引言

一些大型遺址（如秦兵馬俑、長(zhǎng)城、新疆高昌故城、西安唐大明宮遺址等）作為華夏文明的代表，是我國(guó)文化遺產(chǎn)的重要組成部分。然而，遺址材質(zhì)的自身物理力學(xué)性質(zhì)和建造工藝導(dǎo)致了其脆弱性，再加上千百年環(huán)境的侵蝕，絕大多數(shù)遺址病害普遍發(fā)育，亟待保護(hù)。傳統(tǒng)的遺址保護(hù)方法主要是化學(xué)保護(hù)，受材料壽命限制，并且施加后無(wú)法去除，無(wú)法在實(shí)際中使用。本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，打破傳統(tǒng)思維，協(xié)作地采集網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的自然環(huán)境和遺址的多樣信息并進(jìn)行綜合處理，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。該方法因無(wú)需布線且不會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象產(chǎn)生破壞,故而在遺址保護(hù)應(yīng)用中極具優(yōu)勢(shì)。

目前，現(xiàn)存的遺址病害可以歸結(jié)為形變、霉菌、裂縫、坍塌、蟲(chóng)害、風(fēng)化、脫落等，導(dǎo)致這些病害的因素有很多，如遺址的組成和性質(zhì)（內(nèi)在因素）、水分、溫度變化、濕度、可溶性鹽、微生物、氣體污染物、灰塵、風(fēng)化、動(dòng)植物以及震動(dòng)等。一般情況下，這些因素都是綜合作用，共同對(duì)遺址進(jìn)行侵蝕破壞。不僅如此，遺址生存環(huán)境是一種隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的復(fù)雜狀態(tài)，因此，在遺址監(jiān)測(cè)體系中，如果反應(yīng)其實(shí)際狀態(tài)的各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得不到有效集成和長(zhǎng)期分析，就很難總結(jié)出遺址病害規(guī)律，更談不上有效地為遺址預(yù)測(cè)性保護(hù)提供決策依據(jù)。本文針對(duì)以上問(wèn)題，提出一種長(zhǎng)期、持續(xù)、穩(wěn)定獲取大量環(huán)境數(shù)據(jù)的解決方案。

1物聯(lián)網(wǎng)遺址保護(hù)現(xiàn)狀

隨著21世紀(jì)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，文物保護(hù)方法也逐步向現(xiàn)代化、科技化發(fā)展。目前，在文物遺址環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的智能化、信息化系統(tǒng)較多，文物保護(hù)領(lǐng)域均不同程度地引入環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提高了遺址保護(hù)水平。浙江大學(xué)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用于敦煌莫高窟的文物遺址環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)，通過(guò)在文物遺址現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境監(jiān)測(cè)采集器，來(lái)采集溫度、濕度、二氧化碳等微氣象數(shù)據(jù)。其中，便攜式人流量計(jì)數(shù)器用于統(tǒng)計(jì)游客量,同時(shí)通過(guò)Web為不同用戶(hù)提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查看、統(tǒng)計(jì)、系統(tǒng)管理等服務(wù)。中科院計(jì)算所開(kāi)發(fā)的用于故宮博物院的智能文物環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要用于采集文物展室環(huán)境情況，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)展室中的溫度、濕度、光照度等各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)。

上述將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于文物保護(hù)方面的實(shí)例，都只對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步處理，缺乏對(duì)數(shù)據(jù)的多維關(guān)聯(lián)分析，這就使得文物遺址環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)難以提供準(zhǔn)確的遺址病害機(jī)理與環(huán)境之間的關(guān)系。在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)與實(shí)際應(yīng)用并重的新時(shí)代，多傳感器數(shù)據(jù)融合能綜合利用不同學(xué)科的研究成果，最大限度地實(shí)現(xiàn)有用信息提取，給出正確的估計(jì)、識(shí)別和決策。本文通過(guò)建立大型遺址監(jiān)控預(yù)防保護(hù)體系，對(duì)遺址病害機(jī)理與環(huán)境之間的關(guān)系進(jìn)行全面分析，構(gòu)建出遺址生存模型，從而揭示環(huán)境因素對(duì)遺址的作用機(jī)理，實(shí)現(xiàn)遺址生存態(tài)勢(shì)評(píng)估和危險(xiǎn)估計(jì),最大限度地提高大型遺址的保護(hù)水平。

2遺址監(jiān)控預(yù)防保護(hù)體系的含義

遺址監(jiān)控預(yù)防保護(hù)體系就是將實(shí)用的多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)應(yīng)用在智能化、信息化的遺址環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上，對(duì)文物保護(hù)應(yīng)用過(guò)程中各類(lèi)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合處理和統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)遺址及環(huán)境數(shù)據(jù)的綜合采集、處理、傳輸、融合、多維關(guān)聯(lián)分析和再現(xiàn)，進(jìn)而提出決策方案和問(wèn)題解決方法，完成對(duì)遺址保護(hù)中數(shù)據(jù)資源的全面化采集、網(wǎng)絡(luò)化傳輸、有效化集成、可視化展現(xiàn)和智能化管理。

