基于物聯網技術的古建筑監控與保護

楊靜 馬虹

(1.江蘇省蘇州市吳江區住房和城鄉建設局；2.中外建設信息有限責任公司)

古建筑既是具象的史書，也是人類不可多得的傳世藝術。中國的古建筑，在世界建筑史上無疑占有著無與倫比的地位，它不但具有極高的歷史價值，還有其獨一無二的意義和風格，兼具科學和藝術的雙重價值。中國傳統建筑的璀璨文化，不應僅僅存活在歷史記憶中，更應該在當下時代背景中發揮自己獨特的實用、藝術、歷史文化價值。然而也正是因為其具有的歷史遺留性、不可再造性，一旦遭到人為或不可控的外力破壞就會導致無法挽回的損失。作為古建筑的傳承人和守護者，我們應該重新理解和重視中國古建筑的現狀和地位，更好的保護中國古代建筑[1]。近些年來，物聯網技術的出現與應用為更好的解決這些問題帶來了新的可能性，基于傳統的古建筑保護方式，本課題將物聯網技術、通信技術與其相結合，我們成功解決了古建筑管理中關于實時監測、預警、故障分析以及安全管理等事前管理問題，實現了防患于未然，為古建筑的長期保護和管理提供了有效的技術解決方案。

1.研究背景

物聯網（Internet of Things）是信息化發展的重要發展階段，也是互聯網的應用拓展。物聯網四處開花，不斷地滲入人們的生產和生活，任何事物只要嵌入一個微型傳感設備，就可以與網絡連接在一起，搭建一個人類社會和物理系統的整合平臺，人類可以以更加精細和智能的方式管理生產和生活，實現資源優化配置，無論我們是否察覺，物聯網正悄然改變著我們的生活。

物聯網的幾項關鍵技術是物聯網得以廣泛應用的最主要原因。它們主要是：傳感器技術、RFID 標簽和嵌入式系統技術。

傳感器技術，作為多學科交融的核心技術，橫跨傳感器設計、信息處理和識別等多個領域，是科技創新的重要交匯點。嚴格來說，傳感器是一種設備，用于測量特定類型的物理變量，并能將這些變量轉換成電子設備可識別的電子信號。除了電源外，傳感器還包含敏感元件和轉換元件等關鍵組件。在計算機處理中，我們只能識別數字信號，因此物聯網的廣泛應用需要有將傳感器中的模擬信號進行轉換的技術。

RFID 即Radio Frequency Identification，是為射頻識別技術，俗稱電子標簽。RFID 系統是由標簽（Tag）、閱讀器（Reader）和應用軟件系統組成。它的應用模式是通過發出的射頻信號自動識別目標對象并獲取其儲存的相關數據。目前，它已在物理管理領域得到了廣泛的應用。

2.研究現狀

古建筑是人類物質文明和精神文明的結晶，是歷史的饋贈，而中國古建筑保護與各地方經濟發展存在不同程度的不協調問題。社會現代化、城鎮化背景下的現代工業不斷發展，這不可避免的給人類社會尤其是古建筑文物帶來的一定程度的污染和破壞。要解決歷史古建筑的安全保護問題，除了加強傳統的維保工作，更有許多專家學者在數字化保護、監控技術等方面進行了深入的研究，在小型建筑和小范圍建筑群中取得了重要成果。

歷史上不同時期，政府部門都有出臺相關政策來保護古建筑免受破壞，減輕毀損。而對古建筑的保護卻很難取得實質性的進展，具有重要歷史意義的古建筑遭到火災等毀損的事情常有發生。

