物联网技术在历史建筑保护中的应用

鲁月新 颜 宇 夏 君

(重庆市勘测院, 重庆 401120)

0 引言

党和国家高度重视历史文化遗产保护和弘扬中华优秀传统文化,重庆市根据政府工作报告要求,要延续城市文脉,留住重庆记忆,在2018年颁布并施行了《重庆市历史文化名城名镇名村保护条例》。在国家、重庆市加大保护名城、保护文物、保护古建筑的大背景下,积极探索利用物联网技术和“互联网+”技术在历史文物建筑的保护中开展应用[1]。综合利用大数据、视频智能分析、物联网、地理信息等技术,实现对历史建筑的全方位、立体化、实时保护[2],可为历史建筑突发事件的预警、处理和原因追溯提供及时、可靠的数据与技术支撑,创新历史建筑保护与管理的科技化、信息化手段,为历史建筑保护工作者安上“千里眼”[3]、为历史建筑装上“护身符”。

随着重庆市历史建筑保护工作的推进,从多个批次历史文化名镇、历史文化名村、历史文化街区等中选取重点历史建筑作为保护对象[4],持续推进更多历史建筑纳入监管保护范围。基于物联网技术在历史建筑保护中的应用,已覆盖重庆市“一区两群”8.24×104km2全市域范围,超过140处历史建筑已纳入持续监控保护。

1 建设框架设计

利用物联网技术方法助力重点历史建筑保护工作,总体思路是选取全市重点建筑作为保护对象,利用智能摄像机、倾斜传感器等物联网设备,对历史建筑本身及周边环境进行全天候的实时监控,通过构建的4G物联网数据传输网络体系[5],实现智能物联网设备与历史建筑监控管理中心实时监控数据、预警信息的交互,总体架构设计如图1所示。将前置物联网设备与历史建筑监控管理平台无缝集成[6],建立历史建筑监控日常巡查、预警响应机制,实现对历史建筑实时监控和预警防范,并定期自动生成监控周期报告,为突发事件提供第一手资料。

图1 总体框架设计图

1.1 平台硬件设备建设

利用图像识别技术、动态捕捉技术、陀螺仪三轴检测技术等实现对历史建筑的智能预警,并将预警信息集成到历史建筑监控管理平台中。当历史建筑发生墙体剧烈震动、墙体慢慢倾倒、关闭期间人员非法闯入、火灾等突发状况时[7-8],自动发送对应预警信息至历史建筑监控管理平台,实现预警预报。安装在历史建筑前端的物联网设备主要包括智能摄像机监控设备和倾斜传感器设备。

1.1.1 智能摄像机监控设备

针对历史建筑保护的需求,采用支持1080P的高清网络摄像机,能够支持全天候全方位的高清监控,要求设备支持H.264和H.264编码,通过配备红外感应灯,实现24 h不间断图像录制。集成到历史建筑监控管理平台的智能摄像机信号优先采用H.264编码技术,既能在视频传输压缩率方面显著提升效率,又能保证视频图像清晰度[9]。平台采用以网络硬盘录像机(network video recorder,NVR)为单位的分散部署方式,通过直接对高清1080P格式的码流进行录像,做到“存即所看”的效果,并做到在断链的情况下也能进行数据的可靠备份。

1.1.2 倾斜传感器设备

本次选择布设监控设备的重点历史建筑,部分在偏远山区,网络信号覆盖差,故选用4G低功耗倾斜传感器,可以保障数据的稳定传输。倾斜传感器采用4G物联网作为网络通道,采用私有协议进行监测数据的传输。通过监控管理平台接收监测数据,并分析处理。用户终端通过互联网直接查看结果数据,工作模式如图2所示。

