鄧 佳,李隆田,唐 歡
(重慶中國三峽博物館,重慶 400015)
空氣質量智能化監(jiān)測系統(tǒng)在博物館中的應用
——以白鶴梁水下博物館為例
鄧 佳,李隆田,唐 歡
(重慶中國三峽博物館,重慶 400015)
博物館由于保存展品和保證參觀者舒適性的需要,對室內空氣品質的要求越來越高。選取目前國內外唯一的水下博物館——白鶴梁水下博物館作為研究對象,采用傳感器網(wǎng)絡技術、RS-485與以太網(wǎng)技術相結合進行數(shù)據(jù)通信,實現(xiàn)了館內空氣質量監(jiān)測的智能化、采集環(huán)境參數(shù)多樣化,保證了館內空氣質量監(jiān)測的實時性、監(jiān)測數(shù)據(jù)的可追溯性及室內空氣質量報警的即時性。對于博物館了解自身運行環(huán)境和提升博物館服務功能均有明顯促進作用。
博物館;空氣質量;智能化;二氧化碳
Abstract:The requirement of the indoorair quality has become more and more highin museum for the preservation of exhibits and providing a comfortable environment for visitors.It took the on ly underwater museum in the world,White Crane RidgeUnderwater Museum, as our research obje ct,and connected sensor network technology,RS-485 with Ethernet technology for data communic ation to intelligent the air quality monitoringand diversify the environment parameter collection.Th is improvement ensured the realtime monitoring of the indoorair quality,the traceability of the mo nitoring data and the immediate alarm of the indoorair quality, which can promoteworkers knowin g about the operating environment of the museum and enhancing their service.
Key words:museum; air quality; intelligentialize; carbon dioxide
隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,博物館事業(yè)也在如火如荼的進行。2008年,在社會主義文化大建設和發(fā)展成果全民共享的背景下,文物系統(tǒng)的非遺址類公辦博物館開始免費參觀及公眾對博物館收藏、教育和科研功能的認可,博物館觀眾數(shù)量急劇增加,公眾已將參觀博物館作為休閑活動的主要選擇。據(jù)有關資料統(tǒng)計,2013年我國博物館4 500余所,觀眾數(shù)量已超過6億人次。而且我國博物館觀眾數(shù)量以每年數(shù)千萬人次的數(shù)量增加,預計在2020年我國博物館觀眾數(shù)量極有可能接近或超過10億人[1]。由于人們對生存環(huán)境,尤其是像圖書館、博物館等公共參觀環(huán)境的要求不斷提高,室內空氣質量問題已引起人們的重視和關注。而博物館面對如此大流量的觀眾,研究室內空氣質量監(jiān)測手段,對觀眾的身體健康、博物館的安全運行和可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的實用價值和指導意義。
博物館環(huán)境主要是指博物館建筑物內文物庫房、陳列室、展柜等以及空間中的各種物理、化學、生物條件。影響博物館環(huán)境的主要因素包括博物館所在地區(qū)的宏觀氣候環(huán)境、空氣污染狀況、館內光線輻射、參觀人流量等。據(jù)確切的測定證實室內空氣中的污染物濃度要高于室外2~5倍[2],我國絕大多數(shù)的博物館是以室內參觀方式為主,館內空氣質量的好壞,直接關系到觀眾的舒適度、滿意度等。