遺址監(jiān)控預(yù)防保護(hù)體系是使用有效的物理環(huán)境感知技術(shù)將病害發(fā)生過(guò)程邏輯信息化，將感知技術(shù)、定位技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、中間件技術(shù)、信息處理技術(shù)、數(shù)據(jù)融合和集成技術(shù)等與現(xiàn)代文物維護(hù)技術(shù)和文物存儲(chǔ)技術(shù)緊密結(jié)合，并通過(guò)大量的數(shù)據(jù)檢測(cè)和邏輯分析，精準(zhǔn)科學(xué)地描述并控制遺址病害機(jī)理受環(huán)境各因素的影響，實(shí)現(xiàn)預(yù)防性保護(hù)的有效性，因而是預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)遺址病害狀況的最有效的解決方案。

遺址監(jiān)控預(yù)防保護(hù)體系是一個(gè)綜合的環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)，主要包括遺址生存態(tài)勢(shì)感知體系、網(wǎng)絡(luò)傳輸標(biāo)準(zhǔn)、病害預(yù)測(cè)體系等。

3遺址監(jiān)控預(yù)防保護(hù)體系結(jié)構(gòu)

遺址監(jiān)控預(yù)防保護(hù)體系以多傳感器數(shù)據(jù)融合理論為指導(dǎo)，對(duì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)深入研究，揭示環(huán)境因素對(duì)遺址的作用機(jī)理，構(gòu)建遺址生存模型，并進(jìn)行遺址生存態(tài)勢(shì)評(píng)估和危險(xiǎn)估計(jì)，最大限度地提高大型遺址的保護(hù)水平。遺址監(jiān)控預(yù)防保護(hù)體系采用的技術(shù)主要有感知技術(shù)、定位技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動(dòng)通信網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線接入網(wǎng)技術(shù)、高性能計(jì)算技術(shù)、智能信息處理技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、數(shù)據(jù)融合和集成技術(shù)等常用技術(shù)。這些技術(shù)的使用主要體現(xiàn)在四個(gè)層次，即感知層、傳輸層、分析層和決策層。圖1所示是遺址監(jiān)控預(yù)防保護(hù)體系結(jié)構(gòu)示意圖。

3.1感知層

文物土質(zhì)成分的多樣性以及外部環(huán)境的頻繁變化，導(dǎo)致了遺址病害的發(fā)生，因此，實(shí)現(xiàn)全面感知監(jiān)控是防止病害發(fā)生的基礎(chǔ)。通過(guò)感知層實(shí)現(xiàn)智能化感知和精準(zhǔn)化定位，可以動(dòng)態(tài)地進(jìn)行大規(guī)模、分布式的信息獲取，能有效感知遺址內(nèi)部不同深度的溫濕度、鹽分以及環(huán)境溫度、濕度、光照、空氣污染物、形變、震動(dòng)等變化，提高獲取病害因素信息的精確性和全面性。

圖1  遺址監(jiān)控預(yù)防保護(hù)體系結(jié)構(gòu)示意圖

感知層的主要任務(wù)是采集文物狀態(tài)信息和周?chē)h(huán)境信息,可分為文物本體感知和環(huán)境感知。如今的智能傳感器已經(jīng)可以將計(jì)算能力嵌入到傳感器中，使得傳感器節(jié)點(diǎn)不僅具有數(shù)據(jù)采集能力，而且具有濾波和信息處理能力，同時(shí)無(wú)線傳感器具有無(wú)線通信能力，大大延長(zhǎng)了傳感器的感知觸角，降低了傳感器的工程實(shí)施成本。感知層模型如圖2所示。

圖2  感知層模型

遺址環(huán)境感知體系是感知層中最主要的標(biāo)準(zhǔn)化感知平臺(tái)。該平臺(tái)主要是基于物聯(lián)網(wǎng)，利用傳感器節(jié)點(diǎn)體積小、易部署等特點(diǎn)，在遺址（表面或內(nèi)部）部署節(jié)點(diǎn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，尋找最適宜的部署位置，部署傳感器節(jié)點(diǎn)。通過(guò)無(wú)線方式自組織形成數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡(luò)，對(duì)模擬坑和真實(shí)環(huán)境遺址本體（表面和內(nèi)部）的環(huán)境（如水分、溫度、濕度、可溶性鹽、霉菌、氣體污染、

