基于動(dòng)態(tài)耦合模型的展柜微環(huán)境精確調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王琬茹

(天津工業(yè)大學(xué),天津 300382)

隨著文物保護(hù)意識(shí)的不斷提升以及國(guó)家對(duì)文物保護(hù)力度的不斷增強(qiáng),我國(guó)文物保護(hù)工作得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。當(dāng)前的文物保護(hù)重點(diǎn)的發(fā)展方向已由傳統(tǒng)的被動(dòng)型防護(hù)轉(zhuǎn)換為預(yù)防性保護(hù)工作,即從源頭上對(duì)文物進(jìn)行保護(hù),預(yù)防影響文物保存的不利因素的發(fā)生,而不是在對(duì)文物保護(hù)產(chǎn)生不利影響產(chǎn)生后進(jìn)行修復(fù)與彌補(bǔ),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最大程度地延長(zhǎng)文物的保存時(shí)長(zhǎng)。

1 引入

文物保存的特殊性決定了多數(shù)文物的保存在很大程度上是受到所在環(huán)境的直接影響,因此對(duì)文物進(jìn)行預(yù)防性保護(hù)的關(guān)鍵即是從文物的保存環(huán)境入手,通過影響或改變文物所處的環(huán)境實(shí)現(xiàn)文物保護(hù)。從文物保護(hù)的專業(yè)角度來分析,文物所處的環(huán)境可以分為博物館室外環(huán)境、博物館室內(nèi)環(huán)境、文物所處庫(kù)房或展廳的室內(nèi)小環(huán)境、微環(huán)境。而在這四層環(huán)境中,對(duì)文物保存影響最為直接的是儲(chǔ)藏文物的展柜微環(huán)境,因?yàn)槠涮厥庑云鋵?duì)文物存儲(chǔ)壽命起到了決定性的影響,微環(huán)境控制的重要性不言而喻[1]。

在當(dāng)前的實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)過程中,文物展柜的微環(huán)境主要包括涉及的環(huán)境參數(shù)主要包括：展柜內(nèi)部的溫度、濕度、氣體(尤其是有害氣體)濃度、光照強(qiáng)度、紫外線強(qiáng)度、有害生物數(shù)量等。因此,當(dāng)前展柜的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造不再僅僅是提供一個(gè)容納存放文物的空間,更是要通過相關(guān)技術(shù)營(yíng)造出有利于文物保存的穩(wěn)定性極強(qiáng)的展柜微環(huán)境。

2 文物展柜微環(huán)境控制研究現(xiàn)狀分析與問題的提出

鑒于文物展柜微環(huán)境是影響文物存儲(chǔ)的重要因素,針對(duì)于文物展柜涉及的微環(huán)境控制技術(shù)研究早已開展多年。相關(guān)的研究技術(shù)成果也早已被相關(guān)的文物展柜設(shè)計(jì)制造商應(yīng)用到實(shí)際的展柜產(chǎn)品當(dāng)中。當(dāng)前最為典型也是最為直接的微環(huán)境控制實(shí)際應(yīng)用即是在文物展柜中安裝針對(duì)微環(huán)境參數(shù)的相應(yīng)監(jiān)測(cè)與調(diào)節(jié)控制設(shè)備,例如針對(duì)文物展柜的溫濕度調(diào)節(jié)控制,有些展柜加裝了恒溫恒濕儀,實(shí)現(xiàn)溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)控與動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)；針對(duì)有害氣體調(diào)節(jié)控制,則添加對(duì)應(yīng)的空氣成份監(jiān)測(cè)儀與空氣凈化裝置等[2]。

