基于物聯網技術的徐達墓石刻保護監測系統

摘" 要：石刻文物常年暴露在外，環境因素是造成文物損害的一個關鍵因素。物聯網技術的應用為文化遺產保護提供了新的方法。物聯網技術可以實現對文化遺產的實時監測和數據傳輸，從而及時發現文化遺產的損壞和破壞行為，并采取相應的措施進行保護和修復。文章在分析明功臣墓徐達墓石刻保護現狀的基礎上，基于南京市文化遺產保護研究所石刻保護監測項目的實施， 介紹了采用物聯網技術對明中山王徐達墓內神道進行保護的監測系統架構及實施效果，以期今后在文物保護中更為深度地應用物聯網技術提供參考。

關鍵詞：物聯網；石刻保護；環境和本體監測

中圖分類號：K878.8" " " "文獻標志碼：A

DOI：10.19490/j.cnki.issn2096-698X.2023.03.067-074

Abstract： Stone carvings are exposed all year round， and environmental factors are key to causing damages to cultural relics. The application of Internet of Things （IoT） technology provides new methods for cultural heritage protection. The Internet of Things technology can achieve real-time monitoring and data transmission of cultural heritage， thereby allowing timely detection of damages and destructions of cultural heritage， and taking corresponding measures to protect and repair them. On the basis of analyzing the current protection condition of the stone carvings of the prominent Ming Dynasty official Xu Da’s tomb， and based on the stone carvings protection monitoring project implemented by the Nanjing Institute of Cultural Heritage Protection， this article introduces the monitoring system structure and implementation results of using Internet of Things technology to protect the “divine path” in Xu Da Tomb， in order to provide reference for application of Internet of Things technology in cultural relic protection in the future.

Keywords： internet of things；stone carving protection；environmental and ontology monitoring

明太祖朱元璋為祈求明王朝帝系萬世，十分注重死后葬身之地的選擇與營建。有“我一人居鐘山之陽，功臣陪葬鐘山之陰”的構想，欲使眾多開國元勛在他死后仍能忠實地守護在他四周。因此，南京紫金山周圍分布著徐達、李文忠、常遇春、吳良、吳禎等眾多明初開國功臣墓。由于歷代兵火與人為破壞，明代開國功臣墓的地面建筑多已無存，唯有神道石刻得以相對完整地保存下來，其中明中山王徐達墓是保存較為完整的一座，成為探究明初喪葬制度與雕刻藝術的重要實物遺存，因此對其進行可靠保護顯得尤為重要。

以往在對文化遺址保護過程中，由于普遍通過肉眼觀察、事后干預等傳統方式，缺乏完備的手段對文物相關實時信息進行提前收集，導致文物保護相關信息的獲取具有片面性、滯后性，文物與環境影響因素的關系把握不明確，當文物本體發生異常時，無法及時應對解決問題。同時傳統的保護技術或保護系統在文物監管、保護研究、開放管理等方面的聯系不緊密、各部分工作相對獨立、缺乏高效協調，造成對文化遺址保護工作的效率低下[1]。

物聯網，簡單地說就是物與物之間相連的互聯網，是通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統等各類信息傳感設備，把存在的任意某物品與互聯網相連接，進行信息傳輸和交換，以實現對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。自國際電信聯盟《ITU互聯網報告2005：物聯網》正式提出了物聯網這一概念[2]后，尤其是在2009年中國開始大力發展物聯網技術以來，其應用越來越廣泛，在文物保護環境監測系統中展現出了高精度、高可靠性和高效性等優點，降低了相關監測成本，提高了相關監測精度和時效性，成為當下文化遺產保護的新方法。與之相應的相關行業標準也在陸續出臺，2017—2021年，國家文物局相繼出臺包括《考古發掘現場環境監測規范》《館藏文物預防性保護裝備通信協議一致性測試通用方法》等17項相關行業標準，伴隨著相關技術的進步，在今后的文物環境監測研究中，相關的設備數量、技術標準將呈現井噴式的爆發[3]。國家文物局副局長宋新潮預測：“物聯網在文化遺產的保護、研究、展示和價值傳播等方面有著廣闊的應用空間，它也將引領文化遺產保護與管理走進新時代。” [4]

為此，本文在分析明功臣墓徐達墓石刻保護現狀的基礎上，基于南京市文化遺產保護研究所石刻保護監測項目的實施，介紹了采用物聯網技術對明中山王徐達墓內神道進行保護的監測系統架構及實施效果，以期今后在文物保護中更為深度地應用物聯網技術提供有效參考。

