历史建筑保护中物联网监测方案的探讨

向 南, 杨恒山, 李晓武

(1. 湖南理工学院 土木建筑工程学院, 湖南 岳阳 414006; 2. 上海建为历保工程科技股份有限公司, 上海 201315)

历史建筑保护中物联网监测方案的探讨

向 南1, 杨恒山1, 李晓武2

(1. 湖南理工学院 土木建筑工程学院, 湖南 岳阳 414006; 2. 上海建为历保工程科技股份有限公司, 上海 201315)

阐述了在历史建筑保护中实行物联网监测的必要性, 以及结合了物联网、大数据、云计算等技术的物联网监测方案, 探讨了物联网监测的建设内容, 提出了进一步的研究方向.

历史建筑保护; 物联网; 监测

引言

基于信息传感设备将各种物理世界信息和互联网信息结合起来的物联网新技术, 已经在国际上很多历史建筑保护强国的历史建筑监测保护领域得到普遍应用. 从上世纪60年代开始发展的意大利国家遗产风险图是一种区域信息系统, 通过对文物保护状态的监测可以确定优先处理的问题. 今天, “风险图”已经成为记录意大利历史纪念性遗址和建筑易损状况, 以及考古区域风险因素的最大规模的海量数据库.

我国国家文物局高度重视物联网技术, 从2009年起就在战略规划方面组织开展了基于泛在网络理念的历史建筑保护建设研究. 在需求分析方面, 先后启动了基于风险管理的世界历史建筑监测研究和文物建筑健康评测研究, 同时还在秦始皇兵马俑博物馆、敦煌研究院开展了相关试点工作.

利用物联网技术对文物建筑进行动态实时监测, 是缓解历史建筑面临的风险, 实现预防性保护和持续利用的基础. 基于物联网技术的文物建筑保护不同于以往过分依赖于文物建筑被动抢救性保护工作, 它强调的是基于信息采集、风险识别和风险评估等来确定历史建筑面临的风险因素, 通过实时监测的方法手段来分析掌握历史建筑的损毁变化规律, 及时降低或消除各种风险因素, 使其一直处于一种良好的状态.

长期以来, 物联网技术在我国历史建筑保护领域的研究及应用, 大都停留在环境监测层面, 针对建筑本体的远程监测研究就更少, 基本上还处于概念阶段.

1　历史建筑物联网监测的必要性

我国历史悠久, 文化灿烂, 历史建筑十分丰富. 这些珍贵的历史建筑是中华民族悠久历史的见证, 是民族生命力和创造力的重要体现, 也是人类文明的瑰宝. 国务院办公厅转发的《关于加强世界文化遗产保护管理工作的意见》(2004年)指出要建立世界遗产保护的专家咨询机构和监测巡视制度, 要充分利用科学技术加强世界历史建筑的保护、提高管理工作的科技含量, 并尽快建立我国世界历史建筑管理动态信息学系统和预警系统, 加强对世界历史建筑保护情况的监测.

2007年11月在敦煌召开了我国世界历史建筑监测大会, 出台了《世界文化遗产监测规程》(征求意见稿). 其中对监测范围、术语、监测实施、监测结果与评价、监测报告的内容格式做了详细规定, 是目前我国在世界历史建筑监测方面第一个较详细的技术规范, 为下一步各遗产地进行监测提出了原则性的技术要求和评估标准.

综上所述, 历史建筑的物联网监测建设无论从国家政策层面, 还是行业管理层面, 以及地方经济发展层面上, 都有着坚实的基础. 以物联网技术为代表的信息技术的迅猛发展, 已在国民经济和社会发展的多个领域的普遍应用, 也为物联网监测的建设奠定了雄厚的技术基础.

2　历史建筑物联网监测技术应用

历史建筑物联网监测平台将物联网、大数据、云计算等IT技术与WiFi、ZigBee、Bluetooth、RFID、NFC、GIS、GPRS等通讯技术及地理信息技术结合,应用到历史建筑保护的各个领域和各相关要素.

该监测技术的核心基础是历史建筑物联网、大数据以及云计算. 其中历史建筑“物联网”是从“互联网”技术发展而来,将用户端延伸、扩展到任何建筑与建筑之间, 进行历史建筑信息交换和通信的一种技术. 通过对历史建筑所处环境以及状态信息的实时共享以及智能化的收集、传递、处理、执行, 实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理. 而大数据(Big data)是近几年兴起的一个概念, 它将海量的数据汇总后进行处理, 从宏观的角度统计出信息的规律性, 发现事物的本质和变化规律, 从而为决策者提供决策依据.但是历史建筑的数据量大, 无法用单台的计算机进行处理, 必须采用分布式架构. 它的特色在于对历史建筑的海量数据进行分布式数据挖掘, 并依托云计算的分布式处理、分布式数据库和云存储、虚拟化技术等等, 能够将资源切换到需要的应用上, 根据需求访问计算机和存储系统.

