王琬茹

(天津工業(yè)大學,天津 300382)

隨著文物保護意識的不斷提升以及國家對文物保護力度的不斷增強,我國文物保護工作得到了長足的發(fā)展。當前的文物保護重點的發(fā)展方向已由傳統(tǒng)的被動型防護轉(zhuǎn)換為預防性保護工作,即從源頭上對文物進行保護,預防影響文物保存的不利因素的發(fā)生,而不是在對文物保護產(chǎn)生不利影響產(chǎn)生后進行修復與彌補,進而實現(xiàn)最大程度地延長文物的保存時長。

1 引入

文物保存的特殊性決定了多數(shù)文物的保存在很大程度上是受到所在環(huán)境的直接影響,因此對文物進行預防性保護的關(guān)鍵即是從文物的保存環(huán)境入手,通過影響或改變文物所處的環(huán)境實現(xiàn)文物保護。從文物保護的專業(yè)角度來分析,文物所處的環(huán)境可以分為博物館室外環(huán)境、博物館室內(nèi)環(huán)境、文物所處庫房或展廳的室內(nèi)小環(huán)境、微環(huán)境。而在這四層環(huán)境中,對文物保存影響最為直接的是儲藏文物的展柜微環(huán)境,因為其特殊性其對文物存儲壽命起到了決定性的影響,微環(huán)境控制的重要性不言而喻[1]。

在當前的實際生產(chǎn)設(shè)計過程中,文物展柜的微環(huán)境主要包括涉及的環(huán)境參數(shù)主要包括：展柜內(nèi)部的溫度、濕度、氣體(尤其是有害氣體)濃度、光照強度、紫外線強度、有害生物數(shù)量等。因此,當前展柜的設(shè)計與生產(chǎn)制造不再僅僅是提供一個容納存放文物的空間,更是要通過相關(guān)技術(shù)營造出有利于文物保存的穩(wěn)定性極強的展柜微環(huán)境。

2 文物展柜微環(huán)境控制研究現(xiàn)狀分析與問題的提出

鑒于文物展柜微環(huán)境是影響文物存儲的重要因素,針對于文物展柜涉及的微環(huán)境控制技術(shù)研究早已開展多年。相關(guān)的研究技術(shù)成果也早已被相關(guān)的文物展柜設(shè)計制造商應用到實際的展柜產(chǎn)品當中。當前最為典型也是最為直接的微環(huán)境控制實際應用即是在文物展柜中安裝針對微環(huán)境參數(shù)的相應監(jiān)測與調(diào)節(jié)控制設(shè)備,例如針對文物展柜的溫濕度調(diào)節(jié)控制,有些展柜加裝了恒溫恒濕儀,實現(xiàn)溫濕度的實時監(jiān)控與動態(tài)調(diào)節(jié)；針對有害氣體調(diào)節(jié)控制,則添加對應的空氣成份監(jiān)測儀與空氣凈化裝置等[2]。

通過對已有的技術(shù)手段進行調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)當前的微環(huán)境調(diào)控技術(shù)與手段在兩個方面存在著不足之處：一方面是多數(shù)文物展柜微環(huán)境控制設(shè)備存在著配置單一、缺乏集成性、整體性管控能力弱的缺點,具體之處體現(xiàn)在微環(huán)境的控制只能實現(xiàn)某種類型的微環(huán)境因素檢測與控制,無法實現(xiàn)統(tǒng)一的、集成化監(jiān)測與控制；另一方面則是當前文物展柜生產(chǎn)設(shè)計中對微環(huán)境控制方面的技術(shù)應用還是側(cè)重于被動方式的微環(huán)境參數(shù)監(jiān)測與調(diào)整,設(shè)計理念與當前文物保護所提倡的主動預防保護模式背道而馳。例如當前主流的溫濕度監(jiān)測調(diào)控模式采用的理念是當設(shè)備食品檢測到溫濕度值超過一個閥值后系統(tǒng)才能監(jiān)測報警并進行反向調(diào)節(jié)操作,而不能針對相關(guān)的微環(huán)境參數(shù)變化主動對微環(huán)境的動態(tài)變化予以預測并進行前瞻性管控,也就無法真正地實現(xiàn)預防性微環(huán)境調(diào)控。

3 解決問題的思路

針對當前技術(shù)研究在以上文物展柜微環(huán)境控制過程中存在的兩方面主要問題,本文探討與分析了利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及動態(tài)耦合模型綜合解決上述兩方面問題的技術(shù)思路,探索當前技術(shù)條件下解決文物展柜微環(huán)境控制的技術(shù)解決方案[3]。

