溫永剛 王琬茹

1.天津商業(yè)大學(xué)寶德學(xué)院 天津 300384；2.天津工業(yè)大學(xué) 天津 300382

隨著文物預(yù)防性保護(hù)理念以及工業(yè)智能制造理念的日益深入，國內(nèi)眾多相關(guān)文物保護(hù)制造企業(yè)依托各項(xiàng)新技術(shù)，在新型智能文物展柜的設(shè)計(jì)生產(chǎn)與制造過程方面逐步探索出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與文物預(yù)防性保護(hù)理念深層次智能融合的研究發(fā)展方向。因?yàn)槲h(huán)境的保持對(duì)展柜內(nèi)文物的穩(wěn)定保存起著至關(guān)重要的作用，所以智能文物展柜的設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)面對(duì)與解決的問題是展柜內(nèi)微環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測與環(huán)境參數(shù)調(diào)整。而文物展柜微環(huán)境所涉及的影響因素是多種多樣的，可以涉及溫度、濕度、光照、紫外線等多種影響因素。如何解決多環(huán)境參數(shù)綜合作用與影響下的微環(huán)境穩(wěn)定性監(jiān)測與調(diào)控，無論是從監(jiān)測方面的數(shù)據(jù)模型建立還是環(huán)境參數(shù)調(diào)控時(shí)的有效性評(píng)價(jià)，都需要相應(yīng)的算法與策略設(shè)計(jì)。

1 文物展柜微環(huán)境下多環(huán)境參數(shù)信息數(shù)據(jù)預(yù)處理

復(fù)雜環(huán)境下文物展柜內(nèi)微環(huán)境監(jiān)測與控制過程中，需要同時(shí)對(duì)采集得到的多種環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理。而系統(tǒng)首先要解決的重要問題就是多種監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)融合會(huì)導(dǎo)致多數(shù)據(jù)通道之間噪聲與干擾的產(chǎn)生是無法避免的，它對(duì)系統(tǒng)多環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)采集的精確性與調(diào)控的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的影響。而解決這一問題的思路，即是在對(duì)采集的多數(shù)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理之前進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，主要解決時(shí)間配準(zhǔn)與異常值剔除兩項(xiàng)任務(wù)。

1.1 展柜微環(huán)境下多傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)間配準(zhǔn)

多傳感器信息數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中首先要解決的問題是傳感器配準(zhǔn)。如同數(shù)據(jù)通信過程中要解決的傳輸同步問題一樣，多傳感器環(huán)境下多傳感器數(shù)據(jù)也需要無誤差地完成同一時(shí)間基準(zhǔn)的采樣、轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)傳輸。而在實(shí)際工作環(huán)境中，不同傳感器其采樣頻率、轉(zhuǎn)換周期、數(shù)據(jù)上傳周期等參數(shù)都有著較大的差異，并且受數(shù)據(jù)傳輸模式造成傳輸延遲也大不相同，因此必須要將各個(gè)傳感器不同步的測量數(shù)據(jù)完成融合前的同步準(zhǔn)備。

對(duì)于本系統(tǒng)而言，因?yàn)樯婕暗恼构裎h(huán)境監(jiān)測傳感器工作模式都是處于相對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)模型的采樣，因此本系統(tǒng)的傳感器時(shí)間配準(zhǔn)采用最小二乘配準(zhǔn)法來完成。采用的基本思路是利用最小二乘配準(zhǔn)算法策略，將系統(tǒng)內(nèi)所有微環(huán)境監(jiān)測傳感器某個(gè)時(shí)間階段內(nèi)多次的測量數(shù)值合成為一個(gè)虛擬的測量數(shù)值，減少多個(gè)環(huán)境監(jiān)測數(shù)值之間的差異影響，進(jìn)行統(tǒng)一量化。

