四川区域中心馆藏文物保存环境监测平台常见故障分析与改进措施

2022-01-05雷淑

文物保护与考古科学 2021年4期

雷淑

(四川博物院，四川成都 610071)

0 引言

近年来，文物保存环境的监测与应用在国内受到了广泛重视[1]，许多博物馆都建成了基于无线传感网络技术的文物保存环境监测站管理系统[2-3](简称监测站系统)，通过实时感知文物保存环境质量，包括温湿度、光辐射强度、污染物浓度等，采取相应的调控措施，尽可能地让文物延年益寿。由于每个博物馆所处的地理位置、气候特征均不相同，导致文物保存环境也呈现区域性的差异，既表现出一定区域内的相似性,又表现出区域间的差异性。若将区域内所有博物馆监测站系统的数据汇总到“区域中心文物保存环境监测平台”(简称区域中心监测平台)，即可实现区域内博物馆监测站的集成联网及评估预警。通过海量数据的汇聚与深度挖掘，有利于改善文物保存环境质量，最大程度减缓环境因素对文物的破坏，为进一步推动文物保护的科技研究和运用推广具有重要意义。

2016年11月，四川省建成了全国首个馆藏文物保存环境监测区域中心[4](简称四川区域中心)，搭建起了省级馆藏文物保存环境在线监测平台。截止2018年底，四川区域中心实现了省内12家博物馆监测站(简称监测站)的数据联网，其中9个监测站的运行时间超过一年，此外还有6个监测站正在建设中。经过两年多的运行实践，四川区域中心基本实现了对各个监测站文物保存环境的远程监测和数据下载，但受设备故障和软件平台建设的影响，导致多项功能尚未实现。为此，通过分析区域中心监测平台运行中常见故障现象的表现形式、故障原因及故障率，初步探索相应的改进措施，为有效降低故障的发生率，提升国内区域中心平台建设提供一定的指导和参考。

1 环境监测硬件设备

1.1 监测设备使用现状

根据文物的特点在展厅、展柜和库房内放置各种监测终端设备，不但能实时感知文物保存环境质量状况，还解决了手持式设备瞬时采样的缺陷和人工检测带来的不便。通过监测数据的长期积累，便于分析各种环境因素的变化规律，有利于对文物保存环境采取及时有效的调控措施。由于每个博物馆存放的文物种类存在差异，且不同材质的文物对环境因素的敏感程度也不一样。目前，四川省各个监测站主要配置的环境监测设备包括：温湿度、光照度/紫外线、二氧化碳(CO2)、挥发性有机化合物(VOC)、甲醛(HCHO)、空气污染物质量评估监测终端、室外小型气象站等[5-6]。四川区域中心监测平台经过两年多的运行，发现各类监测设备均出现大量故障问题，导致数据利用率较低，直接影响区域中心对数据信息的准确判断与分析评估。

1.2 监测设备故障分析

在已接入区域中心监测平台的12个监测站中，选取2018年至少有半年及以上监测数据的6个监测站(A、B、C、D、E、F)，进行监测设备的故障分析。虽然四川区域中心下设的监测站分布范围较广，并且各个监测站的建设方也不相同，但监测平台的常见故障现象包括：传输异常(α)、数据异常(β)和转换异常(γ)。

传输异常(α)的表现形式，体现为突然在一段时间内出现数据断点，常见原因除了监测站撤出监测终端而导致无数据上传外，还包括：电源断电、电池电量低、网络故障等原因，通过区域中心监测平台观察不到数据，判定为传输异常。

数据异常(β)的表现形式，针对不同类型的监测终端各不相同。主要原因是设备硬件问题导致的无效数据。包括：1)环境参数在某一时刻突然升高或降低至极端值，或短时间内数据反复在某固定数值内波动，如温度和相对湿度突然变为0或反复在极值波动。2)环境参数长时间保持为0，如VOC数据一直保持为0。3)环境参数达到某个数值后，出现“平头”现象，如CO2浓度达到设备极限值9 mg/L后，成为一条直线。4)不符合常理的数据现象，如在光照强度为0时，还有较高含量的紫外线辐射强度等。

转换异常(γ)的表现形式，体现在空气污染物质量评估监测终端和甲醛监测终端等设备的上传数据为原始监测数据(单位为：赫兹/Hz)，无法直接用于环境质量的分析评估，主要原因是软件转换功能缺陷造成的数据资源浪费。

统计分析区域中心6个监测站各类监测设备的故障现象(表1)，并根据公式(1)计算出设备的故障率[7]。

表1 四川区域中心环境监测设备故障统计Table 1 Fault statistics of environmental monitoring equipment in Sichuan Regional Center

(1)

式中，G为设备故障率；ti为单台设备故障时间(天)；N为运行设备数(个)。设备故障率是指由于设备故障导致的无效数据时间与全年设备应工作时间的百分比。由于接入区域中心监测平台的监测站中，除个别监测站系统的内部构架是基于设备命名外，多数监测站是基于文物而放置监测设备，有些监测点有多个同类型监测设备，在式中不重复计算。