形變、震動(dòng)、光照等）同時(shí)地、持續(xù)性地采集不同區(qū)域中的多維環(huán)境參數(shù)特性，全方位地收集遺址的各類(lèi)生存環(huán)境信息（包括區(qū)域性環(huán)境以及遺址體的具體保存環(huán)境）。利用土壤傳感器對(duì)遺址內(nèi)部不同深度的溫濕度、鹽分、含水量等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并對(duì)遺址本體（如風(fēng)化、裂隙和侵蝕）、易溶鹽和整體變形進(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè)，從而為得出烽燧夯土的風(fēng)化速率、裂隙變化規(guī)律、重點(diǎn)掏蝕區(qū)的發(fā)展變化規(guī)律等結(jié)論提供科學(xué)依據(jù)。

遺址環(huán)境感知體系需要實(shí)現(xiàn)全面的感知，以便保證信息的精準(zhǔn)性和權(quán)威性，因此，需要完善的感知體系和傳感器設(shè)備。具體包括如下幾類(lèi)：

（1）環(huán)境感知類(lèi)

主要功能是結(jié)合現(xiàn)有遺址生存環(huán)境，在完備空氣溫濕度、腐蝕性氣體、土壤溫度、灰塵等傳感器的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)上的突破，同時(shí)還包括能進(jìn)行智能處理、多數(shù)據(jù)源集成的傳感器。

（2）文物監(jiān)測(cè)類(lèi)

文物監(jiān)測(cè)類(lèi)包括文物形變監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)源監(jiān)控、文物土質(zhì)成分監(jiān)測(cè)以及文物狀態(tài)監(jiān)控設(shè)備通信用的傳感器等，主要是在接收環(huán)境感知傳感器數(shù)據(jù)并處理分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì)文物自身結(jié)構(gòu)和土質(zhì)的感知，為構(gòu)造遺址生存模型提供關(guān)鍵的決策依據(jù)。

（3）多媒體傳感器

在以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的環(huán)境監(jiān)測(cè)活動(dòng)中，添加信息量豐富的音頻、視頻等媒體，用于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的物理環(huán)境感知。無(wú)線多媒體傳感器感知環(huán)境的聲音和圖像等復(fù)雜數(shù)據(jù)，提供最為直觀、豐富的可聽(tīng)可視媒體信息，使得監(jiān)測(cè)活動(dòng)更加全面有效。3.2傳輸層

傳輸層的主要功能是直接通過(guò)現(xiàn)有的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或者衛(wèi)星等基礎(chǔ)設(shè)施，將體系的感知層采集到的溫度、濕度、光照、空氣污染物、震動(dòng)等數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確無(wú)誤地傳輸?shù)娇刂贫?，?shí)現(xiàn)遺址檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和有效性。實(shí)現(xiàn)方式分為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸和有線網(wǎng)絡(luò)傳輸：以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸為主，如用于監(jiān)控所需的無(wú)線無(wú)源傳感器等；有線網(wǎng)絡(luò)傳輸主要用于無(wú)線信號(hào)易受到干擾的遺址模擬坑內(nèi)以及傳感器節(jié)點(diǎn)容易受到游客無(wú)意破壞的遺址生存環(huán)境。在整個(gè)傳輸層主要采用各種異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備，比如接入互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)、接入移動(dòng)通信網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)等。這些設(shè)備具有較強(qiáng)的硬件支撐能力，同時(shí)采用相對(duì)復(fù)雜的軟件協(xié)議設(shè)計(jì)。其功能包括網(wǎng)絡(luò)接入、管理和安全等。

傳輸層中使用了許多實(shí)用技術(shù)和通用設(shè)備，為使此體系具有更普遍的適用性，對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊缶透呄驑?biāo)準(zhǔn)化,主要包括遺址監(jiān)控預(yù)防保護(hù)體系模塊化標(biāo)準(zhǔn)、接口標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)地址分配標(biāo)準(zhǔn)、IPv6通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)、傳感器節(jié)點(diǎn)自組織技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、控制標(biāo)準(zhǔn)、管理標(biāo)準(zhǔn)、傳感器節(jié)點(diǎn)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)等。傳輸層模型如圖3所示。

圖3  傳輸層模型

3.3分析層

分析層使用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)和智能信息處理技術(shù),來(lái)對(duì)經(jīng)過(guò)傳輸層傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行多維關(guān)聯(lián)分析，探索環(huán)境因素的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)變換對(duì)大型遺址作用，最終使用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等智能方法構(gòu)建遺址生存模型，為土遺址預(yù)防性保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

