物联网技术在北京德胜门箭楼文物建筑监测中的应用

王 萌

（北京中轴线遗产保护中心（北京世界文化遗产监测中心），北京 100051）

0 引 言

德胜门箭楼是明清北京内城九门中仅存的两座箭楼之一，在历史上素有军门之称，是京师通往塞北的重要门户。在岁月流转中，德胜门箭楼文物建筑不可避免地出现沉降、裂缝、倾斜、位移、变形等问题。在以往的保护程序中，保护人员往往根据经验或人工测量数据来判断是否进行干预。在科技高度发达的今天，物联网技术可以提供实时量化的数据依据并自动预警，帮助遗产保护人员进行科学的判断。

在国内一些文化遗址中做了一些将物联网应用于文物保护方面的尝试。敦煌莫高窟的文物遗址现场安装了环境监测采集器，用以采集温度、湿度、二氧化碳等微气象数据，建立了文物遗址环境监测数据服务系统。故宫博物院建立了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[1]。以精密变形测量、光纤光栅在线监测辅以巡视检查为基础的结构安全监测体系在六和塔成功实践[2]。秦始皇帝陵博物院将物联网技术引入文物保存环境的常规实时监测[3]。这些案例中的监测目标较单一，且传感器的布设多为有线数据传输方式，布线复杂。

在北京德胜门箭楼文物建筑监测中引入物联网技术，使用前端传感器与数据网关组成无线感知网络对德胜门箭楼建筑群周边振动影响、周边环境变化、承重柱倾斜、构件相对位移、裂缝变化、结构变形等进行实时自动化监测。感知网络采用无线自组网方式可以最大限度地避免管线安装对古建筑的破坏。云服务中心集中处理数据的模式可以使遗产保护人员通过终端电脑或手机实时掌握德胜门箭楼文物建筑群的结构安全数据，查询、分析建筑群结构安全和发展趋势。

1 德胜门箭楼文物建筑群结构安全性监测系统体系架构

在北京德胜门箭楼文物建筑监测中引入物联网技术构建德胜门箭楼文物建筑群结构安全性监测系统，主要包含古建筑本体监测、周边环境监测。德胜门箭楼文物建筑群结构安全性监测系统的构成包括感知层、网络层、应用层、用户层。

感知层：负责德胜门箭楼文物建筑状态信息及周边环境信息数据采集及感知，主要采用前端感知传感器，包含倾斜、位移、应力应变、裂缝、振动等监测传感器[4]。传感器节点不仅具有数据采集能力，而且具有无线通信能力。

网络层：通过无线感知网络、通信网络将感知层采集到的倾斜、位移、应力应变、裂缝、振动等数据准确无误地传送到系统后台。

应用层：在云服务中心上，系统平台的功能模块对经过网络层传输过来的感知层数据进行多维关联分析、处理，探索影响因素的变化对德胜门箭楼建筑的作用，构建德胜门箭楼建筑生存模型，为德胜门箭楼建筑预防性保护提供科学依据。

用户层：用户通过终端设备远程监测，实时判定出德胜门箭楼建筑现状的健康程度，能及时、自动地进行报警，防止病害的发生。

2 德胜门箭楼监测中物联网系统结构

德胜门箭楼文物建筑群结构安全性监测系统可以实现自动监测、实时交互、多重分级预警、系统配置、系统管理、预警管理、维护管理等功能，主要由无线感知网络体系和云服务中心构成，如图1所示。

图1 德胜门箭楼文物建筑群结构安全性监测系统示意图

2.1 无线感知网络

无线感知网络是根据德胜门箭楼建筑群前期勘察结果并结合周边环境影响进行设计的。前端传感器采集周边振动影响、周边环境变化、承重柱倾斜、构件相对位移、裂缝变化、结构变形等，并与数据网关组成无线感知网络，对德胜门箭楼建筑群周边振动影响、周边环境变化、承重柱倾斜、构件相对位移、裂缝变化、结构变形等进行实时自动化监测。

无线感知网络通过先进的传感技术实时、自动监测结构本体响应及相关环境因素。结构本身具有自传感、自监测的特性，能够实现结构的智能监测，可实现提前探测结构本体残损的发展或新残损的产生[5]。无线感知网络由前端传感器系统、数据采集与传输系统组成。

2.1.1 前端传感器系统

传感网是物联网的基础，实现了物物信息的感知、采集，并通过以无线、宽带为特征的传输网络，实现人与物、物与物的联通和交互，同时叠加原有的通信网构成了整个物联网体系[6-8]。

前端传感器系统对德胜门箭楼文物建筑进行结构体外部变化监测、倾斜监测、相对位移监测、应力应变监测、裂缝变化监测、周边振动影响监测、周边环境监测，采集文物建筑的物理量变。

