基于物联网技术的古建筑监控与保护

杨静 马虹

(1.江苏省苏州市吴江区住房和城乡建设局；2.中外建设信息有限责任公司)

古建筑既是具象的史书，也是人类不可多得的传世艺术。中国的古建筑，在世界建筑史上无疑占有着无与伦比的地位，它不但具有极高的历史价值，还有其独一无二的意义和风格，兼具科学和艺术的双重价值。中国传统建筑的璀璨文化，不应仅仅存活在历史记忆中，更应该在当下时代背景中发挥自己独特的实用、艺术、历史文化价值。然而也正是因为其具有的历史遗留性、不可再造性，一旦遭到人为或不可控的外力破坏就会导致无法挽回的损失。作为古建筑的传承人和守护者，我们应该重新理解和重视中国古建筑的现状和地位，更好的保护中国古代建筑[1]。近些年来，物联网技术的出现与应用为更好的解决这些问题带来了新的可能性，基于传统的古建筑保护方式，本课题将物联网技术、通信技术与其相结合，我们成功解决了古建筑管理中关于实时监测、预警、故障分析以及安全管理等事前管理问题，实现了防患于未然，为古建筑的长期保护和管理提供了有效的技术解决方案。

1.研究背景

物联网（Internet of Things）是信息化发展的重要发展阶段，也是互联网的应用拓展。物联网四处开花，不断地渗入人们的生产和生活，任何事物只要嵌入一个微型传感设备，就可以与网络连接在一起，搭建一个人类社会和物理系统的整合平台，人类可以以更加精细和智能的方式管理生产和生活，实现资源优化配置，无论我们是否察觉，物联网正悄然改变着我们的生活。

物联网的几项关键技术是物联网得以广泛应用的最主要原因。它们主要是：传感器技术、RFID 标签和嵌入式系统技术。

传感器技术，作为多学科交融的核心技术，横跨传感器设计、信息处理和识别等多个领域，是科技创新的重要交汇点。严格来说，传感器是一种设备，用于测量特定类型的物理变量，并能将这些变量转换成电子设备可识别的电子信号。除了电源外，传感器还包含敏感元件和转换元件等关键组件。在计算机处理中，我们只能识别数字信号，因此物联网的广泛应用需要有将传感器中的模拟信号进行转换的技术。

RFID 即Radio Frequency Identification，是为射频识别技术，俗称电子标签。RFID 系统是由标签（Tag）、阅读器（Reader）和应用软件系统组成。它的应用模式是通过发出的射频信号自动识别目标对象并获取其储存的相关数据。目前，它已在物理管理领域得到了广泛的应用。

2.研究现状

古建筑是人类物质文明和精神文明的结晶，是历史的馈赠，而中国古建筑保护与各地方经济发展存在不同程度的不协调问题。社会现代化、城镇化背景下的现代工业不断发展，这不可避免的给人类社会尤其是古建筑文物带来的一定程度的污染和破坏。要解决历史古建筑的安全保护问题，除了加强传统的维保工作，更有许多专家学者在数字化保护、监控技术等方面进行了深入的研究，在小型建筑和小范围建筑群中取得了重要成果。

历史上不同时期，政府部门都有出台相关政策来保护古建筑免受破坏，减轻毁损。而对古建筑的保护却很难取得实质性的进展，具有重要历史意义的古建筑遭到火灾等毁损的事情常有发生。

随着我国城市化的快速推进，城市的古建筑保护工作受到了城市建设和经济发展的多重挑战。然而，在政府的积极倡导和有识之士的共同努力下，我们已经建立了一套完善的法律法规和工作机制，并在古建筑保护方面取得了显著的成果。相继设立了4 批历史文化保护区，建立了文物保护单位制度，加强了历史古建筑的保养、维修、利用和管理。然而城市化进程中的古建筑保护状况却还是不容乐观，例如大量城市古建筑因维护环节薄弱而面临毁损。究其原因，主要有行政执法力度不严、少有借助新技术手段来助力古文物建筑保护。然而古建筑保护是一项系统的工作，需要结合社会各界的力量和智慧。我们需借助计算机、物联网等相关技术来实现对古建筑所处环境以及古建筑构建的监测与分析，建立古建筑在线监控平台和修复评估体系。

传统的古建筑保护方式中，文物保护单位忽视对建筑物的分析和研究，大多只注重古建筑带来的经济效益，而没有实时掌握古建筑的状态信息，对一些能够提前发现的异常信息没有及时排查，导致不能及早发现故障，加大了修复的难度。而发现故障后的古建筑修缮工作也是被动进行，“恢复原貌”的难度极大。

