物联网技术在大型遗址保护领域的应用

《物联网技术》杂志
2021-10-18 01:15
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引言

一些大型遗址(如秦兵马俑、长城、新疆高昌故城、西安唐大明宫遗址等)作为华夏文明的代表,是我国文化遗产的重要组成部分。然而,遗址材质的自身物理力学性质和建造工艺导致了其脆弱性,再加上千百年环境的侵蚀,绝大多数遗址病害普遍发育,亟待保护。传统的遗址保护方法主要是化学保护,受材料寿命限制,并且施加后无法去除,无法在实际中使用。本文利用物联网技术,打破传统思维,协作地采集网络区域内的自然环境和遗址的多样信息并进行综合处理,实现动态监测。该方法因无需布线且不会对监测对象产生破坏,故而在遗址保护应用中极具优势。

目前,现存的遗址病害可以归结为形变、霉菌、裂缝、坍塌、虫害、风化、脱落等,导致这些病害的因素有很多,如遗址的组成和性质(内在因素)、水分、温度变化、湿度、可溶性盐、微生物、气体污染物、灰尘、风化、动植物以及震动等。一般情况下,这些因素都是综合作用,共同对遗址进行侵蚀破坏。不仅如此,遗址生存环境是一种随时间动态变化的复杂状态,因此,在遗址监测体系中,如果反应其实际状态的各种监测数据得不到有效集成和长期分析,就很难总结出遗址病害规律,更谈不上有效地为遗址预测性保护提供决策依据。本文针对以上问题,提出一种长期、持续、稳定获取大量环境数据的解决方案。

1物联网遗址保护现状

随着21世纪信息技术的不断发展,文物保护方法也逐步向现代化、科技化发展。目前,在文物遗址环境监测方面的智能化、信息化系统较多,文物保护领域均不同程度地引入环境监测系统,提高了遗址保护水平。浙江大学开发的应用于敦煌莫高窟的文物遗址环境监测数据服务系统,通过在文物遗址现场安装环境监测采集器,来采集温度、湿度、二氧化碳等微气象数据。其中,便携式人流量计数器用于统计游客量,同时通过Web为不同用户提供监测数据查看、统计、系统管理等服务。中科院计算所开发的用于故宫博物院的智能文物环境监测系统,主要用于采集文物展室环境情况,实时监测展室中的温度、湿度、光照度等各项环境指标。

上述将物联网应用于文物保护方面的实例,都只对数据进行了初步处理,缺乏对数据的多维关联分析,这就使得文物遗址环境监测系统难以提供准确的遗址病害机理与环境之间的关系。在物联网基础与实际应用并重的新时代,多传感器数据融合能综合利用不同学科的研究成果,最大限度地实现有用信息提取,给出正确的估计、识别和决策。本文通过建立大型遗址监控预防保护体系,对遗址病害机理与环境之间的关系进行全面分析,构建出遗址生存模型,从而揭示环境因素对遗址的作用机理,实现遗址生存态势评估和危险估计,最大限度地提高大型遗址的保护水平。

2遗址监控预防保护体系的含义

遗址监控预防保护体系就是将实用的多传感器数据融合技术应用在智能化、信息化的遗址环境监测系统上,对文物保护应用过程中各类数据信息进行综合处理和统一管理,实现对遗址及环境数据的综合采集、处理、传输、融合、多维关联分析和再现,进而提出决策方案和问题解决方法,完成对遗址保护中数据资源的全面化采集、网络化传输、有效化集成、可视化展现和智能化管理。

遗址监控预防保护体系是使用有效的物理环境感知技术将病害发生过程逻辑信息化,将感知技术、定位技术、数据传输技术、中间件技术、信息处理技术、数据融合和集成技术等与现代文物维护技术和文物存储技术紧密结合,并通过大量的数据检测和逻辑分析,精准科学地描述并控制遗址病害机理受环境各因素的影响,实现预防性保护的有效性,因而是预测预报遗址病害状况的最有效的解决方案。

