基于離散程度的博物館館藏環(huán)境溫濕度中長期評估方法

馮萍莉，雷　淑

(四川博物院文物保護修復中心，四川成都　610071)

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基于離散程度的博物館館藏環(huán)境溫濕度中長期評估方法

馮萍莉，雷淑

(四川博物院文物保護修復中心，四川成都610071)

摘要：溫濕度是評估博物館館藏環(huán)境的重要指標。在越來越多的博物館對溫濕度進行監(jiān)測記錄的情況下，需要基于“穩(wěn)定適宜”的準則，探索一種科學的評估方法，為館藏環(huán)境溫濕度的調(diào)控治理提供依據(jù)。該方法以中長期的博物館監(jiān)控數(shù)據(jù)為基礎，通過計算溫濕度監(jiān)控數(shù)據(jù)的離散度和離散系數(shù)，并結(jié)合箱線圖分析數(shù)據(jù)的分布情況，對其“穩(wěn)定適宜”程度進行綜合量化評估。結(jié)合四川博物院2014年的溫濕度監(jiān)控數(shù)據(jù)的實例，驗證了該方法的有效性。研究結(jié)果表明，采用基于離散程度的中長期溫濕度數(shù)據(jù)評估方法，能夠為下一步的館藏環(huán)境調(diào)控治理提供依據(jù)，有助于針對性的改善博物館文物保存環(huán)境。

關(guān)鍵詞：博物館環(huán)境；溫度；相對濕度；評估方法；離散程度

0　引　言

溫濕度是影響博物館館藏文物保存環(huán)境的重要因素。準確地評估溫濕度的“穩(wěn)定適宜”程度[1]，是評價館藏文物保存環(huán)境的重要指標。劇烈波動和不適宜的溫濕度極易引發(fā)生物病害、加快文物材質(zhì)發(fā)生化學腐蝕的速率或?qū)е聶C械損傷。因此，對館藏文物保存環(huán)境的溫濕度進行監(jiān)控成為了當務之急。只有對環(huán)境數(shù)據(jù)進行監(jiān)測、記錄和分析之后，才能有的放矢地對之進行調(diào)控和改善。

溫濕度數(shù)據(jù)的持續(xù)監(jiān)測會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。簡單的算術(shù)平均數(shù)雖能代表某時期內(nèi)數(shù)據(jù)的集中趨勢，但無法說明這段時間內(nèi)數(shù)據(jù)的波動情況；在沒有考慮數(shù)據(jù)分布的情況下，溫濕度最大值和最小值的極差無法說明該時段的溫濕度穩(wěn)定性；若是使用每日溫濕度平均值差值絕對值的平均值進行計算，日平均值的計算掩蓋了可能存在的短期周期性變動，由于差值的絕對值無法說明溫濕度波動方向的不同，其計算結(jié)果無法反映溫濕度中長期的整體波動情況。為此，采用離散度——亦即監(jiān)測數(shù)據(jù)與目標值的差異程度，來綜合評估溫濕度的“穩(wěn)定適宜”指標，通過箱線圖直觀地表現(xiàn)溫濕度的分布和季節(jié)性波動情況，并使用離散系數(shù)反映溫、濕度的波動大小。

1　評估方法概述

1.1評估準則

使用基于“穩(wěn)定適宜”的準則對館藏環(huán)境溫濕度進行量化評估，需在評估之前明確溫濕度的目標值。在實際工作中，同一空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)控范圍內(nèi)通常存放有不同材質(zhì)的文物，因此館藏環(huán)境溫濕度的目標值多為一個妥協(xié)值，需將參考的各種博物館環(huán)境標準與博物館文物、設施和外界環(huán)境等現(xiàn)狀結(jié)合考慮后確定。

1.2評估方法

博物館保存環(huán)境溫濕度的波動受到多種人為和自然因素的綜合影響。根據(jù)引起溫濕度波動的來源，可分為人為擾動、空調(diào)系統(tǒng)的干預和所在地的氣候影響三類；根據(jù)其波動的表現(xiàn)形式，可分為短時周期性波動、季節(jié)性波動和長期趨勢三種。短時周期性波動在博物館保存環(huán)境中，多是由每天人為開關(guān)空調(diào)系統(tǒng)造成的日波動；季節(jié)性波動是受到所在地氣候影響的結(jié)果；而長期趨勢一般指最少以年為時間跨度，溫濕度數(shù)據(jù)的集中趨勢和波動情況。長期趨勢、季節(jié)性波動和日波動是三個不同的指標，在評估時必須分別對待。博物館館藏環(huán)境溫濕度的中長期檢測數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)量大、波動情況復雜的特點。傳統(tǒng)的繪圖法雖能直觀地表現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的整體趨勢和波動，但無法用于比較不同監(jiān)測位置的溫濕度數(shù)據(jù)的“穩(wěn)定適宜”程度。采用基于監(jiān)測數(shù)據(jù)離散程度的溫濕度評估方法，能夠把溫濕度數(shù)據(jù)的“穩(wěn)定適宜”程度數(shù)量化，采用離散度這一指標綜合反映溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)的“穩(wěn)定適宜”程度和長期趨勢，并能通過離散系數(shù)和箱線圖分析評估溫濕度的波動情況。

