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从物联网到云计算,让敦煌壁画再“活”一千年

发布时间:2021-01-07来源:澳门游戏娱乐新闻办作者:柯溢能 吴雅兰0

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,澳门官方游戏平台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。”

而解决问题的钥匙,也只掌握在他们的手里。在最开始的几年里,暑假一到团队就飞到敦煌一呆就是一个月,“这时候没有课,我们就整天泡在莫高窟,有问题随时可以赶过去。”而到了夜晚他们最大的休息,就是跑到沙地上,仰望银河,数星星,看流星。

“看到那么美的景致,保护那么美的壁画,好像一切都是理所当然。”董亚波说,天一亮,他们就忙碌于查找问题和技术迭代,让物联技术更加稳定。一方面经过精心细致的技术研发和测试,攻克低功耗多跳自组网技术中的各个技术难点,并通过十多个软件版本的代码升级,逐步提高传感器的稳定性;另一方面根据每一个洞窟的特性,设计不同的信号中继位置,保证在不同洞窟里都可以有安全稳定的信号传输通道。最终在100多个洞窟内安装的500多个传感器都可以稳定运行,每个洞窟内的环境数据都可以在监测系统上实时呈现出来。

敦煌莫高窟南区有492个洞窟,董亚波从最初的完全陌生,到渐渐熟悉,尤其是对其中几十个重点石窟如数家珍。2011年系统逐渐稳定后,已经有100多个洞窟安装着他们研制的第二代环境监测传感器,在莫高窟窟区内也设置了气象站和空气污染监测站,这些传感器发挥着文物保护“看门狗”的作用。

走进敦煌研究院监测中心,一块硕大的电子屏吸引人的眼球。一个个小绿点代表着温湿度、二氧化碳浓度正常,而一旦达到警戒值“爆红”,一连串的游客调度系统就将开启。如果是因为游客多,窟内温湿度大于室外,莫高窟就会启动限流和通风措施,展示关闭参观;如果是因为大气湿度过高,会影响窟内湿度,则会关闭洞窟门,稳定窟内环境。

敦煌研究院前院长樊锦诗曾点赞团队:“做了一件对莫高窟非常有用的工作”。

云技术,让壁画再“活”一千年

从2006年第一次走进莫高窟的殿堂之后,董亚波每年都要多次往返杭州敦煌监测文物数据。这一坚持下来,便是十四年。

如今随着研究的深入,董亚波团队不仅开展窟内环境监测,还通过传感器,对文物本体开展倾斜、开裂等因素的监测。而董亚波也在敦煌“种下”了一支本土团队,敦煌研究院成立了全国文物界较早的专业化的文物保护监测中心。

当回想起2006年初到敦煌时的情景,他觉得有种初生牛犊不怕虎的闯劲。凭借一台电脑作为服务器,用无线网络贯穿起十几个洞窟。而随着数据量的越来越大,服务器的容量也不断扩增。

相较于一般工业或者民用领域上采集的实时数据,可以定期清除或者压缩,而对于文物,这些历史数据却大有用武之地。“在文物保护中,利用历史数据可以建立文物保存环境和文物本体状态的常态模型,为未来的文物风险预警提供重要的依据,因此这些数据价值巨大,可删不得。”

几十亿上百亿条数据堆起来,量越来越大,问题也就出来了。空间存储越来越越大,与此同时数据查询也变得异常缓慢。“不敢轻易访问前一年的数据,怕服务器跑不动会崩溃。”

还有一个情况也让董亚波犯愁。有时候莫高窟会停电,使得传输网络中断。这时传感器会自动储存数据,恢复供电后,这些暂时保存在传感器上的数据就会像洪水一般涌向服务器。这让董亚波每天对数据的安全提心吊胆,就好像是守着一个几近临街的水库,担心大坝溃坝,数据丢失。

此时,云技术日新月异,数据写入与访问性能得到极大的改善。通过澳门官方游戏平台与阿里巴巴合作设立的智云实验室,董亚波团队在与阿里巴巴的云技术专家的合作中共同攻克了海量数据存储管理的技术难题,也将智云实验室的澳门游戏娱乐云平台应用在了更多的文物保护项目中。

现如今,董亚波团队正在不断扩大他们的研究领域和应用对象,希望为其他的文博机构培养更多更聪明的电子“看门狗。”董亚波说,文物本体的预防性保护很难,但他想通过技术让更多的文物再“活”一千年。

(柯溢能 吴雅兰)