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從物聯網到云計算,讓敦煌壁畫再“活”一千年

發布時間:2021-01-07來源:浙大新聞辦作者:柯溢能 吳雅蘭0

北出長城古塞邊,荒松落日少人煙。歷經千年,敦煌莫高窟煢煢矗立在河西走廊西端。

在這座文明匯聚的藝術寶庫中,洞窟建筑、彩塑、繪畫融于一體,富麗多彩,精妙絕倫。然而,不像博物館中的藏品被悉心呵護在在恒溫恒濕的系統中,這些石窟里的壁畫在歲月的風沙中越過千年,歷經日月星辰,與當代人同此涼熱。

一代代后來人,守衛著莫高窟,保護著莫高窟。2006年開始,浙江大學計算機科學與技術學院人工智能研究所副所長董亞波副教授,也加入到他們的隊伍,為莫高窟裝上環境監測系統,一件件藝術品的“冷暖體征”得以記錄,文物保護專家得以更好“對癥下藥”。

一呼一吸牽動著莫高窟的美

走進一個個洞窟,豪放自如、粗獷有力的敦煌壁畫,大多直面觀眾。游客們得以近距離洞察古人智慧,感嘆一眼千年的神奇。但這也讓壁畫面臨巨大的風險。這種風險來自觀眾呼吸出來的水汽和高濕天氣時因為游客參觀而從窟外交換進來的濕空氣,當空氣濕度超過62%時,壁畫深處的地仗層就會析出鹽分,進而在壁畫表面結晶,引起壁畫酥堿和破裂。

日益增多的游客進入洞窟對壁畫的保護構成了威脅。敦煌研究院的一項研究發現,每40個游客參觀半小時,洞內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℃。觀眾參觀所帶來的一連串連鎖效應,會使許多壁畫出現變色剝落現象。人為的不經意的損壞加速了經年累月的侵蝕,再加上風沙等自然界的影響,壁畫文物正在一天天地“衰老”,保護石窟已經刻不容緩。

此前,溫度、濕度、二氧化碳的監測,只能隔段時間手動提取一次?!斑@種監測方式時效性很差,如果真的需要保護,搶救都來不及?!睌[在董亞波面前的,就是研制安裝一套實時反饋的環境監測系統。

2006年,董亞波第一次走進莫高窟,頓時被眼前的場景所震驚。

如此恢弘壯麗的畫面,凝聚著古人的精湛技藝。但洞窟里如此狹小的作業空間,監測工作很難開展。而等待著他的是滿格的手機信號走進石窟頓時全無——洞窟的特殊形制使得無線信號完全被遮擋,而由于文物保護的需要,窟內沒有電源,不能搭設網線。

一切都困難重重。

怎么辦?董亞波想到了當時剛剛興起的物聯網技術,依托無線傳感網絡,傳遞信號。雖然在工業界無線傳感技術已經起步,但體積龐大使用不便,需要應用在文物上,對洞窟的環境和壁畫文物都有不良影響。因此將現成技術直接移植到文物保護領域,談何容易。一切都要從頭開始,摸著石頭過河。

讓數據成為文物保護“看門狗”

從文物保護角度講,傳感器的安放,既不能破壞壁畫,又不能影響觀眾參觀。董亞波團隊通過低功耗的多跳自組織結構,讓數據在接力中傳遞出來。這是一個比固體膠略胖一些的傳感器,用于感知和采集空氣中的濕度、溫度、二氧化碳。沒有電源,董亞波的這款監測器只需要2節五號電池,就能工作整整一年時間。

怎么降低電能消耗呢?團隊盡可能讓傳感器在不工作的時候處于休眠,壓縮工作時間。因此,每一分鐘的數據傳輸,傳感器在工作的短短幾十毫秒中,要完成尋找信號、接收上游傳感器數據、尋找下游傳感器、發送數據以及接收應答等等動作。

在硬件層面,董亞波帶領團隊自己設計研制傳感器,盡可能降低傳感器能耗,把傳感器做小,以避免對洞窟景觀的影響。在軟件層面,他們寫了幾十萬條代碼,確保整個傳感器的高效運行。

隨著一個個傳感器的安裝,數據源源不斷地輸出。最開始的幾年,它們卻異?!罢{皮”??赡芙裉煺{試完成,性能良好,等到了第二天就沒有數據了?!碍h境太復雜,信號非常不穩定,不知道什么時候它就突然不工作了?!倍瓉啿ㄕf,“那時候非常沮喪,甚至會感到崩潰?!?/p>

