物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在歷史建筑保護中的應(yīng)用

魯月新 顏 宇 夏 君

(重慶市勘測院, 重慶 401120)

0 引言

黨和國家高度重視歷史文化遺產(chǎn)保護和弘揚中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化,重慶市根據(jù)政府工作報告要求,要延續(xù)城市文脈,留住重慶記憶,在2018年頒布并施行了《重慶市歷史文化名城名鎮(zhèn)名村保護條例》。在國家、重慶市加大保護名城、保護文物、保護古建筑的大背景下,積極探索利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)在歷史文物建筑的保護中開展應(yīng)用[1]。綜合利用大數(shù)據(jù)、視頻智能分析、物聯(lián)網(wǎng)、地理信息等技術(shù),實現(xiàn)對歷史建筑的全方位、立體化、實時保護[2],可為歷史建筑突發(fā)事件的預(yù)警、處理和原因追溯提供及時、可靠的數(shù)據(jù)與技術(shù)支撐,創(chuàng)新歷史建筑保護與管理的科技化、信息化手段,為歷史建筑保護工作者安上“千里眼”[3]、為歷史建筑裝上“護身符”。

隨著重慶市歷史建筑保護工作的推進,從多個批次歷史文化名鎮(zhèn)、歷史文化名村、歷史文化街區(qū)等中選取重點歷史建筑作為保護對象[4],持續(xù)推進更多歷史建筑納入監(jiān)管保護范圍。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在歷史建筑保護中的應(yīng)用,已覆蓋重慶市“一區(qū)兩群”8.24×104km2全市域范圍,超過140處歷史建筑已納入持續(xù)監(jiān)控保護。

1 建設(shè)框架設(shè)計

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方法助力重點歷史建筑保護工作,總體思路是選取全市重點建筑作為保護對象,利用智能攝像機、傾斜傳感器等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,對歷史建筑本身及周邊環(huán)境進行全天候的實時監(jiān)控,通過構(gòu)建的4G物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)體系[5],實現(xiàn)智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與歷史建筑監(jiān)控管理中心實時監(jiān)控數(shù)據(jù)、預(yù)警信息的交互,總體架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。將前置物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與歷史建筑監(jiān)控管理平臺無縫集成[6],建立歷史建筑監(jiān)控日常巡查、預(yù)警響應(yīng)機制,實現(xiàn)對歷史建筑實時監(jiān)控和預(yù)警防范,并定期自動生成監(jiān)控周期報告,為突發(fā)事件提供第一手資料。

圖1 總體框架設(shè)計圖

1.1 平臺硬件設(shè)備建設(shè)

利用圖像識別技術(shù)、動態(tài)捕捉技術(shù)、陀螺儀三軸檢測技術(shù)等實現(xiàn)對歷史建筑的智能預(yù)警,并將預(yù)警信息集成到歷史建筑監(jiān)控管理平臺中。當(dāng)歷史建筑發(fā)生墻體劇烈震動、墻體慢慢傾倒、關(guān)閉期間人員非法闖入、火災(zāi)等突發(fā)狀況時[7-8],自動發(fā)送對應(yīng)預(yù)警信息至歷史建筑監(jiān)控管理平臺,實現(xiàn)預(yù)警預(yù)報。安裝在歷史建筑前端的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備主要包括智能攝像機監(jiān)控設(shè)備和傾斜傳感器設(shè)備。

1.1.1 智能攝像機監(jiān)控設(shè)備

針對歷史建筑保護的需求,采用支持1080P的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機,能夠支持全天候全方位的高清監(jiān)控,要求設(shè)備支持H.264和H.264編碼,通過配備紅外感應(yīng)燈,實現(xiàn)24 h不間斷圖像錄制。集成到歷史建筑監(jiān)控管理平臺的智能攝像機信號優(yōu)先采用H.264編碼技術(shù),既能在視頻傳輸壓縮率方面顯著提升效率,又能保證視頻圖像清晰度[9]。平臺采用以網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(network video recorder,NVR)為單位的分散部署方式,通過直接對高清1080P格式的碼流進行錄像,做到“存即所看”的效果,并做到在斷鏈的情況下也能進行數(shù)據(jù)的可靠備份。