1" "物聯網技術在文化遺產保護監測中的

應用

將物聯網技術最早應用在文物保存環境監測工作中的是歐美。自20世紀90年代起，包括英國紐伯里桑達木紀念教堂、加拿大多倫多大學藝術博物館、意大利佛羅倫薩博物館等眾多國家就已經開始安裝環境監測系統，利用物聯網技術對文物進行環境監測，但基本是針對室內的展廳、展柜的微環境監測[5]。與歐美國家相比，雖然我國物聯網在文物環境監測中應用起步稍晚，但由于受到國家政策的支持，“以物聯網技術為核心，在激烈的競爭中迅速建立了‘感知中國’中心”。各文博單位，在國家文物局的系統部署下，把人防、物防、技防有機地結合在一起，探索物聯網技術在文物保護中的應用路徑，開辟了更為廣泛的應用空間和前景。全國各文物保護管理單位相繼開展了物聯網技術支撐下的文物本體及環境的監測工作。如2007年，敦煌研究院和浙江大學聯合開發的敦煌莫高窟環境監測預警系統，可以實時監測莫高窟10個開放洞窟的溫濕度及4個洞窟的二氧化碳濃度變化[6]。此外，敦煌莫高窟基于物聯網技術還建設了的微環境監測與游客流量監測系統，實現了智能接待，如果微環境監測到某些指標超標，監控中心會自動報警，向前方發出提示信息，謝絕游客進入。陜西歷史博物館、西安市漢長樂宮遺址保護區、西安市長安區鳳棲園漢張安世墓葬遺址、麥積山石窟、西藏羅布林卡、南京金陵大報恩寺遺址等地也都相繼搭建了環境監測系統，通過對遺址所處地區水文地質勘察及遺址本體理化性質的分析，結合監測數據，分析掌握遺址病害發展的變化規律，從而為管理單位提供應對措施及管理辦法，解決實際問題。

2" "明功臣墓徐達墓石刻保護現狀

明中山王徐達墓園是目前圍繞南京鐘山地區現存明功臣墓中神道石刻保存較為完好的一座明初功臣墓，也是南京市博物總館下屬分支機構南京市文化遺產保護研究所辦公地點所在之處，由專人負責保護。2002年，明中山王徐達墓與明岐陽王李文忠墓作為明孝陵的陪葬墓同時列入《世界遺產名錄》。2006年5月25日被中華人民共和國國務院作為明孝陵擴展項目明功臣墓（并入明孝陵）公布為第六批全國重點文物保護單位。徐達墓內神道石刻現存有石牌坊與神道碑各一，石羊、石虎、石馬、文臣、武士各二（圖1）。這些石刻雕鏤無不透露著雄渾、古樸、不尚浮華的風格特征，展現了明初石雕藝術的水平；石刻的種類與數量對研究明代功臣墓喪葬制度具有重要價值。神道石刻精美華麗，工匠們刀法嫻熟，線條流暢，充分采用浮雕、透雕等技藝，代表了明初石雕藝術的最高水平，也是中國古代石雕藝術的瑰寶。

然而由于石刻年代久遠，且均為露天保存，又地處南京，氣候潮濕多雨，石刻本體出現了明顯的病害，亟須建立科學有效的監測系統，開展長期、連續的數據采集，給后期開展的石刻預防性保護提供科學的數據支撐。

3" "石刻文物監測系統需求分析

石刻文物常年暴露在室外，直接面對自然環境中的風吹日曬雨淋，遭受了不同程度的風化與損害。因此，了解文物本體周邊的微環境以及微環境與大環境的聯系是對文物環境監測的重點。而微環境從主體來看，又受2個方面的影響：復雜多變的自然環境與相對可控的人為環境干擾。除此以外，對文物本體的監測也是必不可少的關鍵一環。該監測需求與物聯網感知層功能符合，而感知層、網絡層、應用層3個部分組成了物聯網技術的系統架構。感知層為物聯網系統提供了數據基礎，感知層的關鍵是傳感器，傳感器可以獲取被測對象的物理、化學或生物特性生成模擬信號，并進行模數轉換生成對應的數字量，通過串口設備等對數字量進行采集，最后通過傳輸層轉發到應用層。網絡層是物聯網的中間環節，客觀上實現了物物連通。應用層在物聯網系統中實現的是末端用戶的業務和功能，隨著云計算的發展，還需進行海量的數據存儲和數據處理，對應用層提出了更高要求。

因此，將物聯網技術應用于石刻文物保護領域，即在文物環境監測中構建傳感器網絡，通過在文物周邊設置的多個傳感器節點，收集文物所在地區的有關數據，在監測區內感知層實現由“點到網”的結構，完成對環境參數的數據采集、初步分析與存儲，實現對文物本體與其所在環境信息的全方位感知，并將監控終端與網絡相連，將采集的數據通過無線通信方式實時地傳輸至監控終端。應用層利用大數據技術對采集數據進行分析和處理，挖掘病害的產生與發展趨勢及其與保存環境間的直接關系。文物保護管理人員能夠通過監控終端查詢所需的數據，對文物的健康狀態進行監測及評價，了解文物安全狀態，為文物的保護工作提供數據支撐，從而達到對文物環境的實時監測和環境預警[7]，也為文物保護工作提供有力的理論和技術依據。