1.2.1“穩(wěn)定適宜”程度的綜合評估溫濕度的“穩(wěn)定適宜”程度，可以通過計算溫濕度數(shù)據(jù)相對于目標值的差異程度來進行評估。在統(tǒng)計學上，一組數(shù)據(jù)取值之間的差異程度被稱為離散程度，通常使用標準差進行計算[2]。

(1)

式(1)中，一組數(shù)據(jù)x1,x2…xN的個數(shù)為N、算術(shù)平均數(shù)為μ，則其標準差σ等于數(shù)據(jù)各取值與其平均數(shù)離差平方的算術(shù)平均數(shù)的平方根，反映的是此組數(shù)據(jù)相對于其平均值的離散程度。對于溫濕度數(shù)據(jù)而言，其“穩(wěn)定適宜”程度并非是數(shù)據(jù)相對于其算術(shù)平均數(shù)的離散程度，而是相對于溫濕度目標值的離散程度。

如圖1所示，將監(jiān)控數(shù)據(jù)每一測量點考慮為以溫度T為橫坐標、相對濕度H為縱坐標的坐標點，n為該時間跨度內(nèi)測量點的個數(shù)，則有(T1,H1),(T2,H2),…(Tn,Hn)。(T0,H0)為溫濕度的目標值。l1，l2，…，ln為數(shù)據(jù)與目標值的距離。監(jiān)測數(shù)據(jù)相對于目標值的離散程度代入式(1)，可得式(2)：

圖1　溫濕度二維坐標系示意Fig.1　The coordinate system of temperature and relative humidity

(2)

式中，

(li)2=(Ti-T0)2+(Hi-H0)2(i=1,2,…，n)

(3)

將式(3)代入式(2)可得式(4)：

(4)

離散度S為各測量點與目標值離差平方的算術(shù)平均數(shù)的平方根，是各測量點與目標值距離的平方和的平均數(shù)的平方根，代表的是該時段內(nèi)測量點相對于目標值的離散程度，亦即所選時段內(nèi)溫濕度基于目標值的差異程度。離散度的大小反映了溫濕度的“穩(wěn)定適宜”程度：在目標值一定的情況下，離散度越小，說明溫濕度的總體情況越適宜穩(wěn)定；反之，則溫濕度數(shù)據(jù)的集中趨勢越遠離目標值、其波動越大，越不適宜。

1.2.2溫度和相對濕度的穩(wěn)定性評估由式(1)可知，溫度的離散度ST和相對濕度的離散度SH如下所示：

(5)

(6)

由于溫度的離散度ST和相對濕度的離散度SH的度量單位和目標值不同，不能直接使用離散度進行比較。為進一步分析該時段內(nèi)溫度和相對濕度各自的波動情況，消除監(jiān)測數(shù)據(jù)取值水平高低和計量單位不同對離散程度的影響，需采用“離散系數(shù)”cv來比較其波動的大小[2]。溫度的離散系數(shù)cvT如式(7)所示，相對濕度的離散系數(shù)cvH如式(8)所示。

(7)

(8)

“離散系數(shù)”cv是一組溫度或濕度數(shù)據(jù)的離散度與目標值的比值，代表的是單位目標值上的離散程度，是測度數(shù)據(jù)離散程度的相對指標。離散系數(shù)越大，則波動越大；離散系數(shù)越小則越穩(wěn)定。

1.2.3基于箱線圖的溫濕度波動趨勢評估為了直觀地表現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的季節(jié)性波動和長期趨勢，使用箱線圖來表現(xiàn)一組溫濕度數(shù)據(jù)的集中趨勢和分布特征，并對多組數(shù)據(jù)的分布情況進行對比。如圖2所示，箱線圖能夠反映數(shù)據(jù)的中位數(shù)(50%位置上的值)、兩個四分位數(shù)(25%和75%位置上的值)、離群值(大于1.5倍四分位差的值)，以及除離群值外的最大值和最小值[2]。箱線圖有助于直觀地了解溫濕度數(shù)據(jù)的大致分布情況，適用于對中長期的數(shù)據(jù)進行初步的對比分析：若理想的溫度或濕度處于中位數(shù)附近，則箱子較短的數(shù)據(jù)，離散程度較低、穩(wěn)定性較高；箱子較長的數(shù)據(jù)，離散程度高、溫濕度的波動更大。

