利用K線圖分析館藏文物保存環(huán)境中溫濕度研究

馬江麗，徐方圓，全定可

(1. 上海博物館文物保護(hù)科技中心，上海 200231； 2. 館藏文物保存環(huán)境國家文物局重點(diǎn)科研基地(上海博物館)，上海 200231； 3. 西安元智系統(tǒng)技術(shù)有限責(zé)任公司，陜西西安 710077)

0 引 言

館藏文物預(yù)防性保護(hù)是研究應(yīng)用一切與博物館環(huán)境相關(guān)的科學(xué)技術(shù)與成果，對館藏文物保存環(huán)境進(jìn)行有效地監(jiān)測和控制，是當(dāng)今文物科學(xué)保護(hù)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢[1]。預(yù)防性保護(hù)的理念，重視對文物保存與陳列環(huán)境的溫度和濕度的控制。博物館的“穩(wěn)定”環(huán)境中溫度、相對濕度是最基本的監(jiān)測指標(biāo)[2-4]。其中，文物受濕度的影響尤為敏感，材質(zhì)不同的文物對濕度要求也不同。中國多數(shù)博物館通過改造開始使用恒溫恒濕設(shè)備，并對館藏文物保存環(huán)境開展了溫濕度監(jiān)控。只有通過對溫濕度的連續(xù)監(jiān)測，整體記錄環(huán)境中的溫濕度變化，才是改進(jìn)文物保存環(huán)境的科學(xué)依據(jù)。伴隨而來的問題是，如何處理持續(xù)產(chǎn)生的大量文物保存環(huán)境數(shù)據(jù)，以更好地服務(wù)于環(huán)境質(zhì)量評估，及時(shí)調(diào)整調(diào)控措施。徐方圓等[2]通過溫濕度合格率、溫濕度分布圖和溫濕度波動指數(shù)等評價(jià)指標(biāo)，探討了文物保存環(huán)境中溫濕度的中長期評估方法；馮萍莉等[5]通過計(jì)算溫濕度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的離散度和離散系數(shù)，反映溫濕度的分布和季節(jié)性波動情況。相關(guān)研究探討的多為館藏環(huán)境溫濕度中長期監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的評估方法。但如何更好地挖掘監(jiān)測數(shù)據(jù)，形成有效、即時(shí)、直觀的分析手段，建立方法論的分析模型，仍是此項(xiàng)工作的研究課題。

K線圖目前常用于金融市場，通過對市況的實(shí)時(shí)追蹤以觀察市場的真實(shí)變化。K線圖的內(nèi)容特性是記錄實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)波動及準(zhǔn)確靈敏判斷趨勢。該技術(shù)分析方法，優(yōu)勢體現(xiàn)在通過直觀圖對復(fù)雜體系進(jìn)行描述[6]。將K線理論運(yùn)用于描述環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)變化工作的研究卻少見報(bào)道。

本工作通過對某臨展期間展廳及若干展柜內(nèi)3個(gè)月的溫濕度連續(xù)監(jiān)測記錄進(jìn)行分析，嘗試引用K線圖開展溫濕度評估，并探討文物保存環(huán)境中溫濕度的數(shù)據(jù)處理方案。

1 環(huán)境數(shù)據(jù)“K線”的引入

1.1 K線圖繪制及圖例說明

K線作圖以交易時(shí)間為橫坐標(biāo)，價(jià)格為縱坐標(biāo)，將每日的K線連續(xù)繪出。K線圖的結(jié)構(gòu)包括上影線、下影線及中間實(shí)體三部分(圖1)。在股市中，K線圖四要素由開盤價(jià)、最高價(jià)、最低價(jià)和收盤價(jià)組成。實(shí)體是由開盤價(jià)到收盤價(jià)連接而成的柱狀體。當(dāng)收盤價(jià)高于開盤價(jià)，為陽實(shí)體，一般繪制為紅色或白色；反之為陰實(shí)體，繪制為綠色或黑色，上、下影線分別指最高價(jià)、最低價(jià)與實(shí)體間的連線[6]。采用OriginPro專業(yè)函數(shù)繪圖軟件或Microsoft Excel表格軟件均可實(shí)現(xiàn)K線圖的繪制。