物聯網技術核心與石刻文物保護需求之間的關系，從感知層、網絡層、應用層一一對應來看，可以表述為文物監測、數據傳輸與處理、保護研究（圖2）。

具體可歸納為5種需求。

（1）保護優先原則，傳感器等信息采集設備必須不能對文物本體及文物周邊微環境造成影響。

（2）具有信息采集，數據處理能力。主要是對自然環境信息（大氣溫濕度、光照度、紫外強度、風速、風向、降水強度、土壤溫度、土壤水分含量監測等）、人為環境信息（安消防狀態、開放時期游客流量分布等），以及文物本體狀況（石刻本體振動、傾斜、沉降、位移等發展狀況）等信息的采集。

（3）具有超低功耗及安全可靠的網絡生存期。

（4）具有數據存儲及遠程訪問功能。能將大量數據進行校準、入庫、保存，并滿足管理人員遠程監控傳感器網絡和數據的離線查詢，監控用戶可以隨時隨地通過網頁、手機APP小程序等移動客戶端查看數據詳情，數據通過多種可視化技術進行展示，從而讓數據統計和導出功能得以實現。

（5）具備預測報警機制。通過對存儲數據進行篩選、分類整理、比較分析與統計，在深度處理的基礎上，實現數據的比對關聯分析，有效預知文物結構、周邊環境變化趨勢，實現預防性保護。設置合理的報警閾值，當監測數據達到提前設置的報警閾值時可進行自動報警，保障文物的安全性。

4" "石刻環境物聯網監測系統的設計

4.1" "系統架構

圖3為明功臣墓徐達墓石刻文物監測系統架構。最底層是部署在實際監測環境中的傳感器節點，向上依次是基站，最終連接到Internet[7]。通過各傳感器節點完成對石刻周邊溫濕度、風速、風向、降水強度、光照度、紫外線強度、土壤溫度、土壤水分含量，及本體的傾斜、沉降等數據的采集，經匯聚點匯聚后，通過Internet送給監控中心進行存儲、分析和處理，從而完成了對這些數據的實時監測。

4.2" "數據采集

數據采集可分為環境信息采集和文物本體信息采集2種。

（1）環境信息采集。在徐達墓園區內，安裝了小型大氣環境監測氣象站（圖4），主要監測石刻所在環境內的大氣溫濕度、風速、風向、降水強度、光照度、紫外線強度、土壤溫度、土壤水分含量等，每幾分鐘采集一次數據并傳輸給服務器。

另外，設置多個水位監測點，對園區內的地質條件進行監測，主要包括地表水水位及地下水水位變化監測預警，掌握文物保存環境地質條件；在低洼易積水區設置超聲液位計，對文物存放區地表水水位情況進行監測；利用投入式液位計對文物存放區地下水位情況進行監測等。

（2）文物本體信息采集。主要包括石刻本體振動、傾斜、沉降、位移等發展狀況監測，防止文物的傾斜或坍塌，保證石刻的穩定性。

為最大限度地降低監測工作對石刻文物產生的不必要影響，采用采集、傳輸為一體的無線振動、傾角傳感器分別對文物動力響應及結構變形進行實時監測預警。根據現場情況，分別將無線振動、傾角傳感器安裝在各單體石刻文物基座上。在徐達墓園神道碑、石馬、石羊、石虎上各設置1個沉降監測基準點，在附近相對穩定位置設置1個基準點。利用激光位移計對各石刻本體監測對象（徐達墓園石武將和石文臣）位移情況進行監測（圖5）。在徐達墓園石武將和石文臣周邊墻體上安裝激光位移計，將光束打到文物上。

5" "數據與分析

將采集到的龐雜數據進行分析，掌握石刻周邊的環境變化情況，找出蘊含的趨勢，提前預測文物安全狀態及可能發生的異常情況。

傳感器采集的數據圍繞實現的不同功能進行分析，主要包括可視化分析、發現分析和預測分析，其中可視化分析基于數據采集實現，發現分析和預測分析則通過統計分析和機器學習等高級分析技術實現（圖6）。

