大同懸空寺監測預警信息系統的設計與實現

張渾平

摘 要：通過對懸空寺的文物本體病害及依存環境影響的評估分析，結合懸空寺當前的保護工程情況，制定科學合理的懸空寺本體及環境監測預警體系，確定監測手段、監測技術、監測設備，利用計算機通信技術、物聯網技術、互聯網技術等高新技術手段，建立一套符合懸空寺保護管理的監測預警信息系統（涉及文物保護、監測和管理幾個方面），同時與懸空寺保護研究相結合，不斷完善監測預警體系，使懸空寺保護和監測達到科學化、規范化、信息化，實現能夠量化地、準確地、完整地、科學地反映懸空寺保存、保護狀況。

關鍵詞：懸空寺;監測預警信息系統;設計

1 研究背景

1.1 研究對象

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、清三代均對懸空寺進行過修繕，現存建筑為明清時期所建，是國內僅存的佛、道、儒三教合一的獨特寺廟。1957年，懸空寺被列為山西省重點文物保護單位。1982年，懸空寺被列入第二批全國重點文物保護單位。

1.2 特殊結構

懸空寺以西為正，大門朝南，整個建筑由南向北擴建而成，越往北地勢相對越高越狹窄。寺院由三部分組成，每部分有一座三層的樓閣，內設懸梯連接（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，分別被設置在兩個閣樓和一條棧道下面。其實，真正把懸空寺懸在巖壁上的是棧道，當時的工匠在懸崖上開鑿石孔，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。其中的力學原理是以半插的橫梁為基礎，借助巖石的托扶，回廊欄桿、上下梁柱緊密相連形成了一個木質框架式結構，也增加了抗震度。利用這種力學原理采取懸空方式的建筑在國內少有，顯示出古代人民掌握的物理力學知識，為古建筑建設方式和類型增添了優秀的材料。

1.3 保存現狀評估

懸空寺歷經千年，受大風、溫差等自然因素影響，部分建筑的木構件出現裂隙，尤其是支撐整個廟宇的承重橫梁。橫梁嵌入峭壁，無法從外部直觀辨別受損和支撐情況。由于寺廟沒有地基作為支撐，一旦橫梁出現問題則寺廟建筑的安全就存在很大的隱患。

懸空寺歷經多次大小修補，現在的情況可以說大災得以控制、小病害不斷。懸空寺主體建筑殘損情況統計如表1所示。

1.4 影響因素分析

通過現場的調研分析，懸空寺的影響因素如表2所示。

1.5 監測預警信息系統建設的必要性

懸空寺作為國內現存唯一的佛、道、儒三教合一的獨特寺廟，其價值意義非常重要。目前科技信息化水平已經應用在眾多文化遺產保護的管理和預防性保護預警工作中，而且效果非常顯著，對于解決管理人員少、沒有統一的管理制度和信息化的管理水平、不能提前預防文物受損的保護工作來說，建設懸空寺的監測預警平臺意義非常重大。游客行為影響、本體木質結構穩定性、本體保存環境三者是懸空寺監測預警的基礎構成，也是為管理者提供科學的依據和預防性保護預警的直接支撐。整理懸空寺現有基礎資料，對于整體的管理質量也有很大幫助。

2 系統設計與實現

2.1 系統建設目標

系統建設的目標是通過對懸空寺的文物本體病害及依存環境影響的評估分析，結合懸空寺當前的保護工程情況，制定科學合理的懸空寺本體及環境監測預警體系，確定監測手段、監測技術、監測設備，利用計算機通信技術、物聯網技術、互聯網技術等高新技術手段，建立一套符合懸空寺保護管理的監測預警信息系統（涉及文物保護、監測和管理幾個方面），同時與懸空寺保護研究相結合，不斷完善監測預警體系，使懸空寺保護和監測達到科學化、規范化、信息化，實現能夠量化地、準確地、完整地、科學地反映懸空寺保存、保護狀況。

2.2 監測體系建設

2.2.1 本體結構監測體系建設

我們梳理確定了懸空寺本體監測的內容和對應監測手段如表3所示。

2.2.2 保存環境監測體系建設

針對懸空寺的保存環境，我們梳理了環境監測體系內容，如表4所示。

2.3 系統架構設計

懸空寺監測預警信息系統基于.NET技術，使用SQL Server數據庫。考慮到系統各功能模塊間的相互關系及用戶使用特點，系統的作業模式定義為B/S模式，采用MVC模式進行分層。服務器端支持Windows操作系統并且能夠保證系統運行效率，支持IE、谷歌等主流瀏覽器。

根據懸空寺的監測體系內容，將懸空寺監測預警信息系統劃分為文物信息管理、監測管理、預警管理、決策支持管理、系統維護管理、人工巡查、公共參與服務及展示七個子系統。同時，配置相應的數據庫管理系統及標準保障體系，實現對懸空寺綜合信息的集成管理，滿足信息服務調用、數據存儲、數據備份、數據應用等方面的需求。

懸空寺監測預警信息系統平臺架構圖如圖3所示。

2.4 系統功能實現

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信息管理及保護項目管理模塊。基礎信息數據主要有懸空寺的基礎特征（包括地理位置、氣候、土壤等自然特征）、修繕保護的歷史、保護范圍及標志、保護管理機構狀況（機構情況、人員變更）、記錄檔案狀況等。保護項目管理模塊主要是動態記錄懸空寺保護項目的實施進展情況，按照時間順序標記保護展示與環境整治工程，對已完成的保護項目的效果進行評估。

