甘肅省酒泉市敦煌研究院里，工作人員正盯著一塊碩大的電子屏。“323窟，二氧化碳濃度1639ppm，溫度15.3℃，濕度37%……”一個個小綠點代表著洞窟內(nèi)溫濕度、二氧化碳濃度正常，而一旦達到警戒值，一連串的洞窟管理和游客調(diào)度系統(tǒng)就將開啟。這些能時刻記錄洞窟內(nèi)部環(huán)境“生命體征”的數(shù)據(jù)，正是來自浙江大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院人工智能研究所副所長董亞波副教授為莫高窟量身定制的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。有了這套系統(tǒng)，文物保護專家就可以對洞窟文物“對癥下藥”了。

敦煌研究院名譽院長樊錦詩說：“浙大團隊做了一件敦煌立刻就需要的工作”。

莫高窟中心監(jiān)測大屏幕

莫高窟地下水位監(jiān)測器

團隊人員在安裝第二代溫濕度二氧化碳監(jiān)測裝置

延緩壁畫“衰老”，需要實時監(jiān)測

位于敦煌城東南鳴沙山東麓的莫高窟海拔高出敦煌市區(qū)300米，與敦煌文物做伴的人，把進到窟區(qū)稱為“上山”。

2006年11月，董亞波第一次“上山”。經(jīng)過長途奔波，到莫高窟已經(jīng)是晚上了，周圍漆黑一片，啥也看不清。第二天，他起了個大早，想早點去洞窟勘測，推開窗一看，外面還是黑乎乎的。怎么回事？來之前他聽說，大漠里刮沙塵暴的時候，白天也會像晚上一樣，“該不會這么巧吧，頭一回來就碰上沙塵暴了。”后來才知道，因為時差和緯度的原因，這里的早上7點跟杭州的凌晨三四點一樣。

待到天明，洞窟漸次露出真容，董亞波被震撼到了。“古代人的智慧和力量遠遠超過我們的想象，一種想要保護她的念頭油然而生”。然而現(xiàn)實并不是那樣美好。歲月的流逝，風(fēng)沙的侵蝕，讓這些美得勾魂攝魄的壁畫和彩塑變得十分脆弱，不少文物開始褪色、剝落、開裂。

敦煌研究院的文物保護人員告訴董亞波，除了自然因素，壁畫彩塑的另一個勁敵就是洞窟開放時游客帶入的水汽和二氧化碳。當空氣相對濕度超過62%時，壁畫深處的地仗層就會析出鹽分，進而在壁畫表面結(jié)晶，引起壁畫酥堿和破裂。

根據(jù)敦煌研究院的一項研究，每40個游客參觀半小時，洞內(nèi)的二氧化碳值就會升高7.5倍，空氣相對濕度上升10%，溫度升高4℃。人為不經(jīng)意的損壞加速了經(jīng)年累月的侵蝕，再加上風(fēng)沙等自然界的影響，壁畫文物正在一天天地“衰老”。

要想減緩“衰老”過程，就需要有環(huán)境監(jiān)測。然而當時的技術(shù)手段相對落后，只能隔一周手動提取一次監(jiān)測結(jié)果。“這種監(jiān)測方式時效性很差，只能作為‘事后諸葛亮’。如果真的需要采取保護措施，這樣的時效性是不夠的。”董亞波意識到，要研制安裝一套實時反饋的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

洞窟里作業(yè)空間狹小，監(jiān)測工作很難開展。當董亞波帶著手機走進石窟時，信號居然一格都沒有——多數(shù)洞窟開鑿在崖體深處，徹底遮蔽了外界的無線信號。而由于文物保護的需要，窟內(nèi)沒有電源，不能搭設(shè)網(wǎng)線。

一切都困難重重。

董亞波想到了當時剛剛興起的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，依托無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳遞信號。然而，在工業(yè)界無線傳感技術(shù)雖然已經(jīng)起步，但體積龐大使用不便，還要拉電拉網(wǎng)，對洞窟的環(huán)境和壁畫文物都有不良影響，此前還從來沒有應(yīng)用在文物保護上。顯然，直接移植現(xiàn)成技術(shù)是行不通的，必須對系統(tǒng)重新改造。

克服重重困難，專為敦煌量身定制一套系統(tǒng)