圖1 K線圖的構(gòu)成Fig.1 Composition of K-line diagram

1.2 各要素的重新賦值/定義

將K線圖應(yīng)用于描述文物保存環(huán)境溫濕度指標(biāo)的變化及波動范圍，分析可以日、周、月等不同時(shí)長作為周期。博物館展覽每天開放，月K線圖以月為統(tǒng)計(jì)周期，反映的是年波動情況，在臨展評價(jià)中不適用；周K線圖以周為統(tǒng)計(jì)周期，圖中各測試點(diǎn)溫濕度波動變化幅度并不能顯示出每天的溫濕度初始值、結(jié)束值、最大值及最小值；日K線圖以日為周期，而且在24 h內(nèi)可以靈活設(shè)定初始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，平均波動幅度觀測直觀和易解讀。對于微環(huán)境的溫濕度評估，短期(以日為周期)的溫濕度波動更適宜作為評估模型。監(jiān)測溫濕度數(shù)據(jù)分析，以濕度為主。以監(jiān)測濕度的日K線為例，當(dāng)日采樣初始濕度值對應(yīng)開盤價(jià)、當(dāng)日采樣結(jié)束濕度值對應(yīng)收盤價(jià)、當(dāng)日最高濕度值對應(yīng)最高價(jià)、當(dāng)日最低濕度值對應(yīng)最低價(jià)。實(shí)體代表了分析周期的濕度值整體趨勢，直線表示了濕度值的每日波動。監(jiān)測濕度日K線的本質(zhì)是記錄了約定監(jiān)測時(shí)長內(nèi)濕度變化的過程與結(jié)果。

2 監(jiān)測儀器及數(shù)據(jù)獲取

本研究所引用的數(shù)據(jù)為某館一個(gè)為期102 d(6月～10月)的臨展溫濕度連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)。在102 d的展期內(nèi)沒有閉館調(diào)整時(shí)間，每天早晨9點(diǎn)開館，17點(diǎn)閉館；在某些晚上閉館后18～21點(diǎn)開放了專場。該臨展為一主題展，所展覽文物種類多樣，每種文物對溫濕度有不同的需求。對于展出期間文物保存環(huán)境的調(diào)控，展廳內(nèi)恒溫恒濕空調(diào)24 h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，展柜內(nèi)根據(jù)展柜尺寸、展柜形式和不同文物的溫濕度需求有針對性地配備了調(diào)濕器和調(diào)濕劑。

此次展覽使用西安元智系統(tǒng)技術(shù)有限責(zé)任公司的館藏文物保存環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，無線連續(xù)監(jiān)測記錄了展廳和56個(gè)展柜內(nèi)的溫濕度，監(jiān)測間隔為10 min。

3 溫濕度日K線圖應(yīng)用及分析

僅7月份當(dāng)月，展廳1處的監(jiān)測數(shù)據(jù)已近1.4萬。合計(jì)7～9月，3個(gè)月的數(shù)據(jù)量約計(jì)240萬。本研究選取日K線圖為建模對象，采用Microsoft Excel軟件的數(shù)據(jù)透視表及VLOOKUP、LOOKUP等函數(shù)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)每日24 h、開館時(shí)段(9～17點(diǎn))、閉館時(shí)段的8 h等溫濕度的4要素進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選并作圖。

3.1 展廳溫濕度日K線

日K線圖以日期為橫坐標(biāo)，濕度日K線圖以濕度為縱坐標(biāo)；溫度日K線圖以溫度為縱坐標(biāo)，將每日對應(yīng)的4個(gè)值在K線圖中以實(shí)體和直線表示出來。實(shí)體代表一天(統(tǒng)計(jì)周期)之內(nèi)，溫濕度受環(huán)境、人流、光照等影響造成的波動。

3.1.1以0～24點(diǎn)為統(tǒng)計(jì)周期 選取9月份檢測數(shù)據(jù)作為統(tǒng)計(jì)對象，對展廳全天候24 h為統(tǒng)計(jì)周期，則溫濕度日K線的初始值設(shè)置為0點(diǎn)過后第一個(gè)檢測值，結(jié)束值為24點(diǎn)之前最后一個(gè)檢測值，并提取0～24點(diǎn)的全天最高、最低值(圖2)。從圖2可知，選取0點(diǎn)作為周期分割點(diǎn)，0點(diǎn)時(shí)各種影響溫濕度的外界影響(光照、參觀人流等)已趨于一致，所以溫濕度實(shí)體都比較小，每天實(shí)體的大小反映了這一天空調(diào)穩(wěn)定運(yùn)作時(shí)的整體波動，或隨著季節(jié)波動外界溫濕度在展廳內(nèi)的變化。以0點(diǎn)作為周期分割點(diǎn)，溫度的上引線較長，下引線較短，說明每天0點(diǎn)時(shí)接近每天溫度的最低點(diǎn)，開館后由于燈光和參觀人流的影響，溫度逐漸上升。

