。三是打造科技大数据综合展示平台。通过 5G 信号，将环境监测数据、水文监测数据、自然保护区实时影像、交通数据等接入展示平台，让观众实时了解自然、交通等与生活息息相关却很难接触到的信息。

 

 

2.2 智慧服务

 

智慧服务旨在为观众参观前、参观时到参观后进行全流程服务，从进门、参观、休息到出门，大致包括检票、安检、导视、导览、互动、辅导、评估、反馈，以及支撑的资源库、会员库、专家库、志愿者库等[4]。智慧服务是科技馆智慧化最主要的体现，也是智慧科技馆特色和水平的体现，考验着科技馆和设计公司的想像力。

 

 

2.2.1 参观前服务

 

参观前服务是指观众即将来到科技馆门口，智慧科技馆系统所能提供的服务。一是路线推荐和智慧停车服务。科技馆与高德地图、百度地图共享馆内实时人数，当观众以科技馆为目的地进行导航时，除展示路线外，还会显示在馆人数和 1 小时等候人数预测；观众将被直接导航到智慧停车场，在停车场入馆时完成检票和安检。二是人脸识别入馆和无感安检。在线上平台搭建会员系统，支持已预约的会员通过人脸识别闸机无感入馆和安检。三是丰富入馆方式。普通观众凭二维码、身份证从闸机入馆，人工售票窗口设在闸机附近。四是建立数据库。包括资源库、会员库、专家库、志愿者库、观众库等，是智慧服务的数据基础。例如：按身份证、手机号、出入馆时间分条目记录观众信息建立观众库，为后期研究做准备。五是设置失信黑名单，对预约两次未到馆的观众设置黑名单，需到馆解除。

 

 

2.2.2 参观中服务

 

参观中服务主要为智慧展教，包括导视、导览、互动、辅导等环节。一是智慧导视。互动展示屏，在空旷场地安装大型屏幕，展示场馆信息、客流信息、展厅热力图、展项热度、影片和教育活动安排等重要信息。二是智慧导览。多元导览设备，在展厅出入口放置柜式导览设备，或将导览系统嵌入微信，通过导览系统规划参观路线，并且通过室内微型地图、精准定位了解自己所处的精确位置；个性化参观路线定制与推荐，根据不同展览主题和对观众的人群画像，推荐参观路线和核心展项，完成主题展览的参观学习。三是智慧互动。人机协作展项，观众与协作机器人共同完成某项任务；展项与线上活动配合，线上 AR 游戏等活动需通过线下展项配合完成；教育活动服务、展项预约提醒，减少排队负担，根据预约顺序提前10 分钟提醒观众到场等候。四是智慧辅导。科技辅导员是目前国内科技馆的短板，AI 科技辅导员可以通过机器人、手机小程序等方式为观众提供智慧导览[12]；虚拟学习单，则改变传统纸质学习单，将虚拟学习单应用于科技馆学习辅导。

 

 

2.2.3 参观后服务

 

参观后服务是解决观众参观后的反馈、分享和学习效果评估。一是反馈系统。观众使用小程序预约参观后，就建立一个服务单，观众离馆后有反馈提示，既可以用以提升观众的参与感，又可以完成观众自我评价和对场馆的评价。二是评估系统。科技馆的教育评估仍处于起步阶段，主要难题是如何在不干预情况下获得观众学习数据，智慧评估系统在观众允许的情况下能将观众的对话、表情、行为等要素数据化，并提取关键学习数据，供评估人员进行专业评估。

 

 

2.3 智慧运营

 

智慧运营为运用信息技术保障科技馆正常对外服务、对内管理的综合系统，包括智慧楼宇系统在科技馆的迁移，以及科技馆展厅智慧化建设。

 

 

2.3.1 智慧楼宇

 