遺址生存模型的建立是一個(gè)不確定性知識(shí)表達(dá)和推理的過(guò)程。遺址生存的主要影響因素可分為內(nèi)因和外因：內(nèi)因是指構(gòu)成土遺址自身生存狀態(tài)的霉菌、形變、蟲(chóng)害、風(fēng)化、脫落等病害；外因主要是指環(huán)境因素，如溫度、濕度、震動(dòng)等。分析層對(duì)這些采集來(lái)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行多級(jí)別、多層次的綜合性處理，深入了解遺址環(huán)境的主要特點(diǎn)，進(jìn)而通過(guò)多層次融合和情景語(yǔ)義描述模型，即可以對(duì)遺址生存狀態(tài)的指標(biāo)，如抗拉、抗壓及抗剪強(qiáng)度，耐風(fēng)蝕性能，土樣內(nèi)部分子間的脫水程度及其風(fēng)化程度，表層和內(nèi)部的孔隙率檢測(cè)（對(duì)比土樣表層和內(nèi)部空隙的差別，推測(cè)其風(fēng)化狀況），表面顏色變化觀察（色度計(jì)）等進(jìn)行語(yǔ)義描述。然后探究每個(gè)環(huán)境指標(biāo)對(duì)于遺址病害的具體影響，進(jìn)而建立環(huán)境影響因素與遺址病害之間的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)模型，實(shí)現(xiàn)遺址生存態(tài)勢(shì)的可視化。遺址生存模型如圖4所示。

圖4  遺址生存模型

3.4決策層

決策層主要負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)判定出遺址現(xiàn)狀的健康程度，能及時(shí)地、自動(dòng)地進(jìn)行環(huán)境調(diào)節(jié)或報(bào)警，防止遺址病害的發(fā)生。決策層模型如圖5所示。

圖5  決策層模型

決策層的核心體系是病害預(yù)測(cè)體系，此體系根據(jù)遺址生存狀態(tài)模型以及歷史和當(dāng)前實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出的裂隙變化、震動(dòng)頻率等信息，進(jìn)行規(guī)律分析和超前預(yù)警。在分析層建立的遺址生存模型基礎(chǔ)上，通過(guò)分析不同環(huán)境參數(shù)組合與病害發(fā)生概率的關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)信息識(shí)別遺址環(huán)境變化，以便及時(shí)調(diào)整環(huán)境氣體濃度、游客流量或者直接報(bào)警等。具體表現(xiàn)有:在遺址文物附近的墻壁上安裝智能警告系統(tǒng),可在游客無(wú)意進(jìn)入禁止區(qū)時(shí)自動(dòng)顯示紅色警告信號(hào)，用語(yǔ)音的形式提示游客不要踏入禁止區(qū)以防文物遭破壞；還有當(dāng)系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，故障診斷分析系統(tǒng)就向監(jiān)測(cè)中心發(fā)出故障類(lèi)型等。

病害預(yù)測(cè)體系由檢測(cè)、預(yù)警以及配置三個(gè)主要系統(tǒng)協(xié)同工作，高效實(shí)現(xiàn)對(duì)遺址的智能控制和深層管理。

檢測(cè)系統(tǒng)主要是包括微波游客檢測(cè)器、火災(zāi)檢測(cè)器、亮度檢測(cè)器、風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)器、氣象檢測(cè)器等。通過(guò)這些設(shè)備可以準(zhǔn)確得到遺址附近的游客流量、溫度、火災(zāi)信息。

預(yù)警系統(tǒng)包括自動(dòng)識(shí)別危險(xiǎn)源系統(tǒng)、智能警告系統(tǒng)、通用調(diào)節(jié)環(huán)境系統(tǒng)、應(yīng)急調(diào)整指揮系統(tǒng)等。

配置系統(tǒng)用于支撐這個(gè)病害預(yù)測(cè)體系資源的供給，主要涉及供電系統(tǒng)、多能源智能支配系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)維修系統(tǒng)、故障診斷分析系統(tǒng)等。

4結(jié)語(yǔ)

本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到大型遺址保護(hù)領(lǐng)域，并利用傳感器體積小、易部署等技術(shù)特點(diǎn)，在文物存儲(chǔ)、展覽環(huán)境中部署節(jié)點(diǎn)，持續(xù)監(jiān)測(cè)、采集數(shù)據(jù)信息并通過(guò)Internet發(fā)回遠(yuǎn)程控制中心。針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中缺乏對(duì)數(shù)據(jù)的多維關(guān)聯(lián)分析，以及提供的遺址病害機(jī)理與環(huán)境之間的關(guān)系的不準(zhǔn)確性，本文提出了遺址生存模型。該模型在真實(shí)環(huán)境下通過(guò)長(zhǎng)期工作，能夠?yàn)檫z址保護(hù)工作者保護(hù)文物提供更為有效的決策依據(jù)；同時(shí),為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于大型遺址保護(hù)研究工作奠定基礎(chǔ)，為物聯(lián)網(wǎng)其他領(lǐng)域研究做出有益探索。

20211018_616c5a1020fd1__物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在大型遺址保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用