下山后，董亞波把問題帶回浙江大學(xué)，跟他的團隊一起研究。首要的一個問題是如何把信號從洞窟里面?zhèn)鞒鰜怼Ｄ呖吣峡哂?92個洞窟，大小不一，形狀各異，像61號石窟，里面的甬道有近10米深，甬道兩旁的崖體如同“銅墻鐵壁”，大大增加了信號傳輸?shù)碾y度。

董亞波團隊設(shè)計了一個多跳自組織結(jié)構(gòu)，在洞窟里布置幾個中轉(zhuǎn)，讓數(shù)據(jù)在接力中傳遞出來，“信號傳輸?shù)木€路都是根據(jù)各個洞窟的實際情況來設(shè)計的。”董亞波說，“就像是踢足球，后場把數(shù)據(jù)傳到中場，中場繞過洞窟里的障礙物，幾次倒腳之后再往前傳，最后由前鋒臨門一腳把信號傳到洞窟外面。”

洞窟里沒有電源供電，意味著無線傳感器只能用電池工作。如何降低電能消耗？團隊盡可能讓傳感器在不工作的時候休眠，壓縮工作時間。因此，每一分鐘的數(shù)據(jù)傳輸，傳感器在工作的短短幾十毫秒中，要完成尋找信號、接收上游傳感器數(shù)據(jù)、尋找下游傳感器、發(fā)送數(shù)據(jù)以及接收應(yīng)答等動作。這樣一來，董亞波團隊的這款傳感器只需要兩節(jié)五號電池，就能工作整整一年時間。

在硬件層面，董亞波帶領(lǐng)團隊設(shè)計研制傳感器，盡可能降低傳感器能耗，并且把傳感器的體積做小，以避免對洞窟景觀造成影響。而在軟件層面，他們寫了幾十萬條代碼，確保整個傳感器高效運行。

當董亞波團隊帶著第一代的無線傳感器進到洞窟后，卻發(fā)現(xiàn)測試并不像想象中那么順利。“環(huán)境太復(fù)雜，傳感器放置的位置既不能損傷文物，也不能妨礙游客參觀，很多時候只能找一個小角落或者佛龕隱蔽處。洞窟里的溫濕度環(huán)境時時刻刻在變，信號忽強忽弱，有時候好不容易現(xiàn)場調(diào)試好了，一轉(zhuǎn)身，信號又沒有了。”董亞波說，“那時候非常沮喪，甚至?xí)械奖罎ⅰ！?br />
而解決問題的鑰匙，也只掌握在他們的手里。在最開始的幾年里，暑假一到團隊就飛到敦煌，“這時候沒有課，我們就整天泡在莫高窟，有問題隨時可以趕過去。”而到了夜晚他們最大的休息，就是跑到沙地上，仰望銀河，數(shù)星星，看流星。

“看到那么美的景致，保護那么美的壁畫，好像一切都是理所當然。”董亞波說，天一亮，他們就忙碌于查找問題，思考如何讓物聯(lián)技術(shù)更加穩(wěn)定。后來他們發(fā)現(xiàn)信號受參觀影響很大。“外面的鋁合金門關(guān)了，洞窟里的游客一下子擠在一起，信號都會減弱，在設(shè)計的時候，就必須考慮這些因素，留足通信余量。”董亞波說。

于是他們設(shè)計了第二代無線傳感器，一方面經(jīng)過精心細致的技術(shù)研發(fā)和測試，攻克低功耗多跳自組網(wǎng)技術(shù)中的各個技術(shù)難點，并通過十多個軟件版本的代碼升級，逐步提高傳感器的穩(wěn)定性；另一方面根據(jù)每一個洞窟的特性，設(shè)計不同的信號中繼位置，保證在不同洞窟里都可以有安全穩(wěn)定的信號傳輸通道。

2015年系統(tǒng)逐漸穩(wěn)定后，已經(jīng)有100多個洞窟安裝了他們研制的像固體膠棒一般的第二代環(huán)境監(jiān)測裝置。數(shù)據(jù)一有異常，這些裝置就會報警。

如今，在國家文物局指南針科技計劃項目、國家科技支撐計劃項目和國家重點研發(fā)計劃項目的支持下，團隊開展的工作已經(jīng)從洞窟的微環(huán)境監(jiān)測擴展到了大氣環(huán)境、崖體和文物本體的監(jiān)測，先后研制了30多套監(jiān)測不同指標的傳感器設(shè)備，還形成了一套標準化的監(jiān)測體系。

