莫高窟中心監(jiān)測(cè)大屏幕

莫高窟地下水位監(jiān)測(cè)器

團(tuán)隊(duì)人員在安裝第二代溫濕度二氧化碳監(jiān)測(cè)裝置

甘肅省酒泉市敦煌研究院里，工作人員正盯著一塊碩大的電子屏。“323窟，二氧化碳濃度1639ppm，溫度15.3℃，濕度37%……”一個(gè)個(gè)小綠點(diǎn)代表著洞窟內(nèi)溫濕度、二氧化碳濃度正常，而一旦達(dá)到警戒值，一連串的洞窟管理和游客調(diào)度系統(tǒng)就將開啟。這些能時(shí)刻記錄洞窟內(nèi)部環(huán)境“生命體征”的數(shù)據(jù)，正是來自浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院人工智能研究所副所長(zhǎng)董亞波副教授為莫高窟量身定制的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。有了這套系統(tǒng)，文物保護(hù)專家就可以對(duì)洞窟文物“對(duì)癥下藥”了。

敦煌研究院名譽(yù)院長(zhǎng)樊錦詩說：“浙大團(tuán)隊(duì)做了一件敦煌立刻就需要的工作”。

延緩壁畫“衰老”，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

位于敦煌城東南鳴沙山東麓的莫高窟海拔高出敦煌市區(qū)300米，與敦煌文物做伴的人，把進(jìn)到窟區(qū)稱為“上山”。

2006年11月，董亞波第一次“上山”。經(jīng)過長(zhǎng)途奔波，到莫高窟已經(jīng)是晚上了，周圍漆黑一片，啥也看不清。第二天，他起了個(gè)大早，想早點(diǎn)去洞窟勘測(cè)，推開窗一看，外面還是黑乎乎的。怎么回事？來之前他聽說，大漠里刮沙塵暴的時(shí)候，白天也會(huì)像晚上一樣，“該不會(huì)這么巧吧，頭一回來就碰上沙塵暴了?！焙髞聿胖溃?yàn)闀r(shí)差和緯度的原因，這里的早上7點(diǎn)跟杭州的凌晨三四點(diǎn)一樣。

待到天明，洞窟漸次露出真容，董亞波被震撼到了?！肮糯说闹腔酆土α窟h(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們的想象，一種想要保護(hù)她的念頭油然而生”。然而現(xiàn)實(shí)并不是那樣美好。歲月的流逝，風(fēng)沙的侵蝕，讓這些美得勾魂攝魄的壁畫和彩塑變得十分脆弱，不少文物開始褪色、剝落、開裂。

敦煌研究院的文物保護(hù)人員告訴董亞波，除了自然因素，壁畫彩塑的另一個(gè)勁敵就是洞窟開放時(shí)游客帶入的水汽和二氧化碳。當(dāng)空氣相對(duì)濕度超過62%時(shí)，壁畫深處的地仗層就會(huì)析出鹽分，進(jìn)而在壁畫表面結(jié)晶，引起壁畫酥堿和破裂。

根據(jù)敦煌研究院的一項(xiàng)研究，每40個(gè)游客參觀半小時(shí)，洞內(nèi)的二氧化碳值就會(huì)升高7.5倍，空氣相對(duì)濕度上升10%，溫度升高4℃。人為不經(jīng)意的損壞加速了經(jīng)年累月的侵蝕，再加上風(fēng)沙等自然界的影響，壁畫文物正在一天天地“衰老”。

要想減緩“衰老”過程，就需要有環(huán)境監(jiān)測(cè)。然而當(dāng)時(shí)的技術(shù)手段相對(duì)落后，只能隔一周手動(dòng)提取一次監(jiān)測(cè)結(jié)果?！斑@種監(jiān)測(cè)方式時(shí)效性很差，只能作為‘事后諸葛亮’。如果真的需要采取保護(hù)措施，這樣的時(shí)效性是不夠的。”董亞波意識(shí)到，要研制安裝一套實(shí)時(shí)反饋的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

洞窟里作業(yè)空間狹小，監(jiān)測(cè)工作很難開展。當(dāng)董亞波帶著手機(jī)走進(jìn)石窟時(shí)，信號(hào)居然一格都沒有——多數(shù)洞窟開鑿在崖體深處，徹底遮蔽了外界的無線信號(hào)。而由于文物保護(hù)的需要，窟內(nèi)沒有電源，不能搭設(shè)網(wǎng)線。

一切都困難重重。

董亞波想到了當(dāng)時(shí)剛剛興起的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，依托無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳遞信號(hào)。然而，在工業(yè)界無線傳感技術(shù)雖然已經(jīng)起步，但體積龐大使用不便，還要拉電拉網(wǎng)，對(duì)洞窟的環(huán)境和壁畫文物都有不良影響，此前還從來沒有應(yīng)用在文物保護(hù)上。顯然，直接移植現(xiàn)成技術(shù)是行不通的，必須對(duì)系統(tǒng)重新改造。

克服重重困難，專為敦煌量身定制一套系統(tǒng)

