王 萌

（北京中軸線遺產(chǎn)保護(hù)中心（北京世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測中心），北京 100051）

0 引 言

德勝門箭樓是明清北京內(nèi)城九門中僅存的兩座箭樓之一，在歷史上素有軍門之稱，是京師通往塞北的重要門戶。在歲月流轉(zhuǎn)中，德勝門箭樓文物建筑不可避免地出現(xiàn)沉降、裂縫、傾斜、位移、變形等問題。在以往的保護(hù)程序中，保護(hù)人員往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或人工測量數(shù)據(jù)來判斷是否進(jìn)行干預(yù)。在科技高度發(fā)達(dá)的今天，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以提供實(shí)時(shí)量化的數(shù)據(jù)依據(jù)并自動(dòng)預(yù)警，幫助遺產(chǎn)保護(hù)人員進(jìn)行科學(xué)的判斷。

在國內(nèi)一些文化遺址中做了一些將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于文物保護(hù)方面的嘗試。敦煌莫高窟的文物遺址現(xiàn)場安裝了環(huán)境監(jiān)測采集器，用以采集溫度、濕度、二氧化碳等微氣象數(shù)據(jù)，建立了文物遺址環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)。故宮博物院建立了智能文物環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，主要用于采集文物展室環(huán)境情況，實(shí)時(shí)監(jiān)測展室中的溫度、濕度、光照度等各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)[1]。以精密變形測量、光纖光柵在線監(jiān)測輔以巡視檢查為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測體系在六和塔成功實(shí)踐[2]。秦始皇帝陵博物院將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入文物保存環(huán)境的常規(guī)實(shí)時(shí)監(jiān)測[3]。這些案例中的監(jiān)測目標(biāo)較單一，且傳感器的布設(shè)多為有線數(shù)據(jù)傳輸方式，布線復(fù)雜。

在北京德勝門箭樓文物建筑監(jiān)測中引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使用前端傳感器與數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)組成無線感知網(wǎng)絡(luò)對(duì)德勝門箭樓建筑群周邊振動(dòng)影響、周邊環(huán)境變化、承重柱傾斜、構(gòu)件相對(duì)位移、裂縫變化、結(jié)構(gòu)變形等進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測。感知網(wǎng)絡(luò)采用無線自組網(wǎng)方式可以最大限度地避免管線安裝對(duì)古建筑的破壞。云服務(wù)中心集中處理數(shù)據(jù)的模式可以使遺產(chǎn)保護(hù)人員通過終端電腦或手機(jī)實(shí)時(shí)掌握德勝門箭樓文物建筑群的結(jié)構(gòu)安全數(shù)據(jù)，查詢、分析建筑群結(jié)構(gòu)安全和發(fā)展趨勢。

1 德勝門箭樓文物建筑群結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測系統(tǒng)體系架構(gòu)

在北京德勝門箭樓文物建筑監(jiān)測中引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建德勝門箭樓文物建筑群結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測系統(tǒng)，主要包含古建筑本體監(jiān)測、周邊環(huán)境監(jiān)測。德勝門箭樓文物建筑群結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層、用戶層。

感知層：負(fù)責(zé)德勝門箭樓文物建筑狀態(tài)信息及周邊環(huán)境信息數(shù)據(jù)采集及感知，主要采用前端感知傳感器，包含傾斜、位移、應(yīng)力應(yīng)變、裂縫、振動(dòng)等監(jiān)測傳感器[4]。傳感器節(jié)點(diǎn)不僅具有數(shù)據(jù)采集能力，而且具有無線通信能力。

網(wǎng)絡(luò)層：通過無線感知網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)將感知層采集到的傾斜、位移、應(yīng)力應(yīng)變、裂縫、振動(dòng)等數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤地傳送到系統(tǒng)后臺(tái)。

應(yīng)用層：在云服務(wù)中心上，系統(tǒng)平臺(tái)的功能模塊對(duì)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層傳輸過來的感知層數(shù)據(jù)進(jìn)行多維關(guān)聯(lián)分析、處理，探索影響因素的變化對(duì)德勝門箭樓建筑的作用，構(gòu)建德勝門箭樓建筑生存模型，為德勝門箭樓建筑預(yù)防性保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

用戶層：用戶通過終端設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測，實(shí)時(shí)判定出德勝門箭樓建筑現(xiàn)狀的健康程度，能及時(shí)、自動(dòng)地進(jìn)行報(bào)警，防止病害的發(fā)生。