(1)建立統(tǒng)一多源性微環(huán)境感知平臺,實現(xiàn)微環(huán)境下感知數(shù)據(jù)的集成。

作為新一代的信息化處理技術(shù),將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用于展柜微環(huán)境控制是當前文物保護研究的重要發(fā)展方向,這種融入更是為傳統(tǒng)功能單一文物展柜向智能化展柜的發(fā)展與突破奠定了良好的新技術(shù)基礎(chǔ)。融入了物聯(lián)網(wǎng)的微環(huán)境控制文物展柜具有了良好的文物預防性保護功能,具體而言可以體現(xiàn)在兩方面的基本功能：一方面是可以實現(xiàn)展柜微環(huán)境的實時監(jiān)測,主要是針對溫度、濕度、各類氣體含量、光照與有害生物的監(jiān)測；另一方面則是對不符合文物保存環(huán)境的因素進行調(diào)節(jié),以達到文物保存的最佳微環(huán)境。

本文技術(shù)以書籍、字畫類和金屬材質(zhì)類中兩類文物展柜的微環(huán)境為研究實例,設(shè)計研發(fā)集成溫度、濕度、有害氣體、光照、紫外線以及微生物傳感器的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點的多源性微環(huán)境感知試驗平臺,實現(xiàn)對文物展柜微環(huán)境的整體性數(shù)字化監(jiān)測,并在集成平臺環(huán)境下實現(xiàn)微環(huán)境下多種環(huán)境感知數(shù)據(jù)的自動分類與初步集成。

(2)構(gòu)建修正后多源性環(huán)境感知數(shù)據(jù)與文物環(huán)境穩(wěn)定性的耦合建模。

在綜合有效地監(jiān)測文物展柜內(nèi)微環(huán)境的各項環(huán)境參數(shù)的前提下,構(gòu)建相關(guān)環(huán)境參數(shù)與文物微環(huán)境穩(wěn)定狀態(tài)變化的動態(tài)耦合模型,預測微環(huán)境穩(wěn)定狀態(tài)的變化,調(diào)控微環(huán)境控制機制,可以實現(xiàn)文物展柜微環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測、精細控制,使之成為文物預防性保護的“護城河”。

本系統(tǒng)采用的技術(shù)思路是以展柜微環(huán)境下測得的各類多源性環(huán)境感知數(shù)據(jù)為自變量,對文物展柜微環(huán)境的穩(wěn)定程度作為因變量,構(gòu)建展柜微環(huán)境下的“時間-環(huán)境感知數(shù)據(jù)-穩(wěn)定性變化”三維動態(tài)耦合模型。并應用基于RBF人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預測方法對微環(huán)境下不同階段的環(huán)境感知數(shù)據(jù)建立預測和SPC統(tǒng)計過程設(shè)計模型,提前預知階段性微環(huán)境影響數(shù)據(jù),利用預測數(shù)據(jù)構(gòu)造均值-極差控制圖,進行微環(huán)境穩(wěn)定性預判,進而進行智能化精確性微環(huán)境控制,提高展柜微環(huán)境控制的精確度。

4 系統(tǒng)研究采用的關(guān)鍵技術(shù)介紹

本系統(tǒng)在總結(jié)以往微環(huán)境監(jiān)控與調(diào)節(jié)的技術(shù)研究基礎(chǔ)之上,重點在環(huán)境數(shù)據(jù)誤差修正、環(huán)境數(shù)據(jù)的三維動態(tài)耦合模型構(gòu)建方面進行了研究與應用。

(1)文物展柜微環(huán)境監(jiān)測中多源性環(huán)境感知數(shù)據(jù)的動態(tài)誤差補償與解析修正。

當前微環(huán)境下的環(huán)境數(shù)據(jù)感知與獲取較多的研究還是集中于溫度、濕度等環(huán)境因素,而對有害氣體、光照、紫外線、有害生物的監(jiān)測還有較大的短板。很重要的原因即是這些環(huán)境因素的傳感器一方面本身受溫、濕度影響較大,另一方面彼此之間又存著著較強的交叉敏感性。這就造成了多源性環(huán)境感知數(shù)據(jù)存在著較大的誤差,無法準確的體現(xiàn)微環(huán)境的真實情況。因此對環(huán)境感知數(shù)據(jù)誤差的補償修正直接影響到整個微環(huán)境穩(wěn)定性的調(diào)節(jié),本項目針對文物展柜微環(huán)境監(jiān)測平臺得到多源性環(huán)境感知數(shù)據(jù),對其存在的交叉敏感誤差與實際監(jiān)測過程中產(chǎn)生的動態(tài)誤差,提出一種面向多源性環(huán)境感知的動態(tài)補償方法與混合信號解析方法,優(yōu)化展柜微環(huán)境相關(guān)傳感器的響應特征。通過設(shè)計動態(tài)補償模型,對展柜微環(huán)境中的多源性環(huán)境感知數(shù)據(jù)進行特征分析,提高多源性傳感器的動態(tài)特性與傳感效率,減少多源傳感器在微環(huán)境監(jiān)測的動態(tài)誤差和漂移,進一步地提升展柜微環(huán)境監(jiān)測的準確度與穩(wěn)定性[4]。

