大同懸空寺監(jiān)測(cè)預(yù)警信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張渾平

摘 要：通過(guò)對(duì)懸空寺的文物本體病害及依存環(huán)境影響的評(píng)估分析，結(jié)合懸空寺當(dāng)前的保護(hù)工程情況，制定科學(xué)合理的懸空寺本體及環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，確定監(jiān)測(cè)手段、監(jiān)測(cè)技術(shù)、監(jiān)測(cè)設(shè)備，利用計(jì)算機(jī)通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等高新技術(shù)手段，建立一套符合懸空寺保護(hù)管理的監(jiān)測(cè)預(yù)警信息系統(tǒng)（涉及文物保護(hù)、監(jiān)測(cè)和管理幾個(gè)方面），同時(shí)與懸空寺保護(hù)研究相結(jié)合，不斷完善監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，使懸空寺保護(hù)和監(jiān)測(cè)達(dá)到科學(xué)化、規(guī)范化、信息化，實(shí)現(xiàn)能夠量化地、準(zhǔn)確地、完整地、科學(xué)地反映懸空寺保存、保護(hù)狀況。

關(guān)鍵詞：懸空寺;監(jiān)測(cè)預(yù)警信息系統(tǒng);設(shè)計(jì)

1 研究背景

1.1 研究對(duì)象

大同懸空寺位于山西省渾源縣（圖1），距大同市65千米，寺院建造在恒山金龍峽西側(cè)翠屏峰的峭壁間，始建于北魏太和年間，距今已有1500多年的歷史。金、明、清三代均對(duì)懸空寺進(jìn)行過(guò)修繕，現(xiàn)存建筑為明清時(shí)期所建，是國(guó)內(nèi)僅存的佛、道、儒三教合一的獨(dú)特寺廟。1957年，懸空寺被列為山西省重點(diǎn)文物保護(hù)單位。1982年，懸空寺被列入第二批全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位。

1.2 特殊結(jié)構(gòu)

懸空寺以西為正，大門(mén)朝南，整個(gè)建筑由南向北擴(kuò)建而成，越往北地勢(shì)相對(duì)越高越狹窄。寺院由三部分組成，每部分有一座三層的樓閣，內(nèi)設(shè)懸梯連接（圖2）。全寺初看去只有十幾根大約碗口粗的立木柱支撐，上接閣樓棧道，下至巖石，最高處距地面70多米，分別被設(shè)置在兩個(gè)閣樓和一條棧道下面。其實(shí)，真正把懸空寺懸在巖壁上的是棧道，當(dāng)時(shí)的工匠在懸崖上開(kāi)鑿石孔，再將橫梁插入其中，用木板鋪平，建成了一條在山崖上通行的棧道。其中的力學(xué)原理是以半插的橫梁為基礎(chǔ)，借助巖石的托扶，回廊欄桿、上下梁柱緊密相連形成了一個(gè)木質(zhì)框架式結(jié)構(gòu)，也增加了抗震度。利用這種力學(xué)原理采取懸空方式的建筑在國(guó)內(nèi)少有，顯示出古代人民掌握的物理力學(xué)知識(shí)，為古建筑建設(shè)方式和類型增添了優(yōu)秀的材料。

1.3 保存現(xiàn)狀評(píng)估

懸空寺歷經(jīng)千年，受大風(fēng)、溫差等自然因素影響，部分建筑的木構(gòu)件出現(xiàn)裂隙，尤其是支撐整個(gè)廟宇的承重橫梁。橫梁嵌入峭壁，無(wú)法從外部直觀辨別受損和支撐情況。由于寺廟沒(méi)有地基作為支撐，一旦橫梁出現(xiàn)問(wèn)題則寺廟建筑的安全就存在很大的隱患。

懸空寺歷經(jīng)多次大小修補(bǔ)，現(xiàn)在的情況可以說(shuō)大災(zāi)得以控制、小病害不斷。懸空寺主體建筑殘損情況統(tǒng)計(jì)如表1所示。

1.4 影響因素分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)研分析，懸空寺的影響因素如表2所示。