1.2 異常值剔除

在統(tǒng)計(jì)學(xué)中所謂的異常值代表的是測量數(shù)據(jù)集合設(shè)D={Y(T1)，…Y(TN)}為對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的一序列跟蹤測t數(shù)據(jù)所組成的集合，D中嚴(yán)重偏離大部分?jǐn)?shù)據(jù)所呈現(xiàn)變化趨勢的一小部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)稱為異常值。本系統(tǒng)擬采用的是3σ準(zhǔn)則進(jìn)行異常值分析，簡單且實(shí)用。其對(duì)傳感器上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行融合之前進(jìn)行分析判斷，對(duì)于某一傳感器數(shù)據(jù)值隊(duì)列，規(guī)定測量中出現(xiàn)的異常值只含有隨機(jī)誤差。而根據(jù)隨機(jī)誤差的正態(tài)分布規(guī)律，其殘余誤差落在±3σ以外的概率約為0.3%，若發(fā)現(xiàn)有大于3σ的殘余誤差的測量值，系統(tǒng)將該點(diǎn)認(rèn)定為一個(gè)異常值，系統(tǒng)要予以剔除。當(dāng)然前提假設(shè)系統(tǒng)傳感器獲得的數(shù)據(jù)樣本服從于同一個(gè)正態(tài)分布，因此該方式對(duì)傳感器異常監(jiān)測值的剔除是一個(gè)近似的方法。

2 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法

文物展柜內(nèi)微環(huán)境監(jiān)測與調(diào)控需要解決的一項(xiàng)重要問題即是對(duì)多環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)施數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。因?yàn)橛绊懳奈镎构裎h(huán)境的穩(wěn)定性調(diào)控涉及多項(xiàng)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的監(jiān)測與分析處理，而在復(fù)雜環(huán)境下數(shù)據(jù)雜波與彼此的干擾會(huì)對(duì)測量數(shù)據(jù)值產(chǎn)生不確定性，只有通過對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)才能實(shí)現(xiàn)多維數(shù)據(jù)融合，為系統(tǒng)性的監(jiān)測與調(diào)控提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)支持。

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)選

數(shù)據(jù)預(yù)選階段是實(shí)施微環(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)操作，實(shí)施的基本思路即是將展柜內(nèi)各種環(huán)境參數(shù)傳感器所獲取的各種測量數(shù)據(jù)根據(jù)展柜所處的實(shí)際環(huán)境情況進(jìn)行信息選擇與排除過濾，最大程度保留傳感器獲取的真實(shí)有效數(shù)據(jù)。

2.2 計(jì)算關(guān)聯(lián)矩陣

關(guān)聯(lián)矩陣可定量描述量測—量測對(duì)或量測—目標(biāo)對(duì)間相似程度，包括了數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)度量標(biāo)準(zhǔn)、邏輯原則、相似性計(jì)算方法等方面，是數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的重點(diǎn)步驟。一般常根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況選擇某種相似性度量方法對(duì)落入關(guān)聯(lián)門之內(nèi)的每一個(gè)量測計(jì)算關(guān)聯(lián)度，根據(jù)量測和目標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度建立對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)矩陣。目前，用于衡量量測—量測對(duì)或量測—目標(biāo)對(duì)間聯(lián)系度的方法有：概率相似法、距離度量法、關(guān)聯(lián)系數(shù)法等。

2.3 選擇合適的賦值策略

在構(gòu)造的關(guān)聯(lián)矩陣基礎(chǔ)上，需選擇合適的賦值策略將量測分配給目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)真正的關(guān)聯(lián)并進(jìn)行狀態(tài)更新。通常賦值策略分兩大板塊內(nèi)容：分別是基于算法的賦值策略與基于非算法的賦值策略，本系統(tǒng)在賦值策略選擇依據(jù)方面主要是針對(duì)文物展柜內(nèi)微環(huán)境監(jiān)測實(shí)際情況以及系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的具體要求。

3 基于模糊評(píng)價(jià)的文物展柜微環(huán)境狀態(tài)辨識(shí)算法設(shè)計(jì)

3.1 模糊綜合評(píng)判

模糊評(píng)價(jià)理論的基本思想是利用模糊數(shù)學(xué)變化原理，將與評(píng)價(jià)對(duì)象有關(guān)的各個(gè)方面因素統(tǒng)一考慮在內(nèi)，形成一個(gè)對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象全方位的綜合性判斷。在文物展柜微環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)接收到各傳感器的數(shù)據(jù)信息后，因?yàn)楦鳝h(huán)境參數(shù)之間存在著較為密切的影響關(guān)系，例如，光照與溫、濕度數(shù)值之間存在著互相的影響，因此在制定微環(huán)境調(diào)控策略時(shí)需要對(duì)微環(huán)境中各種傳感器的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合研判。

