基于动态耦合模型的展柜微环境精确调控系统设计*

王琬茹

(天津工业大学,天津 300382)

随着文物保护意识的不断提升以及国家对文物保护力度的不断增强,我国文物保护工作得到了长足的发展。当前的文物保护重点的发展方向已由传统的被动型防护转换为预防性保护工作,即从源头上对文物进行保护,预防影响文物保存的不利因素的发生,而不是在对文物保护产生不利影响产生后进行修复与弥补,进而实现最大程度地延长文物的保存时长。

1 引入

文物保存的特殊性决定了多数文物的保存在很大程度上是受到所在环境的直接影响,因此对文物进行预防性保护的关键即是从文物的保存环境入手,通过影响或改变文物所处的环境实现文物保护。从文物保护的专业角度来分析,文物所处的环境可以分为博物馆室外环境、博物馆室内环境、文物所处库房或展厅的室内小环境、微环境。而在这四层环境中,对文物保存影响最为直接的是储藏文物的展柜微环境,因为其特殊性其对文物存储寿命起到了决定性的影响,微环境控制的重要性不言而喻[1]。

在当前的实际生产设计过程中,文物展柜的微环境主要包括涉及的环境参数主要包括：展柜内部的温度、湿度、气体(尤其是有害气体)浓度、光照强度、紫外线强度、有害生物数量等。因此,当前展柜的设计与生产制造不再仅仅是提供一个容纳存放文物的空间,更是要通过相关技术营造出有利于文物保存的稳定性极强的展柜微环境。

2 文物展柜微环境控制研究现状分析与问题的提出

鉴于文物展柜微环境是影响文物存储的重要因素,针对于文物展柜涉及的微环境控制技术研究早已开展多年。相关的研究技术成果也早已被相关的文物展柜设计制造商应用到实际的展柜产品当中。当前最为典型也是最为直接的微环境控制实际应用即是在文物展柜中安装针对微环境参数的相应监测与调节控制设备,例如针对文物展柜的温湿度调节控制,有些展柜加装了恒温恒湿仪,实现温湿度的实时监控与动态调节；针对有害气体调节控制,则添加对应的空气成份监测仪与空气净化装置等[2]。

通过对已有的技术手段进行调研可以发现当前的微环境调控技术与手段在两个方面存在着不足之处：一方面是多数文物展柜微环境控制设备存在着配置单一、缺乏集成性、整体性管控能力弱的缺点,具体之处体现在微环境的控制只能实现某种类型的微环境因素检测与控制,无法实现统一的、集成化监测与控制；另一方面则是当前文物展柜生产设计中对微环境控制方面的技术应用还是侧重于被动方式的微环境参数监测与调整,设计理念与当前文物保护所提倡的主动预防保护模式背道而驰。例如当前主流的温湿度监测调控模式采用的理念是当设备食品检测到温湿度值超过一个阀值后系统才能监测报警并进行反向调节操作,而不能针对相关的微环境参数变化主动对微环境的动态变化予以预测并进行前瞻性管控,也就无法真正地实现预防性微环境调控。

3 解决问题的思路

针对当前技术研究在以上文物展柜微环境控制过程中存在的两方面主要问题,本文探讨与分析了利用物联网技术以及动态耦合模型综合解决上述两方面问题的技术思路,探索当前技术条件下解决文物展柜微环境控制的技术解决方案[3]。

(1)建立统一多源性微环境感知平台,实现微环境下感知数据的集成。

作为新一代的信息化处理技术,将物联网技术应用于展柜微环境控制是当前文物保护研究的重要发展方向,这种融入更是为传统功能单一文物展柜向智能化展柜的发展与突破奠定了良好的新技术基础。融入了物联网的微环境控制文物展柜具有了良好的文物预防性保护功能,具体而言可以体现在两方面的基本功能：一方面是可以实现展柜微环境的实时监测,主要是针对温度、湿度、各类气体含量、光照与有害生物的监测；另一方面则是对不符合文物保存环境的因素进行调节,以达到文物保存的最佳微环境。

本文技术以书籍、字画类和金属材质类中两类文物展柜的微环境为研究实例,设计研发集成温度、湿度、有害气体、光照、紫外线以及微生物传感器的物联网传感器节点的多源性微环境感知试验平台,实现对文物展柜微环境的整体性数字化监测,并在集成平台环境下实现微环境下多种环境感知数据的自动分类与初步集成。

(2)构建修正后多源性环境感知数据与文物环境稳定性的耦合建模。

在综合有效地监测文物展柜内微环境的各项环境参数的前提下,构建相关环境参数与文物微环境稳定状态变化的动态耦合模型,预测微环境稳定状态的变化,调控微环境控制机制,可以实现文物展柜微环境的动态监测、精细控制,使之成为文物预防性保护的“护城河”。

