引言

一些大型遺址（如秦兵馬俑、長城、新疆高昌故城、西安唐大明宮遺址等）作為華夏文明的代表，是我國文化遺產的重要組成部分。然而，遺址材質的自身物理力學性質和建造工藝導致了其脆弱性，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。傳統(tǒng)的遺址保護方法主要是化學保護，受材料壽命限制，并且施加后無法去除，無法在實際中使用。本文利用物聯(lián)網技術，打破傳統(tǒng)思維，協(xié)作地采集網絡區(qū)域內的自然環(huán)境和遺址的多樣信息并進行綜合處理，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測。該方法因無需布線且不會對監(jiān)測對象產生破壞,故而在遺址保護應用中極具優(yōu)勢。

目前，現(xiàn)存的遺址病害可以歸結為形變、霉菌、裂縫、坍塌、蟲害、風化、脫落等，導致這些病害的因素有很多，如遺址的組成和性質（內在因素）、水分、溫度變化、濕度、可溶性鹽、微生物、氣體污染物、灰塵、風化、動植物以及震動等。一般情況下，這些因素都是綜合作用，共同對遺址進行侵蝕破壞。不僅如此，遺址生存環(huán)境是一種隨時間動態(tài)變化的復雜狀態(tài)，因此，在遺址監(jiān)測體系中，如果反應其實際狀態(tài)的各種監(jiān)測數(shù)據(jù)得不到有效集成和長期分析，就很難總結出遺址病害規(guī)律，更談不上有效地為遺址預測性保護提供決策依據(jù)。本文針對以上問題，提出一種長期、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)網遺址保護現(xiàn)狀

隨著21世紀信息技術的不斷發(fā)展，文物保護方法也逐步向現(xiàn)代化、科技化發(fā)展。目前，在文物遺址環(huán)境監(jiān)測方面的智能化、信息化系統(tǒng)較多，文物保護領域均不同程度地引入環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，提高了遺址保護水平。浙江大學開發(fā)的應用于敦煌莫高窟的文物遺址環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)，通過在文物遺址現(xiàn)場安裝環(huán)境監(jiān)測采集器，來采集溫度、濕度、二氧化碳等微氣象數(shù)據(jù)。其中，便攜式人流量計數(shù)器用于統(tǒng)計游客量,同時通過Web為不同用戶提供監(jiān)測數(shù)據(jù)查看、統(tǒng)計、系統(tǒng)管理等服務。中科院計算所開發(fā)的用于故宮博物院的智能文物環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，主要用于采集文物展室環(huán)境情況，實時監(jiān)測展室中的溫度、濕度、光照度等各項環(huán)境指標。

上述將物聯(lián)網應用于文物保護方面的實例，都只對數(shù)據(jù)進行了初步處理，缺乏對數(shù)據(jù)的多維關聯(lián)分析，這就使得文物遺址環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)難以提供準確的遺址病害機理與環(huán)境之間的關系。在物聯(lián)網基礎與實際應用并重的新時代，多傳感器數(shù)據(jù)融合能綜合利用不同學科的研究成果，最大限度地實現(xiàn)有用信息提取，給出正確的估計、識別和決策。本文通過建立大型遺址監(jiān)控預防保護體系，對遺址病害機理與環(huán)境之間的關系進行全面分析，構建出遺址生存模型，從而揭示環(huán)境因素對遺址的作用機理，實現(xiàn)遺址生存態(tài)勢評估和危險估計,最大限度地提高大型遺址的保護水平。

2遺址監(jiān)控預防保護體系的含義

遺址監(jiān)控預防保護體系就是將實用的多傳感器數(shù)據(jù)融合技術應用在智能化、信息化的遺址環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)上，對文物保護應用過程中各類數(shù)據(jù)信息進行綜合處理和統(tǒng)一管理，實現(xiàn)對遺址及環(huán)境數(shù)據(jù)的綜合采集、處理、傳輸、融合、多維關聯(lián)分析和再現(xiàn)，進而提出決策方案和問題解決方法，完成對遺址保護中數(shù)據(jù)資源的全面化采集、網絡化傳輸、有效化集成、可視化展現(xiàn)和智能化管理。

遺址監(jiān)控預防保護體系是使用有效的物理環(huán)境感知技術將病害發(fā)生過程邏輯信息化，將感知技術、定位技術、數(shù)據(jù)傳輸技術、中間件技術、信息處理技術、數(shù)據(jù)融合和集成技術等與現(xiàn)代文物維護技術和文物存儲技術緊密結合，并通過大量的數(shù)據(jù)檢測和邏輯分析，精準科學地描述并控制遺址病害機理受環(huán)境各因素的影響，實現(xiàn)預防性保護的有效性，因而是預測預報遺址病害狀況的最有效的解決方案。