图1　历史建筑物联网监测技术领域图

图2　物联网分层架构图

通过将物联网、大数据和云计算结合起来, 辅助其他的计算技术手段, 能够实现历史建筑之间的数据汇总和分享, 建立起完善的数据监测体系, 及时发现并反馈信息, 为文物保护者提供数据支撑.

图3　云计算示意图

3　历史建筑物联网监测平台建设内容

历史建筑物联网监测平台是利用当前成熟的互联网、移动互联网、物联网、无线通讯、GIS、大数据、云计算等主流技术, 结合了考古学、古代建筑学、文物保护学、建筑结构学、材料学、图像识别学、环境学等学科知识, 针对重要的历史建筑进行多角度、全方位的本体及环境的监测. 该平台的建立, 能够为国家文物局和地方文物局建立起了比较完善的一套历史建筑安全监测与预警系统. 该平台通过运用多种技术手段和学科理论对历史建筑进行动态的、有效的风险监测及预警管理, 提升了历史建筑的预防性保护综合能力. 当受监测历史建筑出现问题时, 平台会进行自动预警, 通过邮件、短信、微信等形式第一时间将预警信息发送至相关责任人, 责任人及时了解到受监测的历史建筑现状及存在的威胁, 实时采取措施, 避免造成大的甚至无可挽回的损失.

平台建设的主要内容有:

(1) 建立一整套面向历史建筑的的环境、本体与安防监测系统, 实现对受监测历史建筑环境质量、本体情况、安防情况的及时感知和反馈. 包括: 温度、湿度、风力、风向、CO2含量、SO2含量、PH值、含水率等环境数据监测; 倾斜、沉降、裂纹、应变、振动、霉菌变化、风化、颜色变化等本体监测; 视频监控、门禁管理、巡检管理等安防监测.

(2) 根据前期的监测结果和数据分析, 评估受监测对象的稳定性、安全性, 结合监测诊断结果, 制定修缮预案, 主动调控和整治历史建筑保存环境, 实现历史建筑的保护、研究、利用、管理和展示的智能化.

(3) 建立一套综合性历史建筑信息平台, 该平台包括历史建筑的基本信息、历史信息、发展沿革、相关历史人物故事等, 并且和智慧城市、智慧旅游相结合, 提高历史建筑的利用价值.

(4) 制订历史建筑保护物联网技术标准规范, 提出针对历史建筑保护的监测管理机制, 形成保护管理、协调、监测、分析、处理、预案等一系列风险预控机制, 促进预防性保护水平的提升.

4　历史建筑物联网监测方案

针对历史建筑的物联网监测, 主要从三个方面进行实施:

(1) 环境监测. 主要包括历史建筑区域温湿度、风向、风速、大气降水、光强、土壤含水率、噪音、酸雨、CO2含量、SO2含量、PM2.5、震动、虫害(白蚁)、游客(游客也可单独列入游客状况监测)等环境因素监的监测.

(2) 本体监测. 又称本体病害监测, 主要包括本体沉降、本体倾斜、本体振动、结构裂隙、本体移位、结构应变、本体渗漏、霉菌变化、表面风化、本体渗漏、色度变化等的监测;

(3) 安全监测. 是对历史建筑文物保护范围内的文物安全进行监测, 主要有安防、消防、巡检状况的监测.

历史建筑包括具有历史价值的古建筑和近现代建筑. 针对历史建筑, 系统的重点监测在以下几个方面:

4.1基础稳定性监测

历史建筑的基础稳定性监测主要是对历史建筑本体的倾斜、沉降及振动等方面进行监测.

(1) 历史建筑倾斜监测

建筑倾斜是影响建筑安全的最直接、最关键的因素之一. 历史建筑本体的倾斜监测又分为局部倾斜监测和整体倾斜监测两种类型. 对于历史建筑本体的局部倾斜监测, 一般是通过在建筑本体的多个楼层的多个对称方位安装倾角传感器, 通过测量局部层面的倾角变化, 及时了解建筑局部的倾斜变化趋势, 从而分析出建筑整体的安全状况.

对于历史建筑的整体倾斜监测, 一般通过基于图像识别技术的倾斜沉降传感器实现. 基于摄影图像识别的结构变形监测技术, 包括外业和内业两部分内容. 外业是利用专业的摄像机, 连续拍摄目标体的监测区域, 获取并存储结构变形的数字信息. 内业是利用专用软件对结构变形数字信息进行处理与分析, 再与初始的基准点比较, 获得结构变形随时间变化的曲线.

(2) 历史建筑沉降监测

历史建筑的沉降是影响建筑安全的另一个重要因素. 历史建筑的沉降监测主要利用两种方式实现:一种是利用专门的静力水准仪进行数据采集监测, 另一种方式是通过基于图形识别的倾斜沉降传感器来实现. 建筑沉降往往会伴随建筑的倾斜.

(3) 历史建筑振动监测

建筑本体的振动对建筑的安全会产生直接影响. 建筑本体的振动一方面可能由地面振动(如地震)传导到建筑本身, 另一方面也可能是其他外力(如台风)直接作用于建筑本体使之产生振动. 对历史建筑的振动监测包括对建筑本体的振动监测和建筑地基的振动监测, 一般会同时进行监测, 以分析两者的关联性.振动监测一般是利用振动加速度监测传感器来实现.