1.5 監(jiān)測(cè)預(yù)警信息系統(tǒng)建設(shè)的必要性

懸空寺作為國(guó)內(nèi)現(xiàn)存唯一的佛、道、儒三教合一的獨(dú)特寺廟，其價(jià)值意義非常重要。目前科技信息化水平已經(jīng)應(yīng)用在眾多文化遺產(chǎn)保護(hù)的管理和預(yù)防性保護(hù)預(yù)警工作中，而且效果非常顯著，對(duì)于解決管理人員少、沒(méi)有統(tǒng)一的管理制度和信息化的管理水平、不能提前預(yù)防文物受損的保護(hù)工作來(lái)說(shuō)，建設(shè)懸空寺的監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)意義非常重大。游客行為影響、本體木質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、本體保存環(huán)境三者是懸空寺監(jiān)測(cè)預(yù)警的基礎(chǔ)構(gòu)成，也是為管理者提供科學(xué)的依據(jù)和預(yù)防性保護(hù)預(yù)警的直接支撐。整理懸空寺現(xiàn)有基礎(chǔ)資料，對(duì)于整體的管理質(zhì)量也有很大幫助。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)是通過(guò)對(duì)懸空寺的文物本體病害及依存環(huán)境影響的評(píng)估分析，結(jié)合懸空寺當(dāng)前的保護(hù)工程情況，制定科學(xué)合理的懸空寺本體及環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，確定監(jiān)測(cè)手段、監(jiān)測(cè)技術(shù)、監(jiān)測(cè)設(shè)備，利用計(jì)算機(jī)通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等高新技術(shù)手段，建立一套符合懸空寺保護(hù)管理的監(jiān)測(cè)預(yù)警信息系統(tǒng)（涉及文物保護(hù)、監(jiān)測(cè)和管理幾個(gè)方面），同時(shí)與懸空寺保護(hù)研究相結(jié)合，不斷完善監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，使懸空寺保護(hù)和監(jiān)測(cè)達(dá)到科學(xué)化、規(guī)范化、信息化，實(shí)現(xiàn)能夠量化地、準(zhǔn)確地、完整地、科學(xué)地反映懸空寺保存、保護(hù)狀況。

2.2 監(jiān)測(cè)體系建設(shè)

2.2.1 本體結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)體系建設(shè)

我們梳理確定了懸空寺本體監(jiān)測(cè)的內(nèi)容和對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)手段如表3所示。

2.2.2 保存環(huán)境監(jiān)測(cè)體系建設(shè)

針對(duì)懸空寺的保存環(huán)境，我們梳理了環(huán)境監(jiān)測(cè)體系內(nèi)容，如表4所示。

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

懸空寺監(jiān)測(cè)預(yù)警信息系統(tǒng)基于.NET技術(shù)，使用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)?？紤]到系統(tǒng)各功能模塊間的相互關(guān)系及用戶使用特點(diǎn)，系統(tǒng)的作業(yè)模式定義為B/S模式，采用MVC模式進(jìn)行分層。服務(wù)器端支持Windows操作系統(tǒng)并且能夠保證系統(tǒng)運(yùn)行效率，支持IE、谷歌等主流瀏覽器。

根據(jù)懸空寺的監(jiān)測(cè)體系內(nèi)容，將懸空寺監(jiān)測(cè)預(yù)警信息系統(tǒng)劃分為文物信息管理、監(jiān)測(cè)管理、預(yù)警管理、決策支持管理、系統(tǒng)維護(hù)管理、人工巡查、公共參與服務(wù)及展示七個(gè)子系統(tǒng)。同時(shí)，配置相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)及標(biāo)準(zhǔn)保障體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)懸空寺綜合信息的集成管理，滿足信息服務(wù)調(diào)用、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)應(yīng)用等方面的需求。

懸空寺監(jiān)測(cè)預(yù)警信息系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)圖如圖3所示。

2.4 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.4.1 文物信息管理模塊

文物信息管理模塊主要包括基礎(chǔ)信息管理及保護(hù)項(xiàng)目管理模塊。基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)主要有懸空寺的基礎(chǔ)特征（包括地理位置、氣候、土壤等自然特征）、修繕保護(hù)的歷史、保護(hù)范圍及標(biāo)志、保護(hù)管理機(jī)構(gòu)狀況（機(jī)構(gòu)情況、人員變更）、記錄檔案狀況等。保護(hù)項(xiàng)目管理模塊主要是動(dòng)態(tài)記錄懸空寺保護(hù)項(xiàng)目的實(shí)施進(jìn)展情況，按照時(shí)間順序標(biāo)記保護(hù)展示與環(huán)境整治工程，對(duì)已完成的保護(hù)項(xiàng)目的效果進(jìn)行評(píng)估。