下山后，董亞波把問題帶回浙江大學(xué)，跟他的團(tuán)隊(duì)一起研究。首要的一個(gè)問題是如何把信號(hào)從洞窟里面?zhèn)鞒鰜?。莫高窟南窟?92個(gè)洞窟，大小不一，形狀各異，像61號(hào)石窟，里面的甬道有近10米深，甬道兩旁的崖體如同“銅墻鐵壁”，大大增加了信號(hào)傳輸?shù)碾y度。

董亞波團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)多跳自組織結(jié)構(gòu)，在洞窟里布置幾個(gè)中轉(zhuǎn)，讓數(shù)據(jù)在接力中傳遞出來，“信號(hào)傳輸?shù)木€路都是根據(jù)各個(gè)洞窟的實(shí)際情況來設(shè)計(jì)的?！倍瓉啿ㄕf，“就像是踢足球，后場(chǎng)把數(shù)據(jù)傳到中場(chǎng)，中場(chǎng)繞過洞窟里的障礙物，幾次倒腳之后再往前傳，最后由前鋒臨門一腳把信號(hào)傳到洞窟外面。”

洞窟里沒有電源供電，意味著無線傳感器只能用電池工作。如何降低電能消耗？團(tuán)隊(duì)盡可能讓傳感器在不工作的時(shí)候休眠，壓縮工作時(shí)間。因此，每一分鐘的數(shù)據(jù)傳輸，傳感器在工作的短短幾十毫秒中，要完成尋找信號(hào)、接收上游傳感器數(shù)據(jù)、尋找下游傳感器、發(fā)送數(shù)據(jù)以及接收應(yīng)答等動(dòng)作。這樣一來，董亞波團(tuán)隊(duì)的這款傳感器只需要兩節(jié)五號(hào)電池，就能工作整整一年時(shí)間。

在硬件層面，董亞波帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研制傳感器，盡可能降低傳感器能耗，并且把傳感器的體積做小，以避免對(duì)洞窟景觀造成影響。而在軟件層面，他們寫了幾十萬條代碼，確保整個(gè)傳感器高效運(yùn)行。

當(dāng)董亞波團(tuán)隊(duì)帶著第一代的無線傳感器進(jìn)到洞窟后，卻發(fā)現(xiàn)測(cè)試并不像想象中那么順利?！碍h(huán)境太復(fù)雜，傳感器放置的位置既不能損傷文物，也不能妨礙游客參觀，很多時(shí)候只能找一個(gè)小角落或者佛龕隱蔽處。洞窟里的溫濕度環(huán)境時(shí)時(shí)刻刻在變，信號(hào)忽強(qiáng)忽弱，有時(shí)候好不容易現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試好了，一轉(zhuǎn)身，信號(hào)又沒有了?！倍瓉啿ㄕf，“那時(shí)候非常沮喪，甚至?xí)械奖罎??！?br />
而解決問題的鑰匙，也只掌握在他們的手里。在最開始的幾年里，暑假一到團(tuán)隊(duì)就飛到敦煌，“這時(shí)候沒有課，我們就整天泡在莫高窟，有問題隨時(shí)可以趕過去?！倍搅艘雇硭麄冏畲蟮男菹ⅲ褪桥艿缴车厣希鐾y河，數(shù)星星，看流星。

“看到那么美的景致，保護(hù)那么美的壁畫，好像一切都是理所當(dāng)然?！倍瓉啿ㄕf，天一亮，他們就忙碌于查找問題，思考如何讓物聯(lián)技術(shù)更加穩(wěn)定。后來他們發(fā)現(xiàn)信號(hào)受參觀影響很大?！巴饷娴匿X合金門關(guān)了，洞窟里的游客一下子擠在一起，信號(hào)都會(huì)減弱，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，就必須考慮這些因素，留足通信余量?！倍瓉啿ㄕf。

于是他們?cè)O(shè)計(jì)了第二代無線傳感器，一方面經(jīng)過精心細(xì)致的技術(shù)研發(fā)和測(cè)試，攻克低功耗多跳自組網(wǎng)技術(shù)中的各個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，并通過十多個(gè)軟件版本的代碼升級(jí)，逐步提高傳感器的穩(wěn)定性；另一方面根據(jù)每一個(gè)洞窟的特性，設(shè)計(jì)不同的信號(hào)中繼位置，保證在不同洞窟里都可以有安全穩(wěn)定的信號(hào)傳輸通道。

2015年系統(tǒng)逐漸穩(wěn)定后，已經(jīng)有100多個(gè)洞窟安裝了他們研制的像固體膠棒一般的第二代環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置。數(shù)據(jù)一有異常，這些裝置就會(huì)報(bào)警。

如今，在國(guó)家文物局指南針科技計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持下，團(tuán)隊(duì)開展的工作已經(jīng)從洞窟的微環(huán)境監(jiān)測(cè)擴(kuò)展到了大氣環(huán)境、崖體和文物本體的監(jiān)測(cè)，先后研制了30多套監(jiān)測(cè)不同指標(biāo)的傳感器設(shè)備，還形成了一套標(biāo)準(zhǔn)化的監(jiān)測(cè)體系。