目前國內外對博物館室內館藏文物、重點文物展柜、文物庫房等保存環(huán)境做了較多的研究。例如為加強博物館藏品的預防性保護,張月玲[3]采用銅銀試片法對國家博物館8個測試點進行了測試,發(fā)現(xiàn)博物館處于高濃度極具腐蝕性的二氧化硫氣態(tài)物質的包圍中,已造成對金屬、紙張等文物的危害。美國國家博物館以控制整個館內環(huán)境的方式,使館內溫濕度限制在各類文物可接受范圍內,不隨季節(jié)而變化。這些研究都強調了博物館環(huán)境對館內文物和藏品的影響,而忽略了參觀人員對博物館環(huán)境的需求。目前我國對于人員密集型的公共參觀環(huán)境監(jiān)測較為薄弱,有少量的監(jiān)控也僅僅只是對簡單的室內溫、濕度進行常規(guī)監(jiān)測,而對人體健康有直接危害的二氧化碳、可吸入顆粒物等其他有害物質的監(jiān)測卻十分有限。國內,僅有敦煌莫高窟研究了“二氧化碳的累積對游客的影響,擁擠和其他因素對游客體驗的影響”。因此,加強對博物館公眾參觀區(qū)域空氣質量的監(jiān)測,有利于博物館了解自身運行環(huán)境和提升博物館服務功能,發(fā)現(xiàn)公共安全隱患,進而尋求有效途徑改善空氣環(huán)境,持續(xù)保證館內空氣質量,保障公眾安全。
空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)是一套以自動監(jiān)測儀器為核心的自動“測-控”系統(tǒng),用于采集和分析空氣質量的狀況和變化,對掌握空氣質量和應對措施發(fā)揮著重要的作用。上海博物館文物保護與考古科學實驗室對武漢博物館的文物保存環(huán)境,設計了若干個重點區(qū)域并放置相應的監(jiān)測傳感器[4],數(shù)據(jù)采集員每隔一段時間采集傳感器上獲取的數(shù)據(jù),這種人工采集數(shù)據(jù)的方式費時費力,亦不利于文物的保護。由浙江大學研發(fā)的敦煌莫高窟洞窟環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[5]主要監(jiān)測二氧化碳濃度和濕度,可有效地調控進入洞窟的游人數(shù),即當該數(shù)據(jù)值超過一定數(shù)值時,會對即將進入洞窟的游客發(fā)出警告,告知游客不宜參觀。
白鶴梁是位于重慶涪陵一段記錄長江1 200年來水位變化的題刻石梁,2003年因三峽工程對其實施原址保護,2009年保護工程完工并建成目前世界上唯一的原址水下博物館。因其獨特的設計、特殊的文物展示方式以及題刻巨大的歷史價值和科學價值,自2010年4月正式對外開放以來,吸引了大量的游客前來參觀,截至2015年,參觀人數(shù)近百萬人。尤其在2013年,白鶴梁水下博物館日游客參觀量最大達到3 400余人,接近陜西歷史博物館(4 000人)和上海博物館(5 000人)的限流人數(shù),但白鶴梁水下博物館面積遠遠小于前二者。尤其是水下參觀區(qū)位于長江水下20~40 m處相對密閉的狹小空間內(總面積只有889 m2),游客需要乘坐近90 m的扶梯由地面陳列館下至江中,再經(jīng)過150 m狹窄的水平廊道后進入江水位置,游客在水下參觀時間約0.5 h。整個水下建筑體是一個相對封閉空間,僅通過中央空調和新風機對該區(qū)域更替和輸送空氣。在安裝空氣質量智能化監(jiān)測系統(tǒng)之前,通過HTC-8對該區(qū)域的同溫濕度進行監(jiān)測,這種監(jiān)測方式需要人工作業(yè),每天要對參觀區(qū)域監(jiān)測數(shù)據(jù)進行讀數(shù),且采集的環(huán)境參數(shù)單一,更不能實現(xiàn)實時在線監(jiān)測。但在白鶴梁水下博物館運行期間,有個別游客在水下參觀時出現(xiàn)身體不適等現(xiàn)象,雖然這是否與水下空氣質量有直接關系有待論證,但隨著每年遞增的游客數(shù)量,揭示保護體參觀環(huán)境與游客身體健康相關性,尋求科學的空氣質量監(jiān)測手段,應對水下參觀區(qū)突發(fā)緊急情況,明確游客承載量,探索提高游客安全性等方面的問題都亟待研究。
(1)提供友好界面、簡單操作。
(2)為確保數(shù)據(jù)的安全,賦予管理人員不同操作權限。
