物聯網技術在北京德勝門箭樓文物建筑監測中的應用

王 萌

（北京中軸線遺產保護中心（北京世界文化遺產監測中心），北京 100051）

0 引 言

德勝門箭樓是明清北京內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。在歲月流轉中，德勝門箭樓文物建筑不可避免地出現沉降、裂縫、傾斜、位移、變形等問題。在以往的保護程序中，保護人員往往根據經驗或人工測量數據來判斷是否進行干預。在科技高度發達的今天，物聯網技術可以提供實時量化的數據依據并自動預警，幫助遺產保護人員進行科學的判斷。

在國內一些文化遺址中做了一些將物聯網應用于文物保護方面的嘗試。敦煌莫高窟的文物遺址現場安裝了環境監測采集器，用以采集溫度、濕度、二氧化碳等微氣象數據，建立了文物遺址環境監測數據服務系統。故宮博物院建立了智能文物環境監測系統，主要用于采集文物展室環境情況，實時監測展室中的溫度、濕度、光照度等各項環境指標[1]。以精密變形測量、光纖光柵在線監測輔以巡視檢查為基礎的結構安全監測體系在六和塔成功實踐[2]。秦始皇帝陵博物院將物聯網技術引入文物保存環境的常規實時監測[3]。這些案例中的監測目標較單一，且傳感器的布設多為有線數據傳輸方式，布線復雜。

在北京德勝門箭樓文物建筑監測中引入物聯網技術，使用前端傳感器與數據網關組成無線感知網絡對德勝門箭樓建筑群周邊振動影響、周邊環境變化、承重柱傾斜、構件相對位移、裂縫變化、結構變形等進行實時自動化監測。感知網絡采用無線自組網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據的模式可以使遺產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構安全數據，查詢、分析建筑群結構安全和發展趨勢。

1 德勝門箭樓文物建筑群結構安全性監測系統體系架構

在北京德勝門箭樓文物建筑監測中引入物聯網技術構建德勝門箭樓文物建筑群結構安全性監測系統，主要包含古建筑本體監測、周邊環境監測。德勝門箭樓文物建筑群結構安全性監測系統的構成包括感知層、網絡層、應用層、用戶層。

感知層：負責德勝門箭樓文物建筑狀態信息及周邊環境信息數據采集及感知，主要采用前端感知傳感器，包含傾斜、位移、應力應變、裂縫、振動等監測傳感器[4]。傳感器節點不僅具有數據采集能力，而且具有無線通信能力。

網絡層：通過無線感知網絡、通信網絡將感知層采集到的傾斜、位移、應力應變、裂縫、振動等數據準確無誤地傳送到系統后臺。

應用層：在云服務中心上，系統平臺的功能模塊對經過網絡層傳輸過來的感知層數據進行多維關聯分析、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。

用戶層：用戶通過終端設備遠程監測，實時判定出德勝門箭樓建筑現狀的健康程度，能及時、自動地進行報警，防止病害的發生。

2 德勝門箭樓監測中物聯網系統結構

德勝門箭樓文物建筑群結構安全性監測系統可以實現自動監測、實時交互、多重分級預警、系統配置、系統管理、預警管理、維護管理等功能，主要由無線感知網絡體系和云服務中心構成，如圖1所示。

圖1 德勝門箭樓文物建筑群結構安全性監測系統示意圖

2.1 無線感知網絡

無線感知網絡是根據德勝門箭樓建筑群前期勘察結果并結合周邊環境影響進行設計的。前端傳感器采集周邊振動影響、周邊環境變化、承重柱傾斜、構件相對位移、裂縫變化、結構變形等，并與數據網關組成無線感知網絡，對德勝門箭樓建筑群周邊振動影響、周邊環境變化、承重柱傾斜、構件相對位移、裂縫變化、結構變形等進行實時自動化監測。

無線感知網絡通過先進的傳感技術實時、自動監測結構本體響應及相關環境因素。結構本身具有自傳感、自監測的特性，能夠實現結構的智能監測，可實現提前探測結構本體殘損的發展或新殘損的產生[5]。無線感知網絡由前端傳感器系統、數據采集與傳輸系統組成。