通過對(duì)已有的技術(shù)手段進(jìn)行調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的微環(huán)境調(diào)控技術(shù)與手段在兩個(gè)方面存在著不足之處：一方面是多數(shù)文物展柜微環(huán)境控制設(shè)備存在著配置單一、缺乏集成性、整體性管控能力弱的缺點(diǎn),具體之處體現(xiàn)在微環(huán)境的控制只能實(shí)現(xiàn)某種類型的微環(huán)境因素檢測(cè)與控制,無法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的、集成化監(jiān)測(cè)與控制；另一方面則是當(dāng)前文物展柜生產(chǎn)設(shè)計(jì)中對(duì)微環(huán)境控制方面的技術(shù)應(yīng)用還是側(cè)重于被動(dòng)方式的微環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)與調(diào)整,設(shè)計(jì)理念與當(dāng)前文物保護(hù)所提倡的主動(dòng)預(yù)防保護(hù)模式背道而馳。例如當(dāng)前主流的溫濕度監(jiān)測(cè)調(diào)控模式采用的理念是當(dāng)設(shè)備食品檢測(cè)到溫濕度值超過一個(gè)閥值后系統(tǒng)才能監(jiān)測(cè)報(bào)警并進(jìn)行反向調(diào)節(jié)操作,而不能針對(duì)相關(guān)的微環(huán)境參數(shù)變化主動(dòng)對(duì)微環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化予以預(yù)測(cè)并進(jìn)行前瞻性管控,也就無法真正地實(shí)現(xiàn)預(yù)防性微環(huán)境調(diào)控。

3 解決問題的思路

針對(duì)當(dāng)前技術(shù)研究在以上文物展柜微環(huán)境控制過程中存在的兩方面主要問題,本文探討與分析了利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及動(dòng)態(tài)耦合模型綜合解決上述兩方面問題的技術(shù)思路,探索當(dāng)前技術(shù)條件下解決文物展柜微環(huán)境控制的技術(shù)解決方案[3]。

(1)建立統(tǒng)一多源性微環(huán)境感知平臺(tái),實(shí)現(xiàn)微環(huán)境下感知數(shù)據(jù)的集成。

作為新一代的信息化處理技術(shù),將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于展柜微環(huán)境控制是當(dāng)前文物保護(hù)研究的重要發(fā)展方向,這種融入更是為傳統(tǒng)功能單一文物展柜向智能化展柜的發(fā)展與突破奠定了良好的新技術(shù)基礎(chǔ)。融入了物聯(lián)網(wǎng)的微環(huán)境控制文物展柜具有了良好的文物預(yù)防性保護(hù)功能,具體而言可以體現(xiàn)在兩方面的基本功能：一方面是可以實(shí)現(xiàn)展柜微環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),主要是針對(duì)溫度、濕度、各類氣體含量、光照與有害生物的監(jiān)測(cè)；另一方面則是對(duì)不符合文物保存環(huán)境的因素進(jìn)行調(diào)節(jié),以達(dá)到文物保存的最佳微環(huán)境。

本文技術(shù)以書籍、字畫類和金屬材質(zhì)類中兩類文物展柜的微環(huán)境為研究實(shí)例,設(shè)計(jì)研發(fā)集成溫度、濕度、有害氣體、光照、紫外線以及微生物傳感器的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的多源性微環(huán)境感知試驗(yàn)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)對(duì)文物展柜微環(huán)境的整體性數(shù)字化監(jiān)測(cè),并在集成平臺(tái)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)微環(huán)境下多種環(huán)境感知數(shù)據(jù)的自動(dòng)分類與初步集成。

(2)構(gòu)建修正后多源性環(huán)境感知數(shù)據(jù)與文物環(huán)境穩(wěn)定性的耦合建模。

在綜合有效地監(jiān)測(cè)文物展柜內(nèi)微環(huán)境的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的前提下,構(gòu)建相關(guān)環(huán)境參數(shù)與文物微環(huán)境穩(wěn)定狀態(tài)變化的動(dòng)態(tài)耦合模型,預(yù)測(cè)微環(huán)境穩(wěn)定狀態(tài)的變化,調(diào)控微環(huán)境控制機(jī)制,可以實(shí)現(xiàn)文物展柜微環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、精細(xì)控制,使之成為文物預(yù)防性保護(hù)的“護(hù)城河”。