從最初的找不著北，到漸漸熟悉，尤其是對其中幾十個重點石窟如數(shù)家珍。董亞波說：“一開始是覺得這工作挺有趣，就像是醫(yī)生給石窟做檢查，做下去就越來越覺得有意義。”

引入云技術(shù)，存儲記錄莫高窟的每一天

“當年‘上山’的時候可沒想到會做這么久。”從2006年第一次走進莫高窟后，董亞波每年都要多次往返杭州和敦煌，至今已堅持了14年。

如今隨著研究的深入，董亞波團隊不僅開展窟內(nèi)環(huán)境監(jiān)測，還通過傳感器，對石窟外的大氣環(huán)境、PM2.5、PM10、二氧化硫、氮氧化物等空氣污染狀態(tài)，以及窟區(qū)的地下水狀態(tài)、洞窟崖體的穩(wěn)定性等許多指標進行實時監(jiān)測。有了這整套系統(tǒng)，敦煌研究院的保護人員一看數(shù)據(jù)就知道洞窟的“身體狀況”。

如果是因為游客多，窟內(nèi)溫濕度大于室外，莫高窟就會啟動這個洞窟的限流和通風(fēng)措施；如果是室外大氣濕度過高，影響窟內(nèi)濕度，或是出現(xiàn)了降雨、沙塵暴等惡劣天氣，則會關(guān)閉洞窟門，穩(wěn)定窟內(nèi)環(huán)境，甚至停止參觀。董亞波還在敦煌“種下”了一支本土團隊，幫助敦煌研究院成立了全國文物界較早的監(jiān)測中心。

隨著監(jiān)測數(shù)據(jù)量的越來越大，對服務(wù)器的容量和處理速度需求也不斷提高。董亞波團隊又面臨新的問題。

“相較于一般工業(yè)或者民用領(lǐng)域上采集的實時數(shù)據(jù)，可以定期清除或者壓縮，但是在文物界，歷史數(shù)據(jù)卻大有用武之地。”董亞波介紹，在文物保護中，利用歷史數(shù)據(jù)可以建立文物保存環(huán)境和文物本體狀態(tài)的環(huán)境統(tǒng)計模型、風(fēng)險溯源模型等，為未來的文物風(fēng)險預(yù)警提供重要依據(jù)，因此這些數(shù)據(jù)價值巨大，刪不得。

價值巨大的歷史數(shù)據(jù)如何保存？

幾十億甚至上百億條數(shù)據(jù)就像滾雪球一樣越來越多，需要的存儲空間也越來越大，與此同時數(shù)據(jù)查詢也變得異常緩慢，而從龐大的數(shù)據(jù)中進行一次復(fù)雜的數(shù)據(jù)查找有時需要等待十幾秒才能完成，嚴重影響了文物保護研究的效率。“不敢輕易訪問前一年的完整數(shù)據(jù)，怕服務(wù)器跑不動會崩潰。”董亞波說。

還有一個情況也讓董亞波犯愁。有時候莫高窟會停電，使得傳輸網(wǎng)絡(luò)中斷。這時傳感器會自動儲存數(shù)據(jù)，恢復(fù)供電后，這些暫時保存在傳感器上的數(shù)據(jù)就會像洪水一般涌向服務(wù)器。這讓董亞波每天對數(shù)據(jù)的安全提心吊膽，就好像是守著一個幾近臨街的水庫，擔(dān)心大壩潰壩，數(shù)據(jù)丟失。

得益于云技術(shù)的日新月異，數(shù)據(jù)寫入與訪問性能得到極大改善，攻克了海量數(shù)據(jù)存儲管理的技術(shù)難題。浙江大學(xué)智云實驗室的浙大云平臺便應(yīng)用在了莫高窟的保護項目中。

“如果從20世紀90年代潘云鶴院士跟敦煌合作算起，我們浙大計算機學(xué)院參與文物保護工作已經(jīng)有20多年了，隨著文保需求的不斷變化，建工、材料、生儀、控制、能源等其他學(xué)科的教授們也加入進來了，我們的力量越來越壯大了。”董亞波說。

在敦煌研究院的一面墻上，有這樣一句話：“歷史是脆弱的，因為她被寫在了紙上，畫在了墻上；歷史又是堅強的，因為總有一批人愿意守護歷史的真實，希望她永不磨滅。”

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