對以上信息進行調查、梳理后，按照文物保護單位工作的相關標準和規范建立數據庫，導入相關電子文檔，同時對展示的類別、指標、內容、安全以及不同用戶的權限進行統一管理和維護。

2.4.2 監測管理模塊

監測管理模塊由監控節點、工程節點和客戶端三部分組成。監控節點連接傳感器硬件設備，通過網絡（無線/GPRS）傳輸數據;工程節點用于系統設置的服務器;客戶端通過工程節點動態瀏覽的監控運行情況，記錄所有實時數據，客戶端用于實時數據和動態畫面的顯示，并允許管理員配置傳感器、確認預警信息等。

監測管理模塊是懸空寺動態監測預警管理系統的核心，包括文物本體監測、文物環境監測、游客量監測三個方面。

①文物本體監測。懸空寺古建筑結構的核心為十根承重橫梁，系統中文物本體監測含有振動監測處理模塊、位移監測處理模塊、傾斜監測處理模塊。通過模塊對懸空寺文物本體分析振動、位移（傾斜和沉降）、承重的數據、作用時間、峰值、動力響應規律等。

以懸空寺鼓樓振動和傾斜監測為例分析，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頻率在-5～5mg范圍內。分析圖6、圖7可以得知鼓樓東邊立柱的傾斜數據，其中X軸數值保持在1.7°左右，Y軸數據保持在3.07°左右。通過連續6個月的數據積累和對比分析（表5、表6），可以得知鼓樓振動和傾斜保持在規律的變化范圍之內，對于本體而言，保持在整體相對穩定的范圍之內。

②客流量監測。針對主要的游客影響因素，實施了客流量的實時監測。分析客流量的實時數據以及本體的傾斜和振動數據，當數值達到預警值時，采取控制客流量的方法實現文物的保護管理。通過圖8可以得知當天各個時段進出及當前在懸空寺游覽的人員數量，結合各類監測指標，形成聯動的監測分析體系。

通過圖9可以對懸空寺近幾個月的數據進行統計和對比分析，同時可以和歷年同時間的數據進行環比，對游客數量統計或監測保護工作都有很重要的建設意義。

2.4.3 預警管理模塊

確定威脅懸空寺文物本體、環境的因素，制定預警指標體系和評估標準，發布預警信息。預警管理模塊的包括預警設置、預警查詢與處理模塊等功能模塊。

通過監測系統的數據整合、對比、研究，并結合國家相關監測參數制定標準，得到適合懸空寺的預警指標，參考相關標準和規范，確定各項指標的預警閾值，對預警進行分級。沒有相關標準的，在進一步分析后向專家請教評估，形成指導建議，對預警閾值進行確定。當監測值超過預警閾值時，系統以紅色標示顯示在屏幕上，觸發相關工作處理流程給相關管理人員，相關人員處理結束后將處理結果反饋給預警管理系統進行存檔。系統提供相應的報表可以輸出、打印。

2.4.4 決策支持模塊

決策分析主要是對系統采集的數據進行關聯監測分析以及年度監測報告的系統自動化生成。可以進行監測對象的聯動分析，主要是對系統實時監測數據通過雙坐標的方式進行關聯分析、統計，通過關聯對比，進而得出不同監測內容的一些內在聯系。每次關聯分析可選擇最少一項、最多兩項監測內容，多個監測點進行關聯分析，可以選擇同比、環比選項，點擊分析后，系統將按照篩選條件展示單、雙坐標軸進行關聯數據分析，并得出簡單分析結論。可將篩選條件、統計圖及分析結論導出至Word文檔。

2.4.5 系統管理模塊

本子系統面向管理人員，實現系統管理、維護，是整個系統運行的基礎支撐，包含組織機構管理、角色管理、用戶管理、功能菜單管理、參數設置、設備管理和日志管理等八個模塊。

2.4.6 人工巡查模塊

系統對需要人工巡查的監測項目進行設置、排班，巡查人員按照巡查線路，在移動設備的軟件客戶端錄入相關信息，信息傳輸到系統。管理員在系統中可以查詢信息，向移動設備客戶端發送指令。

2.4.7 公共參與服務及展示模塊

公共參與服務和展示模式是為加強懸空寺與公眾交流的平臺，有利于宣傳懸空寺，樹立懸空寺的良好形象，形成懸空寺品牌影響力。公眾參與主要通過館內主題活動、線上互動展示、線上互動游戲、新媒體、社交網絡等，讓觀眾在體驗中娛樂、在娛樂中體驗，真正做到寓教于樂，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 結語

懸空寺保護管理工作面臨的主要問題是古建筑沒有地基、結構靠橫梁承載，木材老化、病害增加都會極大地威脅懸空寺的健康和完整性。同時寺廟鄰近水庫、隧道，游客眾多，環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，在保護工作中需要實時掌握懸空寺本體的結構狀況及保存環境的變化，通過對各項監測對象的數據積累和研究分析，達到預防性保護的目的，同時結合人工巡查及第三方研究，形成懸空寺監測保護的大數據平臺，為懸空寺的保護管理工作保駕護航。