4.2承重结构监测

历史建筑的承重结构监测主要是对历史建筑的关键结构件进行应力应变、裂缝、木材含水率等方面的监测.

(1) 关键件应力应变监测

在建筑结构中, 关键结构件(如梁、柱)的应力应变情况会影响到整体的结构安全. 因此对关键结构件应力应变进行实时监测, 及时了解其应力应变发展趋势, 对于了解建筑结构的稳定性和安全性十分必要.

对于关键件的应力应变监测, 一般可以使用光纤光栅传感器中的光纤光栅应变计进行数据采集. 通过实时分析传感器采集的数据, 了解关键件的应力应变发展态势, 再根据特定的预警算法, 进行及时的分级预警.

(2) 关键件裂缝监测如果建筑物关键件或关键部位发现裂缝, 为了了解其现状并掌握其变化趋势, 应进行裂缝变化的监测.建筑裂缝的监测, 一般有两种实现方式: 一种是利用光纤光栅位移计进行数据采集; 另一种是利用数字化的图像识别和处理技术, 对裂纹进行数字化的比对分析.

4.3屋面外观监测

屋面外观监测主要指建筑整体外观变化监测, 可以通过基于图像识别技术的传感器来完成. 通过定时在固定地点采集整体外观的图片, 然后进行数字化的分析对比, 了解建筑整体外形的人为或自然造成的变化, 进行相应的分级预警.

4.4彩塑壁画的完整性监测

彩塑壁画的完整性监测主要包括彩塑壁画的色度变化监测、裂隙监测等方面. 彩塑壁画的色度变化监测可以通过基于图像识别技术的专业传感器完成. 彩塑壁画的裂隙监测一种是利用光纤光栅位移计进行数据采集; 另一种是利用数字化的图像识别和处理技术, 对裂隙进行数字化的比对分析.

4.5环境监测

环境因素对历史建筑的病害会产生直接影响, 因此对环境因素进行实时监测, 找出历史建筑病害发展与环境变化的关联性, 意义重大. 历史建筑的环境监测主要包括温度、湿度、风力、风向、降水量、光照强度等方面的监测, 由相应的专业传感器完成数据采集. 对于非自动采集获取的自然灾害信息, 作为重要影响事件, 应该进行及时的人工数据采集, 登记信息包括灾害发生时间、灾害类型、文物灾损程度、受灾情况描述、灾前采取的防范措施、救灾经费投入总额等.

4.6虫害监测

历史建筑的虫害监测主要是通过相关虫害(主要是白蚁)传感器, 感知虫害的活动存在, 并转化为数字信号, 通过无线进行发送, 监测中心及时获知病害的存在, 从而采取杀灭措施, 避免“千里之堤, 溃于蚁穴”的悲剧在历史建筑上发生.

4.7安全监测

历史建筑的安全监测分为安防监测和消防监测两种类型. 安防监测主要包括视频监控、周界报警、门禁、巡更等方面的监测管理, 主要是防止非法闯入、人为破坏, 监督和强化相关安全管理制度的执行. 消防监测主要是火灾监测, 通过烟感、温度式传感器、电流探测器等, 感知火灾的发生, 进行及时的报警处理及预案处理.

4.8三维激光扫描

通过三维激光扫描技术可以高效地对相关历史建筑进行三维建模和虚拟重现. 可以用于历史建筑物内部及外观的测量保真、历史建筑的保护测量、文物修复, 古建筑测量、资料保存等历史建筑保护, 遗址测绘, 赝品成像, 现场虚拟模型, 现场保护性影像记录等诸多方向. 可以为扫描对象提供三维点云数据库、三维虚拟模型等成果, 从而为历史建筑的科学管理和保护提供决策依据.

5　结语

历史建筑的物联网监测在技术上已经越来越成熟, 数据采集手段也越来越丰富, 目前需要进一步研究的是监测预警指标的制定. 不同地区、不同材料、不同建筑的预警指标可能都不一样, 在系统研究中需要针对个体制定个性化的预警点, 只有这样, 物联网的监测才能真实地反应历史建筑的状态, 为管理者提供及时准确的报告.

[1] 周文生. 物联网与GIS技术在文化遗产保护中的应用思考[J]. 文物保护与考古科学, 2011, (3): 22～26

[2] 欧阳劲松. 物联网在文化遗产保护领域应用的关键——测控技术[J]. 文物保护与考古科学, 2011,(3): 55～59

[3] 王俊伟, 赵 鸣. 历史保护性建筑的安全监测实践[J]. 住宅科技, 2008, (4): 46～49

[4] 闫会春, 杨 娜. 古建木结构健康监测系统预警机制探讨[J]. 武汉理工大学学报, 2010, (09): 266～270

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

湖南省科技计划项目经费资助(2013SK3167)

向 南（1976- ), 男, 湖南岳阳人, 硕士, 湖南理工学院土木建筑工程学院讲师. 主要研究方向: 工程管理, 历史建筑保护与利用