向 南, 楊恒山, 李曉武

(1. 湖南理工學院 土木建筑工程學院, 湖南 岳陽 414006; 2. 上海建為歷保工程科技股份有限公司, 上海 201315)

歷史建筑保護中物聯(lián)網監(jiān)測方案的探討

向 南1, 楊恒山1, 李曉武2

(1. 湖南理工學院 土木建筑工程學院, 湖南 岳陽 414006; 2. 上海建為歷保工程科技股份有限公司, 上海 201315)

闡述了在歷史建筑保護中實行物聯(lián)網監(jiān)測的必要性, 以及結合了物聯(lián)網、大數據、云計算等技術的物聯(lián)網監(jiān)測方案, 探討了物聯(lián)網監(jiān)測的建設內容, 提出了進一步的研究方向.

歷史建筑保護; 物聯(lián)網; 監(jiān)測

引言

基于信息傳感設備將各種物理世界信息和互聯(lián)網信息結合起來的物聯(lián)網新技術, 已經在國際上很多歷史建筑保護強國的歷史建筑監(jiān)測保護領域得到普遍應用. 從上世紀60年代開始發(fā)展的意大利國家遺產風險圖是一種區(qū)域信息系統(tǒng), 通過對文物保護狀態(tài)的監(jiān)測可以確定優(yōu)先處理的問題. 今天, “風險圖”已經成為記錄意大利歷史紀念性遺址和建筑易損狀況, 以及考古區(qū)域風險因素的最大規(guī)模的海量數據庫.

我國國家文物局高度重視物聯(lián)網技術, 從2009年起就在戰(zhàn)略規(guī)劃方面組織開展了基于泛在網絡理念的歷史建筑保護建設研究. 在需求分析方面, 先后啟動了基于風險管理的世界歷史建筑監(jiān)測研究和文物建筑健康評測研究, 同時還在秦始皇兵馬俑博物館、敦煌研究院開展了相關試點工作.

利用物聯(lián)網技術對文物建筑進行動態(tài)實時監(jiān)測, 是緩解歷史建筑面臨的風險, 實現預防性保護和持續(xù)利用的基礎. 基于物聯(lián)網技術的文物建筑保護不同于以往過分依賴于文物建筑被動搶救性保護工作, 它強調的是基于信息采集、風險識別和風險評估等來確定歷史建筑面臨的風險因素, 通過實時監(jiān)測的方法手段來分析掌握歷史建筑的損毀變化規(guī)律, 及時降低或消除各種風險因素, 使其一直處于一種良好的狀態(tài).

長期以來, 物聯(lián)網技術在我國歷史建筑保護領域的研究及應用, 大都停留在環(huán)境監(jiān)測層面, 針對建筑本體的遠程監(jiān)測研究就更少, 基本上還處于概念階段.

1　歷史建筑物聯(lián)網監(jiān)測的必要性

我國歷史悠久, 文化燦爛, 歷史建筑十分豐富. 這些珍貴的歷史建筑是中華民族悠久歷史的見證, 是民族生命力和創(chuàng)造力的重要體現, 也是人類文明的瑰寶. 國務院辦公廳轉發(fā)的《關于加強世界文化遺產保護管理工作的意見》(2004年)指出要建立世界遺產保護的專家咨詢機構和監(jiān)測巡視制度, 要充分利用科學技術加強世界歷史建筑的保護、提高管理工作的科技含量, 并盡快建立我國世界歷史建筑管理動態(tài)信息學系統(tǒng)和預警系統(tǒng), 加強對世界歷史建筑保護情況的監(jiān)測.

2007年11月在敦煌召開了我國世界歷史建筑監(jiān)測大會, 出臺了《世界文化遺產監(jiān)測規(guī)程》(征求意見稿). 其中對監(jiān)測范圍、術語、監(jiān)測實施、監(jiān)測結果與評價、監(jiān)測報告的內容格式做了詳細規(guī)定, 是目前我國在世界歷史建筑監(jiān)測方面第一個較詳細的技術規(guī)范, 為下一步各遺產地進行監(jiān)測提出了原則性的技術要求和評估標準.

綜上所述, 歷史建筑的物聯(lián)網監(jiān)測建設無論從國家政策層面, 還是行業(yè)管理層面, 以及地方經濟發(fā)展層面上, 都有著堅實的基礎. 以物聯(lián)網技術為代表的信息技術的迅猛發(fā)展, 已在國民經濟和社會發(fā)展的多個領域的普遍應用, 也為物聯(lián)網監(jiān)測的建設奠定了雄厚的技術基礎.

