博物馆环境监控及相关物联网技术应用需求分析.doc

2012-07-13#2012-07-13#2#0#1#2#-#07-13#博物馆环境监控及相关物联网技术应用需求分析吴来明，徐方圆，黄 河( 馆藏文物保存环境国家文物局重点科研基地，上海博物馆，上海 200050)摘要: 对博物馆环境实施有效的监控，是预防性保护珍贵文物的有效途径。为广泛发挥物联网在博物馆文物保存环境监控方面的作用，阐述了基于“洁净”概念的博物馆环境及其预防性保护内涵，分析了博物馆环境温湿度、污染 气体、光辐射、有害生物四方面监控的特点与需求，介绍了无线传感网络技术在几项重大文物展览活动中的有效应 用情况，指出大力加强博物馆环境适宜的监测技术研发，是实现博物馆环境风险预控的关键。关键词: 博物馆环境; 预防性保护; 监控技术; 物联网中图分类号: K875 /879文献标识码: A储藏柜( 箱、盒) 等空间中的各种物理、化学、生物条件。因此，博物馆环境通常也称为馆藏文物保存环 境、文物保存微环境。国内外的大量研究和实践表 明，环境条件是引发博物馆藏品劣化或损害的主要 原因，包括温度、湿度、污染气体、光辐射、虫害和霉 菌等环境因素。文物“预防性保护”概念，即对博物馆文物保存 环境实现有效监控，是在 1930 年意大利罗马召开的 关于艺术品保护国际研讨会上第一次提出的，至今 已经在国际上成为文物科学保护的共识。研究应用 一切与博物馆环境相关的科学技术和成果，包括新兴的物联网技术，对馆藏文物保存环境进行有效的监测和控制，最大限度地抑制和减缓环境因素对文 物材料的破坏作用，是预防性地从源头上保护珍贵 文物的关键，也是当今世界文物科学保护领域的发 展趋势。序言0我国众多博物馆、纪念馆、考古机构等珍藏的大量馆藏文物，是我国珍贵文化遗产的重要组成部分。 这些珍贵馆藏文物，是国家身份的象征、民族历史的 见证，具有极高的历史、科学、文化和艺术价值，同时 也是我们弘扬优秀传统文化，创建和谐社会，建设高 度发达的社会主义物质文明、精神文明和政治文明， 实现中华民族伟大复兴的不可再生的文化资源。因 此，加强博物馆文物保存环境监测、调控、评价工作， 预防性地从源头上保护珍贵文物，尽可能延续其寿 命，是我国馆藏文物保护科技十分迫切、艰巨而长期 的任务，具有重要的现实意义和深远的战略意义。物联网( Internet of Things) 的核心是传感网络 技术。温度、湿度、二氧化碳、照度等传感技术与无 线通讯相结合，已经在博物馆文物保存环境质量监 测方面有了初步的应用。欲实现博物馆环境全面、 高效、智能监控，关键是要具有适宜的博物馆环境检 测传感技术。为此，应当对博物馆环境监控的特点 和需求作分析研究，梳理问题，为进一步创新攻关， 实现技术上的重大突破作准备。预防性保护技术的核心内涵基于文物预防性保护原则，国家科技支撑计划 课 题 “馆 藏 文 物 保 存环境应用技术研究 ( 2006BAK20B01) ”，针对博物馆文物保存环境影响 因素复杂且极限值低的特征，引入现代工业洁净室 和生物洁净室技术管理概念，从多因素低浓度气态 分子污染物( Airborne Molecular Contaminants，简称 AMCs) 的监测与净化、湿度优先控制、技术规范等方 面比对研究，建立了基于“洁净”概念的文物保存微1 2博物馆环境及其预防性保护理念博物馆环境与预防性保护博物馆环境，是指收藏与展示各类可移动文物11 11评估体系的理念及其内容框架( 图 1 ) ，诠释2的01相2对-独0立7空-间1的3总#体#，包#括#文#物#库#房#、展#厅2、0展1柜2、-07环-境13#2#0#1#2#-#07-13#1)文物“预防性保护”，就是通过有效的质量管优先。3)理、监测、评估、调控干预，抑制各种环境因素对文物的危害作用，努力使文物处于一个“稳定、洁净”的安 全生存环境，尽可能阻止或延缓文物的物理和化学性 质改变乃至最终劣化，达到长久保存文物的目的。博物馆“洁净”环境，是指控制文物收藏、展示环境空气中特征污染物浓度达到科学合理的安全数值以内。4)博物馆环境的“预防措施”，是指通过管理2)博物馆“稳定”环境，是指控制温度、湿度等和技术应用，从源头控制藏展材料散发污染物，提升文物展柜密封度和环境调控功能，加强环境监测与 风险评估，实施必要的环境调控措施。环境因素在适宜指标下的平稳性，防止出现较大幅度的波动。