鄧 佳，李隆田，唐 歡

（重慶中國(guó)三峽博物館，重慶 400015）

空氣質(zhì)量智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在博物館中的應(yīng)用
——以白鶴梁水下博物館為例

鄧 佳，李隆田，唐 歡

（重慶中國(guó)三峽博物館，重慶 400015）

博物館由于保存展品和保證參觀者舒適性的需要，對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)的要求越來(lái)越高。選取目前國(guó)內(nèi)外唯一的水下博物館——白鶴梁水下博物館作為研究對(duì)象，采用傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、RS-485與以太網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)了館內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的智能化、采集環(huán)境參數(shù)多樣化，保證了館內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可追溯性及室內(nèi)空氣質(zhì)量報(bào)警的即時(shí)性。對(duì)于博物館了解自身運(yùn)行環(huán)境和提升博物館服務(wù)功能均有明顯促進(jìn)作用。

博物館；空氣質(zhì)量；智能化；二氧化碳

Abstract:The requirement of the indoorair quality has become more and more highin museum for the preservation of exhibits and providing a comfortable environment for visitors.It took the on ly underwater museum in the world,White Crane RidgeUnderwater Museum, as our research obje ct,and connected sensor network technology,RS-485 with Ethernet technology for data communic ation to intelligent the air quality monitoringand diversify the environment parameter collection.Th is improvement ensured the realtime monitoring of the indoorair quality,the traceability of the mo nitoring data and the immediate alarm of the indoorair quality, which can promoteworkers knowin g about the operating environment of the museum and enhancing their service.

Key words:museum; air quality; intelligentialize; carbon dioxide

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，博物館事業(yè)也在如火如荼的進(jìn)行。2008年，在社會(huì)主義文化大建設(shè)和發(fā)展成果全民共享的背景下，文物系統(tǒng)的非遺址類(lèi)公辦博物館開(kāi)始免費(fèi)參觀及公眾對(duì)博物館收藏、教育和科研功能的認(rèn)可，博物館觀眾數(shù)量急劇增加，公眾已將參觀博物館作為休閑活動(dòng)的主要選擇。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，2013年我國(guó)博物館4 500余所，觀眾數(shù)量已超過(guò)6億人次。而且我國(guó)博物館觀眾數(shù)量以每年數(shù)千萬(wàn)人次的數(shù)量增加，預(yù)計(jì)在2020年我國(guó)博物館觀眾數(shù)量極有可能接近或超過(guò)10億人[1]。由于人們對(duì)生存環(huán)境，尤其是像圖書(shū)館、博物館等公共參觀環(huán)境的要求不斷提高，室內(nèi)空氣質(zhì)量問(wèn)題已引起人們的重視和關(guān)注。而博物館面對(duì)如此大流量的觀眾，研究室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)手段，對(duì)觀眾的身體健康、博物館的安全運(yùn)行和可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的實(shí)用價(jià)值和指導(dǎo)意義。

1 博物館空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)研究狀況

博物館環(huán)境主要是指博物館建筑物內(nèi)文物庫(kù)房、陳列室、展柜等以及空間中的各種物理、化學(xué)、生物條件。影響博物館環(huán)境的主要因素包括博物館所在地區(qū)的宏觀氣候環(huán)境、空氣污染狀況、館內(nèi)光線輻射、參觀人流量等。據(jù)確切的測(cè)定證實(shí)室內(nèi)空氣中的污染物濃度要高于室外2～5倍[2]，我國(guó)絕大多數(shù)的博物館是以室內(nèi)參觀方式為主，館內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞，直接關(guān)系到觀眾的舒適度、滿意度等。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)博物館室內(nèi)館藏文物、重點(diǎn)文物展柜、文物庫(kù)房等保存環(huán)境做了較多的研究。例如為加強(qiáng)博物館藏品的預(yù)防性保護(hù)，張?jiān)铝醄3]采用銅銀試片法對(duì)國(guó)家博物館8個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)博物館處于高濃度極具腐蝕性的二氧化硫氣態(tài)物質(zhì)的包圍中，已造成對(duì)金屬、紙張等文物的危害。美國(guó)國(guó)家博物館以控制整個(gè)館內(nèi)環(huán)境的方式，使館內(nèi)溫濕度限制在各類(lèi)文物可接受范圍內(nèi)，不隨季節(jié)而變化。這些研究都強(qiáng)調(diào)了博物館環(huán)境對(duì)館內(nèi)文物和藏品的影響，而忽略了參觀人員對(duì)博物館環(huán)境的需求。目前我國(guó)對(duì)于人員密集型的公共參觀環(huán)境監(jiān)測(cè)較為薄弱，有少量的監(jiān)控也僅僅只是對(duì)簡(jiǎn)單的室內(nèi)溫、濕度進(jìn)行常規(guī)監(jiān)測(cè)，而對(duì)人體健康有直接危害的二氧化碳、可吸入顆粒物等其他有害物質(zhì)的監(jiān)測(cè)卻十分有限。國(guó)內(nèi)，僅有敦煌莫高窟研究了“二氧化碳的累積對(duì)游客的影響，擁擠和其他因素對(duì)游客體驗(yàn)的影響”。因此，加強(qiáng)對(duì)博物館公眾參觀區(qū)域空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，有利于博物館了解自身運(yùn)行環(huán)境和提升博物館服務(wù)功能，發(fā)現(xiàn)公共安全隱患，進(jìn)而尋求有效途徑改善空氣環(huán)境，持續(xù)保證館內(nèi)空氣質(zhì)量，保障公眾安全。

