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    文博技术产品

    文化遗产预防性保护技术现状及发展趋势

    发布时间:2017-08-29董亚波

    近日,一场文博技术产品研发与应用的交流盛宴引起业内广泛关注。来自江浙沪的文物管理部门、科研院所、文博单位及文博技术企业的负责人、专家技术人员,就“技术在文博行业中的应用”在上海展开交流研讨。

    以下是本次交流会科研单位代表董亚波先生的发言内容:


    一、文化遗产预防性保护技术与应用现状


    我国的文物资源非常丰富,目前有不可移动文物76万多处,其中有七批全国重点文保单位,总数4296处;第三次文物普查后统计出可移动文物有一亿多万件套。然而,我国的文物保护状况令人担忧,不可移动文物保存状况较差的占17.77%,差的占8.43%,有4.4万处已经由各种原因已经消失了。馆藏文物也有50.66%存在腐蚀损害,重度以上腐蚀的占16.5%。因此,我们需要采用合适的手段应对文物腐蚀损害。


    首先我们需要对文物进行充分的检测和分析。这个检测和分析的目的就是要获取文物的价值信息,到底为什么需要保护它,以及我们要知道到底存在什么样的病害原因,因此需要依赖一系列的文物监测手段。


    第二是保护修复。当文物已经出现一些不可容忍的病害的时候,我们要进行修复。现在国内已经有不少企业正在研发生产文物修复的专用装备。


    第三是预防性保护。我国现在的文物保护的理念,已经逐渐的从被动修复转向以及预防性保护,通过对它的环境进行调控来防止文物出现更严重的劣化,希望延缓文物的腐蚀。


    但是不管怎么说,文物毕竟是一个实体,还是会不可避免地消亡。


    因此我们还需要利用数字化手段,将文物的全方位信息采集下来、保留下来它的“魂”,以实现它的“永世长存”。

    当然了,我们的数字化成果要能够共享给我们的研究人员、共享给我们的观众,发挥它的作用。我国在预防性保护方面已经得到了非常大的进展。

    全国有上百家博物馆实施了预防性保护工程。主要是进行了博物馆环境的调控和评估,调节文物所在的小环境和微环境,并且对调控的结果的有效性进行监测和评估。对文物的收藏、储藏等方面,配备了专用的储藏柜、囊匣等装备,给文物提供比较好的储藏条件。很多不可移动文物也已经开展了相关的文物保护工作。

    一方面是做了基础的技术研究,包括开展了壁画地仗层的盐分迁移活动研究、遗址博物馆的大气-土-水环境与文物病害关联关系研究等。

    另一方面,通过技术论证之后,在包括敦煌莫高窟、云冈石窟、龙门石窟、克孜尔石窟等的石窟寺文物,包括金沙、秦俑、汉阳陵等的遗址博物馆,包括应县木塔、杭州飞来峰佛像、保俶塔、上海护珠塔、大理崇圣寺三塔等的古建筑文物,均开展了大气环境、风沙环境、水环境、文物微环境、游客环境、文物本体病害等的监测工作,建立起比较完善的预防性保护监测预警体系。在这么多预防性保护工作中,我觉得在技术方面还存在一些不足:

    第一个比较重要的问题是我们的基础是严重滞后的。从根本对文物的病害问题原因的分析、理解、掌握还非常不足,这样就导致了我们在进行预防性保护、监测、调控的时候,机理不明;我们应该采用什么样的监测设备、监测频率和采集精度,并不是特别清楚;报警预警阈值也无法准确设置;出现了风险以后,也不完全清楚应该用什么方式进行调控。

    第二是监测和管理出现脱节。由于对文物的病害机理不够了解,导致不能把监测的结果直接用于进行保护管理,所以监测和管理保护是脱节的,不能和保护工作形成合力。

    第三是对监测的数据缺乏有效利用。导致这个问题的主要原因我相信也是因为在基础研究方面的不足导致的。


    二、基于风险管理的文化遗产预防性保护框架

    我下面简单介绍一下我们最近做的一些工作,把风险管理理论运用在预防性保护里面,尝试着去解决一部分预防性保护工作里面的问题。

    基本有四个步骤。第一是要明确遗产所面临的风险。第二是要评估风险的程度。第三是要找出风险的环境策略。第四是要去评估每一项策略的成本和周期。

    在预防性保护中,我们希望是通过调节控制文物所处环境,来减缓文化遗产的缓慢变化,以达到保护的目的。

    因此,风险管理理论对预防性保护来讲非常具有有针对性和价值,可以为预防性预防性保护提供决策性框架。

    首先我们要对风险因素进行监测和评估。

    文化遗产预防性保护是建立在对遗产环境和病害充分、全面、实时了解的基础上,这些信息包括大环境,大气压、风沙、水,文物保存环境的温湿度、光照、紫外等这些微环境信息等,对文物的本体病害发展有着直接关系。