2.1.1 前端傳感器系統

傳感網是物聯網的基礎，實現了物物信息的感知、采集，并通過以無線、寬帶為特征的傳輸網絡，實現人與物、物與物的聯通和交互，同時疊加原有的通信網構成了整個物聯網體系[6-8]。

前端傳感器系統對德勝門箭樓文物建筑進行結構體外部變化監測、傾斜監測、相對位移監測、應力應變監測、裂縫變化監測、周邊振動影響監測、周邊環境監測，采集文物建筑的物理量變。

（1）結構體外部變化監測

建筑物外部變化監測，主要針對建筑物的整體基礎沉降、整體結構水平位移，使用全自動測量機器人加小棱鏡進行監測。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據，分析建筑物基礎沉降、整體水平位移變化情況。

（2）傾斜監測

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，系統通過數據對比、處理、判斷建筑物整體傾斜情況。

（3）相對位移監測

構件間的連系對結構整體性起著至關重要的作用，若節點間連系失效會造成結構整體或局部變形、傾斜、失穩等殘損現象。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，實時監測各連接處構件相對位移變化情況，判斷連接處安全狀態。

（4）應力應變監測

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、柱受力數據，通過分析受力變化情況，并結合同時刻建筑沉降、傾斜等監測數據，判斷建筑物結構安全狀態，并預判發展趨勢。

（5）裂縫變化監測

德勝門箭樓建筑群木結構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、自動采集裂縫數據，了解其現狀，掌握其發展規律。

（6）周邊振動影響監測

德勝門箭樓文物建筑群地處交通要道，路網復雜，距離地鐵二號線和二環線僅100 m，箭樓南側和北側均設立公交站，四周被公路包圍，車流量較大，車輛通行產生的振動對德勝門箭樓建筑群結構穩定性的影響需要實時監測。在各建筑單體承重梁上安裝振動傳感器，實時、自動采集振動數據，分析周邊工業振動對建筑群各單體結構穩定性的影響。

（7）周邊環境監測

建筑周邊自然環境如降雨量、溫濕度、風速等也是影響建筑結構安全的重要因素。在建筑物周邊安裝溫濕度計、雨量計、風速采集系統一套，實時采集建筑周邊自然環境數據，結合其他傳感器數據，分析周邊自然環境對建筑結構安全的影響。

2.1.2 數據采集與傳輸系統

系統前端傳感器通過無線傳輸方式將采集的數據發送到數據網關，數據網關通過公用通信網絡將數據傳送到云服務中心。

數據網關是用于收集、處理和轉發傳感器數據的工業級物聯網網關[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 無線自組網絡接收傳感器數據并進行協議轉換，通過GPRS 網絡將數據傳輸到數據服務中心。通過LoRa 收發模塊與前端傳感器組成無線自組網絡，可以接收800 m 范圍內的傳感器數據，具有低成本、低功耗、高性能的優良特性，適合于惡劣環境下長期使用，尤其適用于監測現場環境復雜、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據網關傳送的數據后進行分析處理，作為終端用戶的遺產保護人員通過終端設備連接到云服務中心進行遠程監測。云服務中心由數據管理系統、分析與預警系統組成。

數據管理系統由數據庫系統及數據庫服務器組成，對監測信息和原始信息進行統一管理、處理、分析、查詢和顯示等。

在德勝門箭樓建筑模型基礎上，分析與預警系統進行監測信息的識別，自動結合實時監測數據、輸出安全評定得分，得出結構安全狀態等級，判別健康狀態。分析與預警系統采取分級預警的方式，及時發出分級預警信號，具有多地點、多事件的并發預警功能，能夠對監測對象的故障預警信息進行集中監測和管理，實現對預警數據的實時采集和集中監測，準確定位故障。

3 結 語

德勝門箭樓文物建筑群結構安全性監測系統實現了通過物聯網技術實時掌握德勝門箭樓文物建筑群的結構安全數據，可實時查詢、分析建筑群結構安全和發展趨勢；構建德勝門箭樓文物建筑模型，揭示建筑的結構安全影響因素對德勝門箭樓文物建筑的作用機理，實現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。未來物聯網技術在文化遺產保護領域有很大的應用空間，值得人們不斷地探索。