楼宇智能化在国内已较为成熟，其出现和应用不仅带来了更安全、舒适的办公环境，也使得楼宇日常管理更加高效快捷[13]。一是能效管理，主要为精确控制空调、灯、办公设备、展品等耗电设备。二是智能安防，主要包括场域安防、灭火系统、红外围栏、电子巡更、失物寻回、拥堵疏散等功能。三是视频监控系统，主要通过人脸识别摄像头、高清摄像头监控公共空间，并对特定人员进行追踪。四是出入口控制系统，限制流量的同时，为儿童和家人进行头像匹配，儿童单独出馆或发现家人不匹配时，触发警报。五是其他智慧楼宇系统。

 

 

2.3.2 智慧展厅

 

展厅是场馆面向公众服务的主要场所，除智慧传播、智慧服务有关系统外，还包含信息发布、公共广播、展品控制等内容。一是信息发布，信息发布智能管理系统能够做到对电子屏发布内容进行智能审查，发现问题时立即上报工作人员二次确认；公共屏幕采取封闭式后台管理和智能审查。二是公共广播，分展厅独立播报语音广播、背景音乐、展厅解说等。三是展品控制，包括展品等固定资产的全生命周期记录，以及展品一键开关机、操作情况记录、维修工单生成与处理等。

 

 

2.4 智慧管理

 

2.4.1 综合管理平台

 

综合管理平台是智慧科技馆的最高指挥权限平台，一些场馆被设计在“馆长驾驶舱”“中央控制大厅”。一是展示作用，馆内所有智慧系统均被集成到综合管理平台，通过数据可视化形成直观图形，在大型 LED 屏幕实时展示出来。二是管理作用，管理人员可以通过综合管理平台查看所有智慧系统信息，实时掌握全馆运行情况，并下达管理指令。三是关联预测作用，大型科技馆每日产生的数据是可观的，大数据系统需要实现各系统的数据交叉分析、外部数据与系统数据的关联分析，达到提前预测、提前预警、提前决策的目的。

 

 

2.4.2 公众展示平台

 

庞杂的智慧科技馆系统并非通过亲身体验都能一一感受到，因此除了让观众感受到智慧服务外，还需要通过公众展示平台向观众直观展示场馆的智慧化程度。一是利用互动导视屏，实时展示可以被观众知晓的数据可视化图形，增强科技馆的科技感；二是利用展厅信息发布屏幕，实时展示外接数据、高清视频，打破科技馆的空间限制。

 

 

3 智慧科技馆的建设实践

 

智慧科技馆的建设仍处在起步阶段，智慧传播、智慧服务、智慧运营、智慧管理也仅仅是基于 5G 应用场景和其他智慧场馆的建设实践和设计方案而做出的构思和整体设计。随着 5G、AI、大数据、物联网应用的不断进化，智慧科技馆的未来发展也许会出乎所有人的预料。湖北省科技馆新馆建设正处在智慧科技馆的起步时期，作为省级大馆，有义务也有意愿对智慧科技馆建设实践做一些尝试。湖北省科技馆新馆由湖北省发改委于 2013 年月批复立项，总用地面积约 19.4 万 m2 ，主体建筑面积 7.03 万 m2，展示面积约 4 万 m2，常设展厅总面积约 1.6 万 m（2 不含专题展厅），其中二层展厅面积3 298m2，三层展厅面积 12 730 m2 ，共设置展品 525个，其中二层展品 75 个，三层展品 450 个，总概算约11.88 亿元。湖北省科技馆新馆“智慧科技馆”建设大体上经历了土建工程的弱电智能化工程建设、展教工程的展厅中控系统建设、开馆运营前期的信息化项目建设三个阶段，分别从智慧楼宇、智慧展厅、智慧传播、服务与管理四个方面完成了智慧科技馆的整体设计与建设（见图 2）。

 

 

 

3.1 弱电智能化工程

 

弱电智能化工程全称为“湖北省科技馆新馆弱电智能化（设计施工一体化）分包工程”，由武汉烽火信息集成技术有限公司于 2019 年 3 月中标，总投资约 1 600 万元，已基本完成验收。项目内容为：根据招标的技术要求及平面图纸进行计算机网络系统、无线覆盖、综合布线系统、无线对讲系统、公共广播系统、信息导引发布系统、建设设备管理系统、能源监测管理系统、电子票务系统、安全防范综合管理平台、视频安防监控系统、弱电 UPS 配电系统、入侵报警系统、出入口控制系统、电子巡查管理系统、停车场管理系统、消防安防控制室及信息机房的整体深化设计，科技馆智能化整体的深化设计与施工，以及配套设备和材料的选配、采购、运输、安装、调试、维保、主管部门的检测验收等。

