莫高窟的“养颜”人利用传感器实时监测环境

甘肃省酒泉市敦煌研究院里，工作人员正盯着一块硕大的电子屏。“323窟，二氧化碳浓度1639ppm，温度15.3℃，湿度37%……”一个个小绿点代表着洞窟内温湿度、二氧化碳浓度正常，而一旦达到警戒值，一连串的洞窟管理和游客调度系统就将开启。这些能时刻记录洞窟内部环境“生命体征”的数据，正是来自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为莫高窟量身定制的环境监测系统。有了这套系统，文物保护专家就可以对洞窟文物“对症下药”了。

敦煌研究院名誉院长樊锦诗说：“浙大团队做了一件敦煌立刻就需要的工作”。

莫高窟中心监测大屏幕

莫高窟地下水位监测器

团队人员在安装第二代温湿度二氧化碳监测装置

延缓壁画“衰老”，需要实时监测

位于敦煌城东南鸣沙山东麓的莫高窟海拔高出敦煌市区300米，与敦煌文物做伴的人，把进到窟区称为“上山”。

2006年11月，董亚波第一次“上山”。经过长途奔波，到莫高窟已经是晚上了，周围漆黑一片，啥也看不清。第二天，他起了个大早，想早点去洞窟勘测，推开窗一看，外面还是黑乎乎的。怎么回事？来之前他听说，大漠里刮沙尘暴的时候，白天也会像晚上一样，“该不会这么巧吧，头一回来就碰上沙尘暴了。”后来才知道，因为时差和纬度的原因，这里的早上7点跟杭州的凌晨三四点一样。

待到天明，洞窟渐次露出真容，董亚波被震撼到了。“古代人的智慧和力量远远超过我们的想象，一种想要保护她的念头油然而生”。然而现实并不是那样美好。岁月的流逝，风沙的侵蚀，让这些美得勾魂摄魄的壁画和彩塑变得十分脆弱，不少文物开始褪色、剥落、开裂。

敦煌研究院的文物保护人员告诉董亚波，除了自然因素，壁画彩塑的另一个劲敌就是洞窟开放时游客带入的水汽和二氧化碳。当空气相对湿度超过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。

根据敦煌研究院的一项研究，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℃。人为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”。

要想减缓“衰老”过程，就需要有环境监测。然而当时的技术手段相对落后，只能隔一周手动提取一次监测结果。“这种监测方式时效性很差，只能作为‘事后诸葛亮’。如果真的需要采取保护措施，这样的时效性是不够的。”董亚波意识到，要研制安装一套实时反馈的环境监测系统。

洞窟里作业空间狭小，监测工作很难开展。当董亚波带着手机走进石窟时，信号居然一格都没有——多数洞窟开凿在崖体深处，彻底遮蔽了外界的无线信号。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。

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。然而，在工业界无线传感技术虽然已经起步，但体积庞大使用不便，还要拉电拉网，对洞窟的环境和壁画文物都有不良影响，此前还从来没有应用在文物保护上。显然，直接移植现成技术是行不通的，必须对系统重新改造。

克服重重困难，专为敦煌量身定制一套系统

下山后，董亚波把问题带回浙江大学，跟他的团队一起研究。首要的一个问题是如何把信号从洞窟里面传出来。莫高窟南窟有492个洞窟，大小不一，形状各异，像61号石窟，里面的甬道有近10米深，甬道两旁的崖体如同“铜墙铁壁”，大大增加了信号传输的难度。

董亚波团队设计了一个多跳自组织结构，在洞窟里布置几个中转，让数据在接力中传递出来，“信号传输的线路都是根据各个洞窟的实际情况来设计的。”董亚波说，“就像是踢足球，后场把数据传到中场，中场绕过洞窟里的障碍物，几次倒脚之后再往前传，最后由前锋临门一脚把信号传到洞窟外面。”

洞窟里没有电源供电，意味着无线传感器只能用电池工作。如何降低电能消耗？团队尽可能让传感器在不工作的时候休眠，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动作。这样一来，董亚波团队的这款传感器只需要两节五号电池，就能工作整整一年时间。