1.1.2 傾斜傳感器設(shè)備

本次選擇布設(shè)監(jiān)控設(shè)備的重點歷史建筑,部分在偏遠(yuǎn)山區(qū),網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋差,故選用4G低功耗傾斜傳感器,可以保障數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。傾斜傳感器采用4G物聯(lián)網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)通道,采用私有協(xié)議進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸。通過監(jiān)控管理平臺接收監(jiān)測數(shù)據(jù),并分析處理。用戶終端通過互聯(lián)網(wǎng)直接查看結(jié)果數(shù)據(jù),工作模式如圖2所示。

圖2 傳感器工作模式

傾斜傳感器集成高精度的陀螺儀、加速度計、地磁場傳感器,采用高性能的微處理器和先進的動力學(xué)解算與卡爾曼動態(tài)濾波算法,能夠快速求解出模塊的實時運動姿態(tài)[10],采用先進的數(shù)字濾波技術(shù),能有效降低測量噪聲,提高測量精度。用戶可自行設(shè)置報警值,當(dāng)超過報警值時,傾斜傳感器自動上報數(shù)據(jù)。傾斜報警通過4G網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控管理平臺發(fā)出警報,同時可發(fā)送預(yù)警信息到用戶移動手機終端,具有響應(yīng)速度快,監(jiān)控穩(wěn)定的特點。傾斜傳感器設(shè)備如圖3所示。

圖3 傾斜傳感器設(shè)備

1.2 網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)

構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)體系,用4G物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸方式,實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與歷史建筑監(jiān)控管理中心實時監(jiān)控數(shù)據(jù)、預(yù)警信息的交互。其中視頻信息的傳輸主要使用移動隧道傳輸技術(shù)。隧道技術(shù)是一種通過使用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施在網(wǎng)絡(luò)之間傳遞數(shù)據(jù)的方式,使用隧道傳遞的數(shù)據(jù)(或負(fù)載)可以是不同協(xié)議的數(shù)據(jù)幀或包。隧道協(xié)議將這些其他協(xié)議的數(shù)據(jù)幀或包重新封裝在新的包頭中發(fā)送,新的包頭提供了路由信息,使封裝的負(fù)載數(shù)據(jù)能夠通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳遞。被封裝的數(shù)據(jù)包在隧道的兩個端點之間通過公共互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進行路由,而被封裝的數(shù)據(jù)包在公共互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上傳遞時所經(jīng)過的邏輯路徑則稱為隧道[11]。數(shù)據(jù)傳輸體系采用4G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)智能攝像機監(jiān)控設(shè)備、傾斜傳感器設(shè)備與歷史建筑監(jiān)控管理平臺的數(shù)據(jù)交互,數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)圖

1.3 歷史建筑監(jiān)控管理平臺建設(shè)

歷史建筑監(jiān)控管理平臺是利用三維地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)技術(shù)進行開發(fā),建設(shè)的信息集成管理平臺,具有權(quán)限的用戶可以在平臺上直觀瀏覽監(jiān)控的歷史建筑分布、建筑精細(xì)模型瀏覽、查看物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等,在歷史建筑監(jiān)控管理中心即可實現(xiàn)歷史建筑遠(yuǎn)程巡查。平臺的主要功能包括三維地圖瀏覽、歷史建筑詳情介紹、歷史建筑精細(xì)模型查看[12]、智能攝像機監(jiān)控視頻接入、傾斜傳感器接入、預(yù)警信息展示、預(yù)警處理、遠(yuǎn)程管理前端設(shè)備、存儲重要錄像、定期生成監(jiān)控報告等。

針對歷史建筑保護的具體需求,制訂切實有效的保護響應(yīng)體系是歷史建筑保護的關(guān)鍵之一[13],契合推進智慧城市建設(shè)的時代要求。以歷史建筑監(jiān)控管理平臺為基礎(chǔ),建立歷史建筑監(jiān)控管理中心,實現(xiàn)“一個中心,分層管理,責(zé)任到人”的響應(yīng)機制,不斷提升防控水平,滿足對歷史建筑監(jiān)控區(qū)域進行全方位、立體化、及時響應(yīng)的需求,為切實保障歷史建筑安全、打造歷史文化名城提供基礎(chǔ)保障。