遗址监控预防保护体系是一个综合的环境监测平台,主要包括遗址生存态势感知体系、网络传输标准、病害预测体系等。

3遗址监控预防保护体系结构

遗址监控预防保护体系以多传感器数据融合理论为指导,对监测的数据深入研究,揭示环境因素对遗址的作用机理,构建遗址生存模型,并进行遗址生存态势评估和危险估计,最大限度地提高大型遗址的保护水平。遗址监控预防保护体系采用的技术主要有感知技术、定位技术、互联网技术、移动通信网技术、无线接入网技术、高性能计算技术、智能信息处理技术、云计算技术、数据融合和集成技术等常用技术。这些技术的使用主要体现在四个层次,即感知层、传输层、分析层和决策层。图1所示是遗址监控预防保护体系结构示意图。

3.1感知层

文物土质成分的多样性以及外部环境的频繁变化,导致了遗址病害的发生,因此,实现全面感知监控是防止病害发生的基础。通过感知层实现智能化感知和精准化定位,可以动态地进行大规模、分布式的信息获取,能有效感知遗址内部不同深度的温湿度、盐分以及环境温度、湿度、光照、空气污染物、形变、震动等变化,提高获取病害因素信息的精确性和全面性。

图1  遗址监控预防保护体系结构示意图

感知层的主要任务是采集文物状态信息和周围环境信息,可分为文物本体感知和环境感知。如今的智能传感器已经可以将计算能力嵌入到传感器中,使得传感器节点不仅具有数据采集能力,而且具有滤波和信息处理能力,同时无线传感器具有无线通信能力,大大延长了传感器的感知触角,降低了传感器的工程实施成本。感知层模型如图2所示。

图2  感知层模型

遗址环境感知体系是感知层中最主要的标准化感知平台。该平台主要是基于物联网,利用传感器节点体积小、易部署等特点,在遗址(表面或内部)部署节点。通过现场勘测,寻找最适宜的部署位置,部署传感器节点。通过无线方式自组织形成数据收集网络,对模拟坑和真实环境遗址本体(表面和内部)的环境(如水分、温度、湿度、可溶性盐、霉菌、气体污染、

形变、震动、光照等)同时地、持续性地采集不同区域中的多维环境参数特性,全方位地收集遗址的各类生存环境信息(包括区域性环境以及遗址体的具体保存环境)。利用土壤传感器对遗址内部不同深度的温湿度、盐分、含水量等进行数据采集,并对遗址本体(如风化、裂隙和侵蚀)、易溶盐和整体变形进行不间断监测,从而为得出烽燧夯土的风化速率、裂隙变化规律、重点掏蚀区的发展变化规律等结论提供科学依据。

遗址环境感知体系需要实现全面的感知,以便保证信息的精准性和权威性,因此,需要完善的感知体系和传感器设备。具体包括如下几类:

(1)环境感知类

主要功能是结合现有遗址生存环境,在完备空气温湿度、腐蚀性气体、土壤温度、灰尘等传感器的基础上,实现视觉和听觉上的突破,同时还包括能进行智能处理、多数据源集成的传感器。

(2)文物监测类

文物监测类包括文物形变监测、动态源监控、文物土质成分监测以及文物状态监控设备通信用的传感器等,主要是在接收环境感知传感器数据并处理分析的基础上,结合对文物自身结构和土质的感知,为构造遗址生存模型提供关键的决策依据。

(3)多媒体传感器

在以物联网为基础的环境监测活动中,添加信息量丰富的音频、视频等媒体,用于实现精准的物理环境感知。无线多媒体传感器感知环境的声音和图像等复杂数据,提供最为直观、丰富的可听可视媒体信息,使得监测活动更加全面有效。3.2传输层

传输层的主要功能是直接通过现有的无线网络或者卫星等基础设施,将体系的感知层采集到的温度、湿度、光照、空气污染物、震动等数据信息准确无误地传输到控制端,实现遗址检测的实时性和有效性。实现方式分为无线网络传输和有线网络传输:以无线网络传输为主,如用于监控所需的无线无源传感器等;有线网络传输主要用于无线信号易受到干扰的遗址模拟坑内以及传感器节点容易受到游客无意破坏的遗址生存环境。在整个传输层主要采用各种异构通信网络接入设备,比如接入互联网的网关、接入移动通信网的网关等。这些设备具有较强的硬件支撑能力,同时采用相对复杂的软件协议设计。其功能包括网络接入、管理和安全等。