2　歷史建筑物聯(lián)網監(jiān)測技術應用

歷史建筑物聯(lián)網監(jiān)測平臺將物聯(lián)網、大數據、云計算等IT技術與WiFi、ZigBee、Bluetooth、RFID、NFC、GIS、GPRS等通訊技術及地理信息技術結合,應用到歷史建筑保護的各個領域和各相關要素.

該監(jiān)測技術的核心基礎是歷史建筑物聯(lián)網、大數據以及云計算. 其中歷史建筑“物聯(lián)網”是從“互聯(lián)網”技術發(fā)展而來,將用戶端延伸、擴展到任何建筑與建筑之間, 進行歷史建筑信息交換和通信的一種技術. 通過對歷史建筑所處環(huán)境以及狀態(tài)信息的實時共享以及智能化的收集、傳遞、處理、執(zhí)行, 實現智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理. 而大數據(Big data)是近幾年興起的一個概念, 它將海量的數據匯總后進行處理, 從宏觀的角度統(tǒng)計出信息的規(guī)律性, 發(fā)現事物的本質和變化規(guī)律, 從而為決策者提供決策依據.但是歷史建筑的數據量大, 無法用單臺的計算機進行處理, 必須采用分布式架構. 它的特色在于對歷史建筑的海量數據進行分布式數據挖掘, 并依托云計算的分布式處理、分布式數據庫和云存儲、虛擬化技術等等, 能夠將資源切換到需要的應用上, 根據需求訪問計算機和存儲系統(tǒng).

圖1　歷史建筑物聯(lián)網監(jiān)測技術領域圖

圖2　物聯(lián)網分層架構圖

通過將物聯(lián)網、大數據和云計算結合起來, 輔助其他的計算技術手段, 能夠實現歷史建筑之間的數據匯總和分享, 建立起完善的數據監(jiān)測體系, 及時發(fā)現并反饋信息, 為文物保護者提供數據支撐.

圖3　云計算示意圖

3　歷史建筑物聯(lián)網監(jiān)測平臺建設內容

歷史建筑物聯(lián)網監(jiān)測平臺是利用當前成熟的互聯(lián)網、移動互聯(lián)網、物聯(lián)網、無線通訊、GIS、大數據、云計算等主流技術, 結合了考古學、古代建筑學、文物保護學、建筑結構學、材料學、圖像識別學、環(huán)境學等學科知識, 針對重要的歷史建筑進行多角度、全方位的本體及環(huán)境的監(jiān)測. 該平臺的建立, 能夠為國家文物局和地方文物局建立起了比較完善的一套歷史建筑安全監(jiān)測與預警系統(tǒng). 該平臺通過運用多種技術手段和學科理論對歷史建筑進行動態(tài)的、有效的風險監(jiān)測及預警管理, 提升了歷史建筑的預防性保護綜合能力. 當受監(jiān)測歷史建筑出現問題時, 平臺會進行自動預警, 通過郵件、短信、微信等形式第一時間將預警信息發(fā)送至相關責任人, 責任人及時了解到受監(jiān)測的歷史建筑現狀及存在的威脅, 實時采取措施, 避免造成大的甚至無可挽回的損失.

平臺建設的主要內容有:

(1) 建立一整套面向歷史建筑的的環(huán)境、本體與安防監(jiān)測系統(tǒng), 實現對受監(jiān)測歷史建筑環(huán)境質量、本體情況、安防情況的及時感知和反饋. 包括: 溫度、濕度、風力、風向、CO2含量、SO2含量、PH值、含水率等環(huán)境數據監(jiān)測; 傾斜、沉降、裂紋、應變、振動、霉菌變化、風化、顏色變化等本體監(jiān)測; 視頻監(jiān)控、門禁管理、巡檢管理等安防監(jiān)測.

(2) 根據前期的監(jiān)測結果和數據分析, 評估受監(jiān)測對象的穩(wěn)定性、安全性, 結合監(jiān)測診斷結果, 制定修繕預案, 主動調控和整治歷史建筑保存環(huán)境, 實現歷史建筑的保護、研究、利用、管理和展示的智能化.

(3) 建立一套綜合性歷史建筑信息平臺, 該平臺包括歷史建筑的基本信息、歷史信息、發(fā)展沿革、相關歷史人物故事等, 并且和智慧城市、智慧旅游相結合, 提高歷史建筑的利用價值.

(4) 制訂歷史建筑保護物聯(lián)網技術標準規(guī)范, 提出針對歷史建筑保護的監(jiān)測管理機制, 形成保護管理、協(xié)調、監(jiān)測、分析、處理、預案等一系列風險預控機制, 促進預防性保護水平的提升.

