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从物联网到云计算,让敦煌壁画再“活”一千年

2021年01月12日 16:06来源:未知手机版

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北出长城古塞边,荒松落日少人烟。历经千年,敦煌莫高窟茕茕矗立在河西走廊西端。

在这座文明汇聚的艺术宝库中,洞窟建筑、彩塑、绘画融于一体,富丽多彩,精妙绝伦。然而,不像博物馆中的藏品被悉心呵护在在恒温恒湿的系统中,这些石窟里的壁画在岁月的风沙中越过千年,历经日月星辰,与当代人同此凉热。

一代代后来人,守卫着莫高窟,保护着莫高窟。2006年开始,浙江大学计算机科学与技术学院人工智能研究所副所长董亚波副教授,也加入到他们的队伍,为莫高窟装上环境监测系统,一件件艺术品的“冷暖体征”得以记录,文物保护专家得以更好“对症下药”。

一呼一吸牵动着莫高窟的美

走进一个个洞窟,豪放自如、粗犷有力的敦煌壁画,大多直面观众。游客们得以近距离洞察古人智慧,感叹一眼千年的神奇。但这也让壁画面临巨大的风险。这种风险来自观众呼吸出来的水汽和高湿天气时因为游客参观而从窟外交换进来的湿空气,当空气湿度超过62%时,壁画深处的地仗层就会析出盐分,进而在壁画表面结晶,引起壁画酥碱和破裂。

日益增多的游客进入洞窟对壁画的保护构成了威胁。敦煌研究院的一项研究发现,每40个游客参观半小时,洞内的二氧化碳值就会升高7.5倍,空气相对湿度上升10%,温度升高4℃。观众参观所带来的一连串连锁效应,会使许多壁画出现变色剥落现象。人为的不经意的损坏加速了经年累月的侵蚀,再加上风沙等自然界的影响,壁画文物正在一天天地“衰老”,保护石窟已经刻不容缓。

此前,温度、湿度、二氧化碳的监测,只能隔段时间手动提取一次。“这种监测方式时效性很差,如果真的需要保护,抢救都来不及。”摆在董亚波面前的,就是研制安装一套实时反馈的环境监测系统。

2006年,董亚波第一次走进莫高窟,顿时被眼前的场景所震惊。

如此恢弘壮丽的画面,凝聚着古人的精湛技艺。但洞窟里如此狭小的作业空间,监测工作很难开展。而等待着他的是满格的手机信号走进石窟顿时全无——洞窟的特殊形制使得无线信号完全被遮挡,而由于文物保护的需要,窟内没有电源,不能搭设网线。

一切都困难重重。

怎么办?董亚波想到了当时刚刚兴起的物联网技术,依托无线传感网络,传递信号。虽然在工业界无线传感技术已经起步,但体积庞大使用不便,需要应用在文物上,对洞窟的环境和壁画文物都有不良影响。因此将现成技术直接移植到文物保护领域,谈何容易。一切都要从头开始,摸着石头过河。

让数据成为文物保护“看门狗”

从文物保护角度讲,传感器的安放,既不能破坏壁画,又不能影响观众参观。董亚波团队通过低功耗的多跳自组织结构,让数据在接力中传递出来。这是一个比固体胶略胖一些的传感器,用于感知和采集空气中的湿度、温度、二氧化碳。没有电源,董亚波的这款监测器只需要2节五号电池,就能工作整整一年时间。

怎么降低电能消耗呢?团队尽可能让传感器在不工作的时候处于休眠,压缩工作时间。因此,每一分钟的数据传输,传感器在工作的短短几十毫秒中,要完成寻找信号、接收上游传感器数据、寻找下游传感器、发送数据以及接收应答等等动作。

在硬件层面,董亚波带领团队自己设计研制传感器,尽可能降低传感器能耗,把传感器做小,以避免对洞窟景观的影响。在软件层面,他们写了几十万条代码,确保整个传感器的高效运行。

随着一个个传感器的安装,数据源源不断地输出。最开始的几年,它们却异常“调皮”。可能今天调试完成,性能良好,等到了第二天就没有数据了。“环境太复杂,信号非常不稳定,不知道什么时候它就突然不工作了。”董亚波说,“那时候非常沮丧,甚至会感到崩溃。”

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