遺址監(jiān)控預防保護體系是一個綜合的環(huán)境監(jiān)測平臺，主要包括遺址生存態(tài)勢感知體系、網絡傳輸標準、病害預測體系等。

3遺址監(jiān)控預防保護體系結構

遺址監(jiān)控預防保護體系以多傳感器數(shù)據(jù)融合理論為指導，對監(jiān)測的數(shù)據(jù)深入研究，揭示環(huán)境因素對遺址的作用機理，構建遺址生存模型，并進行遺址生存態(tài)勢評估和危險估計，最大限度地提高大型遺址的保護水平。遺址監(jiān)控預防保護體系采用的技術主要有感知技術、定位技術、互聯(lián)網技術、移動通信網技術、無線接入網技術、高性能計算技術、智能信息處理技術、云計算技術、數(shù)據(jù)融合和集成技術等常用技術。這些技術的使用主要體現(xiàn)在四個層次，即感知層、傳輸層、分析層和決策層。圖1所示是遺址監(jiān)控預防保護體系結構示意圖。

3.1感知層

文物土質成分的多樣性以及外部環(huán)境的頻繁變化，導致了遺址病害的發(fā)生，因此，實現(xiàn)全面感知監(jiān)控是防止病害發(fā)生的基礎。通過感知層實現(xiàn)智能化感知和精準化定位，可以動態(tài)地進行大規(guī)模、分布式的信息獲取，能有效感知遺址內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)控預防保護體系結構示意圖

感知層的主要任務是采集文物狀態(tài)信息和周圍環(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可以將計算能力嵌入到傳感器中，使得傳感器節(jié)點不僅具有數(shù)據(jù)采集能力，而且具有濾波和信息處理能力，同時無線傳感器具有無線通信能力，大大延長了傳感器的感知觸角，降低了傳感器的工程實施成本。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準化感知平臺。該平臺主要是基于物聯(lián)網，利用傳感器節(jié)點體積小、易部署等特點，在遺址（表面或內部）部署節(jié)點。通過現(xiàn)場勘測，尋找最適宜的部署位置，部署傳感器節(jié)點。通過無線方式自組織形成數(shù)據(jù)收集網絡，對模擬坑和真實環(huán)境遺址本體（表面和內部）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、光照等）同時地、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）。利用土壤傳感器對遺址內部不同深度的溫濕度、鹽分、含水量等進行數(shù)據(jù)采集,并對遺址本體（如風化、裂隙和侵蝕）、易溶鹽和整體變形進行不間斷監(jiān)測，從而為得出烽燧夯土的風化速率、裂隙變化規(guī)律、重點掏蝕區(qū)的發(fā)展變化規(guī)律等結論提供科學依據(jù)。

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

（1）環(huán)境感知類

主要功能是結合現(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上，實現(xiàn)視覺和聽覺上的突破，同時還包括能進行智能處理、多數(shù)據(jù)源集成的傳感器。

（2）文物監(jiān)測類

文物監(jiān)測類包括文物形變監(jiān)測、動態(tài)源監(jiān)控、文物土質成分監(jiān)測以及文物狀態(tài)監(jiān)控設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)并處理分析的基礎上，結合對文物自身結構和土質的感知，為構造遺址生存模型提供關鍵的決策依據(jù)。

（3）多媒體傳感器

在以物聯(lián)網為基礎的環(huán)境監(jiān)測活動中，添加信息量豐富的音頻、視頻等媒體，用于實現(xiàn)精準的物理環(huán)境感知。無線多媒體傳感器感知環(huán)境的聲音和圖像等復雜數(shù)據(jù)，提供最為直觀、豐富的可聽可視媒體信息，使得監(jiān)測活動更加全面有效。3.2傳輸層

傳輸層的主要功能是直接通過現(xiàn)有的無線網絡或者衛(wèi)星等基礎設施，將體系的感知層采集到的溫度、濕度、光照、空氣污染物、震動等數(shù)據(jù)信息準確無誤地傳輸?shù)娇刂贫?，實現(xiàn)遺址檢測的實時性和有效性。實現(xiàn)方式分為無線網絡傳輸和有線網絡傳輸：以無線網絡傳輸為主，如用于監(jiān)控所需的無線無源傳感器等；有線網絡傳輸主要用于無線信號易受到干擾的遺址模擬坑內以及傳感器節(jié)點容易受到游客無意破壞的遺址生存環(huán)境。在整個傳輸層主要采用各種異構通信網絡接入設備，比如接入互聯(lián)網的網關、接入移動通信網的網關等。這些設備具有較強的硬件支撐能力，同時采用相對復雜的軟件協(xié)議設計。其功能包括網絡接入、管理和安全等。