4　歷史建筑物聯(lián)網監(jiān)測方案

針對歷史建筑的物聯(lián)網監(jiān)測, 主要從三個方面進行實施:

(1) 環(huán)境監(jiān)測. 主要包括歷史建筑區(qū)域溫濕度、風向、風速、大氣降水、光強、土壤含水率、噪音、酸雨、CO2含量、SO2含量、PM2.5、震動、蟲害(白蟻)、游客(游客也可單獨列入游客狀況監(jiān)測)等環(huán)境因素監(jiān)的監(jiān)測.

(2) 本體監(jiān)測. 又稱本體病害監(jiān)測, 主要包括本體沉降、本體傾斜、本體振動、結構裂隙、本體移位、結構應變、本體滲漏、霉菌變化、表面風化、本體滲漏、色度變化等的監(jiān)測;

(3) 安全監(jiān)測. 是對歷史建筑文物保護范圍內的文物安全進行監(jiān)測, 主要有安防、消防、巡檢狀況的監(jiān)測.

歷史建筑包括具有歷史價值的古建筑和近現代建筑. 針對歷史建筑, 系統(tǒng)的重點監(jiān)測在以下幾個方面:

4.1基礎穩(wěn)定性監(jiān)測

歷史建筑的基礎穩(wěn)定性監(jiān)測主要是對歷史建筑本體的傾斜、沉降及振動等方面進行監(jiān)測.

(1) 歷史建筑傾斜監(jiān)測

建筑傾斜是影響建筑安全的最直接、最關鍵的因素之一. 歷史建筑本體的傾斜監(jiān)測又分為局部傾斜監(jiān)測和整體傾斜監(jiān)測兩種類型. 對于歷史建筑本體的局部傾斜監(jiān)測, 一般是通過在建筑本體的多個樓層的多個對稱方位安裝傾角傳感器, 通過測量局部層面的傾角變化, 及時了解建筑局部的傾斜變化趨勢, 從而分析出建筑整體的安全狀況.

對于歷史建筑的整體傾斜監(jiān)測, 一般通過基于圖像識別技術的傾斜沉降傳感器實現. 基于攝影圖像識別的結構變形監(jiān)測技術, 包括外業(yè)和內業(yè)兩部分內容. 外業(yè)是利用專業(yè)的攝像機, 連續(xù)拍攝目標體的監(jiān)測區(qū)域, 獲取并存儲結構變形的數字信息. 內業(yè)是利用專用軟件對結構變形數字信息進行處理與分析, 再與初始的基準點比較, 獲得結構變形隨時間變化的曲線.

(2) 歷史建筑沉降監(jiān)測

歷史建筑的沉降是影響建筑安全的另一個重要因素. 歷史建筑的沉降監(jiān)測主要利用兩種方式實現:一種是利用專門的靜力水準儀進行數據采集監(jiān)測, 另一種方式是通過基于圖形識別的傾斜沉降傳感器來實現. 建筑沉降往往會伴隨建筑的傾斜.

(3) 歷史建筑振動監(jiān)測

建筑本體的振動對建筑的安全會產生直接影響. 建筑本體的振動一方面可能由地面振動(如地震)傳導到建筑本身, 另一方面也可能是其他外力(如臺風)直接作用于建筑本體使之產生振動. 對歷史建筑的振動監(jiān)測包括對建筑本體的振動監(jiān)測和建筑地基的振動監(jiān)測, 一般會同時進行監(jiān)測, 以分析兩者的關聯(lián)性.振動監(jiān)測一般是利用振動加速度監(jiān)測傳感器來實現.

4.2承重結構監(jiān)測

歷史建筑的承重結構監(jiān)測主要是對歷史建筑的關鍵結構件進行應力應變、裂縫、木材含水率等方面的監(jiān)測.

(1) 關鍵件應力應變監(jiān)測

在建筑結構中, 關鍵結構件(如梁、柱)的應力應變情況會影響到整體的結構安全. 因此對關鍵結構件應力應變進行實時監(jiān)測, 及時了解其應力應變發(fā)展趨勢, 對于了解建筑結構的穩(wěn)定性和安全性十分必要.

對于關鍵件的應力應變監(jiān)測, 一般可以使用光纖光柵傳感器中的光纖光柵應變計進行數據采集. 通過實時分析傳感器采集的數據, 了解關鍵件的應力應變發(fā)展態(tài)勢, 再根據特定的預警算法, 進行及時的分級預警.

(2) 關鍵件裂縫監(jiān)測如果建筑物關鍵件或關鍵部位發(fā)現裂縫, 為了了解其現狀并掌握其變化趨勢, 應進行裂縫變化的監(jiān)測.建筑裂縫的監(jiān)測, 一般有兩種實現方式: 一種是利用光纖光柵位移計進行數據采集; 另一種是利用數字化的圖像識別和處理技術, 對裂紋進行數字化的比對分析.