鉴于湿度指标对大多数文物材质的严重图 1 基于“洁净”概念的文物保存微环境评估体系框架Fig 1 The principle and framework of museum micro-environment evaluation system based on the concept of clean condition为获得“稳定、洁净”的文物保存环境，在技术层面上需要建立合适的环境因素检测和综合质量监 测技术系统，形成科学的环境质量评估和调控产品 质量评价技术，研发有效的主动调控和被动调控技 术; 在管理层面上建立博物馆环境风险预控管理系 统，研制一批技术标准，制定环境监测调控管理手 册，形成文物预防保护准侧; 在应用层面上，需要通 过示范推广，逐步建立起全国馆藏文物保存环境监 测平台，研究环境因素对各种文物的破坏影响作用 机理，及时进行文物保存环境风险评估，形成我国馆 藏文物保存环境监测评估长效机制，努力提升我国 馆藏文物预防性保护能力。显示，在各地国有文物博物馆收藏文物 中，有50 66% 存在不同程度的病害，尤其是对环境因素作 用敏感的纺织品、纸质、竹木漆器等有机质地文物， 中度以上病害发生率占半数以上，文物腐蚀损失状 况相当严重并呈加重之趋势，这已成为博物馆文物 保护中亟待解决的突出问题。究其原因:一是环境因素影响已经成为博物馆藏品损害的 主要原因。除了原有的埋藏腐蚀损害之外，主要是自然环境恶化和人为因素作用严重影响到博物馆环 境质量，造成文物材料劣化，如: 气候剧烈变化或空 调系统措施不当造成博物馆微环境温湿度大幅度波 动，大气污染或文物藏展材料( 展柜、储藏柜、囊匣 等制作材料及装饰装修材料等) 散发污染物破坏博 物馆微环境空气质量，过度照明引起文物褪色等。博物馆环境的特点与需求2监控技术和高效调控产品，缺少相关技术规范，无法满足博物馆环境风险预控的需求。三是馆藏文物保存环境管理机制和监控平台建 设工作滞后。预防性保护管理意识和重视不足，缺 乏以预防为主的制度化、规范化、系统化的馆藏文物 保存环境风险预控管理体系，环境质量监测、风险评 估、预防调控和整治改造工作往往处于被动应战状 态。因此，强化文物预防性保护理念，建设博物馆环 境风险预控管理体系，加强博物馆环境适用的监控 技术与调控技术的集成创新和科技攻关，推广应用 相关研究成果，提升博物馆环境质量和风险预控能 力等一系列工作，将是当前和今后一段时期博物馆 环境科技的迫切任务。将随着温度的变化而发生明显的波动。同时，文物受湿度的影响较温度敏感2，因此，优先监控博物 馆微环境中的湿度是非常重要的。目前，温度和湿度传感器技术的发展比较成熟， 其精度、采集和记录方式等，已经能够满足博物馆微 环境温湿度远程、实时监测和数据储存、无线传输等 要求，但在实用性方面需充分考虑博物馆展陈环境 小型化、美观、断电储存等特殊需求。污染气体监测 文物展柜等博物馆微环境2 2 2中污染气体的来源主要有以下两方面: 一是展柜外的污染物通过渗透、交换等进入展柜，二是展柜内各 种装饰装修材料及文物自身降解老化所散发出的各 种污染气体。大量检测结果表明3，目前我国博物 馆环境污染物浓度普遍偏高，主要为各种藏展材料博物馆环境监测的特点与需求分析影响文物劣化的环境因素是复杂的，主要包括 温湿度、光辐射、污染气体( 包括颗粒物) 和有害生 物四类。不同的材料对各种环境因素的敏感程度不 同，即不同材质文物的主要环境影响因素也可能是 不同的。同时，多种环境影响因素并存时还会产生 协同作用效应，将加速文物老化速度和受损程度。 因此，了解博物馆环境的特点和需求，对于研发各种 环境因素监测传感器等技术，实现博物馆环境风险 预控是非常重要的。散 发 物 所 造 成 的 甲 酸 HCOOH ) 、 乙 酸2 2( CH3 COOH) 、甲醛( HCHO) 、乙醛( CH3 CHO) 等污染气体; 国外博物馆环境监测同样关注的是此类污 染物，如表 1 所列的日本东京国立博物馆空气质量 检测结果与参考标准4。由下可见，博物馆环境污染物及其监测存在如 下特点:第一，博物馆环境质量监测所关注的一些污染 物指标，如甲酸、乙酸、乙醛等，在目前我国的室内环 境质量标准中没有单独列出，但却对文物长期曝露 和保存具有明显的影响。因此，现有的基于对人体 健康或生态环境影响考虑的室内环境质量标准中的 有关指标、极限浓度、检测方法、测试成本等，难以满 足博物馆文物保存环境质量监测评估的需求。同 时，目前也未研究提出适宜博物馆特点和需求的环 境实时监测和评估方法。第二，博物馆文物保存环境污染物控制具有气 态分子 污 染 物 ( AMCs ) 浓 度 低 ( ppb 级、即 g / m3 级) 、成分复杂的行业特殊性，质量控制要求与现代 工业洁净室水平相当。虽然近年来洁净室技术要求 伴随高科技行业生产质量控制需求的提高，已经从 温度、湿度和悬浮微粒污染物的控制，扩展到了对洁 净室环境中的气态污染物( AMCs) 的控制，但其常 用的直接测试技术、采样分析技术、间接测试技术同 样不能满足博物馆文物保存微环境监测需求。