空气质量智能化监测系统在博物馆中的应用——以白鹤梁水下博物馆为例

邓 佳，李隆田，唐 欢

（重庆中国三峡博物馆，重庆 400015）

空气质量智能化监测系统在博物馆中的应用
——以白鹤梁水下博物馆为例

邓 佳，李隆田，唐 欢

（重庆中国三峡博物馆，重庆 400015）

博物馆由于保存展品和保证参观者舒适性的需要，对室内空气品质的要求越来越高。选取目前国内外唯一的水下博物馆——白鹤梁水下博物馆作为研究对象，采用传感器网络技术、RS-485与以太网技术相结合进行数据通信，实现了馆内空气质量监测的智能化、采集环境参数多样化，保证了馆内空气质量监测的实时性、监测数据的可追溯性及室内空气质量报警的即时性。对于博物馆了解自身运行环境和提升博物馆服务功能均有明显促进作用。

博物馆；空气质量；智能化；二氧化碳

Abstract:The requirement of the indoorair quality has become more and more highin museum for the preservation of exhibits and providing a comfortable environment for visitors.It took the on ly underwater museum in the world,White Crane RidgeUnderwater Museum, as our research obje ct,and connected sensor network technology,RS-485 with Ethernet technology for data communic ation to intelligent the air quality monitoringand diversify the environment parameter collection.Th is improvement ensured the realtime monitoring of the indoorair quality,the traceability of the mo nitoring data and the immediate alarm of the indoorair quality, which can promoteworkers knowin g about the operating environment of the museum and enhancing their service.

Key words:museum; air quality; intelligentialize; carbon dioxide

随着我国社会经济的快速发展，博物馆事业也在如火如荼的进行。2008年，在社会主义文化大建设和发展成果全民共享的背景下，文物系统的非遗址类公办博物馆开始免费参观及公众对博物馆收藏、教育和科研功能的认可，博物馆观众数量急剧增加，公众已将参观博物馆作为休闲活动的主要选择。据有关资料统计，2013年我国博物馆4 500余所，观众数量已超过6亿人次。而且我国博物馆观众数量以每年数千万人次的数量增加，预计在2020年我国博物馆观众数量极有可能接近或超过10亿人[1]。由于人们对生存环境，尤其是像图书馆、博物馆等公共参观环境的要求不断提高，室内空气质量问题已引起人们的重视和关注。而博物馆面对如此大流量的观众，研究室内空气质量监测手段，对观众的身体健康、博物馆的安全运行和可持续发展具有十分重要的实用价值和指导意义。

1 博物馆空气质量监测研究状况

博物馆环境主要是指博物馆建筑物内文物库房、陈列室、展柜等以及空间中的各种物理、化学、生物条件。影响博物馆环境的主要因素包括博物馆所在地区的宏观气候环境、空气污染状况、馆内光线辐射、参观人流量等。据确切的测定证实室内空气中的污染物浓度要高于室外2～5倍[2]，我国绝大多数的博物馆是以室内参观方式为主，馆内空气质量的好坏，直接关系到观众的舒适度、满意度等。

目前国内外对博物馆室内馆藏文物、重点文物展柜、文物库房等保存环境做了较多的研究。例如为加强博物馆藏品的预防性保护，张月玲[3]采用铜银试片法对国家博物馆8个测试点进行了测试，发现博物馆处于高浓度极具腐蚀性的二氧化硫气态物质的包围中，已造成对金属、纸张等文物的危害。美国国家博物馆以控制整个馆内环境的方式，使馆内温湿度限制在各类文物可接受范围内，不随季节而变化。这些研究都强调了博物馆环境对馆内文物和藏品的影响，而忽略了参观人员对博物馆环境的需求。目前我国对于人员密集型的公共参观环境监测较为薄弱，有少量的监控也仅仅只是对简单的室内温、湿度进行常规监测，而对人体健康有直接危害的二氧化碳、可吸入颗粒物等其他有害物质的监测却十分有限。国内，仅有敦煌莫高窟研究了“二氧化碳的累积对游客的影响，拥挤和其他因素对游客体验的影响”。因此，加强对博物馆公众参观区域空气质量的监测，有利于博物馆了解自身运行环境和提升博物馆服务功能，发现公共安全隐患，进而寻求有效途径改善空气环境，持续保证馆内空气质量，保障公众安全。