2 德勝門箭樓監(jiān)測中物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

德勝門箭樓文物建筑群結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測、實(shí)時(shí)交互、多重分級(jí)預(yù)警、系統(tǒng)配置、系統(tǒng)管理、預(yù)警管理、維護(hù)管理等功能，主要由無線感知網(wǎng)絡(luò)體系和云服務(wù)中心構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 德勝門箭樓文物建筑群結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

2.1 無線感知網(wǎng)絡(luò)

無線感知網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)德勝門箭樓建筑群前期勘察結(jié)果并結(jié)合周邊環(huán)境影響進(jìn)行設(shè)計(jì)的。前端傳感器采集周邊振動(dòng)影響、周邊環(huán)境變化、承重柱傾斜、構(gòu)件相對(duì)位移、裂縫變化、結(jié)構(gòu)變形等，并與數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)組成無線感知網(wǎng)絡(luò)，對(duì)德勝門箭樓建筑群周邊振動(dòng)影響、周邊環(huán)境變化、承重柱傾斜、構(gòu)件相對(duì)位移、裂縫變化、結(jié)構(gòu)變形等進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測。

無線感知網(wǎng)絡(luò)通過先進(jìn)的傳感技術(shù)實(shí)時(shí)、自動(dòng)監(jiān)測結(jié)構(gòu)本體響應(yīng)及相關(guān)環(huán)境因素。結(jié)構(gòu)本身具有自傳感、自監(jiān)測的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)的智能監(jiān)測，可實(shí)現(xiàn)提前探測結(jié)構(gòu)本體殘損的發(fā)展或新殘損的產(chǎn)生[5]。無線感知網(wǎng)絡(luò)由前端傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)組成。

2.1.1 前端傳感器系統(tǒng)

傳感網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了物物信息的感知、采集，并通過以無線、寬帶為特征的傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物的聯(lián)通和交互，同時(shí)疊加原有的通信網(wǎng)構(gòu)成了整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)體系[6-8]。

前端傳感器系統(tǒng)對(duì)德勝門箭樓文物建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)體外部變化監(jiān)測、傾斜監(jiān)測、相對(duì)位移監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、裂縫變化監(jiān)測、周邊振動(dòng)影響監(jiān)測、周邊環(huán)境監(jiān)測，采集文物建筑的物理量變。

（1）結(jié)構(gòu)體外部變化監(jiān)測

建筑物外部變化監(jiān)測，主要針對(duì)建筑物的整體基礎(chǔ)沉降、整體結(jié)構(gòu)水平位移，使用全自動(dòng)測量機(jī)器人加小棱鏡進(jìn)行監(jiān)測。采用全站儀坐標(biāo)法，在德勝門城墻東、西兩個(gè)方向建設(shè)測量基準(zhǔn)墩，在基準(zhǔn)墩上安裝全自動(dòng)測量機(jī)器人，在德勝門箭樓文物建筑的各層各邊檐上安裝觀測小棱鏡，全自動(dòng)測量機(jī)器人定時(shí)、自動(dòng)采集各小棱鏡坐標(biāo)，通過對(duì)比棱鏡各時(shí)刻坐標(biāo)數(shù)據(jù)，分析建筑物基礎(chǔ)沉降、整體水平位移變化情況。

（2）傾斜監(jiān)測

在各建筑物承重柱或墻體安裝傾斜傳感器，實(shí)時(shí)、自動(dòng)采集傾斜變化情況，系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)對(duì)比、處理、判斷建筑物整體傾斜情況。

（3）相對(duì)位移監(jiān)測

構(gòu)件間的連系對(duì)結(jié)構(gòu)整體性起著至關(guān)重要的作用，若節(jié)點(diǎn)間連系失效會(huì)造成結(jié)構(gòu)整體或局部變形、傾斜、失穩(wěn)等殘損現(xiàn)象。在各建筑物中主要的或是已破壞卯榫、梁柱連接處安裝位移傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測各連接處構(gòu)件相對(duì)位移變化情況，判斷連接處安全狀態(tài)。

（4）應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測

在各建筑主梁、柱上布設(shè)應(yīng)力應(yīng)變傳感器，實(shí)時(shí)、自動(dòng)采集各梁、柱受力數(shù)據(jù)，通過分析受力變化情況，并結(jié)合同時(shí)刻建筑沉降、傾斜等監(jiān)測數(shù)據(jù)，判斷建筑物結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，并預(yù)判發(fā)展趨勢。