第三，博物馆文物保存环境通常空间容积比较 小，一般为库房小环境和容积小于 1m3 的展柜微环 境，而且文物安全保卫等级高、展柜开启和采样不2 2 1温湿度监测 温度和湿度是博物馆环境中的两个重要的因素，温湿度的异常往往会造成文物无法挽回的损失，必须加以控制。温湿度的控制主 要有两方面内容: 一是温度和湿度的适宜推荐值，另 一个是温度和湿度的波动稳定性。对于温度指标，虽然低温有利于降低化学反应 速率，减缓文物的自然老化，但低温也会使某些文物 由于收缩不均匀而造成破坏，并且达到低温所需耗 能比较大。馆藏文物保存环境的温度一般推荐为室 温范围( 18 23 ) 。对于湿度指标，过分干燥与过 分潮湿均会对文物造成破坏，并且不同质地的文物 对湿度也有不同的要求，而且还应当充分考虑文物 保存地区的气候湿度特性。一般要求文物保存微环 境的相对湿度控制在 40% 60% 间( 金属文物最好 小于 40% ) 。温湿度的大幅度波动，会引发文物材 料在短时间内频繁地热胀冷缩和湿涨干缩而造成破 坏。已有的实验和经验表明，在文物保存展示过程 中，控制温湿度的平稳性要比控制到某一具体数值Table 1 Tokyo National Museum air quality results and guidelinesNO/ ngg 1NO2/ ngg 1SO2/ ngg 1NH3/ ngg 1HCHO/ gm3CH3 CHO/ gm3HCOOH/ ngg 1CH3 COOH/ ngg 1Indoor AtmosphericContaminants平均 Ave最高 Max最低 Min11 722 00 96 223 80 12 35 80 51 84 30 437 1140 01 016 257 13 45 223 40 823 899 93 0本馆Honkan Main Gallery平均 Ave最高 Max最低 Min8 921 01 011 017 95 14 45 13 63 26 01 129 056 514 510 316 95 94 111 00 717 828 82 8东洋馆Toyokan Asian Gallery平均 Ave最高 Max最低 Min15 421 29 53 04 51 90 80 80 81 31 60 784 1107 265 312 817 67 97 514 21 853 9103 812 0资料馆Shiryokan Gallery平均 Ave最高 Max最低 Min13 121 90 48 221 61 33 05 00 60 51 10 322 953 94 76 011 42 49 028 30 831 359 90 5法隆寺宝物馆Horyuji Temple TreasureHouse平均 Ave最高 Max最低 Min9 015 52 93 27 50 23 14 30 72 911 20 413 348 183 75 215 530 91 013 726 37 163 2134 7平成馆Heiseikan Gallery平均 Ave最高 Max最低 Min11 59 111 111 61 67 3黑田纪念馆Kuroda Memorial Hall14 16 714 74 714 86 921 26 02 41 011 04 1平均 Ave最高 Max最低 Min8 723 70 826 749 017 35 712 10 61 42 90 31 42 01 00 91 30 3室外环境Outdoor Atmosphere东博试用标准Tentative TNM Guideline5 05 05 040 067 019 050 0100 0东文研标准TNRICCP Guideline30 0100 0170 0新东博标准New TNM Guideline5 05 05 05 060 019 010 050 0目前，除了检测限为 mg / g 级的二氧化碳无线传感器已经通用之外，博物馆环境所涉及的其他 ng / g 级污染气体尚无价廉、精准、小巧的适宜实时 监测传感器。因此，迫切需要针对这些博物馆环境 的特殊性，大力加强集成创新和技术攻关，研发适宜 博物馆环境污染物实时监测的新型传感技术，满足 ng / g 级低浓度污染物监测和气态分子污染物 ( AMCs) 综合实时评估需求。材料本身吸收和抗辐射能力的大小。光的波长不同，对展品损伤程度也不同。能量较大的紫外线和 接近紫外线的可见光短波( 400m) 段辐照对文 物的劣化影响较大。