本系统采用的技术思路是以展柜微环境下测得的各类多源性环境感知数据为自变量,对文物展柜微环境的稳定程度作为因变量,构建展柜微环境下的“时间-环境感知数据-稳定性变化”三维动态耦合模型。并应用基于RBF人工神经网络的预测方法对微环境下不同阶段的环境感知数据建立预测和SPC统计过程设计模型,提前预知阶段性微环境影响数据,利用预测数据构造均值-极差控制图,进行微环境稳定性预判,进而进行智能化精确性微环境控制,提高展柜微环境控制的精确度。

4 系统研究采用的关键技术介绍

本系统在总结以往微环境监控与调节的技术研究基础之上,重点在环境数据误差修正、环境数据的三维动态耦合模型构建方面进行了研究与应用。

(1)文物展柜微环境监测中多源性环境感知数据的动态误差补偿与解析修正。

当前微环境下的环境数据感知与获取较多的研究还是集中于温度、湿度等环境因素,而对有害气体、光照、紫外线、有害生物的监测还有较大的短板。很重要的原因即是这些环境因素的传感器一方面本身受温、湿度影响较大,另一方面彼此之间又存着着较强的交叉敏感性。这就造成了多源性环境感知数据存在着较大的误差,无法准确的体现微环境的真实情况。因此对环境感知数据误差的补偿修正直接影响到整个微环境稳定性的调节,本项目针对文物展柜微环境监测平台得到多源性环境感知数据,对其存在的交叉敏感误差与实际监测过程中产生的动态误差,提出一种面向多源性环境感知的动态补偿方法与混合信号解析方法,优化展柜微环境相关传感器的响应特征。通过设计动态补偿模型,对展柜微环境中的多源性环境感知数据进行特征分析,提高多源性传感器的动态特性与传感效率,减少多源传感器在微环境监测的动态误差和漂移,进一步地提升展柜微环境监测的准确度与稳定性[4]。

(2)构建展柜微环境下的“时间-环境感知数据-稳定性变化”三维动态耦合模型。

项目研究的重要目标即是实现对文物展柜微环境稳定性的预防性保护,传统的实施策略仅是对环境感知数据进行实时采集与分析,受采样频率与感知数据修正延迟的原因,微环境稳定性的变化监控存在明显的滞后。因此本项目在监控平台进行多源环境感知数据采集与修正的基础上引入“时间-环境感知数据-稳定性变化”三维动态耦合模型,通过模型中的时间维度进行微环境稳定状态的模拟研判,真正实现文物预防性保护的根本目的。系统利用“时间-环境感知数据-稳定性变化”三维动态耦合模型对微环境稳定状态进行精确度保障,其先进性在于动态耦合模型会随着时间、稳定性测量指标、测量方法等进行动态漂移。本系统在研究设计时着重考虑分析了模型误差的来源,以此构建出适当的校正模型机制,增加动态耦合模型的可移植性,不仅可以应用在文物展柜的微环境精确控制层面,对于类似的多参数、高复杂性的环境数据集成与控制都可以得到较的实际应用[5]。

(3)微环境监测控制平台的微型化与集成化设计。

本展柜微环境调控系统的初衷即是实现多种展柜微环境参数的数据采集、分析处理以及精确调控,具体的环境参数包括温度、湿度、有害气体浓度、光照强度、紫外线强度、烟雾、振动、有害生物等八项指标。因此本系统研究与开发所涉及的环境参数传感器种类较为繁杂多样,如果只是对每项环境参数进行单独的监测与调控进行设备与仪器配置会导致空间占用率大以及美观受损的情况发生,同时各类设备信号彼此间的干扰影响也较大,对监测的精度与稳定性产生不利影响。因此,本文从实际应用角度出发,在设计方案上对其进行设备微型化、集成化以及无线网络化处理。

5 系统实际应用效果

通过与相关文物展柜制造厂商合作,该文物展柜系统最终研发成功并进入实际量产阶段,在对产品进行了详尽的环境测试之后,相关文物展柜产品已被实际应用到部分博物馆展柜的布设工程当中。通过后续的产品服务调研,该型产品与普通的文物展柜产品在以下两方面存在着明显的优势。

(1)新技术与产品的实际应用较好地提升了文物展柜微环境监测与调控效果。新型文物展柜的实际应用获得了用户的一致好评,尤其是一些地处复杂天气地理环境下对文物所处环境要求较高的文物保护展示单位,通过实际监测发现新型展柜的微环境调控指标有了大幅度的提升,控制精度较高,对文物在复杂环境下的保护起到了较好作用。

(2)系统集成性较高且预置系统再开发与网络连接端口,扩展性较好。展柜产品依托现有成熟的物联网平台进行设计开发,具有较好的系统兼容性与扩展性。该系统可以较好地与展馆内已有的安防系统、展示系统进行互联,并可以通过无线网络连接模块进行远程无线操控。

6 小结

基于动态耦合模型的展柜微环境精确调控系统是本次校企技术合作的技术成果之一,通过该技术的研究与运用为传统文保企业由劳动密集型的展柜制造行业发展为高科技方向的文物预防护性质的展柜“智造”进行了有益探索。