物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在北京德勝門箭樓文物建筑監(jiān)測中的應用

王 萌

（北京中軸線遺產(chǎn)保護中心（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。在以往的保護程序中，保護人員往往根據(jù)經(jīng)驗或人工測量數(shù)據(jù)來判斷是否進行干預。在科技高度發(fā)達的今天，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以提供實時量化的數(shù)據(jù)依據(jù)并自動預警，幫助遺產(chǎn)保護人員進行科學的判斷。

在國內(nèi)一些文化遺址中做了一些將物聯(lián)網(wǎng)應用于文物保護方面的嘗試。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，實時監(jiān)測展室中的溫度、濕度、光照度等各項環(huán)境指標[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的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測體系在六和塔成功實踐[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)實時監(jiān)測[3]。這些案例中的監(jiān)測目標較單一，且傳感器的布設多為有線數(shù)據(jù)傳輸方式，布線復雜。

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)絡對德勝門箭樓建筑群周邊振動影響、周邊環(huán)境變化、承重柱傾斜、構(gòu)件相對位移、裂縫變化、結(jié)構(gòu)變形等進行實時自動化監(jiān)測。感知網(wǎng)絡采用無線自組網(wǎng)方式可以最大限度地避免管線安裝對古建筑的破壞。云服務中心集中處理數(shù)據(jù)的模式可以使遺產(chǎn)保護人員通過終端電腦或手機實時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)絡層、應用層、用戶層。

感知層：負責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、應力應變、裂縫、振動等監(jiān)測傳感器[4]。傳感器節(jié)點不僅具有數(shù)據(jù)采集能力，而且具有無線通信能力。

網(wǎng)絡層：通過無線感知網(wǎng)絡、通信網(wǎng)絡將感知層采集到的傾斜、位移、應力應變、裂縫、振動等數(shù)據(jù)準確無誤地傳送到系統(tǒng)后臺。

應用層：在云服務中心上，系統(tǒng)平臺的功能模塊對經(jīng)過網(wǎng)絡層傳輸過來的感知層數(shù)據(jù)進行多維關(guān)聯(lián)分析、處理，探索影響因素的變化對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防性保護提供科學依據(jù)。

用戶層：用戶通過終端設備遠程監(jiān)測，實時判定出德勝門箭樓建筑現(xiàn)狀的健康程度，能及時、自動地進行報警，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)可以實現(xiàn)自動監(jiān)測、實時交互、多重分級預警、系統(tǒng)配置、系統(tǒng)管理、預警管理、維護管理等功能，主要由無線感知網(wǎng)絡體系和云服務中心構(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

無線感知網(wǎng)絡是根據(jù)德勝門箭樓建筑群前期勘察結(jié)果并結(jié)合周邊環(huán)境影響進行設計的。前端傳感器采集周邊振動影響、周邊環(huán)境變化、承重柱傾斜、構(gòu)件相對位移、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，對德勝門箭樓建筑群周邊振動影響、周邊環(huán)境變化、承重柱傾斜、構(gòu)件相對位移、裂縫變化、結(jié)構(gòu)變形等進行實時自動化監(jiān)測。

無線感知網(wǎng)絡通過先進的傳感技術(shù)實時、自動監(jiān)測結(jié)構(gòu)本體響應及相關(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，實現(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，實現(xiàn)人與物、物與物的聯(lián)通和交互，同時疊加原有的通信網(wǎng)構(gòu)成了整個物聯(lián)網(wǎng)體系[6-8]。

前端傳感器系統(tǒng)對德勝門箭樓文物建筑進行結(jié)構(gòu)體外部變化監(jiān)測、傾斜監(jiān)測、相對位移監(jiān)測、應力應變監(jiān)測、裂縫變化監(jiān)測、周邊振動影響監(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，主要針對建筑物的整體基礎沉降、整體結(jié)構(gòu)水平位移，使用全自動測量機器人加小棱鏡進行監(jiān)測。采用全站儀坐標法，在德勝門城墻東、西兩個方向建設測量基準墩，在基準墩上安裝全自動測量機器人，在德勝門箭樓文物建筑的各層各邊檐上安裝觀測小棱鏡，全自動測量機器人定時、自動采集各小棱鏡坐標，通過對比棱鏡各時刻坐標數(shù)據(jù)，分析建筑物基礎沉降、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，實時、自動采集傾斜變化情況，系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)對比、處理、判斷建筑物整體傾斜情況。

（3）相對位移監(jiān)測

構(gòu)件間的連系對結(jié)構(gòu)整體性起著至關(guān)重要的作用，若節(jié)點間連系失效會造成結(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，實時監(jiān)測各連接處構(gòu)件相對位移變化情況，判斷連接處安全狀態(tài)。

（4）應力應變監(jiān)測

在各建筑主梁、柱上布設應力應變傳感器，實時、自動采集各梁、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，實時、自動采集裂縫數(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)復雜，距離地鐵二號線和二環(huán)線僅100 m，箭樓南側(cè)和北側(cè)均設立公交站，四周被公路包圍，車流量較大，車輛通行產(chǎn)生的振動對德勝門箭樓建筑群結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響需要實時監(jiān)測。在各建筑單體承重梁上安裝振動傳感器，實時、自動采集振動數(shù)據(jù)，分析周邊工業(yè)振動對建筑群各單體結(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、雨量計、風速采集系統(tǒng)一套，實時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)絡將數(shù)據(jù)傳送到云服務中心。

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)級物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)[9-10]。采用高性價比、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)絡接收傳感器數(shù)據(jù)并進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，通過GPRS 網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務中心。通過LoRa 收發(fā)模塊與前端傳感器組成無線自組網(wǎng)絡，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)境復雜、布線困難的場合。

2.2 云服務中心

云服務中心在云端接收數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)傳送的數(shù)據(jù)后進行分析處理，作為終端用戶的遺產(chǎn)保護人員通過終端設備連接到云服務中心進行遠程監(jiān)測。云服務中心由數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、分析與預警系統(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)庫服務器組成，對監(jiān)測信息和原始信息進行統(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上，分析與預警系統(tǒng)進行監(jiān)測信息的識別，自動結(jié)合實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、輸出安全評定得分，得出結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)等級，判別健康狀態(tài)。分析與預警系統(tǒng)采取分級預警的方式，及時發(fā)出分級預警信號，具有多地點、多事件的并發(fā)預警功能，能夠?qū)ΡO(jiān)測對象的故障預警信息進行集中監(jiān)測和管理，實現(xiàn)對預警數(shù)據(jù)的實時采集和集中監(jiān)測，準確定位故障。

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)實現(xiàn)了通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時掌握德勝門箭樓文物建筑群的結(jié)構(gòu)安全數(shù)據(jù)，可實時查詢、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)安全影響因素對德勝門箭樓文物建筑的作用機理，實現(xiàn)德勝門箭樓文物建筑危險估計，最大限度地提高德勝門箭樓文物建筑群的保護水平。未來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在文化遺產(chǎn)保護領(lǐng)域有很大的應用空間，值得人們不斷地探索。