圖2 9月份展廳(0～24點(diǎn))日K線圖Fig.2 Daily temperature and humidity K-line diagram of the exhibition hall in September (0∶00-24∶00)

3.1.2以9～17點(diǎn)為統(tǒng)計(jì)周期 為了強(qiáng)化環(huán)境變化的影響，仍選取9月份檢測數(shù)據(jù)作為統(tǒng)計(jì)對象，結(jié)合每日的開館、閉館時(shí)間，對初始值和結(jié)束值的選定時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。設(shè)定初始值9點(diǎn)過后第一個(gè)檢測值，結(jié)束值17點(diǎn)之前最后一個(gè)檢測值，并提取當(dāng)天9～17點(diǎn)的最高、最低值(圖3)。從圖3a可知，每天初始溫度基本一致，考慮到展廳內(nèi)恒溫恒濕空調(diào)24 h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，開館時(shí)溫度基本一致，恒溫恒濕空調(diào)溫度控制基本穩(wěn)定。9月14日溫度日K線出現(xiàn)異常，說明空調(diào)出了狀況。溫度的日K線基本均為陽實(shí)體，實(shí)體較大，上引線和下引線均較短，說明每天開館時(shí)一般為溫度的低點(diǎn)，閉館時(shí)一般為溫度的高點(diǎn)，開館后參觀人流和燈光引起溫度的上升，至閉館前達(dá)到最高值。

從圖3b可知，濕度日K線與溫度日K線相反，大部分日K線為陰實(shí)體，即開館時(shí)濕度較高，閉館時(shí)濕度較低；下引線較短，閉館時(shí)接近當(dāng)日開館期間的最低值，每天的光照和參觀人流引起了展廳內(nèi)濕度的波動。展廳內(nèi)濕度日K線變化規(guī)律性較溫度日K線小，說明恒溫恒濕空調(diào)的溫度調(diào)控比濕度調(diào)控更穩(wěn)定、準(zhǔn)確。

圖3 9月份展廳(9～17點(diǎn))日K線圖Fig.3 Daily temperature and humidity K-line diagram of the exhibition hall in September (9∶00-17∶00)

3.1.3以閉館時(shí)間段內(nèi)8h為統(tǒng)計(jì)周期 為對比開館時(shí)段內(nèi)溫濕度受參觀人流、光照等影響，選取閉館時(shí)間內(nèi)的8 h，對初始值和結(jié)束值的選定時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整?？稍O(shè)定統(tǒng)計(jì)時(shí)間段為當(dāng)日22點(diǎn)至次日6點(diǎn)，但因該時(shí)間段不在一天內(nèi)，為符合K線圖以日為周期的原則且簡便處理流程，設(shè)定當(dāng)日0～6點(diǎn)&22～24點(diǎn)為統(tǒng)計(jì)周期。為保留建模初衷，仍設(shè)定初始值22點(diǎn)過后第一個(gè)檢測值，結(jié)束值為6點(diǎn)之前最后一個(gè)檢測值，并提取該時(shí)段的最高、最低值(圖4)。該時(shí)段展館基本無人員流動，環(huán)境各干擾因素影響較小。對比開館時(shí)段的K線圖，閉館時(shí)段溫度變化較開館時(shí)小，溫度K線圖基本為陰實(shí)體，是降溫過程。

圖4 9月份展廳(0～6點(diǎn)&22～24點(diǎn))日K線圖Fig.4 Daily temperature and humidity K-line diagram of the exhibition hall in September (0∶00-6∶00 & 22∶00-24∶00)

3.1.4分析 9月份該展廳的溫濕度日K線圖(圖2～4)，很直觀地反映了統(tǒng)計(jì)月份展廳的溫濕度的日波動幅度情況。觀察圖1～3均可發(fā)現(xiàn)，9月14日和9月15日數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯異常分析。9月14日最大濕度值達(dá)69.1%，最小濕度值57.2%；9月15日最大濕度值67.8%，最小濕度值55.9%。是否因9月14日出現(xiàn)空調(diào)等硬件故障導(dǎo)致，文保研究人員可結(jié)合K線圖，對這兩日的空調(diào)運(yùn)行、人流密度等數(shù)據(jù)進(jìn)行排查，便于分析具體原因。K線圖較好地發(fā)揮了異常情況突出顯示的作用，便于文保研究人員從海量的監(jiān)測數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)異常，從而開展后續(xù)研究和分析。