2 主要功能模塊實現(xiàn)

2.1 智能視頻監(jiān)控設(shè)備功能

在歷史建筑保護工作中,將智能視頻監(jiān)控設(shè)備與空間屬性索引關(guān)聯(lián),實現(xiàn)與歷史建筑綁定和空間位置的關(guān)聯(lián),遠(yuǎn)程對重點歷史建筑實行全方位的監(jiān)控管理,支持云臺控制、視頻定時抓拍。智能視頻監(jiān)控設(shè)備對歷史建筑及周邊環(huán)境進行實時監(jiān)控,隨著設(shè)備的安裝和布控的點位數(shù)量增多,就要求智能視頻監(jiān)控設(shè)備能夠安全、穩(wěn)定、持續(xù)的對歷史建筑起到有效的保護和預(yù)警。

選用的智能視頻監(jiān)控設(shè)備支持華為、紫光華智、大華、?？低暤戎髁饕曨l監(jiān)控廠商的SDK開發(fā),支持穿越圍欄、絆線入侵、區(qū)域入侵、物品遺留、快速移動、停車檢測、人員聚集、物品搬移、徘徊檢測多種行為檢測[14],并根據(jù)歷史建筑保護的應(yīng)用需求,實現(xiàn)應(yīng)用場景的定制。

2.2 傾斜傳感器功能

選用的傾斜傳感器采用全網(wǎng)通(LET)通訊,可遠(yuǎn)程端實時查看數(shù)據(jù),控制模塊,實現(xiàn)物聯(lián)。具有入網(wǎng)速度快延遲低,4G承載、防水、防塵、耐高溫等特點,能夠長期穩(wěn)定地對歷史建筑進行監(jiān)控。傾斜傳感器小體積、低功耗、好安裝,通過配置數(shù)據(jù)上傳時間間隔,可定期向歷史建筑監(jiān)控管理平臺上傳數(shù)據(jù),使用年限可達(dá)5年。傾斜傳感器實現(xiàn)的功能主要包括傾斜預(yù)警和溫度預(yù)警。

(1)傾斜預(yù)警。傳感器支持兩種算法,針對歷史建筑保護采用6軸算法,6軸算法的Z軸為相對角度,上電為0度,根據(jù)該角度進行測量。X、Y、Z軸角度報警,角度報警通過各個軸傾斜角度報警[15]。當(dāng)發(fā)生震動且震動傾斜幅度大于角度預(yù)設(shè)值時,傳感器將被喚醒,數(shù)據(jù)自動上傳到服務(wù)器,并在手機上提示報警。

(2)溫度預(yù)警。歷史建筑多為木質(zhì)結(jié)構(gòu),消防安全尤為重要,選用的傾斜傳感器具有溫度感知模塊,能夠測量實際環(huán)境的溫度情況,并上報服務(wù)器,自動提供火災(zāi)預(yù)警信息。

3 歷史建筑監(jiān)控管理平臺建設(shè)

3.1 平臺架構(gòu)

歷史建筑監(jiān)控管理平臺基于空間數(shù)據(jù)對歷史建筑監(jiān)控數(shù)據(jù)查詢和分析,平臺的架構(gòu)包含四個部分(如圖5所示),一是平臺支撐層,是平臺運行的軟硬件環(huán)境,包括物理設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)層的硬件支撐部分和平臺運行軟件支撐部分;二是數(shù)據(jù)層,主要包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫、歷史建筑專題數(shù)據(jù)庫、配置數(shù)據(jù)庫,通過對各類數(shù)據(jù)的收集和整理[16],建立一套完善的數(shù)據(jù)體系,為平臺提供全面的數(shù)據(jù)倉庫;三是應(yīng)用層,是用戶和數(shù)據(jù)的交互橋梁,包括電腦端展示、移動端展示和運維管理頁面,涵蓋面向用戶的所有應(yīng)用功能,實現(xiàn)與用戶的數(shù)據(jù)交互和頁面響應(yīng);四是用戶層,平臺主要包含三類用戶,遠(yuǎn)程監(jiān)控管理中心用戶,統(tǒng)一管理全市納入管理的歷史建筑;歷史建筑對應(yīng)的管理用戶,掌握管理職責(zé)范圍內(nèi)的歷史建筑狀況;平臺管理員用戶對軟件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)等進行管理維護。