圖2　箱線圖示意圖Fig.2　Diagram of boxplot

2　評估示例

本次評估以四川博物院展廳和庫房的溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)為例。

2.1監(jiān)測儀器及方法

使用TESTO 175H1型溫濕度記錄儀進行溫濕度數(shù)據(jù)的監(jiān)測和記錄。儀器的溫度測量范圍：-20～55℃(精度±0.4℃)，相對濕度的測量范圍：0～100%RH(精度±2%RH)，數(shù)據(jù)存儲量為一百萬組。監(jiān)測時，設置測量間隔為15min；監(jiān)測時間：2014年1月至12月。

2.2監(jiān)測位置

選擇四川博物院的7個展廳和5個文物庫房，分別放置共計12個溫濕度自動記錄儀。四川博物院的館舍為全框架現(xiàn)代建筑，采用了中央空調(diào)和恒溫恒濕空調(diào)兩種裝置：除張大千展廳和書畫庫房由一臺恒溫恒濕空調(diào)調(diào)控外，其余展廳和庫房均由一臺中央空調(diào)調(diào)控?？照{(diào)系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉由人為控制，通常僅在開館期間運行。各監(jiān)測位置的基本情況如表1所示。

2.3館藏環(huán)境溫濕度評估

2.3.1溫濕度目標值基于“穩(wěn)定適宜”的準則，綜合參考加拿大文物保護研究所(CCI)的環(huán)境溫濕度標準[3]、ASHRAE手冊[4]，以及IIC和ICOM-CC聯(lián)合發(fā)表的環(huán)境標準[5]，結(jié)合四川博物院所在地的氣候和空調(diào)系統(tǒng)的使用現(xiàn)狀，采用溫度(20±5)℃和相對濕度(50±5)%RH為本次館藏環(huán)境溫濕度中長期的目標值進行評估。根據(jù)1.2.1所述方法，可認為當所有測量點的數(shù)據(jù)都落入以(20，50)為圓心、(25，55)與圓心的距離為半徑的圓內(nèi)時，溫濕度處于適宜穩(wěn)定的狀態(tài)。由此可知，中長期數(shù)據(jù)的離散度小于7.07，則可視為溫濕度適宜穩(wěn)定。

表1　12個監(jiān)測點的基本情況

2.3.2溫濕度長期趨勢評估使用離差度和離散系數(shù)公式對各監(jiān)測點溫濕度數(shù)據(jù)進行計算，計算結(jié)果如圖3所示。所有監(jiān)測點的離散度都超過了目標值7.07，說明各監(jiān)測點的溫濕度情況均未達標。將各監(jiān)測點基于目標值的離散度按從小到大的順序排列，依次為：A

當離散度相近時，應將離散度、離散系數(shù)和箱線圖與文物材質(zhì)相結(jié)合考慮，比較評估環(huán)境溫濕度對文物的影響。例如，B監(jiān)測點和F監(jiān)測點的離散度、溫度和相對濕度的離散系數(shù)的數(shù)值均十分相近。B監(jiān)測點位于工藝美術(shù)展廳，陳列有大量有機質(zhì)文物，包括紡織品和皮革等；F監(jiān)測點位于陶瓷展廳，廳內(nèi)陳列的文物大部分為瓷器、陶器較少。考慮到B監(jiān)測點的大量有機質(zhì)文物更易受到不適宜溫濕度的損害，在資源有限的情況下，二者中應優(yōu)先治理B監(jiān)測點的溫濕度。

圖3　各監(jiān)測點的溫濕度離散度和離散系數(shù)Fig.3　Dispersion Index and Coefficient of Variation of different monitoring site

各監(jiān)測點1月至12月的溫度箱線圖和濕度箱線圖，如圖4和圖5所示。圖4和圖5中的藍色虛線表示溫度和相對濕度的目標值。由圖4可以看出，A、K兩個監(jiān)測點的溫度數(shù)據(jù)靠近目標值且波動較小，但有離群點存在。經(jīng)過進一步調(diào)查得知，離群點是由恒溫恒濕空調(diào)的關(guān)閉所致。除使用恒溫恒濕空調(diào)的A、K兩個監(jiān)測點外，其余監(jiān)測點的溫度水平均高于溫度的目標值，且波動也更大，其中波動最大的是F監(jiān)測點。就溫度的整體情況而言，展廳溫度的波動情況要大于庫房溫度的波動情況。