另外，光的热效应还会使光照 射的环境内温度升高，常见的是博物馆展柜内照明 及其周期性开和关，会引起文物表面温度的波动。因此，国家标准博物馆照明设计规范( GB / T23863-2009) 已经根据不同质地展品对光的敏感程 度，分三类规定了50lx、150lx、300lx 的照度限 值和对应的50000 lxh / 年、360000 lxh / 年和 不限制的累积年曝光量限值; 对光源的紫外线相对 含量规定须小于 20W / lm。2 2 3光辐射监测 光的照射会引起文物材质的光化学反应，加速文物材料的老化或变色，尤其是纺织品、纸质、漆木器等有机质地文物，以及彩绘器等 对光敏感的文物。光化学反应对文物损伤的程度主有害生物监测 虫害、霉菌是馆藏文物，尤一楼大厅北部，展馆安装集中式中央空调系统，环境控制温度为 24 26 2 ，但不能调控相对湿度。在展厅环境不能做到恒温恒湿控制的情况下， 需要特别注重对展柜内微环境的监测与调控。本次 文物展览首次运用基于“洁净”概念的文物预防性 保护理念，尝试运用无线传感网络监控文物保存微 环境，获得了良好效果，有效保障了参展国宝文物的 保存安全。2 2 4其是有机质文物的主要病害之一，其造成的生物损害在各种文物( 包括图书、档案等) 劣化损害中占有 很大比例。目前，文物有害生物的检测方法，仍然沿袭着传 统生物检测方法，尚不能实现对博物馆有害生物病 害的现场检测和实时监测。随着微生物基因学研究 的迅速发展，促进了许多微生物相关领域研究的深 入，特别是微生物分子检测技术已经获得应用，这为 博物馆环境有害生物病害监测或检测提供了应用研 究的信息。因此，博物馆有害生物的现场检测或实 时监测技术是需要组织科技攻关的重要研究课题。1)在展览建设装修阶段，对文物展柜的装饰装修材料进行筛选评估，选用合格板材。2)布展前，对文物展柜内环境进行温湿度、污染物浓度检测评估，采用调湿剂和吸附剂，净化和平稳文物微环境，并对展览照明进行测试和调节，以满 足文物展览的保存环境要求。3) 整个展览期间，运用 20 只美国 DICKSON 公 司生产的 Wizard 系列无线温湿度记录仪组成展馆 内无线传感网络，对文物展柜内、外环境进行连续监 测( 图 2) 。3物联网技术在博物馆环境监控领域的初步应用物联网是新一代的网络信息技术概念，是指通 过射频识别( RFID) 、红外感应器、全球定位系统、激 光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物 体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对 物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种 网络5。简单的说，物联网就是“物物相连的智能 互联网”，其核心技术为传感网技术，故在过去物联 网被称之为传感网。自 2009 年 8 月温家宝总理提 出“感知中国”以来，物联网被正式列为国家五大新 兴战略性产业之一，写入“政府工作报告”，物联网 在中国受到了全社会极大的关注。目前，物联网技术已经遍及智能交通、物流管 理、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能 消防、工业监测、老人护理、个人健康、花卉栽培、水 系监测、食品溯源和情报搜集等多个领域，并且已经 拓展应用于文化遗产保护领域，例如在 2008 年奥运 会配套重大文化项目奇迹天工中国古代发明 创造展、2010 年上海世博会中国国家馆、城市足迹 馆和世博会博物馆等重大文物展览中应用于博物馆 环境远程实时监测与调控，为预防保护参展珍贵文 物保存环境安全发挥了积极的支撑作用。4)及时分析评估采集的温湿度数据，作出风险预警，指导场馆空调系统调整控制参数。图 3 为使用调湿剂平稳展柜内湿度的效果。图 2 展柜内环境监测Fig 2 Environment monitoring in museum showcases2008 年奥运会奇迹天工中国古代发明3 1创造展应用奇迹天工中国古代发明创造文物展是2008 年奥运会期间我国举办的重量级文物展览，是 奥运工作中的重大项目之一。该展览从全国调集三 百多件文物精品，高等级文物数量众多，涉及织物、2010 年上海世博会城市足迹馆和世博会博物馆，展出了来自世界多个国家和我国多地的 300 多 件( 套) 珍贵文物。除了部分展厅配备了恒温恒湿 空调系统外，大部分展厅安装有集中式中央空调系 统，环境控制温度为 24 26 5 ，对湿度不能调 控。