隨著我國城市化的快速推進，城市的古建筑保護工作受到了城市建設和經濟發展的多重挑戰。然而，在政府的積極倡導和有識之士的共同努力下，我們已經建立了一套完善的法律法規和工作機制，并在古建筑保護方面取得了顯著的成果。相繼設立了4 批歷史文化保護區，建立了文物保護單位制度，加強了歷史古建筑的保養、維修、利用和管理。然而城市化進程中的古建筑保護狀況卻還是不容樂觀，例如大量城市古建筑因維護環節薄弱而面臨毀損。究其原因，主要有行政執法力度不嚴、少有借助新技術手段來助力古文物建筑保護。然而古建筑保護是一項系統的工作，需要結合社會各界的力量和智慧。我們需借助計算機、物聯網等相關技術來實現對古建筑所處環境以及古建筑構建的監測與分析，建立古建筑在線監控平臺和修復評估體系。

傳統的古建筑保護方式中，文物保護單位忽視對建筑物的分析和研究，大多只注重古建筑帶來的經濟效益，而沒有實時掌握古建筑的狀態信息，對一些能夠提前發現的異常信息沒有及時排查，導致不能及早發現故障，加大了修復的難度。而發現故障后的古建筑修繕工作也是被動進行，“恢復原貌”的難度極大。

專家建議采用先進的技術手段，包括三維激光掃描測量、數字圖像處理和虛擬現實等，以推動古建筑的數字化管理和保護工作。H.Sternberg 等使用三維激光掃描技術對漢堡市政大廳內的 Kaisersaal 和Grober Festsaal 兩個有著悠久歷史的大廳進行了三維掃描并建立了模型[2]；C.Altuntas使用三維激光掃描技術為 Konya 考古博物館進行了測量和建模，用彩色和灰度模式可視化了由點云生成的表面模型；國內清華大學使用三維激光掃描儀對山西陵川縣西溪二仙廟的部分建筑和北京的佛光寺東大殿進行了掃描，繪制出了梁架平面、剖面理想圖，并與現狀點云作比，從而得出量化的殘損變形評估[3]。盡管這些技術為測量手段帶來了顯著的改進和豐富，但仍無法滿足對古建筑進行高精度全方位普查的嚴苛需求。

RFID 技術，因其強大的實用性，通過實現自動識別功能，已被公認為21 世紀最重要的十大技術之一。此外，它在物流管理、公共安全等工業和生活領域的成功應用，進一步證明了其廣泛的影響力和價值。隨著RFID 技術的不斷進步和標準化程度的日益提升，整個RFID 產業鏈都將實現顯著的增強和發展。基于RFID 技術的產品將不斷拓展其應用范圍，為各行各業帶來更加廣泛和深遠的影響。目前，西方國家已經在傳感器芯片等RFID 技術方面取得了極其豐富的研究成果。但是，國內RFID 技術發展稍有欠缺，起步晚起點低，市場發展不完善。但RFID 技術產業自應用以來極大促進了生產力的進步，政府和企業已經無法忽視這一技術帶來的便利。本文我們將它引入到古建筑保護這一常談常新的領域，會對古建筑保護比傳統保護方式帶來無可比擬的優勢。

值得一提的是，物聯網技術與5G 技術的融合為物聯網的發展注入了新的動力。5G 的到來極大地促進了物聯網技術的發展，使得物聯世界更加豐富。此外，邊緣計算也為物聯網系統提供了強大的支持，通過減少網絡延遲，提高了可靠性和實時決策能力。

3.研究內容與意義

3.1 研究內容

本文設計實現的古建筑監控與保護系統主要方案是：古建筑各部位物聯網技術的軟硬件設計、5G 技術融合應用于古建筑的保護、BIM 技術在古建筑保護與修復中的運用、以及應用管理平臺的搭建。

（1）古建筑各部位物聯網技術的軟硬件設計

物聯網技術通過各類傳感器和監控設備，能夠實時收集古建筑的環境參數、結構狀態等信息，如溫度、濕度、位移、應力等。這些數據對于了解古建筑的健康狀況、預測潛在風險至關重要。同時，物聯網技術還能實現遠程監控和實時報警，一旦古建筑出現異常情況，如裂縫擴大、結構變形等，系統能夠立即發出警報，提醒管理人員及時采取措施。古建筑RFID感知節點能夠實時監測古建筑的環境信息，如虎丘塔各個塔角的水平度、溫濕度，橫梁的壓力、塔尖的水平度等，并將基礎數據信息通過無線傳送給離古建筑一定距離的RFID 閱讀器，供系統讀取分析。RFID 閱讀器用來識別古建筑RFID 感知節點，并對應接收其傳送的數據。服務器端軟件的主要功能在于監聽閱讀器所傳輸的數據，并將其進行存儲和展示。