傳輸層中使用了許多實用技術和通用設備，為使此體系具有更普遍的適用性，對網絡傳輸?shù)囊缶透呄驑藴驶?主要包括遺址監(jiān)控預防保護體系模塊化標準、接口標準、網絡協(xié)議標準、網絡地址分配標準、IPv6通信技術標準、物聯(lián)網標準、傳感器節(jié)點自組織技術標準、控制標準、管理標準、傳感器節(jié)點分類標準等。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)融合技術和智能信息處理技術,來對經過傳輸層傳輸過來的數(shù)據(jù)進行多維關聯(lián)分析，探索環(huán)境因素的靜態(tài)與動態(tài)變換對大型遺址作用，最終使用貝葉斯網絡等智能方法構建遺址生存模型，為土遺址預防性保護提供科學依據(jù)。

遺址生存模型的建立是一個不確定性知識表達和推理的過程。遺址生存的主要影響因素可分為內因和外因：內因是指構成土遺址自身生存狀態(tài)的霉菌、形變、蟲害、風化、脫落等病害；外因主要是指環(huán)境因素，如溫度、濕度、震動等。分析層對這些采集來的數(shù)據(jù)信息進行多級別、多層次的綜合性處理，深入了解遺址環(huán)境的主要特點，進而通過多層次融合和情景語義描述模型，即可以對遺址生存狀態(tài)的指標，如抗拉、抗壓及抗剪強度，耐風蝕性能，土樣內部分子間的脫水程度及其風化程度，表層和內部的孔隙率檢測（對比土樣表層和內部空隙的差別，推測其風化狀況），表面顏色變化觀察（色度計）等進行語義描述。然后探究每個環(huán)境指標對于遺址病害的具體影響，進而建立環(huán)境影響因素與遺址病害之間的數(shù)學關聯(lián)模型，實現(xiàn)遺址生存態(tài)勢的可視化。遺址生存模型如圖4所示。

圖4  遺址生存模型

3.4決策層

決策層主要負責遠程監(jiān)測，實時判定出遺址現(xiàn)狀的健康程度，能及時地、自動地進行環(huán)境調節(jié)或報警，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測體系，此體系根據(jù)遺址生存狀態(tài)模型以及歷史和當前實時監(jiān)測出的裂隙變化、震動頻率等信息，進行規(guī)律分析和超前預警。在分析層建立的遺址生存模型基礎上，通過分析不同環(huán)境參數(shù)組合與病害發(fā)生概率的關系，可以實現(xiàn)根據(jù)系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)信息識別遺址環(huán)境變化，以便及時調整環(huán)境氣體濃度、游客流量或者直接報警等。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),可在游客無意進入禁止區(qū)時自動顯示紅色警告信號，用語音的形式提示游客不要踏入禁止區(qū)以防文物遭破壞；還有當系統(tǒng)設備出現(xiàn)故障時，故障診斷分析系統(tǒng)就向監(jiān)測中心發(fā)出故障類型等。

病害預測體系由檢測、預警以及配置三個主要系統(tǒng)協(xié)同工作，高效實現(xiàn)對遺址的智能控制和深層管理。

檢測系統(tǒng)主要是包括微波游客檢測器、火災檢測器、亮度檢測器、風速風向檢測器、氣象檢測器等。通過這些設備可以準確得到遺址附近的游客流量、溫度、火災信息。

預警系統(tǒng)包括自動識別危險源系統(tǒng)、智能警告系統(tǒng)、通用調節(jié)環(huán)境系統(tǒng)、應急調整指揮系統(tǒng)等。

配置系統(tǒng)用于支撐這個病害預測體系資源的供給，主要涉及供電系統(tǒng)、多能源智能支配系統(tǒng)、網絡維修系統(tǒng)、故障診斷分析系統(tǒng)等。

4結語

本文將物聯(lián)網技術引入到大型遺址保護領域，并利用傳感器體積小、易部署等技術特點，在文物存儲、展覽環(huán)境中部署節(jié)點，持續(xù)監(jiān)測、采集數(shù)據(jù)信息并通過Internet發(fā)回遠程控制中心。針對實際應用中缺乏對數(shù)據(jù)的多維關聯(lián)分析，以及提供的遺址病害機理與環(huán)境之間的關系的不準確性，本文提出了遺址生存模型。該模型在真實環(huán)境下通過長期工作，能夠為遺址保護工作者保護文物提供更為有效的決策依據(jù)；同時,為物聯(lián)網技術應用于大型遺址保護研究工作奠定基礎，為物聯(lián)網其他領域研究做出有益探索。

20211018_616c5a1020fd1__物聯(lián)網技術在大型遺址保護領域的應用