圖5 平臺架構(gòu)圖

3.2 歷史建筑監(jiān)控管理平臺功能

歷史建筑監(jiān)控管理平臺是以地理信息為支撐,既是作為整個歷史建筑保護工作的數(shù)據(jù)支撐,又是作為管理工作的展示窗口,實現(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)航、查詢統(tǒng)計、輔助決策的作用。將地圖、歷史建筑、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進行了整合?？傆[儀表盤直觀地展示所有監(jiān)控數(shù)據(jù),包括接入的歷史文化資源、已監(jiān)控的歷史建筑數(shù)、已布控視頻監(jiān)控點數(shù)、傾斜監(jiān)控點數(shù)、視頻預(yù)警數(shù)、傾斜預(yù)警數(shù)和已處理預(yù)警數(shù)等。

歷史建筑監(jiān)控管理平臺功能主要包括智能視頻監(jiān)控設(shè)備功能集成、傾斜傳感器功能集成和監(jiān)控管理平臺功能建設(shè),平臺功能如圖6所示,監(jiān)控管理平臺功能建設(shè)能實現(xiàn)歷史建筑定位查詢、多源數(shù)據(jù)聚合瀏覽、監(jiān)控視頻實時瀏覽、地圖報警、移動終端巡查、監(jiān)控報告自動生成等功能。

圖6 平臺功能圖

4 平臺實現(xiàn)效果

重慶市歷史建筑管理平臺的建設(shè)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在歷史建筑保護中的創(chuàng)新應(yīng)用,在全市選取140余處重點歷史建筑,通過對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安裝調(diào)試,無縫集成到歷史建筑監(jiān)控管理平臺中,實現(xiàn)了所有區(qū)縣的全覆蓋,對重要歷史建筑形成了全面實時的保護。利用圖像自動識別技術(shù)、動態(tài)捕捉技術(shù)、陀螺儀三軸檢測技術(shù)等實現(xiàn)對歷史建筑的智能預(yù)警,并將預(yù)警信息集成于歷史建筑監(jiān)控管理平臺中。當(dāng)歷史建筑自身結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重變形坍塌、人員侵入、火災(zāi)等突發(fā)狀況時,自動將智能化物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的發(fā)出預(yù)警信息發(fā)送至監(jiān)控管理平臺。監(jiān)控管理平臺將預(yù)警信息匯聚展示于監(jiān)控預(yù)警表盤,管理人員可以打開監(jiān)控預(yù)警的列表,查看預(yù)警詳細(xì)情況,并按照預(yù)警處置機制進行預(yù)警處理。同時可利用平臺提供的報告自動生成工具,定期自動生產(chǎn)管理情況報告并報送到歷史建筑監(jiān)控管理中心,節(jié)約了大量人力投入,提高了協(xié)同工作效率,實現(xiàn)對歷史建筑全面、統(tǒng)一的管理保護。

5 結(jié)束語

為加強對歷史建筑的保護,利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),通過在歷史建筑安裝智能視頻監(jiān)控攝像機、傾斜傳感器等智能網(wǎng)聯(lián)設(shè)備,構(gòu)建4G物聯(lián)網(wǎng)傳輸方式,實現(xiàn)智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與歷史建筑監(jiān)控管理中心實時監(jiān)控數(shù)據(jù)、預(yù)警信息的數(shù)據(jù)交互。利用地理信息技術(shù)作為承載基礎(chǔ),建設(shè)歷史建筑監(jiān)控管理平臺,將歷史建筑的分布和實時數(shù)據(jù)在地圖上直觀展示,實現(xiàn)高效直觀的信息展示、預(yù)警處理及信息查看。減少了歷史建筑保護的人力投入,提高了歷史建筑保護的信息化、智能化水平,在歷史建筑保護中有很好的示范作用。