2 博物馆空气质量智能化监测的实现

2.1 空气质量监测系统在博物馆中的必要性

空气质量监测系统是一套以自动监测仪器为核心的自动“测-控”系统，用于采集和分析空气质量的状况和变化，对掌握空气质量和应对措施发挥着重要的作用。上海博物馆文物保护与考古科学实验室对武汉博物馆的文物保存环境，设计了若干个重点区域并放置相应的监测传感器[4]，数据采集员每隔一段时间采集传感器上获取的数据，这种人工采集数据的方式费时费力，亦不利于文物的保护。由浙江大学研发的敦煌莫高窟洞窟环境监测系统[5]主要监测二氧化碳浓度和湿度，可有效地调控进入洞窟的游人数，即当该数据值超过一定数值时，会对即将进入洞窟的游客发出警告，告知游客不宜参观。

白鹤梁是位于重庆涪陵一段记录长江1 200年来水位变化的题刻石梁，2003年因三峡工程对其实施原址保护，2009年保护工程完工并建成目前世界上唯一的原址水下博物馆。因其独特的设计、特殊的文物展示方式以及题刻巨大的历史价值和科学价值，自2010年4月正式对外开放以来，吸引了大量的游客前来参观，截至2015年，参观人数近百万人。尤其在2013年，白鹤梁水下博物馆日游客参观量最大达到3 400余人，接近陕西历史博物馆（4 000人）和上海博物馆（5 000人）的限流人数，但白鹤梁水下博物馆面积远远小于前二者。尤其是水下参观区位于长江水下20～40 m处相对密闭的狭小空间内（总面积只有889 m2），游客需要乘坐近90 m的扶梯由地面陈列馆下至江中，再经过150 m狭窄的水平廊道后进入江水位置，游客在水下参观时间约0.5 h。整个水下建筑体是一个相对封闭空间，仅通过中央空调和新风机对该区域更替和输送空气。在安装空气质量智能化监测系统之前，通过HTC-8对该区域的同温湿度进行监测，这种监测方式需要人工作业，每天要对参观区域监测数据进行读数，且采集的环境参数单一，更不能实现实时在线监测。但在白鹤梁水下博物馆运行期间，有个别游客在水下参观时出现身体不适等现象，虽然这是否与水下空气质量有直接关系有待论证，但随着每年递增的游客数量，揭示保护体参观环境与游客身体健康相关性，寻求科学的空气质量监测手段，应对水下参观区突发紧急情况，明确游客承载量，探索提高游客安全性等方面的问题都亟待研究。

2.2 白鹤梁水下博物馆空气质量监测系统总体设计

2.2.1 系统设计要求

(1)提供友好界面、简单操作。

(2)为确保数据的安全，赋予管理人员不同操作权限。

(3)监测平台能够自动分析处理监测数据、报警和预警。

(4)能够根据实时数据，生成时统计表、日统计表、月统计表等。

(5)能够按不同查询条件进行数据查询，并且以Word、Excel等形式显示，导出和打印查询结果。

2.2.2 系统主要处理流程

博物馆内空气质量智能监测系统架构分为3层：数据采集层（data acquire layer, DAL）、数据集中层（data concentrate layer, DCL）和数据管理层（data management layer, DML），如图1所示。数据采集层由博物馆地面陈列展一楼、二楼和水下参观监测区域组成。每个监测区域有一个汇聚节点（sensor node, SN）和若干个馆内指标监测终端（dectecting nod, DN）组成。白鹤梁水下博物馆根据馆内自身情况，初步设计温度、湿度、二氧化碳指标监测终端，并搭载馆内新风机、抽风机和空调机的启停智能化装置。系统的设计是开放的，以后可根据自身需求和博物馆具体环境，按该系统的设计思路进行室内监测项的更改。各项监测终端的主要功能是，实时采集一项或多项指标的参数，并通过传感器网络，将这些参数实时传送到其监测区域内的可编程逻辑控制器（PLC）上，然后由PLC将这些数据通过RS-485网络传送给数据集中层（DCL）中与该监测区域相对应的数据集中器（DCL）中。数据集中器将收集到实时的监测数据通过以太网传送给数据管理层（DML）中的服务器。数据管理层对数据进行永久存贮、分析监测数据、绘制变化趋势线、展示实时监测数据及设备运行控制等。

图1 系统总体构架

2.2.3 监测布点

系统对博物馆地面陈列馆一楼、二楼及水下参观区域进行监测，共设7个采集点,其中地面陈列馆4个参观单元各布设1个，水下参观区的上下游水平廊道各1个，参观廊道1个。每个采集点均分布了温湿度传感器和二氧化碳监测传感器，以7个模块集中对传感器输入的信号进行采集、数据传输、终端控制。