（1）结构体外部变化监测

建筑物外部变化监测，主要针对建筑物的整体基础沉降、整体结构水平位移，使用全自动测量机器人加小棱镜进行监测。采用全站仪坐标法，在德胜门城墙东、西两个方向建设测量基准墩，在基准墩上安装全自动测量机器人，在德胜门箭楼文物建筑的各层各边檐上安装观测小棱镜，全自动测量机器人定时、自动采集各小棱镜坐标，通过对比棱镜各时刻坐标数据，分析建筑物基础沉降、整体水平位移变化情况。

（2）倾斜监测

在各建筑物承重柱或墙体安装倾斜传感器，实时、自动采集倾斜变化情况，系统通过数据对比、处理、判断建筑物整体倾斜情况。

（3）相对位移监测

构件间的连系对结构整体性起着至关重要的作用，若节点间连系失效会造成结构整体或局部变形、倾斜、失稳等残损现象。在各建筑物中主要的或是已破坏卯榫、梁柱连接处安装位移传感器，实时监测各连接处构件相对位移变化情况，判断连接处安全状态。

（4）应力应变监测

在各建筑主梁、柱上布设应力应变传感器，实时、自动采集各梁、柱受力数据，通过分析受力变化情况，并结合同时刻建筑沉降、倾斜等监测数据，判断建筑物结构安全状态，并预判发展趋势。

（5）裂缝变化监测

德胜门箭楼建筑群木结构建筑及部分砌体建筑上已存在明显裂缝残损状况，在有代表性裂缝处安装裂缝传感器，实时、自动采集裂缝数据，了解其现状，掌握其发展规律。

（6）周边振动影响监测

德胜门箭楼文物建筑群地处交通要道，路网复杂，距离地铁二号线和二环线仅100 m，箭楼南侧和北侧均设立公交站，四周被公路包围，车流量较大，车辆通行产生的振动对德胜门箭楼建筑群结构稳定性的影响需要实时监测。在各建筑单体承重梁上安装振动传感器，实时、自动采集振动数据，分析周边工业振动对建筑群各单体结构稳定性的影响。

（7）周边环境监测

建筑周边自然环境如降雨量、温湿度、风速等也是影响建筑结构安全的重要因素。在建筑物周边安装温湿度计、雨量计、风速采集系统一套，实时采集建筑周边自然环境数据，结合其他传感器数据，分析周边自然环境对建筑结构安全的影响。

2.1.2 数据采集与传输系统

系统前端传感器通过无线传输方式将采集的数据发送到数据网关，数据网关通过公用通信网络将数据传送到云服务中心。

数据网关是用于收集、处理和转发传感器数据的工业级物联网网关[9-10]。采用高性价比、低功耗的核心处理器，集成了LoRa 无线通信模块及GPRS 模块，通过LoRa 无线自组网络接收传感器数据并进行协议转换，通过GPRS 网络将数据传输到数据服务中心。通过LoRa 收发模块与前端传感器组成无线自组网络，可以接收800 m 范围内的传感器数据，具有低成本、低功耗、高性能的优良特性，适合于恶劣环境下长期使用，尤其适用于监测现场环境复杂、布线困难的场合。

2.2 云服务中心

云服务中心在云端接收数据网关传送的数据后进行分析处理，作为终端用户的遗产保护人员通过终端设备连接到云服务中心进行远程监测。云服务中心由数据管理系统、分析与预警系统组成。

数据管理系统由数据库系统及数据库服务器组成，对监测信息和原始信息进行统一管理、处理、分析、查询和显示等。

在德胜门箭楼建筑模型基础上，分析与预警系统进行监测信息的识别，自动结合实时监测数据、输出安全评定得分，得出结构安全状态等级，判别健康状态。分析与预警系统采取分级预警的方式，及时发出分级预警信号，具有多地点、多事件的并发预警功能，能够对监测对象的故障预警信息进行集中监测和管理，实现对预警数据的实时采集和集中监测，准确定位故障。

3 结 语

德胜门箭楼文物建筑群结构安全性监测系统实现了通过物联网技术实时掌握德胜门箭楼文物建筑群的结构安全数据，可实时查询、分析建筑群结构安全和发展趋势；构建德胜门箭楼文物建筑模型，揭示建筑的结构安全影响因素对德胜门箭楼文物建筑的作用机理，实现德胜门箭楼文物建筑危险估计，最大限度地提高德胜门箭楼文物建筑群的保护水平。未来物联网技术在文化遗产保护领域有很大的应用空间，值得人们不断地探索。