可視化分析指的是對采集的數據根據需求進行一系列處理，最終把數據內容生成圖表等管理人員能理解且界面友好的形式。

發現分析的目的是從數據中找出復雜的傾向和因果關系，并將其轉化成需要的內容，采用機器學習的高級算法。機器學習領域匯集了眾多技術，這些技術都是基于采集的大量數據來學習數據的傾向并作出判斷，從而幫助管理者發現問題。根據輸入的數據類型不同，機器學習算法可以簡單地劃分為“監督學習”和“非監督學習”2種。當用機器學習的算法讓計算機學習數據有傾向關系時，算法會根據用于學習的數據中是否含有“正確答案”的數據而有所不同。如：通過輸入正常數據范圍區間，當管理者接收到的數據不在區間范圍內，則表明發現了異常；另外一種非監督學習算法則不核實輸入的數據是否在正常區間范圍內，而是通過把握數據整體的傾向求同存異，在整體傾向中聚焦不同的數據，將其定義為“異常值”，從而幫助管理者發現異常。

預測分析重點聚焦致使環境發生變化的因素，經過分析，研究石刻現狀變化趨勢與規律，建立兩者之前的關聯性模型。確定威脅不同類型文化遺產的破壞因素，制定預警指標和評估標準，發布預警信息和專業評估報告[8]。

圖7中顯示了2021年7月至2022年7月環境氣象站監測數據：6、7月園內地表水位和地下水位均達最高，2022年4月下旬梅雨季節，降雨量達高峰。因此，園區內需要增加物業及安保工作人員的巡查頻次，重點關注地勢低洼處石羊底座的積水情況，必要時采取人工干預，加快排水。從石刻本體的振動、傾角各項數據分析顯示，均在可控范圍內，未出現明顯增大，石刻本體較為穩定。一旦，圖像出現有明顯的大角度偏移時，則需要引起監控室管理者的高度警覺與重視，核對現場，立即上報，各職能部門各司其職，經現場踏勘后，采取措施，排除險情，確保文物安全。

通過PC機的管理軟件為各個傳感器節點設定報警閾值，設置各傳感器節點的報警條件、報警動作及報警信號間隔，如按照《環境空氣質量標準》（GB 3095—2012），需對空氣傳感器節點設定報警閾值，其中報警條件設置如下：當SO2濃度每小時達到150 μg/m3，O3濃度每小時達到160 μg/m3時，節點開始根據提前設定的時間間隔給管理員發送警報郵件，這樣即使管理員不在監控室也可以通過移動端對石刻的環境進行監測。

6" "結束語

此次對徐達墓內的石刻建立基于物聯網的環境與本體監測系統，對于明功臣墓的保護研究，以及徐達墓所屬的南京市文化遺產保護研究所的日常管理工作都有著積極的現實作用，可操作性強，科學含量高，前期投入經費不算龐大，最重要的是對文物本體及周邊環境的影響盡可能地達到了最低。對文物保護工作人員來說，獲取數據及時準確，可隨時隨地掌控文物信息，并根據專業分析軟件，及時做出相應對策，將事前干預取代過去傳統的損壞后挽救，真正做到預防性保護。

石刻大多是直接暴露在室外，周邊環境復雜，明功臣墓中徐達、李文忠墓是相對保存較為完好的2座，有園區及專人保護，其余圍繞鐘山散布：仇成墓位于鐘山西北麓小山坡上，吳良、吳楨墓位于居民區內，環境特殊，出入不便。相比以往文物保護的環境監測方法，基于物聯網技術的石刻保護環境監測系統，無論在數據采集實時性、便捷性還是精準度上都體現出了不可替代的優越性。同時，物聯網技術對數據的管理與分析更是體現出了智能化的特點，為文物預防性保護與文物研究提供了科學的數據支撐，進而提升文物保護單位的管理水平。

將物聯網技術支撐下的環境監測系統與文物保護工作相結合，不僅能為石刻文物現場環境信息感知提供技術支持，而且對文物病害的產生發展規律研究、病因溯源、現場應急保護技術選擇提供數據支撐。這對今后開展石刻類不可移動文物的預防性保護工作具有可行的借鑒作用。

參考文獻

AMIRO B D.Microclimate for cultural heritage：Dario Camuffo，Elsevier，Amsterdam[J].Agricultural and Forest Meteorology，2002，111（4）：309.

胡向東.物聯網研究與發展綜述[J].數字通信，2010，37（2）：17-21.

詹長法.意大利文化遺產風險評估系統概覽[J].東南文化，2009，25（2）：109-114，129.

佚名.“文物保護領域物聯網與智慧博物館”[N].中國文物報，2022-12-14（008）.

李華.物聯網技術在秦始皇帝陵博物院環境監測中的應用[J].文物保護與考古科學，2020，32（4）：110-116.

石玉成，張杰.敦煌莫高窟主要病害及防治對策[J].西北地震學報，1997，19（2）：81-87.

任豐原，黃海寧，林闖.無線傳感器網絡[J].軟件學報，2003，14（7）：1281-1291.

澤金.世界文化遺產監測預警體系建設的必要性：以西藏羅布林卡為例[J].黃河黃土黃種人，2017，25（12）：31-34.