对本批参展文物，全方位运用基于“洁净”概念 的文物预防性保护理念，大面积运用无线传感网络 技术，远程、实时监控文物保存微环境在质量，为参 展文物提供了保驾护航。1) 筹备阶段，筛选评估文物展柜装饰装修材 料，特别设计提高展柜密封度; 柜内所有板材采用铝 塑膜封闭处理，防止污染物散发恶化展柜微环境，从2)布展前，对文物展柜进行检测评估，采用调湿剂和吸附剂，净化和平稳展柜内微环境; 对所有展览照明纪念性测试和调控。3)世博会展览期间，采用了国产和进口两套无线传感网系统，一套为 40 只元智无线温湿度、二氧化碳、照度及累计照度传感器组成无线传感网络 ( 图 4) ，另一套为 10 只德国德图无线温湿度传感器 检测仪组成无线传感网络，对城市足迹馆和世博会 博物馆的参展文物进行远程、实时监测。4)实时分析数据，进行风险评估分析，指导场馆空调系统调整控制参数。另外，还采用被动调湿剂，及时更换，平稳和调控展柜内湿度( 图 5) ，满足 各种文物的保存安全需求。图 4 展柜内环境监测Fig 4 Environment monitoring in museum showcases图 更换调湿剂Fig 5 Changing humidity control materials一，将“开展 100 个包括国家文物保存环境监测中心、区域文物保存环境监测中心、文物保存环境监测 站在内的全国珍贵文物保存环境监测网络建设工 作”作为发展指标之一。为此，需要通过进一步研 发和应用示范，强化文物预防性保护原则和基于洁 净概念的馆藏文物保存环境理念，努力构建博物馆 环境监控管理体系，搭建基于物联网技术、无线传感 技术、采样分析技术的博物馆环境监测技术系统，研 究形成适用的分级风险评估系统，推广应用有效的 环境调控措施，建立馆藏文物保存环境监测平台，提 高馆藏文物收藏保管能力，有效降低博物馆藏品的 自然损坏率。参考文献:1 吴来明，周 浩，蔡兰坤 基于“洁净”概念的馆藏文物保存环 境研究J 文物保护与考古科学，2008，20( 增刊) : 136-140WU Lai-ming，ZHOU Hao，CAI Lan-kun Research on museum environment based on the concept of “Clean”condition J Sci结 语1) 博物馆环境的监测与调控需求具有行业的 特点。大力加强博物馆环境适宜监测技术研发，是 实现博物馆环境风险预控的关键。当前博物馆环境 监测的适宜传感器技术发展比较滞后，需要系统梳 理博物馆环境监测诸方面的特点和需求，有组织地 开展技术攻关，实现技术上的重大突破。2) 作为未来互联网不可分割的一部分，物联 网将在物理世界、数字世界、人类社会之间建立一种 新的连接和交流。物联网技术发展以来，通过初步 应用，已经为博物馆文物保存环境监控引入了新的 风险预控管理模式，为预防性保护珍贵文物提供了 新的技术路线。3) 国家文物博物馆事业发展“十二五”规划( 2011-2015 年) 和国家文物保护科学和技术发展53 徐方圆，吴来明，解玉林 武汉博物馆文物保存环境检测研究J 文物保护与考古科学，2007，19( 1) : 8-17XU Fang-yuan，WU Lai-ming，XIE Yu-lin Studies and investigates on Wuhan Museum environment J Sci Conserv Archaeol，2007，19( 1 ) : 8-174 Tokyo National Museum Clinical conservation at the Tokyo NationMuseum-Mission to support access and preservation of the collection5 互动百科 物联网EB / OL2011-05-20http: www hudong com / wiki / % E7% 89% A9% E8% 81% 94% E7% BD% 91Hudong Encyclopedia Internet of Things EB / OL 2011-05-20http: www hudong com / wiki / % E7% 89% A9% E8% 81% 94% E7% BD% 91The demand analysis of museum environment monitoring andthe application of Internet Of ThingsWU Lai-ming，XU Fang-yuan，HUANG He( Key Scientific Research Base of Museum Environ