在硬件层面，董亚波带领团队设计研制传感器，尽可能降低传感器能耗，并且把传感器的体积做小，以避免对洞窟景观造成影响。而在软件层面，他们写了几十万条代码，确保整个传感器高效运行。

当董亚波团队带着第一代的无线传感器进到洞窟后，却发现测试并不像想象中那么顺利。“环境太复杂，传感器放置的位置既不能损伤文物，也不能妨碍游客参观，很多时候只能找一个小角落或者佛龛隐蔽处。洞窟里的温湿度环境时时刻刻在变，信号忽强忽弱，有时候好不容易现场调试好了，一转身，信号又没有了。”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，“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，思考如何让物联技术更加稳定。后来他们发现信号受参观影响很大。“外面的铝合金门关了，洞窟里的游客一下子挤在一起，信号都会减弱，在设计的时候，就必须考虑这些因素，留足通信余量。”董亚波说。

于是他们设计了第二代无线传感器，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。

2015年系统逐渐稳定后，已经有100多个洞窟安装了他们研制的像固体胶棒一般的第二代环境监测装置。数据一有异常，这些装置就会报警。

如今，在国家文物局指南针科技计划项目、国家科技支撑计划项目和国家重点研发计划项目的支持下，团队开展的工作已经从洞窟的微环境监测扩展到了大气环境、崖体和文物本体的监测，先后研制了30多套监测不同指标的传感器设备，还形成了一套标准化的监测体系。

从最初的找不着北，到渐渐熟悉，尤其是对其中几十个重点石窟如数家珍。董亚波说：“一开始是觉得这工作挺有趣，就像是医生给石窟做检查，做下去就越来越觉得有意义。”

引入云技术，存储记录莫高窟的每一天

“当年‘上山’的时候可没想到会做这么久。”从2006年第一次走进莫高窟后，董亚波每年都要多次往返杭州和敦煌，至今已坚持了14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，对石窟外的大气环境、PM2.5、PM10、二氧化硫、氮氧化物等空气污染状态，以及窟区的地下水状态、洞窟崖体的稳定性等许多指标进行实时监测。有了这整套系统，敦煌研究院的保护人员一看数据就知道洞窟的“身体状况”。

如果是因为游客多，窟内温湿度大于室外，莫高窟就会启动这个洞窟的限流和通风措施；如果是室外大气湿度过高，影响窟内湿度，或是出现了降雨、沙尘暴等恶劣天气，则会关闭洞窟门，稳定窟内环境，甚至停止参观。董亚波还在敦煌“种下”了一支本土团队，帮助敦煌研究院成立了全国文物界较早的监测中心。

随着监测数据量的越来越大，对服务器的容量和处理速度需求也不断提高。董亚波团队又面临新的问题。

“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，但是在文物界，历史数据却大有用武之地。”董亚波介绍，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环境统计模型、风险溯源模型等，为未来的文物风险预警提供重要依据，因此这些数据价值巨大，删不得。

价值巨大的历史数据如何保存？

几十亿甚至上百亿条数据就像滚雪球一样越来越多，需要的存储空间也越来越大，与此同时数据查询也变得异常缓慢，而从庞大的数据中进行一次复杂的数据查找有时需要等待十几秒才能完成，严重影响了文物保护研究的效率。“不敢轻易访问前一年的完整数据，怕服务器跑不动会崩溃。”董亚波说。

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。

得益于云技术的日新月异，数据写入与访问性能得到极大改善，攻克了海量数据存储管理的技术难题。浙江大学智云实验室的浙大云平台便应用在了莫高窟的保护项目中。

“如果从20世纪90年代潘云鹤院士跟敦煌合作算起，我们浙大计算机学院参与文物保护工作已经有20多年了，随着文保需求的不断变化，建工、材料、生仪、控制、能源等其他学科的教授们也加入进来了，我们的力量越来越壮大了。”董亚波说。

在敦煌研究院的一面墙上，有这样一句话：“历史是脆弱的，因为她被写在了纸上，画在了墙上；历史又是坚强的，因为总有一批人愿意守护历史的真实，希望她永不磨灭。”

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