4.3屋面外觀監(jiān)測

屋面外觀監(jiān)測主要指建筑整體外觀變化監(jiān)測, 可以通過基于圖像識別技術的傳感器來完成. 通過定時在固定地點采集整體外觀的圖片, 然后進行數字化的分析對比, 了解建筑整體外形的人為或自然造成的變化, 進行相應的分級預警.

4.4彩塑壁畫的完整性監(jiān)測

彩塑壁畫的完整性監(jiān)測主要包括彩塑壁畫的色度變化監(jiān)測、裂隙監(jiān)測等方面. 彩塑壁畫的色度變化監(jiān)測可以通過基于圖像識別技術的專業(yè)傳感器完成. 彩塑壁畫的裂隙監(jiān)測一種是利用光纖光柵位移計進行數據采集; 另一種是利用數字化的圖像識別和處理技術, 對裂隙進行數字化的比對分析.

4.5環(huán)境監(jiān)測

環(huán)境因素對歷史建筑的病害會產生直接影響, 因此對環(huán)境因素進行實時監(jiān)測, 找出歷史建筑病害發(fā)展與環(huán)境變化的關聯(lián)性, 意義重大. 歷史建筑的環(huán)境監(jiān)測主要包括溫度、濕度、風力、風向、降水量、光照強度等方面的監(jiān)測, 由相應的專業(yè)傳感器完成數據采集. 對于非自動采集獲取的自然災害信息, 作為重要影響事件, 應該進行及時的人工數據采集, 登記信息包括災害發(fā)生時間、災害類型、文物災損程度、受災情況描述、災前采取的防范措施、救災經費投入總額等.

4.6蟲害監(jiān)測

歷史建筑的蟲害監(jiān)測主要是通過相關蟲害(主要是白蟻)傳感器, 感知蟲害的活動存在, 并轉化為數字信號, 通過無線進行發(fā)送, 監(jiān)測中心及時獲知病害的存在, 從而采取殺滅措施, 避免“千里之堤, 潰于蟻穴”的悲劇在歷史建筑上發(fā)生.

4.7安全監(jiān)測

歷史建筑的安全監(jiān)測分為安防監(jiān)測和消防監(jiān)測兩種類型. 安防監(jiān)測主要包括視頻監(jiān)控、周界報警、門禁、巡更等方面的監(jiān)測管理, 主要是防止非法闖入、人為破壞, 監(jiān)督和強化相關安全管理制度的執(zhí)行. 消防監(jiān)測主要是火災監(jiān)測, 通過煙感、溫度式傳感器、電流探測器等, 感知火災的發(fā)生, 進行及時的報警處理及預案處理.

4.8三維激光掃描

通過三維激光掃描技術可以高效地對相關歷史建筑進行三維建模和虛擬重現. 可以用于歷史建筑物內部及外觀的測量保真、歷史建筑的保護測量、文物修復, 古建筑測量、資料保存等歷史建筑保護, 遺址測繪, 贗品成像, 現場虛擬模型, 現場保護性影像記錄等諸多方向. 可以為掃描對象提供三維點云數據庫、三維虛擬模型等成果, 從而為歷史建筑的科學管理和保護提供決策依據.

5　結語

歷史建筑的物聯(lián)網監(jiān)測在技術上已經越來越成熟, 數據采集手段也越來越豐富, 目前需要進一步研究的是監(jiān)測預警指標的制定. 不同地區(qū)、不同材料、不同建筑的預警指標可能都不一樣, 在系統(tǒng)研究中需要針對個體制定個性化的預警點, 只有這樣, 物聯(lián)網的監(jiān)測才能真實地反應歷史建筑的狀態(tài), 為管理者提供及時準確的報告.

[1] 周文生. 物聯(lián)網與GIS技術在文化遺產保護中的應用思考[J]. 文物保護與考古科學, 2011, (3): 22～26

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[3] 王俊偉, 趙 鳴. 歷史保護性建筑的安全監(jiān)測實踐[J]. 住宅科技, 2008, (4): 46～49

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Discussing Internet Monitoring Plan for Historical Building Protection

XIANG Nan1, YANG Heng-shan1, LI Xiao-wu2
(1. College of Construction and Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China; 2. Shanghai Jianwei Group, Shanghai 201315, China)

In this paper, we interpret the necessity for the Internet monitoring in the historical building protection and combining the Internet of things, big data and cloud computing technology, discuss the construction of Internet monitoring content. Finally, we put forward the direction of further research.

historical building protection; the Internet of things; monitoring

TU196; TP399

A

1672-5298(2016)03-0071-05

2016-06-25

湖南省科技計劃項目經費資助(2013SK3167)

向 南（1976- ), 男, 湖南岳陽人, 碩士, 湖南理工學院土木建筑工程學院講師. 主要研究方向: 工程管理, 歷史建筑保護與利用