大同悬空寺监测预警信息系统的设计与实现

张浑平

摘 要：通过对悬空寺的文物本体病害及依存环境影响的评估分析，结合悬空寺当前的保护工程情况，制定科学合理的悬空寺本体及环境监测预警体系，确定监测手段、监测技术、监测设备，利用计算机通信技术、物联网技术、互联网技术等高新技术手段，建立一套符合悬空寺保护管理的监测预警信息系统（涉及文物保护、监测和管理几个方面），同时与悬空寺保护研究相结合，不断完善监测预警体系，使悬空寺保护和监测达到科学化、规范化、信息化，实现能够量化地、准确地、完整地、科学地反映悬空寺保存、保护状况。

关键词：悬空寺;监测预警信息系统;设计

1 研究背景

1.1 研究对象

大同悬空寺位于山西省浑源县（图1），距大同市65千米，寺院建造在恒山金龍峡西侧翠屏峰的峭壁间，始建于北魏太和年间，距今已有1500多年的历史。金、明、清三代均对悬空寺进行过修缮，现存建筑为明清时期所建，是国内仅存的佛、道、儒三教合一的独特寺庙。1957年，悬空寺被列为山西省重点文物保护单位。1982年，悬空寺被列入第二批全国重点文物保护单位。

1.2 特殊结构

悬空寺以西为正，大门朝南，整个建筑由南向北扩建而成，越往北地势相对越高越狭窄。寺院由三部分组成，每部分有一座三层的楼阁，内设悬梯连接（图2）。全寺初看去只有十几根大约碗口粗的立木柱支撑，上接阁楼栈道，下至岩石，最高处距地面70多米，分别被设置在两个阁楼和一条栈道下面。其实，真正把悬空寺悬在岩壁上的是栈道，当时的工匠在悬崖上开凿石孔，再将横梁插入其中，用木板铺平，建成了一条在山崖上通行的栈道。其中的力学原理是以半插的横梁为基础，借助岩石的托扶，回廊栏杆、上下梁柱紧密相连形成了一个木质框架式结构，也增加了抗震度。利用这种力学原理采取悬空方式的建筑在国内少有，显示出古代人民掌握的物理力学知识，为古建筑建设方式和类型增添了优秀的材料。

1.3 保存现状评估

悬空寺历经千年，受大风、温差等自然因素影响，部分建筑的木构件出现裂隙，尤其是支撑整个庙宇的承重横梁。横梁嵌入峭壁，无法从外部直观辨别受损和支撑情况。由于寺庙没有地基作为支撑，一旦横梁出现问题则寺庙建筑的安全就存在很大的隐患。

悬空寺历经多次大小修补，现在的情况可以说大灾得以控制、小病害不断。悬空寺主体建筑残损情况统计如表1所示。

1.4 影响因素分析

通过现场的调研分析，悬空寺的影响因素如表2所示。

1.5 监测预警信息系统建设的必要性

悬空寺作为国内现存唯一的佛、道、儒三教合一的独特寺庙，其价值意义非常重要。目前科技信息化水平已经应用在众多文化遗产保护的管理和预防性保护预警工作中，而且效果非常显著，对于解决管理人员少、没有统一的管理制度和信息化的管理水平、不能提前预防文物受损的保护工作来说，建设悬空寺的监测预警平台意义非常重大。游客行为影响、本体木质结构稳定性、本体保存环境三者是悬空寺监测预警的基础构成，也是为管理者提供科学的依据和预防性保护预警的直接支撑。整理悬空寺现有基础资料，对于整体的管理质量也有很大帮助。

2 系统设计与实现

2.1 系统建设目标

系统建设的目标是通过对悬空寺的文物本体病害及依存环境影响的评估分析，结合悬空寺当前的保护工程情况，制定科学合理的悬空寺本体及环境监测预警体系，确定监测手段、监测技术、监测设备，利用计算机通信技术、物联网技术、互联网技术等高新技术手段，建立一套符合悬空寺保护管理的监测预警信息系统（涉及文物保护、监测和管理几个方面），同时与悬空寺保护研究相结合，不断完善监测预警体系，使悬空寺保护和监测达到科学化、规范化、信息化，实现能够量化地、准确地、完整地、科学地反映悬空寺保存、保护状况。

2.2 监测体系建设

2.2.1 本体结构监测体系建设

我们梳理确定了悬空寺本体监测的内容和对应监测手段如表3所示。

2.2.2 保存环境监测体系建设

针对悬空寺的保存环境，我们梳理了环境监测体系内容，如表4所示。

2.3 系统架构设计

悬空寺监测预警信息系统基于.NET技术，使用SQL Server数据库。考虑到系统各功能模块间的相互关系及用户使用特点，系统的作业模式定义为B/S模式，采用MVC模式进行分层。服务器端支持Windows操作系统并且能够保证系统运行效率，支持IE、谷歌等主流浏览器。

根据悬空寺的监测体系内容，将悬空寺监测预警信息系统划分为文物信息管理、监测管理、预警管理、决策支持管理、系统维护管理、人工巡查、公共参与服务及展示七个子系统。同时，配置相应的数据库管理系统及标准保障体系，实现对悬空寺综合信息的集成管理，满足信息服务调用、数据存储、数据备份、数据应用等方面的需求。