2 博物館空氣質(zhì)量智能化監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)

2.1 空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在博物館中的必要性

空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一套以自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器為核心的自動(dòng)“測(cè)-控”系統(tǒng)，用于采集和分析空氣質(zhì)量的狀況和變化，對(duì)掌握空氣質(zhì)量和應(yīng)對(duì)措施發(fā)揮著重要的作用。上海博物館文物保護(hù)與考古科學(xué)實(shí)驗(yàn)室對(duì)武漢博物館的文物保存環(huán)境，設(shè)計(jì)了若干個(gè)重點(diǎn)區(qū)域并放置相應(yīng)的監(jiān)測(cè)傳感器[4]，數(shù)據(jù)采集員每隔一段時(shí)間采集傳感器上獲取的數(shù)據(jù)，這種人工采集數(shù)據(jù)的方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，亦不利于文物的保護(hù)。由浙江大學(xué)研發(fā)的敦煌莫高窟洞窟環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[5]主要監(jiān)測(cè)二氧化碳濃度和濕度，可有效地調(diào)控進(jìn)入洞窟的游人數(shù)，即當(dāng)該數(shù)據(jù)值超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，會(huì)對(duì)即將進(jìn)入洞窟的游客發(fā)出警告，告知游客不宜參觀。

白鶴梁是位于重慶涪陵一段記錄長(zhǎng)江1 200年來(lái)水位變化的題刻石梁，2003年因三峽工程對(duì)其實(shí)施原址保護(hù)，2009年保護(hù)工程完工并建成目前世界上唯一的原址水下博物館。因其獨(dú)特的設(shè)計(jì)、特殊的文物展示方式以及題刻巨大的歷史價(jià)值和科學(xué)價(jià)值，自2010年4月正式對(duì)外開(kāi)放以來(lái)，吸引了大量的游客前來(lái)參觀，截至2015年，參觀人數(shù)近百萬(wàn)人。尤其在2013年，白鶴梁水下博物館日游客參觀量最大達(dá)到3 400余人，接近陜西歷史博物館（4 000人）和上海博物館（5 000人）的限流人數(shù)，但白鶴梁水下博物館面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前二者。尤其是水下參觀區(qū)位于長(zhǎng)江水下20～40 m處相對(duì)密閉的狹小空間內(nèi)（總面積只有889 m2），游客需要乘坐近90 m的扶梯由地面陳列館下至江中，再經(jīng)過(guò)150 m狹窄的水平廊道后進(jìn)入江水位置，游客在水下參觀時(shí)間約0.5 h。整個(gè)水下建筑體是一個(gè)相對(duì)封閉空間，僅通過(guò)中央空調(diào)和新風(fēng)機(jī)對(duì)該區(qū)域更替和輸送空氣。在安裝空氣質(zhì)量智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之前，通過(guò)HTC-8對(duì)該區(qū)域的同溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這種監(jiān)測(cè)方式需要人工作業(yè)，每天要對(duì)參觀區(qū)域監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀數(shù)，且采集的環(huán)境參數(shù)單一，更不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。但在白鶴梁水下博物館運(yùn)行期間，有個(gè)別游客在水下參觀時(shí)出現(xiàn)身體不適等現(xiàn)象，雖然這是否與水下空氣質(zhì)量有直接關(guān)系有待論證，但隨著每年遞增的游客數(shù)量，揭示保護(hù)體參觀環(huán)境與游客身體健康相關(guān)性，尋求科學(xué)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)手段，應(yīng)對(duì)水下參觀區(qū)突發(fā)緊急情況，明確游客承載量，探索提高游客安全性等方面的問(wèn)題都亟待研究。

2.2 白鶴梁水下博物館空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

(1)提供友好界面、簡(jiǎn)單操作。

(2)為確保數(shù)據(jù)的安全，賦予管理人員不同操作權(quán)限。

(3)監(jiān)測(cè)平臺(tái)能夠自動(dòng)分析處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、報(bào)警和預(yù)警。