圖1 RFAMS系統體系結構

（2）5G 技術融合應用于古建筑的保護

5G 技術的引入，為物聯網在古建筑保護中的應用提供了更強大的網絡支持。5G 技術以其高速率、低時延和大連接數的特點，使得古建筑保護中的數據傳輸更加高效和穩定。通過5G 網絡，古建筑監測數據可以實時傳輸到云端或遠程控制中心，為管理人員提供及時的決策支持。同時，5G 技術還可以支持更多的設備接入，使得古建筑保護中的物聯網應用更加廣泛和深入。

在具體應用中，物聯網技術與5G 技術可以共同實現以下功能：管理人員可以通過5G 網絡，對古建筑保護設備進行遠程控制和管理，如調整傳感器參數、查看實時數據等。物聯網技術與5G 技術還可以與古建筑保護的其他技術相結合，如虛擬現實（VR）、增強現實（AR）等，為古建筑保護提供更加全面和豐富的手段。通過VR 技術，可以重現古建筑的歷史風貌，為公眾提供更加沉浸式的體驗；通過AR 技術，可以在古建筑上疊加虛擬信息，為游客提供更加豐富的解讀。

（3）BIM 技術在古建筑保護與修復中的運用

BIM 技術則以其強大的建筑信息建模能力，為古建筑保護與修復提供了精準的數據支持。物聯網技術與BIM 技術的融合，可以建立古建筑的數字化模型，準確記錄其結構、材料、裝飾等詳細信息。這不僅有助于我們更深入地了解古建筑的歷史和文化價值，還能為修復工作提供精確的指導。BIM 技術還能實現古建筑的三維可視化，使得修復方案更加直觀、易于理解。一方面，物聯網技術收集到的實時數據可以與BIM 模型進行關聯，使得模型能夠動態反映古建筑的實際情況。這有助于管理人員更加精準地把握古建筑的健康狀況，制定更加科學的保護策略。另一方面，通過BIM 技術的模擬和優化功能，可以對修復方案進行多次驗證和調整，確保修復工作的準確性和有效性。

（4）應用管理平臺的搭建

本文設計的古建筑保護系統呈現給古建筑管理單位的是一個應用管理軟件平臺，用于獲取和分析古建筑各部位(溫濕度、光照度、壓力、水平度等)數據。在管理軟件的設計上采用實用的MVC 分層模式，由通常意義上的表現層、業務邏輯層和數據訪問層三層架構組成[3]。同時應用軟件作為一種用戶與系統間的橋梁，旨在根據用戶的不同需求和應用目的，提供全面且精準的數據分析服務。

3.2 研究意義

基于RFID 技術的古建筑保護為實時監控古建筑各個部位的狀態信息提供了新的方式。傳統方式下的古建筑保護無法直接感知古建筑各部位的基礎數據信息，當古建筑發生隱患問題時無法及時準確判斷其原因。古建筑常見的故障包括臺基松動、移位，墻體傾斜或有裂縫，木架構折斷、腐朽等等，這些問題一旦發生會給古建筑帶來極大的破壞力，給古建筑的日常維護和故障修繕工作帶來了一定的難度。在課題研究中，技術人員通過專用的閱讀器，能夠輕松地獲取古建筑出現的異常信息，這為古建筑的破損診斷與修繕工作提供了極大的便利。此外，古建筑上的RFID保護板不僅起到保護作用，還存儲了豐富的古建筑歷史數據和信息，為研究和保護這些文化遺產提供了寶貴的資料。，是古建筑管理單位和歷史學家的重要原始數據資料。