溫度日K線(圖2a)顯示，當(dāng)月30個(gè)工作日內(nèi)，有28 d的0點(diǎn)前后溫度差在0.2 ℃及以下，且接近當(dāng)日最小溫度值；每天最大溫度和最小溫度波動在1.6 ℃以內(nèi)。濕度日K線(圖2b)有25 d的日波動控制在1.5%以內(nèi)，24 d的最大濕度和最小濕度波動在5%及以下。圖3a中，當(dāng)月30個(gè)工作日內(nèi)，有25 d開館(9點(diǎn))溫度為工作時(shí)間內(nèi)溫度的最小值，有8 d閉館(17點(diǎn))時(shí)溫度達(dá)到工作時(shí)間的最大值。最大溫度和最小溫度波動均在2.0 ℃以下。圖3b顯示，30 d開館時(shí)段內(nèi)，17 d閉館(17點(diǎn))時(shí)濕度為工作時(shí)間的最小值。驗(yàn)證了密閉空間中，相對濕度和溫度的變化關(guān)系[3]：一般溫度升高，相對濕度降低；溫度降低，相對濕度升高。圖4a中，除9月14日和9月15日兩日外，30 d中有12 d，22點(diǎn)與6點(diǎn)保持相同的溫度；計(jì)22 d，22點(diǎn)后展廳溫度為統(tǒng)計(jì)時(shí)段最低值；最大溫度和最小溫度差值波動均在1.0 ℃以下。圖4b中，除個(gè)別例外，22點(diǎn)與6點(diǎn)前濕度也極為接近；最大濕度和最小濕度差值波動小于1.0%的有11 d，在1.0%～3.0%波動的有15 d。從波動趨勢來看，圖1和2較圖3更便于分析，因此下節(jié)采用0～24點(diǎn)和9～17點(diǎn)作為統(tǒng)計(jì)周期開展研究。

該展的開放時(shí)間處于暑期，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，當(dāng)?shù)?月份最高溫度達(dá)40 ℃，平均最高溫度36 ℃；8月份最高溫度38 ℃，平均最高溫度33 ℃；9月份最高溫度34 ℃，平均最高溫度28 ℃；外加濕度較高的影響，天氣悶熱。而且該展的參觀人數(shù)創(chuàng)了歷史新高，但通過圖1～3可見，展廳內(nèi)每日的溫度大致控制范圍為21～23 ℃，波動差異不大，每日最高、最低溫度波動在±2 ℃以內(nèi)；相對濕度日波動幅度約為±2.5%。依據(jù)2007年，美國采暖、制冷與空調(diào)工程師協(xié)會提出普通文物的溫濕度波動理想范圍為±2 ℃，±5%；可接受的溫濕度范圍設(shè)定為±5 ℃，±10%標(biāo)準(zhǔn)[7]判定，該展廳整體溫濕度調(diào)控效果理想。

3.2 展柜濕度日K線

該展共56個(gè)展柜，濕度的調(diào)節(jié)方式分機(jī)械和非機(jī)械兩種[4]。機(jī)械調(diào)節(jié)包括調(diào)濕器、恒濕空調(diào)等；非機(jī)械調(diào)節(jié)主要利用調(diào)濕材料。為體現(xiàn)研究的普遍適用性，抽取采用調(diào)濕器的柜14、柜18和中柜19，利用調(diào)濕材料的中柜18共4個(gè)展柜的監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制濕度日K線圖。

3.2.1調(diào)濕器 從56個(gè)展柜中，隨機(jī)選擇7月份柜18(調(diào)控目標(biāo)50%)的溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)，設(shè)定0～24點(diǎn)和9～17點(diǎn)這兩個(gè)統(tǒng)計(jì)起始點(diǎn)，繪制溫濕度日K線圖，如圖5所示。

圖5 7月份柜18溫濕度日K線圖Fig.5 Daily temperature and humidity K-line diagram of Showcase 18 in July

比較圖5b和圖5c溫濕度日K線，展柜內(nèi)開館前進(jìn)溫度上升，濕度下降；上引線和下引線都比較短，說明開館時(shí)是最大值，閉館時(shí)為最小值。與展廳的濕度值和波動幅度比較，展柜內(nèi)濕度得到了調(diào)控。

3.2.2調(diào)濕材料 中柜18采用的是調(diào)濕材料，調(diào)控目標(biāo)為45%，該調(diào)濕材料自6月底放入展柜，至10月份未有調(diào)換。由其監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制7月份和9月份的濕度日K線圖(圖6)，統(tǒng)計(jì)該展柜每日24 h的濕度波動情況。

圖6 中柜18(0～24點(diǎn))濕度日K線圖Fig.6 Daily humidity K-line diagram of Showcase 18 in the middle part (0∶00-24∶00)