(3)監(jiān)測平臺能夠自動分析處理監(jiān)測數(shù)據(jù)、報警和預警。
(4)能夠根據(jù)實時數(shù)據(jù),生成時統(tǒng)計表、日統(tǒng)計表、月統(tǒng)計表等。
(5)能夠按不同查詢條件進行數(shù)據(jù)查詢,并且以Word、Excel等形式顯示,導出和打印查詢結果。
博物館內空氣質量智能監(jiān)測系統(tǒng)架構分為3層:數(shù)據(jù)采集層(data acquire layer, DAL)、數(shù)據(jù)集中層(data concentrate layer, DCL)和數(shù)據(jù)管理層(data management layer, DML),如圖1所示。數(shù)據(jù)采集層由博物館地面陳列展一樓、二樓和水下參觀監(jiān)測區(qū)域組成。每個監(jiān)測區(qū)域有一個匯聚節(jié)點(sensor node, SN)和若干個館內指標監(jiān)測終端(dectecting nod, DN)組成。白鶴梁水下博物館根據(jù)館內自身情況,初步設計溫度、濕度、二氧化碳指標監(jiān)測終端,并搭載館內新風機、抽風機和空調機的啟停智能化裝置。系統(tǒng)的設計是開放的,以后可根據(jù)自身需求和博物館具體環(huán)境,按該系統(tǒng)的設計思路進行室內監(jiān)測項的更改。各項監(jiān)測終端的主要功能是,實時采集一項或多項指標的參數(shù),并通過傳感器網(wǎng)絡,將這些參數(shù)實時傳送到其監(jiān)測區(qū)域內的可編程邏輯控制器(PLC)上,然后由PLC將這些數(shù)據(jù)通過RS-485網(wǎng)絡傳送給數(shù)據(jù)集中層(DCL)中與該監(jiān)測區(qū)域相對應的數(shù)據(jù)集中器(DCL)中。數(shù)據(jù)集中器將收集到實時的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送給數(shù)據(jù)管理層(DML)中的服務器。數(shù)據(jù)管理層對數(shù)據(jù)進行永久存貯、分析監(jiān)測數(shù)據(jù)、繪制變化趨勢線、展示實時監(jiān)測數(shù)據(jù)及設備運行控制等。
圖1 系統(tǒng)總體構架
系統(tǒng)對博物館地面陳列館一樓、二樓及水下參觀區(qū)域進行監(jiān)測,共設7個采集點,其中地面陳列館4個參觀單元各布設1個,水下參觀區(qū)的上下游水平廊道各1個,參觀廊道1個。每個采集點均分布了溫濕度傳感器和二氧化碳監(jiān)測傳感器,以7個模塊集中對傳感器輸入的信號進行采集、數(shù)據(jù)傳輸、終端控制。
軟件啟動后,將進入系統(tǒng)管理的登錄界面,如圖2、圖3所示,系統(tǒng)主要功能菜單位于界面左上部,管理人員可運用展區(qū)控制、設備控制、報警設置、歷史趨勢、報表查詢等功能。
展區(qū)控制是實時反饋展區(qū)內溫度、濕度、二氧化碳常規(guī)數(shù)據(jù)。操作人員可在系統(tǒng)界面上直接查看各展區(qū)的24 h空氣質量狀況。設備控制是將博物館空調器和新風機整合自動化,數(shù)據(jù)監(jiān)控中心可直接通過電腦中央空調、新風機進行手動或自動控制。尤其在節(jié)假日,當游客數(shù)量井噴式增長,出現(xiàn)館內空氣質量下降時,根據(jù)傳感器反饋的監(jiān)測值,系統(tǒng)可自動開啟中央空調或新風機,調節(jié)溫濕度,增加新風量,及時改善館內空氣質量。報警設置監(jiān)測的每個指標都依據(jù)國家《圖書館、博物館、美術館、展覽館衛(wèi)生標準》(GB9669—1996)設定了預警值,一旦相關數(shù)據(jù)超標,系統(tǒng)立即向數(shù)據(jù)監(jiān)控中心發(fā)出預警信息,提醒管理人員采取措施,改善空氣質量。例如二氧化碳的預警指標值為10-3,如果監(jiān)測的數(shù)據(jù)超過該標準,系統(tǒng)就會發(fā)出警報。歷史趨勢是對以往的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行記錄,并隨當日當時游客數(shù)量變化,分析館內空氣質量變化趨勢,如圖4。
圖2 展區(qū)監(jiān)測界面
圖3 設備控制界面