(4)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，生成時(shí)統(tǒng)計(jì)表、日統(tǒng)計(jì)表、月統(tǒng)計(jì)表等。

(5)能夠按不同查詢條件進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢，并且以Word、Excel等形式顯示，導(dǎo)出和打印查詢結(jié)果。

2.2.2 系統(tǒng)主要處理流程

博物館內(nèi)空氣質(zhì)量智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)分為3層：數(shù)據(jù)采集層（data acquire layer, DAL）、數(shù)據(jù)集中層（data concentrate layer, DCL）和數(shù)據(jù)管理層（data management layer, DML），如圖1所示。數(shù)據(jù)采集層由博物館地面陳列展一樓、二樓和水下參觀監(jiān)測(cè)區(qū)域組成。每個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域有一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)（sensor node, SN）和若干個(gè)館內(nèi)指標(biāo)監(jiān)測(cè)終端（dectecting nod, DN）組成。白鶴梁水下博物館根據(jù)館內(nèi)自身情況，初步設(shè)計(jì)溫度、濕度、二氧化碳指標(biāo)監(jiān)測(cè)終端，并搭載館內(nèi)新風(fēng)機(jī)、抽風(fēng)機(jī)和空調(diào)機(jī)的啟停智能化裝置。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是開(kāi)放的，以后可根據(jù)自身需求和博物館具體環(huán)境，按該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行室內(nèi)監(jiān)測(cè)項(xiàng)的更改。各項(xiàng)監(jiān)測(cè)終端的主要功能是，實(shí)時(shí)采集一項(xiàng)或多項(xiàng)指標(biāo)的參數(shù)，并通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)，將這些參數(shù)實(shí)時(shí)傳送到其監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的可編程邏輯控制器（PLC）上，然后由PLC將這些數(shù)據(jù)通過(guò)RS-485網(wǎng)絡(luò)傳送給數(shù)據(jù)集中層（DCL）中與該監(jiān)測(cè)區(qū)域相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)集中器（DCL）中。數(shù)據(jù)集中器將收集到實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳送給數(shù)據(jù)管理層（DML）中的服務(wù)器。數(shù)據(jù)管理層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行永久存貯、分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、繪制變化趨勢(shì)線、展示實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)行控制等。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

2.2.3 監(jiān)測(cè)布點(diǎn)

系統(tǒng)對(duì)博物館地面陳列館一樓、二樓及水下參觀區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，共設(shè)7個(gè)采集點(diǎn),其中地面陳列館4個(gè)參觀單元各布設(shè)1個(gè)，水下參觀區(qū)的上下游水平廊道各1個(gè)，參觀廊道1個(gè)。每個(gè)采集點(diǎn)均分布了溫濕度傳感器和二氧化碳監(jiān)測(cè)傳感器，以7個(gè)模塊集中對(duì)傳感器輸入的信號(hào)進(jìn)行采集、數(shù)據(jù)傳輸、終端控制。

2.2.4 統(tǒng)操作界面

軟件啟動(dòng)后，將進(jìn)入系統(tǒng)管理的登錄界面，如圖2、圖3所示，系統(tǒng)主要功能菜單位于界面左上部，管理人員可運(yùn)用展區(qū)控制、設(shè)備控制、報(bào)警設(shè)置、歷史趨勢(shì)、報(bào)表查詢等功能。

展區(qū)控制是實(shí)時(shí)反饋展區(qū)內(nèi)溫度、濕度、二氧化碳常規(guī)數(shù)據(jù)。操作人員可在系統(tǒng)界面上直接查看各展區(qū)的24 h空氣質(zhì)量狀況。設(shè)備控制是將博物館空調(diào)器和新風(fēng)機(jī)整合自動(dòng)化，數(shù)據(jù)監(jiān)控中心可直接通過(guò)電腦中央空調(diào)、新風(fēng)機(jī)進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)控制。尤其在節(jié)假日，當(dāng)游客數(shù)量井噴式增長(zhǎng)，出現(xiàn)館內(nèi)空氣質(zhì)量下降時(shí)，根據(jù)傳感器反饋的監(jiān)測(cè)值，系統(tǒng)可自動(dòng)開(kāi)啟中央空調(diào)或新風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)溫濕度，增加新風(fēng)量，及時(shí)改善館內(nèi)空氣質(zhì)量。報(bào)警設(shè)置監(jiān)測(cè)的每個(gè)指標(biāo)都依據(jù)國(guó)家《圖書(shū)館、博物館、美術(shù)館、展覽館衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB9669—1996）設(shè)定了預(yù)警值，一旦相關(guān)數(shù)據(jù)超標(biāo)，系統(tǒng)立即向數(shù)據(jù)監(jiān)控中心發(fā)出預(yù)警信息，提醒管理人員采取措施，改善空氣質(zhì)量。例如二氧化碳的預(yù)警指標(biāo)值為10-3，如果監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)超過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出警報(bào)。歷史趨勢(shì)是對(duì)以往的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并隨當(dāng)日當(dāng)時(shí)游客數(shù)量變化，分析館內(nèi)空氣質(zhì)量變化趨勢(shì)，如圖4。