弱电智能化工程在 2013 年完成初步设计，并获得项目及概算批复，彼时智慧楼宇尚处在起步阶段，因此有关设计目前看来已稍显落后。作为最早建设的智慧模块，弱电智能化工也是智慧科技馆赖以存在的基础，但主要为智慧楼宇内容，几乎没有涉及到有科技馆特色的智慧服务内容。

 

 

3.2 展厅中控系统

 

展厅中控系统全称为“湖北省科技馆新馆常设展厅中控系统设计、设备采购、安装、调试及相关服务”，由机科发展科技股份有限公司 2020 年 9 月中标，总投资约 413 万元，预计将于 2022 年 6 月底完成验收。项目内容为：一是基于网络的中控系统展品管理系统。建设一套展品网络控制系统，将所有带电展品分类，按 PC 控制、单片机控制、PLC 控制和时序电源控制等方式，通过内部网络实现展品开机和关机控制。其中，PC 控制类展品、单片机控制类展品和PLC 控制类展品可实现基础的状态监控和预警。系统可在中控室内进行集中开关机操作。二是个性化参观服务系统。实现特别场馆信息收集传输和演示，包括天文台、光伏发电系统、科普剧场、二层及二层夹层科学教育基地的信息收集、贮存、传输和演示。

 

展厅中控系统于 2020 年 6 月确定基本需求和概算，因概算限制仅包含一键开关机系统和个性化参观服务系统，只能满足常设展厅、儿童展厅、特别场馆的智能化控制，主要为智慧展厅内容。

 

 

3.3 信息化项目

 

弱电智能化工程可解决智慧科技馆的智慧楼宇，由土建工程专班负责；中控系统可解决智慧展厅，由内容建设专班负责。两套系统独立运营，分别能满足不同部门的需求，但是从智慧科技馆的整体性来看，这样的建设是不完善的。为此，湖北省科协领导高瞻远瞩，成立新馆智能化专班，在新馆全面覆盖 5G 信号的情况下，统筹建成后的弱电智能化工程、展厅中控系统，新增信息化项目，着力将新馆建成完善的智慧科技馆。

 

信息化项目于 2020 年 6 月底确定需求和概算，根据湖北省科技馆新馆工程建设领导小组要求，湖北省财政厅已于 2021 年 9 月完成投资评审，总概算约1500 万元，预计将于 2022 年 6 月开始实施。项目内容为：一是集成弱电智能化工程、展厅中控系统有关系统。二是搭建智慧传播系统，包括线上平台、预约购票系统、AR 体验项目等。三是搭建智慧服务系统，智慧导视、智慧导览、智慧互动、智慧辅导、体验反馈、效果评估等。四是搭建智慧运营系统，在集成弱电智能化工程、展厅中控系统基础上，丰富有关功能。五是搭建智慧管理系统，建设智能化中央控制大厅，嵌入综合管理平台，建设公众展示平台。

 

 

4 结语

 

在信息化和人工智能高速发展的当代，科技馆作为以科学技术普及为主要功能的机构，发展成智慧科技馆是其应有之义，然而目前智慧科技馆依旧处在起步阶段。未来智慧科技馆的建设需要注意三个基本要求：一是建立标准体系，探索智慧科技馆技术标准、服务标准、管理标准等，规范智慧科技馆建设生态；二是打造智慧科技馆标杆，国内亟需建成一座具有示范意义的智慧科技馆，为其他科技馆提供参考；三是注意系统性和前瞻性，智慧科技馆的建设是一个系统性工程，也是一个持续性工程，信息技术的飞速发展将促使智慧科技馆不断迭代进化，因此在进行整体设计时要考虑前瞻性和可拓展性。相信在国家对信息化建设的重视下，在科技馆界的不断尝试下，智慧科技馆建设将不断向前。

 

作者：黄雁翔