圖4 二氧化碳歷史變化趨勢
白鶴梁水下博物館根據(jù)2010—2013年的游客數(shù)量,初步制定了《游客高峰期安全處理預案》,對游客承載量進行了初步限定,但尚缺乏參觀人流量限制的研究和制定依據(jù)。二氧化碳是評價參觀區(qū)空氣環(huán)境質量和游客游覽舒適度的重要指標?,F(xiàn)在世界上大多數(shù)博物館室內環(huán)境標準是參照湯姆森(Thomson)1986年出版的《博物館環(huán)境》(第二版)[6]。我國在1996年制定了《圖書館、博物館、美術館、展覽館衛(wèi)生標準》(GB9669—1996),根據(jù)該標準和館內、館外的空氣交換量,初步設定參觀區(qū)二氧化碳預警值為10-3。
圖5 游客流量與二氧化碳變化趨勢
以白鶴梁水下博物館2015年國慶7天假期為例,分析博物館游客流量與館內二氧化碳的相關性。從圖5看出,館內二氧化碳含量隨著參觀游客量的增加而增加,二者呈顯著相關性。尤其在10月2—4日,游客參觀人數(shù)突增,瞬時監(jiān)測值甚至超過了初設的二氧化碳預警值(10-3),管理人員迅速采取增開新風機,聯(lián)系一線員工減緩扶梯放行至水下參觀的游客批次,或停止對外售票等措施,以減緩博物館環(huán)境壓力,保證游客參觀舒適度。
當今博物館發(fā)展的主旨是以觀眾為中心,對觀眾的身體健康非常重要,為游客提供安全、舒適的參觀環(huán)境也必不可少??諝赓|量智能化監(jiān)測系統(tǒng)自安裝運行以來,進一步提高和完善了白鶴梁水下博物館的環(huán)境智控設施,對于博物館了解自身運行環(huán)境和提升博物館服務功能均有明顯的促進作用。為改善博物館室內空氣質量提供了科學的依據(jù),同時為游客消除了可能存在的健康隱患,提供了一個安全、舒心的參觀環(huán)境。但目前監(jiān)測的指標還不全面,在保證常規(guī)監(jiān)測的主導地位的基礎上,應擴充新風量、風速、二氧化硫、揮發(fā)性有機化合物(VOC)、PM2.5等監(jiān)測參數(shù),以滿足監(jiān)測環(huán)境的需要。白鶴梁水下博物館因獨特的保護方式和特殊的參觀環(huán)境,需要進一步加大對白鶴梁水下博物館游客承載量的研究,對參觀人數(shù)分流、廊道內參觀時間、參觀線路等進行合理優(yōu)化,既要保護博物館的文物,又要保證游客的安全及參觀質量。
[1]宋向光.當代我國博物館展陳發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].中國博物館館,2015,33(3):82-87.
[2]The State Environmental Protection Dept.USA.EPA's indoor air quality(IAQ)home page[EB/OL].(2001-10-01)[2017-03-03].http://www.epa.gov/iaq.
[3]張月玲.中國國家博物館環(huán)境空氣質量監(jiān)測報告[J].文物保護與考古科學,2006,18(2):41-45.
[4]徐方圓,吳來明,解玉林.武漢博物館文物保存環(huán)境研究[J].文物保護與考古科學,2007,19(1):8-17.
[5]吳來明,徐方圓,黃河.博物館環(huán)境及相關物流網(wǎng)技術應用需求分析[J].文物保護與考古科學,2011,23(3):96-102.
[6]蔣銳.白鶴梁水下博物館游客承載量研究初探[J].中國文化遺產(chǎn),2015(3):75-81.
Application of Air Quality Intelligent Monitoring System in Museum——Take the White Crane Ridge Underwater Museum as an Example
DENG Jia, LI Longtian, TANG Huan
(China Three Gorges Museum, Chongqing 400015, China)
G267
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鄧佳(1989-),女,助理館員,碩士,主要研究方向為博物館環(huán)境保護研究。E- mail:317790877@qq.com.
重慶市社科基金資助項目(2015TBWT07)