图2 传感器工作模式

倾斜传感器集成高精度的陀螺仪、加速度计、地磁场传感器,采用高性能的微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法,能够快速求解出模块的实时运动姿态[10],采用先进的数字滤波技术,能有效降低测量噪声,提高测量精度。用户可自行设置报警值,当超过报警值时,倾斜传感器自动上报数据。倾斜报警通过4G网络向监控管理平台发出警报,同时可发送预警信息到用户移动手机终端,具有响应速度快,监控稳定的特点。倾斜传感器设备如图3所示。

图3 倾斜传感器设备

1.2 网络体系建设

构建数据传输网络体系,用4G物联网网络传输方式,实现物联网设备与历史建筑监控管理中心实时监控数据、预警信息的交互。其中视频信息的传输主要使用移动隧道传输技术。隧道技术是一种通过使用互联网络的基础设施在网络之间传递数据的方式,使用隧道传递的数据(或负载)可以是不同协议的数据帧或包。隧道协议将这些其他协议的数据帧或包重新封装在新的包头中发送,新的包头提供了路由信息,使封装的负载数据能够通过互联网络传递。被封装的数据包在隧道的两个端点之间通过公共互联网络进行路由,而被封装的数据包在公共互联网络上传递时所经过的逻辑路径则称为隧道[11]。数据传输体系采用4G网络实现智能摄像机监控设备、倾斜传感器设备与历史建筑监控管理平台的数据交互,数据传输架构如图4所示。

图4 数据传输架构图

1.3 历史建筑监控管理平台建设

历史建筑监控管理平台是利用三维地理信息系统(geographic information system,GIS)技术进行开发,建设的信息集成管理平台,具有权限的用户可以在平台上直观浏览监控的历史建筑分布、建筑精细模型浏览、查看物联网数据实时数据和历史数据等,在历史建筑监控管理中心即可实现历史建筑远程巡查。平台的主要功能包括三维地图浏览、历史建筑详情介绍、历史建筑精细模型查看[12]、智能摄像机监控视频接入、倾斜传感器接入、预警信息展示、预警处理、远程管理前端设备、存储重要录像、定期生成监控报告等。

针对历史建筑保护的具体需求,制订切实有效的保护响应体系是历史建筑保护的关键之一[13],契合推进智慧城市建设的时代要求。以历史建筑监控管理平台为基础,建立历史建筑监控管理中心,实现“一个中心,分层管理,责任到人”的响应机制,不断提升防控水平,满足对历史建筑监控区域进行全方位、立体化、及时响应的需求,为切实保障历史建筑安全、打造历史文化名城提供基础保障。

2 主要功能模块实现

2.1 智能视频监控设备功能

在历史建筑保护工作中,将智能视频监控设备与空间属性索引关联,实现与历史建筑绑定和空间位置的关联,远程对重点历史建筑实行全方位的监控管理,支持云台控制、视频定时抓拍。智能视频监控设备对历史建筑及周边环境进行实时监控,随着设备的安装和布控的点位数量增多,就要求智能视频监控设备能够安全、稳定、持续的对历史建筑起到有效的保护和预警。

选用的智能视频监控设备支持华为、紫光华智、大华、海康威视等主流视频监控厂商的SDK开发,支持穿越围栏、绊线入侵、区域入侵、物品遗留、快速移动、停车检测、人员聚集、物品搬移、徘徊检测多种行为检测[14],并根据历史建筑保护的应用需求,实现应用场景的定制。

2.2 倾斜传感器功能

选用的倾斜传感器采用全网通(LET)通讯,可远程端实时查看数据,控制模块,实现物联。具有入网速度快延迟低,4G承载、防水、防尘、耐高温等特点,能够长期稳定地对历史建筑进行监控。倾斜传感器小体积、低功耗、好安装,通过配置数据上传时间间隔,可定期向历史建筑监控管理平台上传数据,使用年限可达5年。倾斜传感器实现的功能主要包括倾斜预警和温度预警。

(1)倾斜预警。传感器支持两种算法,针对历史建筑保护采用6轴算法,6轴算法的Z轴为相对角度,上电为0度,根据该角度进行测量。X、Y、Z轴角度报警,角度报警通过各个轴倾斜角度报警[15]。当发生震动且震动倾斜幅度大于角度预设值时,传感器将被唤醒,数据自动上传到服务器,并在手机上提示报警。