模糊評(píng)價(jià)理論的基本方法是設(shè)置指標(biāo)集與評(píng)判集，其中設(shè)置U={u1，u2，u3…，un}文物展柜微環(huán)境下的n種調(diào)控指標(biāo)，稱之為微環(huán)境調(diào)控目標(biāo)指標(biāo)集。V={v1，v2，v3…，vm}是為U中諸指標(biāo)制定的m種評(píng)判集。需要注意的是，兩類集合中的名稱與具體的元素?cái)?shù)量是通過人為判斷進(jìn)行命名與設(shè)置。因?yàn)樵趯?shí)際使用中無法做到對(duì)指標(biāo)集V進(jìn)行完全與完整的指標(biāo)設(shè)置，帶有一定的模糊性，故在本系統(tǒng)設(shè)置該評(píng)價(jià)集時(shí)采用的是V上的一個(gè)模糊子集V’={v’1，v’2，…，v’m}∈F(V)。

3.2 模型建立

將模糊綜合評(píng)價(jià)原理運(yùn)用到文物展柜微環(huán)境狀態(tài)識(shí)別與調(diào)控的過程即利用多個(gè)傳感器的測量數(shù)據(jù)內(nèi)容對(duì)模糊對(duì)象進(jìn)行模糊評(píng)定得出對(duì)應(yīng)的模糊矩陣，然后根據(jù)各個(gè)評(píng)定因素的權(quán)重進(jìn)行綜合，以得到初步的融合結(jié)果，針對(duì)該微環(huán)境調(diào)控的狀態(tài)辨別模型設(shè)計(jì)步驟如下：

(1)確定指標(biāo)集并建立評(píng)判表。

(2)構(gòu)建評(píng)判矩陣。

(3)確定權(quán)重向量。本系統(tǒng)所涉及的主要影響展柜內(nèi)微環(huán)境穩(wěn)定性的環(huán)境參數(shù)傳感器對(duì)應(yīng)的指標(biāo)權(quán)值確定，所依據(jù)的是國家制定的相應(yīng)的文物保護(hù)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。

(4)生成合成算子。將制定微環(huán)境傳感器權(quán)重向量與決策矩陣的合成結(jié)果作為評(píng)語集上的模糊子集，并生成對(duì)應(yīng)的合成算子。

4 DS證據(jù)理論在微環(huán)境多傳感器數(shù)據(jù)決策級(jí)數(shù)據(jù)融合的算法設(shè)計(jì)

當(dāng)前微環(huán)境下的環(huán)境數(shù)據(jù)感知的研究在多參數(shù)監(jiān)測與數(shù)據(jù)融合方面還有較大的短板。重要的原因是這些環(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在較強(qiáng)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(zhǔn)確地體現(xiàn)微環(huán)境的真實(shí)情況。因此對(duì)環(huán)境感知數(shù)據(jù)誤差的補(bǔ)償修正直接影響到整個(gè)微環(huán)境穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)，本項(xiàng)目針對(duì)文物展柜微環(huán)境監(jiān)測平臺(tái)得到多源性環(huán)境感知數(shù)據(jù)，對(duì)其存在的交叉敏感誤差與實(shí)際監(jiān)測過程中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)誤差的檢測與修正主要涉及兩個(gè)方面內(nèi)容：首先是展柜內(nèi)微環(huán)境調(diào)控目標(biāo)值的合理確定；其次是在目標(biāo)值確定的基礎(chǔ)上對(duì)微環(huán)境調(diào)控精度的保證。對(duì)于前者本課題的解決思路是擬采用DS證據(jù)理論對(duì)文物展柜中所涉及的各種傳感器數(shù)值信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，通過理論計(jì)算以期達(dá)到制定相對(duì)最優(yōu)的環(huán)境調(diào)控目標(biāo)的目的；而對(duì)于后者則是通過運(yùn)用控制理論中的不變性原理設(shè)計(jì)多參數(shù)下的耦合調(diào)控算法模型。

4.1 文物展柜微環(huán)境狀態(tài)下多傳感器信息融合對(duì)精確度調(diào)控目標(biāo)的影響因素分析

對(duì)于文物展柜內(nèi)微環(huán)境中的溫、濕度調(diào)控效果而言，主要的影響因素在于供氣設(shè)備與展柜并不處于同一位置，必然存在兩位置之間的溫、濕度值的差異。同時(shí)，由于距離的關(guān)系傳送氣體的管道在進(jìn)行氣體輸送時(shí)也會(huì)產(chǎn)生不可避免的損耗與誤差。