3.2.3分析 圖5a和5b濕度日K線圖趨勢大致相同，圖6亦是，符合文物保存微環(huán)境的相對濕度控制在40%～60%的要求[8]。每個(gè)展柜濕度日K線的縱坐標(biāo)區(qū)間選取同樣的濕度設(shè)定，可見0～24點(diǎn)的濕度波動幅度較9～17點(diǎn)更大。尤其圖5b可見，7月的31 d中，17點(diǎn)的濕度值均高于開館9點(diǎn)時(shí)的濕度值，全部顯示為陰實(shí)體。對于24 h空調(diào)開放的博物館，要便于全局分析，濕度日K線周期選擇0～24點(diǎn)較9～17點(diǎn)更為適合。

圖5和6對分別采用調(diào)濕劑和調(diào)濕器的不同展柜的濕度穩(wěn)定性進(jìn)行比對。調(diào)濕器屬于主動濕度調(diào)控，圖5濕度日K線圖觀測展柜環(huán)境的調(diào)濕效果。調(diào)濕器的調(diào)濕性能良好，最大濕度和最小濕度差值一般在4%以內(nèi)。即便調(diào)濕器存在能源消耗、引發(fā)污染等弊端，適用于對濕度有特殊要求的文物。調(diào)濕劑依靠自身的吸放濕性能，感應(yīng)所在空間的空氣溫濕度變化，可自動調(diào)節(jié)空氣相對濕度，是一種被動濕度控制的調(diào)節(jié)手段[1]。調(diào)濕劑與調(diào)濕器比較，引線較長，日波動較大，說明調(diào)濕器比調(diào)濕劑的響應(yīng)速度更快，在密閉空間中主要是受溫度影響。通過中柜18的7月份與9月份濕度日K線圖(圖6)可見，調(diào)濕劑剛布置于展柜時(shí)，7月初的前9 d內(nèi)，調(diào)濕劑處在吸濕階段，最大相對濕度低于40%，引起柜內(nèi)濕度下降；隨著調(diào)濕劑使用時(shí)間的延長，到9月份，柜內(nèi)的平衡濕度逐漸上升，每天的最大濕度和最小濕度差值集中在±3%左右，柜內(nèi)濕度和調(diào)濕劑達(dá)到了初步平衡，因此平均濕度較穩(wěn)定，滿足45%的調(diào)控要求，調(diào)濕材料的吸放濕調(diào)控效果較為理想。

4 結(jié) 論

本研究依據(jù)某館某展的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以K線分析法為基本統(tǒng)計(jì)工具，建立K線圖的工具體系。為海量的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)提供直觀的線圖，嘗試建立了一種環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)K線圖模型。

1) 結(jié)合日K線圖、周K線圖、月K線圖的建模意義分析，為便于博物館文保人員發(fā)現(xiàn)問題和及時(shí)處理，明確日K線圖更易實(shí)現(xiàn)微環(huán)境的濕度波動評估。對于常設(shè)展而言，可結(jié)合周K線圖、月K線圖的中期趨勢與日K線圖比對，通過各種周期的K線圖走向，判斷是否可得出相似的結(jié)論，確保結(jié)論的全面性和準(zhǔn)確性。

2) 結(jié)合對展廳、展柜繪制溫濕度日K線圖，通過設(shè)置不同的起始時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了3個(gè)不同的統(tǒng)計(jì)時(shí)段(0～24點(diǎn)、9～17點(diǎn)及0～6點(diǎn)&22～24點(diǎn))日K線圖的繪制，對于空調(diào)24 h開放的博物館而言，濕度日K線周期適合選擇0～24點(diǎn)建立環(huán)境監(jiān)測模型。溫濕度日K線圖具有突出顯示異常情況的功能，便于文保研究人員直觀地觀測及開展研究。

3) 結(jié)合展柜濕度日K線，一方面，通過對采用不同調(diào)濕手段展柜的濕度日K線圖，比較主動調(diào)濕和被動調(diào)濕的調(diào)控效果及異同性；另一方面，通過對同一展柜在不同月份的濕度日K線圖，比較文物保存微環(huán)境的濕度變化。可為后續(xù)臨展等短期展覽調(diào)濕方式的選擇提供依據(jù)。

研究結(jié)果表明，K線圖中的一些技術(shù)分析方法可用于溫濕度評估，較好地契合預(yù)防性保護(hù)的研究內(nèi)容。將K線圖應(yīng)用于溫濕度分析，是值得探討的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化研究方向。