(2)温度预警。历史建筑多为木质结构,消防安全尤为重要,选用的倾斜传感器具有温度感知模块,能够测量实际环境的温度情况,并上报服务器,自动提供火灾预警信息。

3 历史建筑监控管理平台建设

3.1 平台架构

历史建筑监控管理平台基于空间数据对历史建筑监控数据查询和分析,平台的架构包含四个部分(如图5所示),一是平台支撑层,是平台运行的软硬件环境,包括物理设备、网络层的硬件支撑部分和平台运行软件支撑部分;二是数据层,主要包括基础地理数据库、历史建筑专题数据库、配置数据库,通过对各类数据的收集和整理[16],建立一套完善的数据体系,为平台提供全面的数据仓库;三是应用层,是用户和数据的交互桥梁,包括电脑端展示、移动端展示和运维管理页面,涵盖面向用户的所有应用功能,实现与用户的数据交互和页面响应;四是用户层,平台主要包含三类用户,远程监控管理中心用户,统一管理全市纳入管理的历史建筑;历史建筑对应的管理用户,掌握管理职责范围内的历史建筑状况;平台管理员用户对软件系统、数据等进行管理维护。

图5 平台架构图

3.2 历史建筑监控管理平台功能

历史建筑监控管理平台是以地理信息为支撑,既是作为整个历史建筑保护工作的数据支撑,又是作为管理工作的展示窗口,实现数据导航、查询统计、辅助决策的作用。将地图、历史建筑、物联网设备进行了整合。总览仪表盘直观地展示所有监控数据,包括接入的历史文化资源、已监控的历史建筑数、已布控视频监控点数、倾斜监控点数、视频预警数、倾斜预警数和已处理预警数等。

历史建筑监控管理平台功能主要包括智能视频监控设备功能集成、倾斜传感器功能集成和监控管理平台功能建设,平台功能如图6所示,监控管理平台功能建设能实现历史建筑定位查询、多源数据聚合浏览、监控视频实时浏览、地图报警、移动终端巡查、监控报告自动生成等功能。

图6 平台功能图

4 平台实现效果

重庆市历史建筑管理平台的建设是物联网技术在历史建筑保护中的创新应用,在全市选取140余处重点历史建筑,通过对物联网设备安装调试,无缝集成到历史建筑监控管理平台中,实现了所有区县的全覆盖,对重要历史建筑形成了全面实时的保护。利用图像自动识别技术、动态捕捉技术、陀螺仪三轴检测技术等实现对历史建筑的智能预警,并将预警信息集成于历史建筑监控管理平台中。当历史建筑自身结构发生严重变形坍塌、人员侵入、火灾等突发状况时,自动将智能化物联网设备的发出预警信息发送至监控管理平台。监控管理平台将预警信息汇聚展示于监控预警表盘,管理人员可以打开监控预警的列表,查看预警详细情况,并按照预警处置机制进行预警处理。同时可利用平台提供的报告自动生成工具,定期自动生产管理情况报告并报送到历史建筑监控管理中心,节约了大量人力投入,提高了协同工作效率,实现对历史建筑全面、统一的管理保护。

5 结束语

为加强对历史建筑的保护,利用物联网技术,通过在历史建筑安装智能视频监控摄像机、倾斜传感器等智能网联设备,构建4G物联网传输方式,实现智能物联网设备与历史建筑监控管理中心实时监控数据、预警信息的数据交互。利用地理信息技术作为承载基础,建设历史建筑监控管理平台,将历史建筑的分布和实时数据在地图上直观展示,实现高效直观的信息展示、预警处理及信息查看。减少了历史建筑保护的人力投入,提高了历史建筑保护的信息化、智能化水平,在历史建筑保护中有很好的示范作用。