本課題研究基本實現了城市中古建筑物、遺跡在線管理功能。隨著公眾對文化遺產保護重要性的日益認識和相關法規體系的不斷完善，古建筑保護工作逐漸展現出更高的規范性和效率，確保了這些珍貴歷史遺產得以長久保存并傳承下去。古建筑群管理問題主要體現在遠程監控、安全保護、預警分析、維護決策等方面。本課題研究是古建筑監控管理方面進行的重要探索，尤其是在古建筑損壞異常報警和故障預警方面，包括在管理系統平臺之上可以在線實時查詢古建筑各部位的當前溫濕度、壓力狀況以及維修記錄等。總的來說，本課題研究確實為古建筑監控與保護提供了高效可行的方案。

傳統的古建筑保護方式多以定期維修和事后維修的方式進行，一方面保護單位十分被動；另一方面則是不能及時的找出古建筑遭到破壞的原因。本文所設計的古建筑保護系統能夠為古建筑的維保爭取最佳的時間節點。

4.研究結果與討論

4.1 研究結果

本研究通過實施基于物聯網技術的古建筑監測與保護方案，得出了一系列重要的發現。這些發現不僅驗證了物聯網技術在古建筑保護中的有效性，還為未來的研究和實踐提供了寶貴的參考。

（1）實時監控與預警能力的顯著提高

通過部署在古建筑上的傳感器網絡，我們能夠實時采集溫度、濕度、振動等關鍵參數的數據。與傳統的定期巡查和人工監測相比，這種實時監測方式不僅大大提高了數據的獲取速度，還能夠捕捉到一些傳統方法難以發現的問題。此外，當監測數據超過預設的安全范圍時，系統能夠立即發出預警，提醒管理人員采取相應的措施。這種預警能力使得古建筑的保護工作更加主動和及時。

（2）數據分析與處理的重要性

在數據處理與分析中心，我們利用相關算法對接收到的數據進行分析和處理。通過對這些數據的深入分析，我們能夠更加全面地了解古建筑的實時狀況，包括其結構安全、環境狀況等。這種數據分析能力不僅為古建筑的保護工作提供了科學依據，還為后續的維護和修復提供了數據支持。

（3）物聯網技術的可靠性與穩定性

在實驗中，我們驗證了物聯網技術在古建筑監測與保護中的可靠性與穩定性。即使在惡劣的環境條件下，傳感器網絡和數據傳輸網絡仍然能夠正常工作，確保數據的實時傳輸和處理。這種可靠性和穩定性為古建筑的長期監測與保護提供了有力保障。

（4）系統優化的必要性

雖然本研究取得了一定的成果，但我們也發現了一些系統優化的必要性。例如，針對某些特殊環境條件下的古建筑，可能需要定制更加精確的傳感器和更加靈活的數據處理算法。此外，隨著物聯網技術的不斷發展，未來我們還可以探索更多的應用場景和應用模式，如利用大數據和人工智能技術實現對古建筑狀況的更加精準預測和評估。

綜上所述，基于物聯網技術的古建筑監測與保護方案具有顯著的優勢和潛力。通過不斷優化和完善系統的設計和實現，我們有望為古建筑的保護工作提供更加高效、科學和可靠的解決方案。

圖2 FRAMS平臺主要界面

4.2 問題討論

盡管物聯網技術在古建筑監測與保護中展現出了巨大的潛力和優勢，但在實際應用中仍然存在一定的局限性。以下是對這些局限性的詳細展開：

（1）技術與成本限制

盡管物聯網技術不斷發展，但某些高級傳感器和設備的成本仍然較高，這對于一些資金有限的古建筑保護項目來說可能構成較大的經濟壓力。此外，某些特殊環境條件下的古建筑可能需要定制化的監測解決方案，這進一步增加了技術和成本的復雜性。

（2）數據處理與分析的挑戰

隨著監測數據的不斷積累，如何有效地處理和分析這些數據成為了一個挑戰。需要開發更加高效和準確的數據處理算法，以實現對古建筑狀況的精準評估和預測。同時，隨著數據量的增加，數據安全和隱私保護也成為一個不可忽視的問題。