本系統(tǒng)采用的技術(shù)思路是以展柜微環(huán)境下測(cè)得的各類多源性環(huán)境感知數(shù)據(jù)為自變量,對(duì)文物展柜微環(huán)境的穩(wěn)定程度作為因變量,構(gòu)建展柜微環(huán)境下的“時(shí)間-環(huán)境感知數(shù)據(jù)-穩(wěn)定性變化”三維動(dòng)態(tài)耦合模型。并應(yīng)用基于RBF人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)方法對(duì)微環(huán)境下不同階段的環(huán)境感知數(shù)據(jù)建立預(yù)測(cè)和SPC統(tǒng)計(jì)過程設(shè)計(jì)模型,提前預(yù)知階段性微環(huán)境影響數(shù)據(jù),利用預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)造均值-極差控制圖,進(jìn)行微環(huán)境穩(wěn)定性預(yù)判,進(jìn)而進(jìn)行智能化精確性微環(huán)境控制,提高展柜微環(huán)境控制的精確度。

4 系統(tǒng)研究采用的關(guān)鍵技術(shù)介紹

本系統(tǒng)在總結(jié)以往微環(huán)境監(jiān)控與調(diào)節(jié)的技術(shù)研究基礎(chǔ)之上,重點(diǎn)在環(huán)境數(shù)據(jù)誤差修正、環(huán)境數(shù)據(jù)的三維動(dòng)態(tài)耦合模型構(gòu)建方面進(jìn)行了研究與應(yīng)用。

(1)文物展柜微環(huán)境監(jiān)測(cè)中多源性環(huán)境感知數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償與解析修正。

當(dāng)前微環(huán)境下的環(huán)境數(shù)據(jù)感知與獲取較多的研究還是集中于溫度、濕度等環(huán)境因素,而對(duì)有害氣體、光照、紫外線、有害生物的監(jiān)測(cè)還有較大的短板。很重要的原因即是這些環(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著著較強(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)確的體現(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(cè)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(cè)過程中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)誤差,提出一種面向多源性環(huán)境感知的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法與混合信號(hào)解析方法,優(yōu)化展柜微環(huán)境相關(guān)傳感器的響應(yīng)特征。通過設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模型,對(duì)展柜微環(huán)境中的多源性環(huán)境感知數(shù)據(jù)進(jìn)行特征分析,提高多源性傳感器的動(dòng)態(tài)特性與傳感效率,減少多源傳感器在微環(huán)境監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)誤差和漂移,進(jìn)一步地提升展柜微環(huán)境監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性[4]。

(2)構(gòu)建展柜微環(huán)境下的“時(shí)間-環(huán)境感知數(shù)據(jù)-穩(wěn)定性變化”三維動(dòng)態(tài)耦合模型。

項(xiàng)目研究的重要目標(biāo)即是實(shí)現(xiàn)對(duì)文物展柜微環(huán)境穩(wěn)定性的預(yù)防性保護(hù),傳統(tǒng)的實(shí)施策略僅是對(duì)環(huán)境感知數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與分析,受采樣頻率與感知數(shù)據(jù)修正延遲的原因,微環(huán)境穩(wěn)定性的變化監(jiān)控存在明顯的滯后。因此本項(xiàng)目在監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行多源環(huán)境感知數(shù)據(jù)采集與修正的基礎(chǔ)上引入“時(shí)間-環(huán)境感知數(shù)據(jù)-穩(wěn)定性變化”三維動(dòng)態(tài)耦合模型,通過模型中的時(shí)間維度進(jìn)行微環(huán)境穩(wěn)定狀態(tài)的模擬研判,真正實(shí)現(xiàn)文物預(yù)防性保護(hù)的根本目的。系統(tǒng)利用“時(shí)間-環(huán)境感知數(shù)據(jù)-穩(wěn)定性變化”三維動(dòng)態(tài)耦合模型對(duì)微環(huán)境穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行精確度保障,其先進(jìn)性在于動(dòng)態(tài)耦合模型會(huì)隨著時(shí)間、穩(wěn)定性測(cè)量指標(biāo)、測(cè)量方法等進(jìn)行動(dòng)態(tài)漂移。本系統(tǒng)在研究設(shè)計(jì)時(shí)著重考慮分析了模型誤差的來源,以此構(gòu)建出適當(dāng)?shù)男ＵＰ蜋C(jī)制,增加動(dòng)態(tài)耦合模型的可移植性,不僅可以應(yīng)用在文物展柜的微環(huán)境精確控制層面,對(duì)于類似的多參數(shù)、高復(fù)雜性的環(huán)境數(shù)據(jù)集成與控制都可以得到較的實(shí)際應(yīng)用[5]。