（5）裂縫變化監(jiān)測

德勝門箭樓建筑群木結(jié)構(gòu)建筑及部分砌體建筑上已存在明顯裂縫殘損狀況，在有代表性裂縫處安裝裂縫傳感器，實(shí)時(shí)、自動(dòng)采集裂縫數(shù)據(jù)，了解其現(xiàn)狀，掌握其發(fā)展規(guī)律。

（6）周邊振動(dòng)影響監(jiān)測

德勝門箭樓文物建筑群地處交通要道，路網(wǎng)復(fù)雜，距離地鐵二號(hào)線和二環(huán)線僅100 m，箭樓南側(cè)和北側(cè)均設(shè)立公交站，四周被公路包圍，車流量較大，車輛通行產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)德勝門箭樓建筑群結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響需要實(shí)時(shí)監(jiān)測。在各建筑單體承重梁上安裝振動(dòng)傳感器，實(shí)時(shí)、自動(dòng)采集振動(dòng)數(shù)據(jù)，分析周邊工業(yè)振動(dòng)對(duì)建筑群各單體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

（7）周邊環(huán)境監(jiān)測

建筑周邊自然環(huán)境如降雨量、溫濕度、風(fēng)速等也是影響建筑結(jié)構(gòu)安全的重要因素。在建筑物周邊安裝溫濕度計(jì)、雨量計(jì)、風(fēng)速采集系統(tǒng)一套，實(shí)時(shí)采集建筑周邊自然環(huán)境數(shù)據(jù)，結(jié)合其他傳感器數(shù)據(jù)，分析周邊自然環(huán)境對(duì)建筑結(jié)構(gòu)安全的影響。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)

系統(tǒng)前端傳感器通過無線傳輸方式將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)通過公用通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到云服務(wù)中心。

數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)是用于收集、處理和轉(zhuǎn)發(fā)傳感器數(shù)據(jù)的工業(yè)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)[9-10]。采用高性價(jià)比、低功耗的核心處理器，集成了LoRa 無線通信模塊及GPRS 模塊，通過LoRa 無線自組網(wǎng)絡(luò)接收傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)中心。通過LoRa 收發(fā)模塊與前端傳感器組成無線自組網(wǎng)絡(luò)，可以接收800 m 范圍內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)，具有低成本、低功耗、高性能的優(yōu)良特性，適合于惡劣環(huán)境下長期使用，尤其適用于監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜、布線困難的場合。

2.2 云服務(wù)中心

云服務(wù)中心在云端接收數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)傳送的數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析處理，作為終端用戶的遺產(chǎn)保護(hù)人員通過終端設(shè)備連接到云服務(wù)中心進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。云服務(wù)中心由數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、分析與預(yù)警系統(tǒng)組成。

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成，對(duì)監(jiān)測信息和原始信息進(jìn)行統(tǒng)一管理、處理、分析、查詢和顯示等。

在德勝門箭樓建筑模型基礎(chǔ)上，分析與預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測信息的識(shí)別，自動(dòng)結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)、輸出安全評(píng)定得分，得出結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)等級(jí)，判別健康狀態(tài)。分析與預(yù)警系統(tǒng)采取分級(jí)預(yù)警的方式，及時(shí)發(fā)出分級(jí)預(yù)警信號(hào)，具有多地點(diǎn)、多事件的并發(fā)預(yù)警功能，能夠?qū)ΡO(jiān)測對(duì)象的故障預(yù)警信息進(jìn)行集中監(jiān)測和管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)警數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和集中監(jiān)測，準(zhǔn)確定位故障。

3 結(jié) 語

德勝門箭樓文物建筑群結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)掌握德勝門箭樓文物建筑群的結(jié)構(gòu)安全數(shù)據(jù)，可實(shí)時(shí)查詢、分析建筑群結(jié)構(gòu)安全和發(fā)展趨勢；構(gòu)建德勝門箭樓文物建筑模型，揭示建筑的結(jié)構(gòu)安全影響因素對(duì)德勝門箭樓文物建筑的作用機(jī)理，實(shí)現(xiàn)德勝門箭樓文物建筑危險(xiǎn)估計(jì)，最大限度地提高德勝門箭樓文物建筑群的保護(hù)水平。未來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域有很大的應(yīng)用空間，值得人們不斷地探索。