专家建议采用先进的技术手段，包括三维激光扫描测量、数字图像处理和虚拟现实等，以推动古建筑的数字化管理和保护工作。H.Sternberg 等使用三维激光扫描技术对汉堡市政大厅内的 Kaisersaal 和Grober Festsaal 两个有着悠久历史的大厅进行了三维扫描并建立了模型[2]；C.Altuntas使用三维激光扫描技术为 Konya 考古博物馆进行了测量和建模，用彩色和灰度模式可视化了由点云生成的表面模型；国内清华大学使用三维激光扫描仪对山西陵川县西溪二仙庙的部分建筑和北京的佛光寺东大殿进行了扫描，绘制出了梁架平面、剖面理想图，并与现状点云作比，从而得出量化的残损变形评估[3]。尽管这些技术为测量手段带来了显著的改进和丰富，但仍无法满足对古建筑进行高精度全方位普查的严苛需求。

RFID 技术，因其强大的实用性，通过实现自动识别功能，已被公认为21 世纪最重要的十大技术之一。此外，它在物流管理、公共安全等工业和生活领域的成功应用，进一步证明了其广泛的影响力和价值。随着RFID 技术的不断进步和标准化程度的日益提升，整个RFID 产业链都将实现显著的增强和发展。基于RFID 技术的产品将不断拓展其应用范围，为各行各业带来更加广泛和深远的影响。目前，西方国家已经在传感器芯片等RFID 技术方面取得了极其丰富的研究成果。但是，国内RFID 技术发展稍有欠缺，起步晚起点低，市场发展不完善。但RFID 技术产业自应用以来极大促进了生产力的进步，政府和企业已经无法忽视这一技术带来的便利。本文我们将它引入到古建筑保护这一常谈常新的领域，会对古建筑保护比传统保护方式带来无可比拟的优势。

值得一提的是，物联网技术与5G 技术的融合为物联网的发展注入了新的动力。5G 的到来极大地促进了物联网技术的发展，使得物联世界更加丰富。此外，边缘计算也为物联网系统提供了强大的支持，通过减少网络延迟，提高了可靠性和实时决策能力。

3.研究内容与意义

3.1 研究内容

本文设计实现的古建筑监控与保护系统主要方案是：古建筑各部位物联网技术的软硬件设计、5G 技术融合应用于古建筑的保护、BIM 技术在古建筑保护与修复中的运用、以及应用管理平台的搭建。

（1）古建筑各部位物联网技术的软硬件设计

物联网技术通过各类传感器和监控设备，能够实时收集古建筑的环境参数、结构状态等信息，如温度、湿度、位移、应力等。这些数据对于了解古建筑的健康状况、预测潜在风险至关重要。同时，物联网技术还能实现远程监控和实时报警，一旦古建筑出现异常情况，如裂缝扩大、结构变形等，系统能够立即发出警报，提醒管理人员及时采取措施。古建筑RFID感知节点能够实时监测古建筑的环境信息，如虎丘塔各个塔角的水平度、温湿度，横梁的压力、塔尖的水平度等，并将基础数据信息通过无线传送给离古建筑一定距离的RFID 阅读器，供系统读取分析。RFID 阅读器用来识别古建筑RFID 感知节点，并对应接收其传送的数据。服务器端软件的主要功能在于监听阅读器所传输的数据，并将其进行存储和展示。

图1 RFAMS系统体系结构

（2）5G 技术融合应用于古建筑的保护

5G 技术的引入，为物联网在古建筑保护中的应用提供了更强大的网络支持。5G 技术以其高速率、低时延和大连接数的特点，使得古建筑保护中的数据传输更加高效和稳定。通过5G 网络，古建筑监测数据可以实时传输到云端或远程控制中心，为管理人员提供及时的决策支持。同时，5G 技术还可以支持更多的设备接入，使得古建筑保护中的物联网应用更加广泛和深入。

在具体应用中，物联网技术与5G 技术可以共同实现以下功能：管理人员可以通过5G 网络，对古建筑保护设备进行远程控制和管理，如调整传感器参数、查看实时数据等。物联网技术与5G 技术还可以与古建筑保护的其他技术相结合，如虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等，为古建筑保护提供更加全面和丰富的手段。通过VR 技术，可以重现古建筑的历史风貌，为公众提供更加沉浸式的体验；通过AR 技术，可以在古建筑上叠加虚拟信息，为游客提供更加丰富的解读。

（3）BIM 技术在古建筑保护与修复中的运用

BIM 技术则以其强大的建筑信息建模能力，为古建筑保护与修复提供了精准的数据支持。物联网技术与BIM 技术的融合，可以建立古建筑的数字化模型，准确记录其结构、材料、装饰等详细信息。这不仅有助于我们更深入地了解古建筑的历史和文化价值，还能为修复工作提供精确的指导。BIM 技术还能实现古建筑的三维可视化，使得修复方案更加直观、易于理解。一方面，物联网技术收集到的实时数据可以与BIM 模型进行关联，使得模型能够动态反映古建筑的实际情况。这有助于管理人员更加精准地把握古建筑的健康状况，制定更加科学的保护策略。另一方面，通过BIM 技术的模拟和优化功能，可以对修复方案进行多次验证和调整，确保修复工作的准确性和有效性。