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一呆就是一個月,“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?!倍搅艘雇硭麄冏畲蟮男菹?,就是跑到沙地上,仰望銀河,數星星,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?!倍瓉啿ㄕf,天一亮,他們就忙碌于查找問題和技術迭代,讓物聯技術更加穩定。一方面經過精心細致的技術研發和測試,攻克低功耗多跳自組網技術中的各個技術難點,并通過十多個軟件版本的代碼升級,逐步提高傳感器的穩定性;另一方面根據每一個洞窟的特性,設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定的信號傳輸通道。最終在100多個洞窟內安裝的500多個傳感器都可以穩定運行,每個洞窟內的環境數據都可以在監測系統上實時呈現出來。

敦煌莫高窟南區有492個洞窟,董亞波從最初的完全陌生,到漸漸熟悉,尤其是對其中幾十個重點石窟如數家珍。2011年系統逐漸穩定后,已經有100多個洞窟安裝著他們研制的第二代環境監測傳感器,在莫高窟窟區內也設置了氣象站和空氣污染監測站,這些傳感器發揮著文物保護“看門狗”的作用。

走進敦煌研究院監測中心,一塊碩大的電子屏吸引人的眼球。一個個小綠點代表著溫濕度、二氧化碳濃度正常,而一旦達到警戒值“爆紅”,一連串的游客調度系統就將開啟。如果是因為游客多,窟內溫濕度大于室外,莫高窟就會啟動限流和通風措施,展示關閉參觀;如果是因為大氣濕度過高,會影響窟內濕度,則會關閉洞窟門,穩定窟內環境。

敦煌研究院前院長樊錦詩曾點贊團隊:“做了一件對莫高窟非常有用的工作”。

云技術,讓壁畫再“活”一千年

從2006年第一次走進莫高窟的殿堂之后,董亞波每年都要多次往返杭州敦煌監測文物數據。這一堅持下來,便是十四年。

如今隨著研究的深入,董亞波團隊不僅開展窟內環境監測,還通過傳感器,對文物本體開展傾斜、開裂等因素的監測。而董亞波也在敦煌“種下”了一支本土團隊,敦煌研究院成立了全國文物界較早的專業化的文物保護監測中心。

當回想起2006年初到敦煌時的情景,他覺得有種初生牛犢不怕虎的闖勁。憑借一臺電腦作為服務器,用無線網絡貫穿起十幾個洞窟。而隨著數據量的越來越大,服務器的容量也不斷擴增。

相較于一般工業或者民用領域上采集的實時數據,可以定期清除或者壓縮,而對于文物,這些歷史數據卻大有用武之地?!霸谖奈锉Wo中,利用歷史數據可以建立文物保存環境和文物本體狀態的常態模型,為未來的文物風險預警提供重要的依據,因此這些數據價值巨大,可刪不得?!?/p>

幾十億上百億條數據堆起來,量越來越大,問題也就出來了??臻g存儲越來越越大,與此同時數據查詢也變得異常緩慢?!安桓逸p易訪問前一年的數據,怕服務器跑不動會崩潰?!?/p>

還有一個情況也讓董亞波犯愁。有時候莫高窟會停電,使得傳輸網絡中斷。這時傳感器會自動儲存數據,恢復供電后,這些暫時保存在傳感器上的數據就會像洪水一般涌向服務器。這讓董亞波每天對數據的安全提心吊膽,就好像是守著一個幾近臨街的水庫,擔心大壩潰壩,數據丟失。

此時,云技術日新月異,數據寫入與訪問性能得到極大的改善。通過浙江大學與阿里巴巴合作設立的智云實驗室,董亞波團隊在與阿里巴巴的云技術專家的合作中共同攻克了海量數據存儲管理的技術難題,也將智云實驗室的浙大云平臺應用在了更多的文物保護項目中。

現如今,董亞波團隊正在不斷擴大他們的研究領域和應用對象,希望為其他的文博機構培養更多更聰明的電子“看門狗?!倍瓉啿ㄕf,文物本體的預防性保護很難,但他想通過技術讓更多的文物再“活”一千年。

(柯溢能 吳雅蘭)

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