    文物载体信息,包括载体稳定性、盐含量、生物病害情况、风化情况等,这些也对文物会带来很大的影响。

    最关键的是,要对文物本体进行最全面的感知,本体的温度、含水量,本体有没有出现褪色、变色、开裂、材质变化等病害。

    现在对环境的监测信息已经较为充分了,但是对本体的监测手段还是非常缺少的,因为本体的变化是非常微小、非常长期的变化,对它的长期感知技术还有很大的挑战。

    而对本体信息感知的不足,是现在很大程度制约预防性保护技术发展的主要因素之一,也是今后在预防性保护里面需要重点突破的因素。

    在拥有了充分的监测数据的基础上,要对数据进行清洗、变换、合并、预处理。

    在这些数据处理完了以后,我们需要把环境变化跟文物本体变化结合起来,进行相关的分析,来评估、识别到底有哪些风险。

    在这里面我们可能会运用多种模型,包括环境评估模型、风险评估模型、健康评估模型等,来评估出我们到底存在哪些风险的种类,当出现较为严重的风险因素时,需要及时发送风险预警信息。当我们认识到风险的存在了以后,就需要根据风险处置预案,启动相关的风险处置流程。

    在风险处置预案当中,需要注意两件事情:第一是需要制定风险处置的行动计划;第二是要制定一个资源调配计划,说明需要做什么,以及需要什么样的资源。

    在风险处置过程中,需要对风险处置的结果进行评估和记录,我们对这些处置所做的措施是不是充分、是不是足够,还要进行反思和提炼,并对相关的风险处置预案进行调整。上述任务应成为文化遗产风险管理的核心。采用物联网、大数据等关键技术,来构建文化遗产的预防性保护,进行关联性因素分析,来掌握并且预测文物的变化,并且对它实施干预。

    三、大数据技术在文化遗产预防性保护的应用

    大数据分析是预防性保护里面非常重要的工具,大数据的应用现在从技术上来讲是三个层次。

    第一层次是数据管理和简单的统计分析,目前很多企业已经在做这样的工作,实现对文物环境和本体全方位监测数据的采集和管理。

    第二层次是要采用智能分析挖掘技术,来建立起一个可视化的遗产评估分析模型。通过可视化技术可以大大提高遗产监测数据的可理解性,通过流式数据处理可以提高海量监测数据处理的效率,通过深度学习等机器学习手段,可以为监测数据的深入发掘利用提供全新的手段。

    第三个层次是要进一步引入创新性的大数据思维,要从数据角度出发来解决文化遗产保护的基础核心问题。由于文化遗产的材料特性、结构特性等具有很大的个体差异性,长期历史保存状态有加大了这种差异性,导致了能够应用在现代建筑、现代材料等领域的很多方法不能直接沿用到文物本体的分析上来。

    因此,把整个思路倒过来,从数据出发,用大数据的思维,通过大量监测数据的积累来反推文物本体的变化,从数据相关性模型来建立本体病害机理表征模型,由经验知识总结转向基于数据的知识发现,这是今后有可能去实现突破的一个目标。

    我们现在已经开展了一部分面向文化遗产预防性保护的大数据应用。主要流程是从基于数据的关联性分析,到基于评估模型的风险分析,再通过趋势预测分析来进行预防性保护决策支持。例如,我们对莫高窟的微环境进行充分分析,建立了相应的可视化环境场模型,从而可以发现洞窟内的温湿度场的分布情况和异常情况。

    利用环境场模型,我们对洞窟内的传感器布设方案也进行了优化,提出了最佳的传感器部署的数量和位置。

    在此基础上,我们采用CO2气体作为示踪气体,建立起洞窟的动态空气交换律模型,再利用这一模型对洞窟内的湿度变化进行了较为精确的分析预测。可以看到,在窟外因为降雨而导致湿度升高的情况下,窟内的湿度升高过程与我们预测的过程非常相似。

    有了这一预测模型,我们就可以预测每个游客团队未来对洞窟微环境的影响,从而选择出每个游客团队最佳的参观路线。

    通过分析可以发现,采用这种优化方法,可以显著降低大部分洞窟的环境超标时间,最终洞窟环境总的超标时间可以降低27%。

    因此,通过游客参观路线的优化,可以把监测的数据和实际的文物保护管理结合在一起,指导保护管理工作的开展,这也是我们开展预防性保护监测的目的,也是我们大数据分析能够在文化遗产保护里面发挥作用的一个手段。我相信我们很多国内的单位和企业也都在致力于相关的工作,我相信也希望能够看到更多更好的成果能够运用到文化遗产的保护里面。谢谢大家!作者简介董亚波 ,浙江大学计算机学院副教授,石窟寺文物数字化保护国家文物局重点科研基地、浙江省文物保护传承专用装备技术联盟、文化遗产保护科技区域创新联盟(浙江省)技术专家。(内容来自“文博技术产品研发交流会”现场发言)

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