（4）应用管理平台的搭建

本文设计的古建筑保护系统呈现给古建筑管理单位的是一个应用管理软件平台，用于获取和分析古建筑各部位(温湿度、光照度、压力、水平度等)数据。在管理软件的设计上采用实用的MVC 分层模式，由通常意义上的表现层、业务逻辑层和数据访问层三层架构组成[3]。同时应用软件作为一种用户与系统间的桥梁，旨在根据用户的不同需求和应用目的，提供全面且精准的数据分析服务。

3.2 研究意义

基于RFID 技术的古建筑保护为实时监控古建筑各个部位的状态信息提供了新的方式。传统方式下的古建筑保护无法直接感知古建筑各部位的基础数据信息，当古建筑发生隐患问题时无法及时准确判断其原因。古建筑常见的故障包括台基松动、移位，墙体倾斜或有裂缝，木架构折断、腐朽等等，这些问题一旦发生会给古建筑带来极大的破坏力，给古建筑的日常维护和故障修缮工作带来了一定的难度。在课题研究中，技术人员通过专用的阅读器，能够轻松地获取古建筑出现的异常信息，这为古建筑的破损诊断与修缮工作提供了极大的便利。此外，古建筑上的RFID保护板不仅起到保护作用，还存储了丰富的古建筑历史数据和信息，为研究和保护这些文化遗产提供了宝贵的资料。，是古建筑管理单位和历史学家的重要原始数据资料。

本课题研究基本实现了城市中古建筑物、遗迹在线管理功能。随着公众对文化遗产保护重要性的日益认识和相关法规体系的不断完善，古建筑保护工作逐渐展现出更高的规范性和效率，确保了这些珍贵历史遗产得以长久保存并传承下去。古建筑群管理问题主要体现在远程监控、安全保护、预警分析、维护决策等方面。本课题研究是古建筑监控管理方面进行的重要探索，尤其是在古建筑损坏异常报警和故障预警方面，包括在管理系统平台之上可以在线实时查询古建筑各部位的当前温湿度、压力状况以及维修记录等。总的来说，本课题研究确实为古建筑监控与保护提供了高效可行的方案。

传统的古建筑保护方式多以定期维修和事后维修的方式进行，一方面保护单位十分被动；另一方面则是不能及时的找出古建筑遭到破坏的原因。本文所设计的古建筑保护系统能够为古建筑的维保争取最佳的时间节点。

4.研究结果与讨论

4.1 研究结果

本研究通过实施基于物联网技术的古建筑监测与保护方案，得出了一系列重要的发现。这些发现不仅验证了物联网技术在古建筑保护中的有效性，还为未来的研究和实践提供了宝贵的参考。

（1）实时监控与预警能力的显著提高

通过部署在古建筑上的传感器网络，我们能够实时采集温度、湿度、振动等关键参数的数据。与传统的定期巡查和人工监测相比，这种实时监测方式不仅大大提高了数据的获取速度，还能够捕捉到一些传统方法难以发现的问题。此外，当监测数据超过预设的安全范围时，系统能够立即发出预警，提醒管理人员采取相应的措施。这种预警能力使得古建筑的保护工作更加主动和及时。

（2）数据分析与处理的重要性

在数据处理与分析中心，我们利用相关算法对接收到的数据进行分析和处理。通过对这些数据的深入分析，我们能够更加全面地了解古建筑的实时状况，包括其结构安全、环境状况等。这种数据分析能力不仅为古建筑的保护工作提供了科学依据，还为后续的维护和修复提供了数据支持。

（3）物联网技术的可靠性与稳定性

在实验中，我们验证了物联网技术在古建筑监测与保护中的可靠性与稳定性。即使在恶劣的环境条件下，传感器网络和数据传输网络仍然能够正常工作，确保数据的实时传输和处理。这种可靠性和稳定性为古建筑的长期监测与保护提供了有力保障。

（4）系统优化的必要性

虽然本研究取得了一定的成果，但我们也发现了一些系统优化的必要性。例如，针对某些特殊环境条件下的古建筑，可能需要定制更加精确的传感器和更加灵活的数据处理算法。此外，随着物联网技术的不断发展，未来我们还可以探索更多的应用场景和应用模式，如利用大数据和人工智能技术实现对古建筑状况的更加精准预测和评估。