對(duì)以上信息進(jìn)行調(diào)查、梳理后，按照文物保護(hù)單位工作的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范建立數(shù)據(jù)庫(kù)，導(dǎo)入相關(guān)電子文檔，同時(shí)對(duì)展示的類別、指標(biāo)、內(nèi)容、安全以及不同用戶的權(quán)限進(jìn)行統(tǒng)一管理和維護(hù)。

2.4.2 監(jiān)測(cè)管理模塊

監(jiān)測(cè)管理模塊由監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、工程節(jié)點(diǎn)和客戶端三部分組成。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)連接傳感器硬件設(shè)備，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)（無(wú)線/GPRS）傳輸數(shù)據(jù);工程節(jié)點(diǎn)用于系統(tǒng)設(shè)置的服務(wù)器;客戶端通過(guò)工程節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)瀏覽的監(jiān)控運(yùn)行情況，記錄所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，客戶端用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)畫(huà)面的顯示，并允許管理員配置傳感器、確認(rèn)預(yù)警信息等。

監(jiān)測(cè)管理模塊是懸空寺動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警管理系統(tǒng)的核心，包括文物本體監(jiān)測(cè)、文物環(huán)境監(jiān)測(cè)、游客量監(jiān)測(cè)三個(gè)方面。

①文物本體監(jiān)測(cè)。懸空寺古建筑結(jié)構(gòu)的核心為十根承重橫梁，系統(tǒng)中文物本體監(jiān)測(cè)含有振動(dòng)監(jiān)測(cè)處理模塊、位移監(jiān)測(cè)處理模塊、傾斜監(jiān)測(cè)處理模塊。通過(guò)模塊對(duì)懸空寺文物本體分析振動(dòng)、位移（傾斜和沉降）、承重的數(shù)據(jù)、作用時(shí)間、峰值、動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律等。

以懸空寺鼓樓振動(dòng)和傾斜監(jiān)測(cè)為例分析，分析圖4、圖5可以得知2021年1月和2月鼓樓東邊橫梁的振動(dòng)頻率在-5～5mg范圍內(nèi)。分析圖6、圖7可以得知鼓樓東邊立柱的傾斜數(shù)據(jù)，其中X軸數(shù)值保持在1.7°左右，Y軸數(shù)據(jù)保持在3.07°左右。通過(guò)連續(xù)6個(gè)月的數(shù)據(jù)積累和對(duì)比分析（表5、表6），可以得知鼓樓振動(dòng)和傾斜保持在規(guī)律的變化范圍之內(nèi)，對(duì)于本體而言，保持在整體相對(duì)穩(wěn)定的范圍之內(nèi)。

②客流量監(jiān)測(cè)。針對(duì)主要的游客影響因素，實(shí)施了客流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。分析客流量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及本體的傾斜和振動(dòng)數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)值達(dá)到預(yù)警值時(shí)，采取控制客流量的方法實(shí)現(xiàn)文物的保護(hù)管理。通過(guò)圖8可以得知當(dāng)天各個(gè)時(shí)段進(jìn)出及當(dāng)前在懸空寺游覽的人員數(shù)量，結(jié)合各類監(jiān)測(cè)指標(biāo)，形成聯(lián)動(dòng)的監(jiān)測(cè)分析體系。

通過(guò)圖9可以對(duì)懸空寺近幾個(gè)月的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和對(duì)比分析，同時(shí)可以和歷年同時(shí)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行環(huán)比，對(duì)游客數(shù)量統(tǒng)計(jì)或監(jiān)測(cè)保護(hù)工作都有很重要的建設(shè)意義。

2.4.3 預(yù)警管理模塊

確定威脅懸空寺文物本體、環(huán)境的因素，制定預(yù)警指標(biāo)體系和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)布預(yù)警信息。預(yù)警管理模塊的包括預(yù)警設(shè)置、預(yù)警查詢與處理模塊等功能模塊。