微環(huán)境調(diào)控設(shè)備可以采用單機(jī)服務(wù)模式與多機(jī)聯(lián)網(wǎng)服務(wù)模式，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與無線通信技術(shù)的不斷深入應(yīng)用，展柜微環(huán)境調(diào)控日益向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，進(jìn)而由一組調(diào)控設(shè)備通過管道線路連接多臺(tái)文物展柜進(jìn)行統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)化氣體供應(yīng)與調(diào)節(jié)的綜合性微環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)是當(dāng)前文保研究與制造的重點(diǎn)研究方向。進(jìn)行微環(huán)境溫、濕度調(diào)節(jié)過程中，系統(tǒng)不僅需要對(duì)被調(diào)節(jié)展柜的微環(huán)境溫、濕度數(shù)值與調(diào)控設(shè)備氣體輸出端口的溫、濕度數(shù)值進(jìn)行采集，還需要考慮到調(diào)控設(shè)備出口測量的氣體濕度值與調(diào)控對(duì)象文物展柜內(nèi)實(shí)際氣體相對(duì)濕度值的不一致性，會(huì)產(chǎn)生調(diào)控的偏差。例如，某書籍文物展柜要求保持的微環(huán)境最佳溫度為20℃，濕度值為55%，此為調(diào)控目標(biāo)。調(diào)控設(shè)備所在機(jī)房的溫度值為25℃，如果僅是在設(shè)備氣體出口處測量的濕度值為55%，當(dāng)氣體通過管道到達(dá)展柜后。隨著展柜內(nèi)溫度值的下降，根據(jù)相關(guān)公式可以推算出，氣體的飽和含水量會(huì)隨著溫度降低而降低，最終導(dǎo)致展柜內(nèi)的相對(duì)濕度上升，會(huì)超過55%的預(yù)期目標(biāo)值，造成展柜內(nèi)微環(huán)境調(diào)控出現(xiàn)偏差。

同時(shí)，由于在實(shí)際應(yīng)用過程當(dāng)中，設(shè)備機(jī)房與展廳展柜之間有一定的距離限制，導(dǎo)致氣體在管道中的傳輸會(huì)有一定程度的數(shù)量損耗，最終進(jìn)入展柜內(nèi)的氣體總量會(huì)小于設(shè)備出氣口的氣體輸出量，這也會(huì)對(duì)最終的展柜微環(huán)境調(diào)控結(jié)果產(chǎn)生影響，無法實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié)。

本研究的出發(fā)點(diǎn)是通過設(shè)計(jì)基于文物展柜微環(huán)境控制的多傳感器融合算法，運(yùn)用DS證據(jù)理論，通過對(duì)文物展柜內(nèi)置溫濕度傳感器獲得的數(shù)據(jù)信息、展柜所在環(huán)境中溫濕度傳感器獲得的溫濕度數(shù)據(jù)信息以及供氣裝置所在設(shè)備間出氣口的溫濕度數(shù)據(jù)信息進(jìn)行信息融合，即可以對(duì)文物展柜微環(huán)境中溫濕度測控的目標(biāo)值計(jì)算出相應(yīng)的調(diào)控方向，并對(duì)調(diào)控效果進(jìn)行優(yōu)化。

4.2 系統(tǒng)功能模型設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的功能模型在設(shè)計(jì)上采用三級(jí)融合模式設(shè)置，分別為數(shù)據(jù)級(jí)融合、特征級(jí)融合以及決策級(jí)融合。該模型將各場所內(nèi)溫濕度傳感器獲得的實(shí)際數(shù)據(jù)信息與展柜目標(biāo)溫濕度信息作為模型的初始數(shù)據(jù)，第一層是對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行初級(jí)的數(shù)據(jù)級(jí)融合，該層融合的主要任務(wù)是完成偏差值的計(jì)算，包括當(dāng)前文物展柜內(nèi)部空氣溫濕度值與目標(biāo)溫濕度值之間的偏差值以及設(shè)備間內(nèi)出氣口相對(duì)濕度與展柜目標(biāo)溫濕度值之間的偏差值。第二層是對(duì)數(shù)據(jù)級(jí)融合中出現(xiàn)的偏差實(shí)施特征提取，進(jìn)行特征級(jí)融合。第三層是決策融合，通過運(yùn)用DS證據(jù)理論實(shí)現(xiàn)特征信息融合，并最終得到優(yōu)化的調(diào)整方案結(jié)果。