圖2 展區(qū)監(jiān)測(cè)界面

圖3 設(shè)備控制界面

圖4 二氧化碳?xì)v史變化趨勢(shì)

3 博物館游客流量與二氧化碳相關(guān)分析

白鶴梁水下博物館根據(jù)2010—2013年的游客數(shù)量，初步制定了《游客高峰期安全處理預(yù)案》，對(duì)游客承載量進(jìn)行了初步限定，但尚缺乏參觀人流量限制的研究和制定依據(jù)。二氧化碳是評(píng)價(jià)參觀區(qū)空氣環(huán)境質(zhì)量和游客游覽舒適度的重要指標(biāo)?，F(xiàn)在世界上大多數(shù)博物館室內(nèi)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)是參照湯姆森（Thomson）1986年出版的《博物館環(huán)境》（第二版）[6]。我國(guó)在1996年制定了《圖書(shū)館、博物館、美術(shù)館、展覽館衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB9669—1996），根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)和館內(nèi)、館外的空氣交換量，初步設(shè)定參觀區(qū)二氧化碳預(yù)警值為10-3。

圖5 游客流量與二氧化碳變化趨勢(shì)

以白鶴梁水下博物館2015年國(guó)慶7天假期為例，分析博物館游客流量與館內(nèi)二氧化碳的相關(guān)性。從圖5看出，館內(nèi)二氧化碳含量隨著參觀游客量的增加而增加，二者呈顯著相關(guān)性。尤其在10月2—4日，游客參觀人數(shù)突增，瞬時(shí)監(jiān)測(cè)值甚至超過(guò)了初設(shè)的二氧化碳預(yù)警值（10-3），管理人員迅速采取增開(kāi)新風(fēng)機(jī)，聯(lián)系一線員工減緩扶梯放行至水下參觀的游客批次，或停止對(duì)外售票等措施，以減緩博物館環(huán)境壓力，保證游客參觀舒適度。

4 結(jié)語(yǔ)及展望

當(dāng)今博物館發(fā)展的主旨是以觀眾為中心，對(duì)觀眾的身體健康非常重要，為游客提供安全、舒適的參觀環(huán)境也必不可少?？諝赓|(zhì)量智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自安裝運(yùn)行以來(lái)，進(jìn)一步提高和完善了白鶴梁水下博物館的環(huán)境智控設(shè)施，對(duì)于博物館了解自身運(yùn)行環(huán)境和提升博物館服務(wù)功能均有明顯的促進(jìn)作用。為改善博物館室內(nèi)空氣質(zhì)量提供了科學(xué)的依據(jù)，同時(shí)為游客消除了可能存在的健康隱患，提供了一個(gè)安全、舒心的參觀環(huán)境。但目前監(jiān)測(cè)的指標(biāo)還不全面，在保證常規(guī)監(jiān)測(cè)的主導(dǎo)地位的基礎(chǔ)上，應(yīng)擴(kuò)充新風(fēng)量、風(fēng)速、二氧化硫、揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）、PM2.5等監(jiān)測(cè)參數(shù)，以滿足監(jiān)測(cè)環(huán)境的需要。白鶴梁水下博物館因獨(dú)特的保護(hù)方式和特殊的參觀環(huán)境，需要進(jìn)一步加大對(duì)白鶴梁水下博物館游客承載量的研究，對(duì)參觀人數(shù)分流、廊道內(nèi)參觀時(shí)間、參觀線路等進(jìn)行合理優(yōu)化，既要保護(hù)博物館的文物，又要保證游客的安全及參觀質(zhì)量。

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[2]The State Environmental Protection Dept.USA.EPA's indoor air quality(IAQ)home page[EB/OL].(2001-10-01)[2017-03-03].http://www.epa.gov/iaq.

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Application of Air Quality Intelligent Monitoring System in Museum——Take the White Crane Ridge Underwater Museum as an Example

DENG Jia, LI Longtian, TANG Huan
（China Three Gorges Museum, Chongqing 400015, China）

G267

A

鄧佳（1989-），女，助理館員，碩士，主要研究方向?yàn)椴┪镳^環(huán)境保護(hù)研究。E- mail:317790877@qq.com.

重慶市社科基金資助項(xiàng)目（2015TBWT07）