2.2.4 统操作界面

软件启动后，将进入系统管理的登录界面，如图2、图3所示，系统主要功能菜单位于界面左上部，管理人员可运用展区控制、设备控制、报警设置、历史趋势、报表查询等功能。

展区控制是实时反馈展区内温度、湿度、二氧化碳常规数据。操作人员可在系统界面上直接查看各展区的24 h空气质量状况。设备控制是将博物馆空调器和新风机整合自动化，数据监控中心可直接通过电脑中央空调、新风机进行手动或自动控制。尤其在节假日，当游客数量井喷式增长，出现馆内空气质量下降时，根据传感器反馈的监测值，系统可自动开启中央空调或新风机，调节温湿度，增加新风量，及时改善馆内空气质量。报警设置监测的每个指标都依据国家《图书馆、博物馆、美术馆、展览馆卫生标准》（GB9669—1996）设定了预警值，一旦相关数据超标，系统立即向数据监控中心发出预警信息，提醒管理人员采取措施，改善空气质量。例如二氧化碳的预警指标值为10-3，如果监测的数据超过该标准，系统就会发出警报。历史趋势是对以往的监测数据进行记录，并随当日当时游客数量变化，分析馆内空气质量变化趋势，如图4。

图2 展区监测界面

图3 设备控制界面

图4 二氧化碳历史变化趋势

3 博物馆游客流量与二氧化碳相关分析

白鹤梁水下博物馆根据2010—2013年的游客数量，初步制定了《游客高峰期安全处理预案》，对游客承载量进行了初步限定，但尚缺乏参观人流量限制的研究和制定依据。二氧化碳是评价参观区空气环境质量和游客游览舒适度的重要指标。现在世界上大多数博物馆室内环境标准是参照汤姆森（Thomson）1986年出版的《博物馆环境》（第二版）[6]。我国在1996年制定了《图书馆、博物馆、美术馆、展览馆卫生标准》（GB9669—1996），根据该标准和馆内、馆外的空气交换量，初步设定参观区二氧化碳预警值为10-3。

图5 游客流量与二氧化碳变化趋势

以白鹤梁水下博物馆2015年国庆7天假期为例，分析博物馆游客流量与馆内二氧化碳的相关性。从图5看出，馆内二氧化碳含量随着参观游客量的增加而增加，二者呈显著相关性。尤其在10月2—4日，游客参观人数突增，瞬时监测值甚至超过了初设的二氧化碳预警值（10-3），管理人员迅速采取增开新风机，联系一线员工减缓扶梯放行至水下参观的游客批次，或停止对外售票等措施，以减缓博物馆环境压力，保证游客参观舒适度。

4 结语及展望

当今博物馆发展的主旨是以观众为中心，对观众的身体健康非常重要，为游客提供安全、舒适的参观环境也必不可少。空气质量智能化监测系统自安装运行以来，进一步提高和完善了白鹤梁水下博物馆的环境智控设施，对于博物馆了解自身运行环境和提升博物馆服务功能均有明显的促进作用。为改善博物馆室内空气质量提供了科学的依据，同时为游客消除了可能存在的健康隐患，提供了一个安全、舒心的参观环境。但目前监测的指标还不全面，在保证常规监测的主导地位的基础上，应扩充新风量、风速、二氧化硫、挥发性有机化合物（VOC）、PM2.5等监测参数，以满足监测环境的需要。白鹤梁水下博物馆因独特的保护方式和特殊的参观环境，需要进一步加大对白鹤梁水下博物馆游客承载量的研究，对参观人数分流、廊道内参观时间、参观线路等进行合理优化，既要保护博物馆的文物，又要保证游客的安全及参观质量。

[1]宋向光.当代我国博物馆展陈发展现状及趋势[J].中国博物馆馆,2015,33(3):82-87.

[2]The State Environmental Protection Dept.USA.EPA's indoor air quality(IAQ)home page[EB/OL].(2001-10-01)[2017-03-03].http://www.epa.gov/iaq.

[3]张月玲.中国国家博物馆环境空气质量监测报告[J].文物保护与考古科学,2006,18(2):41-45.

[4]徐方圆,吴来明,解玉林.武汉博物馆文物保存环境研究[J].文物保护与考古科学,2007,19(1):8-17.

[5]吴来明,徐方圆,黄河.博物馆环境及相关物流网技术应用需求分析[J].文物保护与考古科学,2011,23(3):96-102.

[6]蒋锐.白鹤梁水下博物馆游客承载量研究初探[J].中国文化遗产,2015(3):75-81.

Application of Air Quality Intelligent Monitoring System in Museum——Take the White Crane Ridge Underwater Museum as an Example

DENG Jia, LI Longtian, TANG Huan
（China Three Gorges Museum, Chongqing 400015, China）

G267

A

邓佳（1989-），女，助理馆员，硕士，主要研究方向为博物馆环境保护研究。E- mail:317790877@qq.com.

重庆市社科基金资助项目（2015TBWT07）