圖4　各監(jiān)測點2014年溫度箱線圖Fig.4　The boxplot of temperature at different monitoring site in 2014

圖5　各監(jiān)測點2014年相對濕度箱線圖Fig.5　The boxplot of related humidity at different monitoring site in 2014

由圖5可以看出除D監(jiān)測點外，其余監(jiān)測點的相對濕度整體水平都高于相對濕度的目標值50%RH。雖然D監(jiān)測點在目標值上下進行波動，但其波動幅度非常大，最大值與最小值之差達到了56.1%。所有監(jiān)測點中，使用恒溫恒濕空調(diào)的A、K兩個監(jiān)測點波動較小，但其整體水平遠高于目標值，其離群值是由恒溫恒濕空調(diào)的關(guān)閉所致。相對濕度波動最大的是J監(jiān)測點。庫房相對濕度的波動要略大于展廳。

結(jié)合箱線圖、離差度和離差系數(shù)的計算結(jié)果，評估館藏環(huán)境溫濕度的長期趨勢：

1) 12個監(jiān)測點的溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)均未達到溫度(20±5)℃和相對濕度(50±5)%RH的目標，其中展廳的溫濕度情況要略微優(yōu)于庫房，這主要是由于庫房相對濕度的水平遠高于目標值且波動較大造成的。若對庫房的相對濕度進行有效調(diào)控，將提高穩(wěn)定性，大幅降低離散度。

2) 所有監(jiān)測點相對濕度的離散系數(shù)都要高于溫度的離散系數(shù)，這說明相對濕度的波動更大、穩(wěn)定性更差。特別是在監(jiān)測點A、H、I、J、K、L，相對濕度的離散系數(shù)達到了溫度的2倍以上。

3) 在沒有去除離群值的情況下計算離散度，雖代表了2014年各監(jiān)測點溫濕度穩(wěn)定性的真實情況，卻也使得A和K兩個監(jiān)測點的離散度受離群值影響大幅增加。在這樣的情況下，A、K兩點的離差度仍小于絕大部分的監(jiān)測點，可以說明：在空調(diào)系統(tǒng)長期保持運行狀態(tài)、避免頻繁地人為開關(guān)的情況下，就長期而言恒溫恒濕空調(diào)要優(yōu)于普通中央空調(diào)。

2.3.3季節(jié)性波動的評估選擇從長期趨勢來看波動最小的監(jiān)測點A和最大的監(jiān)測點J進行對溫濕度的季節(jié)性波動進行示例評估。

圖6至圖9中的藍色虛線為溫濕度的目標值。綜合考慮箱線圖和圖10中A、J監(jiān)測點各月溫濕度離散度和離散系數(shù)的計算結(jié)果：

1) 雖然A監(jiān)測點的離散度總體情況優(yōu)于J監(jiān)測點，但在4月、5月、11月和12月A監(jiān)測點的離散度要略微高于J監(jiān)測點。比較兩個監(jiān)測點溫度和相對濕度的離散系數(shù)和箱線圖，可知A監(jiān)測點在4月和5月，相對濕度的集中趨勢更加遠離目標值、離散系數(shù)較大；在11月和12月時，A監(jiān)測點溫度的離散系數(shù)大于J監(jiān)測點。兩個監(jiān)測點最小的離散度均發(fā)生在冬季，其中A監(jiān)測點在11月、J監(jiān)測點在11月和12月的離散度均小于目標值7.07。此時段的離散度較之其他月份大幅下降，是受到了博物館所在地氣候的影響，冬季的相對濕度較低且波動較小造成的。

圖6　A監(jiān)測點1月至12月溫度箱線圖Fig.6　The boxplot of temperature at monitoring site A from January to December

圖7　A監(jiān)測點1月至12月相對濕度箱線圖Fig.7　The boxplot of related humidity at monitoring site A from January to December

圖8　J監(jiān)測點1月至12月溫度箱線圖Fig.8　The boxplot of temperature at monitoring site J from January to December

圖9　J監(jiān)測點1月至12月相對濕度箱線圖Fig.9　The boxplot of related humidity at monitoring site J from January to December

圖10　A、J監(jiān)測點每個月的溫濕度離散度和離散系數(shù)Fig.10　Dispersion index and coefficient of variation of monitoring site A and J from January to December

2) 從圖7和圖9能夠看出，兩個監(jiān)測點的相對濕度都明顯受到季節(jié)性因素的影響。在夏季成都的降水量較多、外界環(huán)境的相對濕度較大；冬季降水量少、相對濕度低?？照{(diào)系統(tǒng)對相對濕度的調(diào)控能力有限，導致館內(nèi)環(huán)境受到外界環(huán)境影響，造成夏季濕度高、冬季濕度低的季節(jié)性波動。