(2)構(gòu)建展柜微環(huán)境下的“時間-環(huán)境感知數(shù)據(jù)-穩(wěn)定性變化”三維動態(tài)耦合模型。

項目研究的重要目標即是實現(xiàn)對文物展柜微環(huán)境穩(wěn)定性的預防性保護,傳統(tǒng)的實施策略僅是對環(huán)境感知數(shù)據(jù)進行實時采集與分析,受采樣頻率與感知數(shù)據(jù)修正延遲的原因,微環(huán)境穩(wěn)定性的變化監(jiān)控存在明顯的滯后。因此本項目在監(jiān)控平臺進行多源環(huán)境感知數(shù)據(jù)采集與修正的基礎(chǔ)上引入“時間-環(huán)境感知數(shù)據(jù)-穩(wěn)定性變化”三維動態(tài)耦合模型,通過模型中的時間維度進行微環(huán)境穩(wěn)定狀態(tài)的模擬研判,真正實現(xiàn)文物預防性保護的根本目的。系統(tǒng)利用“時間-環(huán)境感知數(shù)據(jù)-穩(wěn)定性變化”三維動態(tài)耦合模型對微環(huán)境穩(wěn)定狀態(tài)進行精確度保障,其先進性在于動態(tài)耦合模型會隨著時間、穩(wěn)定性測量指標、測量方法等進行動態(tài)漂移。本系統(tǒng)在研究設(shè)計時著重考慮分析了模型誤差的來源,以此構(gòu)建出適當?shù)男ＵＰ蜋C制,增加動態(tài)耦合模型的可移植性,不僅可以應用在文物展柜的微環(huán)境精確控制層面,對于類似的多參數(shù)、高復雜性的環(huán)境數(shù)據(jù)集成與控制都可以得到較的實際應用[5]。

(3)微環(huán)境監(jiān)測控制平臺的微型化與集成化設(shè)計。

本展柜微環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)的初衷即是實現(xiàn)多種展柜微環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、分析處理以及精確調(diào)控,具體的環(huán)境參數(shù)包括溫度、濕度、有害氣體濃度、光照強度、紫外線強度、煙霧、振動、有害生物等八項指標。因此本系統(tǒng)研究與開發(fā)所涉及的環(huán)境參數(shù)傳感器種類較為繁雜多樣,如果只是對每項環(huán)境參數(shù)進行單獨的監(jiān)測與調(diào)控進行設(shè)備與儀器配置會導致空間占用率大以及美觀受損的情況發(fā)生,同時各類設(shè)備信號彼此間的干擾影響也較大,對監(jiān)測的精度與穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。因此,本文從實際應用角度出發(fā),在設(shè)計方案上對其進行設(shè)備微型化、集成化以及無線網(wǎng)絡(luò)化處理。

5 系統(tǒng)實際應用效果

通過與相關(guān)文物展柜制造廠商合作,該文物展柜系統(tǒng)最終研發(fā)成功并進入實際量產(chǎn)階段,在對產(chǎn)品進行了詳盡的環(huán)境測試之后,相關(guān)文物展柜產(chǎn)品已被實際應用到部分博物館展柜的布設(shè)工程當中。通過后續(xù)的產(chǎn)品服務調(diào)研,該型產(chǎn)品與普通的文物展柜產(chǎn)品在以下兩方面存在著明顯的優(yōu)勢。

(1)新技術(shù)與產(chǎn)品的實際應用較好地提升了文物展柜微環(huán)境監(jiān)測與調(diào)控效果。新型文物展柜的實際應用獲得了用戶的一致好評,尤其是一些地處復雜天氣地理環(huán)境下對文物所處環(huán)境要求較高的文物保護展示單位,通過實際監(jiān)測發(fā)現(xiàn)新型展柜的微環(huán)境調(diào)控指標有了大幅度的提升,控制精度較高,對文物在復雜環(huán)境下的保護起到了較好作用。

(2)系統(tǒng)集成性較高且預置系統(tǒng)再開發(fā)與網(wǎng)絡(luò)連接端口,擴展性較好。展柜產(chǎn)品依托現(xiàn)有成熟的物聯(lián)網(wǎng)平臺進行設(shè)計開發(fā),具有較好的系統(tǒng)兼容性與擴展性。該系統(tǒng)可以較好地與展館內(nèi)已有的安防系統(tǒng)、展示系統(tǒng)進行互聯(lián),并可以通過無線網(wǎng)絡(luò)連接模塊進行遠程無線操控。

6 小結(jié)

基于動態(tài)耦合模型的展柜微環(huán)境精確調(diào)控系統(tǒng)是本次校企技術(shù)合作的技術(shù)成果之一,通過該技術(shù)的研究與運用為傳統(tǒng)文保企業(yè)由勞動密集型的展柜制造行業(yè)發(fā)展為高科技方向的文物預防護性質(zhì)的展柜“智造”進行了有益探索。