從最初的找不著北，到漸漸熟悉，尤其是對(duì)其中幾十個(gè)重點(diǎn)石窟如數(shù)家珍。董亞波說：“一開始是覺得這工作挺有趣，就像是醫(yī)生給石窟做檢查，做下去就越來越覺得有意義?！?br />
引入云技術(shù)，存儲(chǔ)記錄莫高窟的每一天

“當(dāng)年‘上山’的時(shí)候可沒想到會(huì)做這么久?！睆?006年第一次走進(jìn)莫高窟后，董亞波每年都要多次往返杭州和敦煌，至今已堅(jiān)持了14年。

如今隨著研究的深入，董亞波團(tuán)隊(duì)不僅開展窟內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)，還通過傳感器，對(duì)石窟外的大氣環(huán)境、PM2.5、PM10、二氧化硫、氮氧化物等空氣污染狀態(tài)，以及窟區(qū)的地下水狀態(tài)、洞窟崖體的穩(wěn)定性等許多指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。有了這整套系統(tǒng)，敦煌研究院的保護(hù)人員一看數(shù)據(jù)就知道洞窟的“身體狀況”。

如果是因?yàn)橛慰投啵邇?nèi)溫濕度大于室外，莫高窟就會(huì)啟動(dòng)這個(gè)洞窟的限流和通風(fēng)措施；如果是室外大氣濕度過高，影響窟內(nèi)濕度，或是出現(xiàn)了降雨、沙塵暴等惡劣天氣，則會(huì)關(guān)閉洞窟門，穩(wěn)定窟內(nèi)環(huán)境，甚至停止參觀。董亞波還在敦煌“種下”了一支本土團(tuán)隊(duì)，幫助敦煌研究院成立了全國(guó)文物界較早的監(jiān)測(cè)中心。

隨著監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量的越來越大，對(duì)服務(wù)器的容量和處理速度需求也不斷提高。董亞波團(tuán)隊(duì)又面臨新的問題。

“相較于一般工業(yè)或者民用領(lǐng)域上采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以定期清除或者壓縮，但是在文物界，歷史數(shù)據(jù)卻大有用武之地?！倍瓉啿ń榻B，在文物保護(hù)中，利用歷史數(shù)據(jù)可以建立文物保存環(huán)境和文物本體狀態(tài)的環(huán)境統(tǒng)計(jì)模型、風(fēng)險(xiǎn)溯源模型等，為未來的文物風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警提供重要依據(jù)，因此這些數(shù)據(jù)價(jià)值巨大，刪不得。

價(jià)值巨大的歷史數(shù)據(jù)如何保存？

幾十億甚至上百億條數(shù)據(jù)就像滾雪球一樣越來越多，需要的存儲(chǔ)空間也越來越大，與此同時(shí)數(shù)據(jù)查詢也變得異常緩慢，而從龐大的數(shù)據(jù)中進(jìn)行一次復(fù)雜的數(shù)據(jù)查找有時(shí)需要等待十幾秒才能完成，嚴(yán)重影響了文物保護(hù)研究的效率。“不敢輕易訪問前一年的完整數(shù)據(jù)，怕服務(wù)器跑不動(dòng)會(huì)崩潰?！倍瓉啿ㄕf。

還有一個(gè)情況也讓董亞波犯愁。有時(shí)候莫高窟會(huì)停電，使得傳輸網(wǎng)絡(luò)中斷。這時(shí)傳感器會(huì)自動(dòng)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，恢復(fù)供電后，這些暫時(shí)保存在傳感器上的數(shù)據(jù)就會(huì)像洪水一般涌向服務(wù)器。這讓董亞波每天對(duì)數(shù)據(jù)的安全提心吊膽，就好像是守著一個(gè)幾近臨街的水庫，擔(dān)心大壩潰壩，數(shù)據(jù)丟失。

得益于云技術(shù)的日新月異，數(shù)據(jù)寫入與訪問性能得到極大改善，攻克了海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理的技術(shù)難題。浙江大學(xué)智云實(shí)驗(yàn)室的浙大云平臺(tái)便應(yīng)用在了莫高窟的保護(hù)項(xiàng)目中。

“如果從20世紀(jì)90年代潘云鶴院士跟敦煌合作算起，我們浙大計(jì)算機(jī)學(xué)院參與文物保護(hù)工作已經(jīng)有20多年了，隨著文保需求的不斷變化，建工、材料、生儀、控制、能源等其他學(xué)科的教授們也加入進(jìn)來了，我們的力量越來越壯大了。”董亞波說。

在敦煌研究院的一面墻上，有這樣一句話：“歷史是脆弱的，因?yàn)樗粚懺诹思埳希嬙诹藟ι?；歷史又是堅(jiān)強(qiáng)的，因?yàn)榭傆幸慌嗽敢馐刈o(hù)歷史的真實(shí)，希望她永不磨滅?！?/p>

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：莫高窟的“養(yǎng)顏”人利用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境

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