(3)微環(huán)境監(jiān)測(cè)控制平臺(tái)的微型化與集成化設(shè)計(jì)。

本展柜微環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)的初衷即是實(shí)現(xiàn)多種展柜微環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、分析處理以及精確調(diào)控,具體的環(huán)境參數(shù)包括溫度、濕度、有害氣體濃度、光照強(qiáng)度、紫外線強(qiáng)度、煙霧、振動(dòng)、有害生物等八項(xiàng)指標(biāo)。因此本系統(tǒng)研究與開發(fā)所涉及的環(huán)境參數(shù)傳感器種類較為繁雜多樣,如果只是對(duì)每項(xiàng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行單獨(dú)的監(jiān)測(cè)與調(diào)控進(jìn)行設(shè)備與儀器配置會(huì)導(dǎo)致空間占用率大以及美觀受損的情況發(fā)生,同時(shí)各類設(shè)備信號(hào)彼此間的干擾影響也較大,對(duì)監(jiān)測(cè)的精度與穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。因此,本文從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā),在設(shè)計(jì)方案上對(duì)其進(jìn)行設(shè)備微型化、集成化以及無線網(wǎng)絡(luò)化處理。

5 系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用效果

通過與相關(guān)文物展柜制造廠商合作,該文物展柜系統(tǒng)最終研發(fā)成功并進(jìn)入實(shí)際量產(chǎn)階段,在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了詳盡的環(huán)境測(cè)試之后,相關(guān)文物展柜產(chǎn)品已被實(shí)際應(yīng)用到部分博物館展柜的布設(shè)工程當(dāng)中。通過后續(xù)的產(chǎn)品服務(wù)調(diào)研,該型產(chǎn)品與普通的文物展柜產(chǎn)品在以下兩方面存在著明顯的優(yōu)勢(shì)。

(1)新技術(shù)與產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用較好地提升了文物展柜微環(huán)境監(jiān)測(cè)與調(diào)控效果。新型文物展柜的實(shí)際應(yīng)用獲得了用戶的一致好評(píng),尤其是一些地處復(fù)雜天氣地理環(huán)境下對(duì)文物所處環(huán)境要求較高的文物保護(hù)展示單位,通過實(shí)際監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)新型展柜的微環(huán)境調(diào)控指標(biāo)有了大幅度的提升,控制精度較高,對(duì)文物在復(fù)雜環(huán)境下的保護(hù)起到了較好作用。

(2)系統(tǒng)集成性較高且預(yù)置系統(tǒng)再開發(fā)與網(wǎng)絡(luò)連接端口,擴(kuò)展性較好。展柜產(chǎn)品依托現(xiàn)有成熟的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā),具有較好的系統(tǒng)兼容性與擴(kuò)展性。該系統(tǒng)可以較好地與展館內(nèi)已有的安防系統(tǒng)、展示系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián),并可以通過無線網(wǎng)絡(luò)連接模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程無線操控。

6 小結(jié)

基于動(dòng)態(tài)耦合模型的展柜微環(huán)境精確調(diào)控系統(tǒng)是本次校企技術(shù)合作的技術(shù)成果之一,通過該技術(shù)的研究與運(yùn)用為傳統(tǒng)文保企業(yè)由勞動(dòng)密集型的展柜制造行業(yè)發(fā)展為高科技方向的文物預(yù)防護(hù)性質(zhì)的展柜“智造”進(jìn)行了有益探索。