传输层中使用了许多实用技术和通用设备,为使此体系具有更普遍的适用性,对网络传输的要求就更趋向标准化,主要包括遗址监控预防保护体系模块化标准、接口标准、网络协议标准、网络地址分配标准、IPv6通信技术标准、物联网标准、传感器节点自组织技术标准、控制标准、管理标准、传感器节点分类标准等。传输层模型如图3所示。

图3  传输层模型

3.3分析层

分析层使用多传感器数据融合技术和智能信息处理技术,来对经过传输层传输过来的数据进行多维关联分析,探索环境因素的静态与动态变换对大型遗址作用,最终使用贝叶斯网络等智能方法构建遗址生存模型,为土遗址预防性保护提供科学依据。

遗址生存模型的建立是一个不确定性知识表达和推理的过程。遗址生存的主要影响因素可分为内因和外因:内因是指构成土遗址自身生存状态的霉菌、形变、虫害、风化、脱落等病害;外因主要是指环境因素,如温度、湿度、震动等。分析层对这些采集来的数据信息进行多级别、多层次的综合性处理,深入了解遗址环境的主要特点,进而通过多层次融合和情景语义描述模型,即可以对遗址生存状态的指标,如抗拉、抗压及抗剪强度,耐风蚀性能,土样内部分子间的脱水程度及其风化程度,表层和内部的孔隙率检测(对比土样表层和内部空隙的差别,推测其风化状况),表面颜色变化观察(色度计)等进行语义描述。然后探究每个环境指标对于遗址病害的具体影响,进而建立环境影响因素与遗址病害之间的数学关联模型,实现遗址生存态势的可视化。遗址生存模型如图4所示。

图4  遗址生存模型

3.4决策层

决策层主要负责远程监测,实时判定出遗址现状的健康程度,能及时地、自动地进行环境调节或报警,防止遗址病害的发生。决策层模型如图5所示。

图5  决策层模型

决策层的核心体系是病害预测体系,此体系根据遗址生存状态模型以及历史和当前实时监测出的裂隙变化、震动频率等信息,进行规律分析和超前预警。在分析层建立的遗址生存模型基础上,通过分析不同环境参数组合与病害发生概率的关系,可以实现根据系统收集到的数据信息识别遗址环境变化,以便及时调整环境气体浓度、游客流量或者直接报警等。具体表现有:在遗址文物附近的墙壁上安装智能警告系统,可在游客无意进入禁止区时自动显示红色警告信号,用语音的形式提示游客不要踏入禁止区以防文物遭破坏;还有当系统设备出现故障时,故障诊断分析系统就向监测中心发出故障类型等。

病害预测体系由检测、预警以及配置三个主要系统协同工作,高效实现对遗址的智能控制和深层管理。

检测系统主要是包括微波游客检测器、火灾检测器、亮度检测器、风速风向检测器、气象检测器等。通过这些设备可以准确得到遗址附近的游客流量、温度、火灾信息。

预警系统包括自动识别危险源系统、智能警告系统、通用调节环境系统、应急调整指挥系统等。

配置系统用于支撑这个病害预测体系资源的供给,主要涉及供电系统、多能源智能支配系统、网络维修系统、故障诊断分析系统等。

4结语

本文将物联网技术引入到大型遗址保护领域,并利用传感器体积小、易部署等技术特点,在文物存储、展览环境中部署节点,持续监测、采集数据信息并通过Internet发回远程控制中心。针对实际应用中缺乏对数据的多维关联分析,以及提供的遗址病害机理与环境之间的关系的不准确性,本文提出了遗址生存模型。该模型在真实环境下通过长期工作,能够为遗址保护工作者保护文物提供更为有效的决策依据;同时,为物联网技术应用于大型遗址保护研究工作奠定基础,为物联网其他领域研究做出有益探索。

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