（3）依賴性問題

物聯網技術依賴于穩定的網絡連接和數據傳輸。然而，在某些偏遠地區或古建筑內部環境較為復雜的情況下，網絡的穩定性和數據傳輸的可靠性可能受到影響。這可能導致監測數據的丟失或延遲，從而影響對古建筑狀況的準確判斷。

（4）人員技能與培訓需求

物聯網技術的應用需要具備一定的技術知識和操作技能。然而，目前古建筑保護領域的人才儲備可能不足以滿足這一需求。因此，需要加強相關人員的技能培訓和知識更新，以確保他們能夠熟練掌握和應用物聯網技術。

綜上所述，基于物聯網技術的古建筑監測與保護在實際應用中仍然面臨一些局限性。為了克服這些局限性并推動物聯網技術在古建筑保護中的更廣泛應用，需要不斷進行技術創新、成本優化、人才培養和合作交流等工作。

5.總結與展望

5.1 總結

本課題所設計的RFAMS 古建筑管理系統，從功能層面劃分，主要包含多個關鍵方面：

一是古建筑各部位的狀態信息采集，通過安裝在古建筑各部位的感知節點實時采集古建筑的狀態信息。利用RFID 技術可以實現各部位狀態的無線訪問。

二是古建筑的異常信息預警和報修。古建筑狀態信息每隔一定時間通過閱讀器上傳至服務器，而且服務器中保存有各部位狀態信息的預警閾值，例如水平度的合理范圍、溫濕度的正常變化區間等，一旦有存在異常，如屋檐部分積水過多且長時間無法排出時，感知節點將異常的濕度值傳送到服務器，服務器監測到異常，發出預警，提示管理人員濕度值異常。這就使得管理人員能夠有針對性的排除故障，及時保護古建筑的安全。

5.2 展望

本文設計的古建筑監控與保護系統已經基本實現了給文物保護單位帶來監控與管理的效用，但該系統在還存在一定的改進空間，主要有以下：

（1）古建筑感知模塊多樣性。本文設計的古建筑保護板能夠保護古建筑各個關鍵部位，適用于類似結構的古建筑監控。而古文物除了大型建筑之外，還有小型建筑和文物、字畫之類的，這就需要其他合適的感知節點來感知。

（2）ZigBee 實現組網通信。本文中閱讀器與感知節點之間采用點對點的射頻通信方式，能夠實現古建筑基礎數據與閱讀器的數據收發，但是不能連接整棟建筑物的各個節點進行組網。通過實現ZigBee 組網功能，各個感知節點之間將能夠構建起一個通信網絡，這一網絡不僅顯著擴大了無線通信的覆蓋范圍，而且極大地增強了系統的整體功能，使得整個系統表現更為卓越和高效。

（3）應用管理軟件豐富化。本文所設計的RFAMS 系統，其核心目標在于實現古建筑的有效管理。在此過程中，應用管理軟件扮演著至關重要的角色，它作為直接與用戶和管理人員進行交互的接口，確保了系統功能的順暢實現和用戶需求的滿足本文闡述了一個基礎性的應用管理軟件，來實時監測古建筑關鍵部位的溫濕度、水平度和壓力等基礎數據。我們可以使用數據挖掘算法對其進行分析，充分發掘古建筑數據可用性，推測可能發生的問題，從而提前發現問題解決問題。

（4）人工智能的應用。隨著大量數據的收集、沉淀、積累，利用深度學習和圖像識別技術，人工智能可以自動識別古建筑可能出現的損傷或異常情況，并及時發出預警。這不僅提高了古建筑保護的效率，還降低了人為監測可能帶來的誤差。通過大數據分析，人工智能可以對古建筑的歷史、文化價值進行深入研究，為文化遺產管理提供決策支持。同時，人工智能還可以利用無人機和機器視覺技術對古建筑進行全天候監控，及時發現并處理潛在的破壞行為。