4.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用倒置式結(jié)構(gòu)，首先，通過展廳文物展柜內(nèi)目標(biāo)溫度值T1計(jì)算出展柜內(nèi)氣體在該溫度下的飽和含水量數(shù)值X1(T1條件下極限水蒸氣含量值)，再通過對(duì)展柜內(nèi)的目標(biāo)相對(duì)濕度值Y1計(jì)算出達(dá)到該相對(duì)濕度時(shí)的目標(biāo)絕對(duì)濕度值Z(既理想狀態(tài)下單位體積展柜內(nèi)氣體中所含的水蒸氣含量值)。其次，利用氣體提供裝置在設(shè)備間內(nèi)溫度值T2，計(jì)算出在該溫度值下供氣裝置出氣口處所提供氣體的飽和含水量數(shù)值X2(T2條件下極限水蒸氣含量值)，最后，通過展柜內(nèi)的目標(biāo)絕對(duì)濕度值Z與X2的比值計(jì)算得到供氣裝置出氣口處所提供氣體的理論調(diào)控目標(biāo)相對(duì)濕度Y2。將得到的展柜內(nèi)的目標(biāo)相對(duì)濕度值Y1、設(shè)備間理論調(diào)控目標(biāo)相對(duì)濕度Y2以及當(dāng)前溫度下展柜內(nèi)的實(shí)際相對(duì)濕度Y3進(jìn)行判斷比較。如果存在相應(yīng)的偏差，如果存在偏差則計(jì)算出該偏差值，作為下一級(jí)融合對(duì)象，以完成最后的數(shù)據(jù)修正。

5 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

針對(duì)影響文物展柜的微環(huán)境穩(wěn)定性的主要環(huán)境參數(shù)：展柜內(nèi)的溫度、濕度、氣體(尤其是有害氣體)、光照、紫外線強(qiáng)度、有害生物等，本研究課題擬開發(fā)設(shè)計(jì)一種多參數(shù)的展柜微環(huán)境測控系統(tǒng)，在監(jiān)測文物展柜微環(huán)境各項(xiàng)參數(shù)的同時(shí)對(duì)展柜內(nèi)進(jìn)行微環(huán)境調(diào)控，達(dá)到文物預(yù)防性保護(hù)的最佳效果，該系統(tǒng)綜合物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)展柜微環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測、采集、傳輸與參數(shù)調(diào)控，并通過C/S結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模式將數(shù)據(jù)信息送達(dá)后臺(tái)服務(wù)器端，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的集中式管理。

5.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

綜合而言，該系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)方面需要完成監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)集成端與微環(huán)境控制端兩個(gè)主要組成部分。其中的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)集成端負(fù)責(zé)完成展柜內(nèi)多個(gè)傳感器信號(hào)的采集與預(yù)處理，并完成對(duì)后臺(tái)服務(wù)器端環(huán)境信息的上傳與相關(guān)環(huán)境調(diào)整裝置控制指令的下達(dá)；微環(huán)境控制端的主要功能是通過接收服務(wù)器的下達(dá)的操控指令，實(shí)現(xiàn)外界空氣進(jìn)量閥門的精確控制。

5.2 總體軟件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)主要的軟件設(shè)計(jì)包含三個(gè)主要組成部分：監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)集成端軟件設(shè)計(jì)、微環(huán)境控制端模塊軟件設(shè)計(jì)與后臺(tái)服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)。

監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)集成端軟件設(shè)計(jì)主要包含了傳感器采集程序設(shè)計(jì)、人機(jī)界面交互設(shè)計(jì)、通信功能模塊設(shè)計(jì)、與微環(huán)境控制端模塊數(shù)據(jù)通信模塊設(shè)計(jì)。微環(huán)境控制端模塊軟件設(shè)計(jì)主要包括與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)集成端數(shù)據(jù)通信模塊設(shè)計(jì)、閥門開合控制模塊設(shè)計(jì)及開合度檢測功能設(shè)計(jì)。后臺(tái)服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)主要包括人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)、通信功能模塊設(shè)計(jì)與溫濕度控制功能模塊設(shè)計(jì)。