如表1所示，温湿度监测终端和气象站的主要故障现象为传输异常(α)，空气污染物质量评估监测终端和甲醛监测终端的主要故障现象为转换异常(γ)，而光照度/紫外线、CO2、VOC这三类监测终端的故障现象包括传输异常(α)和数据异常(β)。分析6个监测站各类设备的故障率可知(图1)，7种监测设备中，空气污染物质量评估监测终端、甲醛监测终端及气象站的故障率均为100%，其监测数据完全不能用于文物保存环境的分析评估，而光照度/紫外线、CO2、VOC的故障率普遍高于温湿度监测终端。

图1 监测站各类设备故障率Fig.1 Fault rate of different equipment in monitoringstation

为进一步分析光照度/紫外线、CO2和VOC监测终端故障率偏高的具体原因，分别统计这三类监测终端的传输异常设备数(Nα)和数据异常设备数(Nβ)，并计算出相应的传输异常设备故障率(Gα)和数据异常设备故障率(Gβ)。如图2至图4所示，光照度/紫外线监测终端主要因为传输异常设备较多(Nα>Nβ)，导致其故障率Gα最高达50%左右；CO2监测终端的高故障率主要是数据异常设备较多(Nα

图2 各监测站光照度/紫外线设备故障数和故障率Fig.2 Fault number and fault rate of illumination-ultravioletequipment at different monitoring station

图3 各监测站CO2设备故障数和故障率Fig.3 Fault number and fault rate of CO2 equipmentat different monitoring station

图4 各监测站VOC设备故障数和故障率Fig.4 Fault number and fault rate of VOC equipment atdifferent monitoring station

2 环境监测软件平台

2.1 软件平台使用现状

区域性文物保护工作的健康发展离不开信息化平台的支撑，区域中心监测平台作为连接各个监测站和国家监测中心的桥梁，具有承上启下的作用，是预防性保护三级监测体系的重要组成部分。四川区域中心自建成验收至今，实现了对各监测站文物保存环境的远程实时监测和数据下载，但受软件平台及各监测站建设进度的影响，目前主要以温湿度监测数据为主，对已接入监测平台且传输数据稳定的监测站开展分析评估工作，而预期的环境调控、统计分析、风险预警等功能尚未完全展开。随着各监测站陆续接入区域中心监测平台，数据量会急剧增加，平台的现有功能已经无法满足区域中心发展的需要。

2.2 软件平台故障分析

区域中心监测平台建设是一个不断系统化的过程，只有建立以监测数据运用为核心的软件平台，才能为文物保护决策的科学制定提供数据支撑。目前，软件平台建设尚不完善，导致区域中心的各项功能停止不前，主要表现为：

1) 软件平台的架构设计既不统一，也不合理。由于在建设之初，没有平台建设相关标准，各个监测站建设单位不同，采用的架构模式也不相同，造成了数据应用上的困难。例如，部分监测站已接入平台的内部架构主要以设备命名，并未基于文物而区分展厅小环境和展柜微环境的监测数据，故无法对监测结果进行准确判断和对比分析。

2) 软件平台的监测预警功能不完善。一是数据采集不规范。采集到的数据没有格式转换与异常剔除功能，如空气污染物质量评估监测终端、甲醛监测终端等设备的监测数据无法直接用于环境质量的分析评估，不但造成数据的浪费，还使设备仅仅起到温湿度监测的作用，导致设备运用单一化。二是数据信息交换滞后。区域中心监测平台与个别监测站系统的数据并未保持实时提取，对历史数据的查看、调用和下载耗时较长，也无法获取各监测站数据异常、故障报警以及处理措施的通知，影响区域中心对环境参数的真实性评估。

3) 软件平台的数据挖掘及数据服务功能受限。软件平台缺少各监测站的监测终端平面布局图和监测数据的基础报表分类统计，在对文物保存环境进行评估分析时，无法快速筛选出要查看的具体位置和参数数据，导致评估分析工作费时又费力，以致于数据挖掘功能受限。此外，目前的监测数据仅仅针对文物保存环境的感知，数据服务较单一，限制了实现监测数据的有效运用和可视化展示价值。

3 故障改进措施

分析四川区域中心监测平台运行以来，硬件设备和软件平台出现的故障问题，拟从以下几个方面采取技术措施和管理措施，为有效降低故障的发生率和避免无效数据的堆积提供一定参考。

3.1 技术措施

1) 设备传输异常。针对普遍存在的传输异常现象，为降低突然断电、电池电量低、网络故障等原因导致的高故障率，可采取的措施包括：为监测设备配备专线电源，避免仪器短路烧坏，保证能24 h实时监测；定时检查并及时更换监测设备电池，若有特殊原因必须撤出监测终端，需要相应的设备进行替换，以避免长时间无数据上传。由于目前已经接入区域中心监测平台的12个监测站，大多使用433 MHz无线自组网传输技术，通过“监测终端—中继—网关”的方式，将监测数据上传到软件平台[8]。而该网络构架的中间节点较多，布线繁杂，传输损耗较大，数据传输容易被干扰[9]，加之博物馆建筑结构及运用环境的特殊性，使得数据丢失的现象时有发生，这也是出现传输异常的原因之一。因此，需进一步改进数据传输技术，完善网络架构模式，并合理布置终端设备，确保数据上传路径通畅，以降低数据传输功耗和减少数据断点、重发等现象。