综上所述，基于物联网技术的古建筑监测与保护方案具有显著的优势和潜力。通过不断优化和完善系统的设计和实现，我们有望为古建筑的保护工作提供更加高效、科学和可靠的解决方案。

图2 FRAMS平台主要界面

4.2 问题讨论

尽管物联网技术在古建筑监测与保护中展现出了巨大的潜力和优势，但在实际应用中仍然存在一定的局限性。以下是对这些局限性的详细展开：

（1）技术与成本限制

尽管物联网技术不断发展，但某些高级传感器和设备的成本仍然较高，这对于一些资金有限的古建筑保护项目来说可能构成较大的经济压力。此外，某些特殊环境条件下的古建筑可能需要定制化的监测解决方案，这进一步增加了技术和成本的复杂性。

（2）数据处理与分析的挑战

随着监测数据的不断积累，如何有效地处理和分析这些数据成为了一个挑战。需要开发更加高效和准确的数据处理算法，以实现对古建筑状况的精准评估和预测。同时，随着数据量的增加，数据安全和隐私保护也成为一个不可忽视的问题。

（3）依赖性问题

物联网技术依赖于稳定的网络连接和数据传输。然而，在某些偏远地区或古建筑内部环境较为复杂的情况下，网络的稳定性和数据传输的可靠性可能受到影响。这可能导致监测数据的丢失或延迟，从而影响对古建筑状况的准确判断。

（4）人员技能与培训需求

物联网技术的应用需要具备一定的技术知识和操作技能。然而，目前古建筑保护领域的人才储备可能不足以满足这一需求。因此，需要加强相关人员的技能培训和知识更新，以确保他们能够熟练掌握和应用物联网技术。

综上所述，基于物联网技术的古建筑监测与保护在实际应用中仍然面临一些局限性。为了克服这些局限性并推动物联网技术在古建筑保护中的更广泛应用，需要不断进行技术创新、成本优化、人才培养和合作交流等工作。

5.总结与展望

5.1 总结

本课题所设计的RFAMS 古建筑管理系统，从功能层面划分，主要包含多个关键方面：

一是古建筑各部位的状态信息采集，通过安装在古建筑各部位的感知节点实时采集古建筑的状态信息。利用RFID 技术可以实现各部位状态的无线访问。

二是古建筑的异常信息预警和报修。古建筑状态信息每隔一定时间通过阅读器上传至服务器，而且服务器中保存有各部位状态信息的预警阈值，例如水平度的合理范围、温湿度的正常变化区间等，一旦有存在异常，如屋檐部分积水过多且长时间无法排出时，感知节点将异常的湿度值传送到服务器，服务器监测到异常，发出预警，提示管理人员湿度值异常。这就使得管理人员能够有针对性的排除故障，及时保护古建筑的安全。

5.2 展望

本文设计的古建筑监控与保护系统已经基本实现了给文物保护单位带来监控与管理的效用，但该系统在还存在一定的改进空间，主要有以下：

（1）古建筑感知模块多样性。本文设计的古建筑保护板能够保护古建筑各个关键部位，适用于类似结构的古建筑监控。而古文物除了大型建筑之外，还有小型建筑和文物、字画之类的，这就需要其他合适的感知节点来感知。

（2）ZigBee 实现组网通信。本文中阅读器与感知节点之间采用点对点的射频通信方式，能够实现古建筑基础数据与阅读器的数据收发，但是不能连接整栋建筑物的各个节点进行组网。通过实现ZigBee 组网功能，各个感知节点之间将能够构建起一个通信网络，这一网络不仅显著扩大了无线通信的覆盖范围，而且极大地增强了系统的整体功能，使得整个系统表现更为卓越和高效。

（3）应用管理软件丰富化。本文所设计的RFAMS 系统，其核心目标在于实现古建筑的有效管理。在此过程中，应用管理软件扮演着至关重要的角色，它作为直接与用户和管理人员进行交互的接口，确保了系统功能的顺畅实现和用户需求的满足本文阐述了一个基础性的应用管理软件，来实时监测古建筑关键部位的温湿度、水平度和压力等基础数据。我们可以使用数据挖掘算法对其进行分析，充分发掘古建筑数据可用性，推测可能发生的问题，从而提前发现问题解决问题。

（4）人工智能的应用。随着大量数据的收集、沉淀、积累，利用深度学习和图像识别技术，人工智能可以自动识别古建筑可能出现的损伤或异常情况，并及时发出预警。这不仅提高了古建筑保护的效率，还降低了人为监测可能带来的误差。通过大数据分析，人工智能可以对古建筑的历史、文化价值进行深入研究，为文化遗产管理提供决策支持。同时，人工智能还可以利用无人机和机器视觉技术对古建筑进行全天候监控，及时发现并处理潜在的破坏行为。