夏季時，空調(diào)系統(tǒng)的設定溫度遠低于外界環(huán)境溫度；冬季時，空調(diào)系統(tǒng)設定溫度高于外界環(huán)境溫度。由于空調(diào)系統(tǒng)僅在開館期間運行，閉館后館藏環(huán)境受到外界季節(jié)性的溫度變化的影響。這導致了圖6和圖8中大量離群點的存在。

3) 從各月的離散系數(shù)來看，兩個監(jiān)測點各月的相對濕度的離散系數(shù)均大于溫度的離散系數(shù)，且其離散度的趨勢與相對濕度離散系數(shù)的變化趨勢一致。這說明離散度受相對濕度的影響更大。兩種空調(diào)系統(tǒng)對高濕度的調(diào)控均未達到預期目標，需要增加其他輔助調(diào)濕手段。

3　結(jié)　論

溫濕度是博物館館藏環(huán)境的重要指標。針對“穩(wěn)定適宜”的要求，探索了一種科學的館藏環(huán)境溫濕度中長期監(jiān)控數(shù)據(jù)的評估方法。

1) 采用基于離散程度的中長期溫濕度數(shù)據(jù)評估方法，能夠把“穩(wěn)定適宜”程度作為一個指標綜合分析，量化評估溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)的“穩(wěn)定適宜”程度。

2) 對于館藏環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)的波動情況，使用離散系數(shù)把溫濕度的波動量化，并結(jié)合箱線圖來直觀地表現(xiàn)溫濕度的波動趨勢。

3) 通過溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)的示例評估可以看出，上述基于溫濕度監(jiān)控數(shù)據(jù)離散程度的評估方法是有效的。四川博物院的館藏環(huán)境就長期趨勢而言，均未達到溫度(20±5)℃和相對濕度(50±5)%RH的目標；展廳和庫房均受到季節(jié)性波動的影響，其中受相對濕度的影響較大；博物館使用的恒溫恒濕空調(diào)對溫濕度的調(diào)控能力要優(yōu)于普通中央空調(diào)，但二者均無法有效控制濕度的季節(jié)性波動，需要使用其他的輔助措施加強對濕度變化的控制。

4) 根據(jù)國家文物局“十二五”建設“全國館藏文物保存環(huán)境監(jiān)測平臺”的規(guī)劃，以及形成國家文物保存環(huán)境監(jiān)測中心、區(qū)域文物保存環(huán)境監(jiān)測中心、博物館文物保存環(huán)境監(jiān)測站三級系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)劃，全國各地的博物館環(huán)境監(jiān)測站正在緊鑼密鼓的建設中。采用基于離散程度的中長期溫濕度數(shù)據(jù)評估方法，能夠為下一步的館藏環(huán)境調(diào)控治理提供依據(jù)，有助于針對性的改善博物館文物保存環(huán)境。

參考文獻：

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[5] International Institute for Conservation of Historic and Artistic Works. Environmental Guidelines-IIC and ICOM-CC Declaration [EB/OL].Hong Kong: 2014-9-26. [2015-5-5]. https://www.iiconservation.org/node/5168.

(責任編輯馬江麗)

收稿日期：2015-05-29；修回日期：2015-10-19

作者簡介：馮萍莉(1984—)，女，四川博物院文物保護修復中心，四川大學文物與博物館專業(yè)，碩士研究生在讀，研究方向為館藏文物預防性保護，E-mail: 914443617@qq.com

文章編號：1005-1538(2016)02-0085-07

中圖分類號：G264

文獻標識碼：A

Evaluation of temperature and relative humidity in museum environments based on dispersion level of medium and long-term monitoring data

FENG Ping-li, LEI Shu

(Conservation and Restoration center of Culture Heritage, Sichuan Museum, Chengdu 610071, China)

Abstract:Temperature and relative humidity are both significant indicators of the museum environment. Based on the criterion of stability and appropriateness, a new approach to evaluate museum environment is presented. By calculating the dispersion level of monitoring data away from a set point and assessing its level of distribution, the environmental quality of temperature and relative humidity in a museum environment can be determined, in addition to the long-term trends and seasonal fluctuations. The monitoring data collected in the Sichuan Museum from 12 different galleries and storage areas in 2014 were used to evaluate the effectiveness of the model, which proved to be reasonable. The method provided data for control of museum environment and design specific preservation conditions for relics in the museum.

Key words:Museum environment; Temperature; Relative humidity; Evaluation; Dispersion level