2) 设备数据异常。针对不同类型的监测设备可采取不同方式进行处理，须从监测方式的多样化、设备的日常维护与定期校准[10]、硬件的性能提升等多方着手，才能有效降低数据异常的故障率。例如：光照度/紫外线监测终端的数据异常，考虑到文物保存环境中的光照度和紫外线辐射强度，在灯具安装调试完成后变化不大，故采用便携式设备进行配合检测即可。CO2、VOC、甲醛等气体类传感器监测终端，需要进行定期校准和设备性能的提升，才能从根本上解决其高故障率的问题。如图5、图6所示，以四川区域中心在使用CO2和VOC两类监测终端的实践探索为例，可作参考。

图5是监测站A的展厅某监测点CO2设备，分别在校准前、校准后及硬件改进后的全年监测数据。结果显示，CO2监测终端在使用半年后(图5a)，其基线漂移呈现快速上升之势[11]，导致CO2浓度高达5.4 mg/L，与手持式设备检测结果不符；对监测终端进行校准后(图5b)，数据恢复正常，但使用半年后，数据基线同样呈现上升趋势，虽然上升速率有所下降，仍然影响对数据的准确性判断。据文献[12]中报道，传统的气体检测传感器稳定性较差，只能对低浓度气体具有较好的线性，气体浓度过高或长时间接触低浓度气体都会造成传感器的灵敏度大幅度下降或损坏。为此，区域中心与生产厂家协商对设备硬件进行升级改进，当设备改进为基于双通道非分散红外技术(NDIR)的传感器监测终端后，通过一年的连续监测数据显示(图5c)，数据基线平稳，有效克服了因气体传感器特性漂移引起的数据异常[13]，能正确反映环境参数的真实性。

图5 CO2设备处理前后的监测数据Fig.5 Monitoring data of CO2 before and after equipment treatment

图6是监测站A的展厅某监测点VOC设备，分别在校准前、校准后的全年监测数据。结果显示，VOC监测终端在使用三个月后(图6a)，监测数据呈现一条直线并保持接近0，表明设备的检测器已失效[14]；对设备进行校准后(图6b)，数据恢复正常，但使用三个月后，再次出现类似的数据异常现象。可见，针对CO2和VOC等气体污染物监测设备，采取定期校准的方式，能减少因漂移问题而导致的数据异常现象，但考虑到校准太频繁不符合博物馆的实际情况，应从硬件设备的工艺进行改进，首要解决监测技术问题，才能从本质上提高数据质量，降低故障的发生率。

图6 VOC设备校准前后的监测数据Fig.6 Monitoring data of VOC before and after calibration

3) 软件平台功能。首先，应加强对区域中心监测平台基础功能的标准化建设。由于数据采集是实现数据集成、数据交换的前提，只有在建立并实施统一标准规范的基础上，保证各监测站数据在不同系统间能够快速、安全、兼容地传输，才能将区域内分散的监测数据进行有效整合。与此同时，应将采集到的数据进行格式转换与错误剔除，从而提高数据质量，保证数据的规范性和一致性，避免转换异常现象的发生。其次，应完善软件平台的数据挖掘和数据服务功能。一方面从文物的预防性保护角度出发，通过挖掘数据的隐藏价值，充分发挥区域中心的调控管理、风险评估、预测预警和技术指导作用，为文物提供一个相对安全、洁净的保存环境。另一方面借助区域中心大数据平台，实现监测数据的可视化展示和资源共享等创新应用，建立起具有区域特色的文物保护与技术共享服务平台。

3.2 管理措施

1) 加强业务培训。由于各个监测站配置的环境监测设备种类不同，个别监测站的设备种类多，数量大，是监测设备容易出现故障的薄弱环节。区域中心应牵头联合各监测站，对使用人员进行全面而有针对性的培训，包括：故障诊断与处理方法、设备操作技术和设备日常维护等，提高对文物保存环境监测数据的分析运用能力。

2) 建立沟通机制。监测站一方面应与区域中心及时反馈数据异常、异常报警及相关处理措施，实现数据信息的交换与共享；另一方面应加强与建设方的沟通，不但能及时进行故障处理，还能为硬件设备开发、工艺技术改进和软件系统升级提供依据和方向。此外，区域中心还应按需对其上级管理部门提供数据信息，为文物科技保护政策的制定指明方向。

3) 提高管理水平。定期做好对监测设备、软件平台及网络通信的检查维护，做到防患于未然。同时，不断完善区域中心运行制度，提高对监测数据的统筹管理水平，便于对文物保存环境的长期跟踪维护和风险预控，最大程度减缓环境因素对文物的破坏，逐步构建一个文物大数据驱动服务体系。