通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合、對(duì)比、研究，并結(jié)合國(guó)家相關(guān)監(jiān)測(cè)參數(shù)制定標(biāo)準(zhǔn)，得到適合懸空寺的預(yù)警指標(biāo)，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，確定各項(xiàng)指標(biāo)的預(yù)警閾值，對(duì)預(yù)警進(jìn)行分級(jí)。沒(méi)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的，在進(jìn)一步分析后向?qū)＜艺?qǐng)教評(píng)估，形成指導(dǎo)建議，對(duì)預(yù)警閾值進(jìn)行確定。當(dāng)監(jiān)測(cè)值超過(guò)預(yù)警閾值時(shí)，系統(tǒng)以紅色標(biāo)示顯示在屏幕上，觸發(fā)相關(guān)工作處理流程給相關(guān)管理人員，相關(guān)人員處理結(jié)束后將處理結(jié)果反饋給預(yù)警管理系統(tǒng)進(jìn)行存檔。系統(tǒng)提供相應(yīng)的報(bào)表可以輸出、打印。

2.4.4 決策支持模塊

決策分析主要是對(duì)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)監(jiān)測(cè)分析以及年度監(jiān)測(cè)報(bào)告的系統(tǒng)自動(dòng)化生成?？梢赃M(jìn)行監(jiān)測(cè)對(duì)象的聯(lián)動(dòng)分析，主要是對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)雙坐標(biāo)的方式進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析、統(tǒng)計(jì)，通過(guò)關(guān)聯(lián)對(duì)比，進(jìn)而得出不同監(jiān)測(cè)內(nèi)容的一些內(nèi)在聯(lián)系。每次關(guān)聯(lián)分析可選擇最少一項(xiàng)、最多兩項(xiàng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容，多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，可以選擇同比、環(huán)比選項(xiàng)，點(diǎn)擊分析后，系統(tǒng)將按照篩選條件展示單、雙坐標(biāo)軸進(jìn)行關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)分析，并得出簡(jiǎn)單分析結(jié)論?？蓪⒑Y選條件、統(tǒng)計(jì)圖及分析結(jié)論導(dǎo)出至Word文檔。

2.4.5 系統(tǒng)管理模塊

本子系統(tǒng)面向管理人員，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理、維護(hù)，是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)支撐，包含組織機(jī)構(gòu)管理、角色管理、用戶管理、功能菜單管理、參數(shù)設(shè)置、設(shè)備管理和日志管理等八個(gè)模塊。

2.4.6 人工巡查模塊

系統(tǒng)對(duì)需要人工巡查的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)置、排班，巡查人員按照巡查線路，在移動(dòng)設(shè)備的軟件客戶端錄入相關(guān)信息，信息傳輸?shù)较到y(tǒng)。管理員在系統(tǒng)中可以查詢信息，向移動(dòng)設(shè)備客戶端發(fā)送指令。

2.4.7 公共參與服務(wù)及展示模塊

公共參與服務(wù)和展示模式是為加強(qiáng)懸空寺與公眾交流的平臺(tái)，有利于宣傳懸空寺，樹(shù)立懸空寺的良好形象，形成懸空寺品牌影響力。公眾參與主要通過(guò)館內(nèi)主題活動(dòng)、線上互動(dòng)展示、線上互動(dòng)游戲、新媒體、社交網(wǎng)絡(luò)等，讓觀眾在體驗(yàn)中娛樂(lè)、在娛樂(lè)中體驗(yàn)，真正做到寓教于樂(lè)，使公眾在懸空寺中留下深刻印象，更愿意深度了解懸空寺。

3 結(jié)語(yǔ)

懸空寺保護(hù)管理工作面臨的主要問(wèn)題是古建筑沒(méi)有地基、結(jié)構(gòu)靠橫梁承載，木材老化、病害增加都會(huì)極大地威脅懸空寺的健康和完整性。同時(shí)寺廟鄰近水庫(kù)、隧道，游客眾多，環(huán)境因素和人為因素也是直接影響本體安全的核心因素。因此，在保護(hù)工作中需要實(shí)時(shí)掌握懸空寺本體的結(jié)構(gòu)狀況及保存環(huán)境的變化，通過(guò)對(duì)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)積累和研究分析，達(dá)到預(yù)防性保護(hù)的目的，同時(shí)結(jié)合人工巡查及第三方研究，形成懸空寺監(jiān)測(cè)保護(hù)的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，為懸空寺的保護(hù)管理工作保駕護(hù)航。