悬空寺监测预警信息系统平台架构图如图3所示。

2.4 系统功能实现

2.4.1 文物信息管理模块

文物信息管理模块主要包括基础信息管理及保护项目管理模块。基础信息数据主要有悬空寺的基础特征（包括地理位置、气候、土壤等自然特征）、修缮保护的历史、保护范围及标志、保护管理机构状况（机构情况、人员变更）、记录档案状况等。保护项目管理模块主要是动态记录悬空寺保护项目的实施进展情况，按照时间顺序标记保护展示与环境整治工程，对已完成的保护项目的效果进行评估。

对以上信息进行调查、梳理后，按照文物保护单位工作的相关标准和规范建立数据库，导入相关电子文档，同时对展示的类别、指标、内容、安全以及不同用户的权限进行统一管理和维护。

2.4.2 监测管理模块

监测管理模块由监控节点、工程节点和客户端三部分组成。监控节点连接传感器硬件设备，通过网络（无线/GPRS）传输数据;工程节点用于系统设置的服务器;客户端通过工程节点动态浏览的监控运行情况，记录所有实时数据，客户端用于实时数据和动态画面的显示，并允许管理员配置传感器、确认预警信息等。

监测管理模块是悬空寺动态监测预警管理系统的核心，包括文物本体监测、文物环境监测、游客量监测三个方面。

①文物本体监测。悬空寺古建筑结构的核心为十根承重横梁，系统中文物本体监测含有振动监测处理模块、位移监测处理模块、倾斜监测处理模块。通过模块对悬空寺文物本体分析振动、位移（倾斜和沉降）、承重的数据、作用时间、峰值、动力响应规律等。

以悬空寺鼓楼振动和倾斜监测为例分析，分析图4、图5可以得知2021年1月和2月鼓楼东边横梁的振动频率在-5～5mg范围内。分析图6、图7可以得知鼓楼东边立柱的倾斜数据，其中X轴数值保持在1.7°左右，Y轴数据保持在3.07°左右。通过连续6个月的数据积累和对比分析（表5、表6），可以得知鼓楼振动和倾斜保持在规律的变化范围之内，对于本体而言，保持在整体相对稳定的范围之内。

②客流量监测。针对主要的游客影响因素，实施了客流量的实时监测。分析客流量的实时数据以及本体的倾斜和振动数据，当数值达到预警值时，采取控制客流量的方法实现文物的保护管理。通过图8可以得知当天各个时段进出及当前在悬空寺游览的人员数量，结合各类监测指标，形成联动的监测分析体系。

通过图9可以对悬空寺近几个月的数据进行统计和对比分析，同时可以和历年同时间的数据进行环比，对游客数量统计或监测保护工作都有很重要的建设意义。

2.4.3 预警管理模块

确定威胁悬空寺文物本体、环境的因素，制定预警指标体系和评估标准，发布预警信息。预警管理模块的包括预警设置、预警查询与处理模块等功能模块。

通过监测系统的数据整合、对比、研究，并结合国家相关监测参数制定标准，得到适合悬空寺的预警指标，参考相关标准和规范，确定各项指标的预警阈值，对预警进行分级。没有相关标准的，在进一步分析后向专家请教评估，形成指导建议，对预警阈值进行确定。当监测值超过预警阈值时，系统以红色标示显示在屏幕上，触发相关工作处理流程给相关管理人员，相关人员处理结束后将处理结果反馈給预警管理系统进行存档。系统提供相应的报表可以输出、打印。

2.4.4 决策支持模块

决策分析主要是对系统采集的数据进行关联监测分析以及年度监测报告的系统自动化生成。可以进行监测对象的联动分析，主要是对系统实时监测数据通过双坐标的方式进行关联分析、统计，通过关联对比，进而得出不同监测内容的一些内在联系。每次关联分析可选择最少一项、最多两项监测内容，多个监测点进行关联分析，可以选择同比、环比选项，点击分析后，系统将按照筛选条件展示单、双坐标轴进行关联数据分析，并得出简单分析结论。可将筛选条件、统计图及分析结论导出至Word文档。

2.4.5 系统管理模块

本子系统面向管理人员，实现系统管理、维护，是整个系统运行的基础支撑，包含组织机构管理、角色管理、用户管理、功能菜单管理、参数设置、设备管理和日志管理等八个模块。

2.4.6 人工巡查模块

系统对需要人工巡查的监测项目进行设置、排班，巡查人员按照巡查线路，在移动设备的软件客户端录入相关信息，信息传输到系统。管理员在系统中可以查询信息，向移动设备客户端发送指令。

2.4.7 公共参与服务及展示模块

公共参与服务和展示模式是为加强悬空寺与公众交流的平台，有利于宣传悬空寺，树立悬空寺的良好形象，形成悬空寺品牌影响力。公众参与主要通过馆内主题活动、线上互动展示、线上互动游戏、新媒体、社交网络等，让观众在体验中娱乐、在娱乐中体验，真正做到寓教于乐，使公众在悬空寺中留下深刻印象，更愿意深度了解悬空寺。

3 结语

悬空寺保护管理工作面临的主要问题是古建筑没有地基、结构靠横梁承载，木材老化、病害增加都会极大地威胁悬空寺的健康和完整性。同时寺庙邻近水库、隧道，游客众多，环境因素和人为因素也是直接影响本体安全的核心因素。因此，在保护工作中需要实时掌握悬空寺本体的结构状况及保存环境的变化，通过对各项监测对象的数据积累和研究分析，达到预防性保护的目的，同时结合人工巡查及第三方研究，形成悬空寺监测保护的大数据平台，为悬空寺的保护管理工作保驾护航。