护珠塔全景图
古塔是我国文化遗产的杰出代表。多年来，由于“地基的不均匀沉降、地基承载能力的不足，地下水位的差异变化、边坡松弛及滑坡蠕动、偏心受压导致恶性循环，以及地震影响”等原因，倾斜变形成为现存古塔中普遍存在的问题，并成为古塔面临的主要安全风险之一。
为了掌握上海市古塔倾斜变形的现状及发展变化趋势，以护珠塔为研究对象，结合预防性保护相关理论，上海市文物保护研究中心牵头上海建为历保工程科技股份有限公司，开展了上海古塔安全远程实时监测系统的课题研究。课题基于智能传感技术、网络通信技术、自动控制技术、大数据技术，构建了古塔物联网远程实时监测系统，实现了对护珠塔的远程实时监测。该监测系统基于最小干预原则，采用先进的低功耗智能传感器，通过大数据采集、大数据处理、大数据存储、大数据分析和挖掘、大数据展现等技术的应用，实现了对古塔风险的精准识别和及时预报。
护珠塔概况
护珠塔位于松江佘山风景区天马山的中峰，原为楼阁式砖木结构佛塔，八角七层，残高19米。据清嘉庆《松江府志》卷七十五《圆智教寺记》载：“寺后护珠宝塔，宋元丰二年（1079年）横云里人许文全建”。又据《干山志》记载，南宋绍兴二十七年（1157年）时，宋高宗赐五色舍利藏于此塔中，故该塔又名护珠宝光塔。清人诸联的《明斋小识》里提到，清乾隆五十三年（1788年），圆智寺里演戏祭神，因燃放爆竹发生火灾，殃及护珠塔，塔心木、扶梯、楼板、腰檐、平座等木结构均遭焚毁，仅剩砖砌塔身。此后有人在残塔砖缝中发现北宋元丰钱币，遂蜂拥拆砖觅宝，直至塔身西北隅拆成一个大洞，看似摇摇欲坠方止。从此塔身开始向东南倾斜，然200年来斜而不倒。目前，护珠塔已向东南倾斜6°52’52"，中心位移2.27米，且塔身扭曲，东北、西南两面自上而下各有一条明显裂缝向外延伸，砖体表面风化剥落严重。1983年3月，护珠塔被公布为上海市文物保护单位。
监测系统构建
基于物联网的古塔安全监测系统由负责信息感知、数据采集的感知层，负责信息传输、信息处理的网络层，负责为用户提供特定服务的应用层三部分构成。
1.感知层
运用物联网技术对古塔的倾斜变形及关联因素进行监测，首先要采用合适的智能传感设备进行数据的持续采集，这是物联网感知层的基本职能。基于文物保护的最小干预原则，在感知设备的选取方面，既要保证设备能够准确、持续、稳定地进行数据采集，又要确保设备的安装实施不会对塔体本身造成损伤或带来其他潜在风险。
为了解决核心的塔身整体倾斜变形的连续、精确、实时监测问题，课题组结合近景摄影、图像识别、自动控制、工控机、建筑结构等多学科技术，研发出工业级的非接触式、高精度古塔塔身整体倾斜影像监测系统。系统的核心实质就是根据像点的位置推求出物点的位置。
古塔塔身整体倾斜影像监测系统主要用于塔身的整体倾斜变形状况监测，而塔体在保存过程中可能会出现局部的倾斜变形问题。因此，为了完善对塔体的倾斜变形监测，本次研究同时在塔体上特定位置部署了若干双轴无线倾角传感器，以监测塔体各层的局部变形情况。
古塔的倾斜只是其在地基非均匀沉降、风荷载、地震或者地面脉动等外界影响因素作用下的结果。对倾斜古塔的监测既要明确其结构倾斜变形情况，也要明确地基非均匀沉降、风荷载、地震或者地面脉动等影响因素对其倾斜变形的作用机制。因此，针对古塔结构安全相关影响因素的监测也十分必要。
另外，由于温湿度、风速风向等环境因素的变化会对古塔结构安全产生影响，同时也会引发砖石古塔的风化、酥碱问题，所以温湿度传感器、风速风向传感器也运用在了护珠塔物联网远程实时监测系统中。
护珠塔传感器布设图
2.网络层
网络层的功能主要完成感知信息的可靠传输及数据处理，它由各种私有网络、有线和无线通信网、互联网、网络管理系统和云计算平台等组成。
传感系统根据数据的传输方式，可以分为有线传输和无线传输两种。随着数字无线技术的发展，Zigbee近距无线组网通信技术以及3G/4G远程通信传输技术已广泛应用于物联网系统的构建。
在护珠塔物联网远程实时监测系统中，以Zigbee自组网的方式通过网关节点连接各数据采集节点，并利用3G/4G无线通信网络的方式与远程监控中心节点连接，从而实现了对塔体结构健康状况的远程实时监测。
其中，在上海护珠塔物联网远程实时监测系统中通过固态高清摄像机、无线倾角传感器、风力风向传感器以及加速度传感器、温湿度传感器等智能监测传感器构建了倾斜监测子系统、风荷载监测子系统、振动监测子系统、环境监测子系统对古塔倾斜状况及相关影响因素进行了较为全面的监测。
系统网络拓扑图
3.应用层
作为物联网远程监测系统的核心所在，应用层的作用是通过云计算平台进行数据的分析、处理、展现及交互，实现物联网的智能应用。
护珠塔物联网远程监测系统应用层是针对文化遗产预防性保护需求而开发的，用户可通过应用层提供给的功能对古塔本体结构以及影响古塔本体安全的环境因素进行实时监测，并在对监测数据统计分析的基础上，对遗产面临的风险进行预警，从而有效地提高遗产保护管理效率。
倾角监测展示图
护珠塔物联网远程监测系统应用层的主要功能模块包括：
实时监测：基于识别层识别读取、网络层传输存储的各项数据，应用层通过可视化的界面对数据进行实时呈现。具体呈现上包括了列表、曲线图、柱状图、风玫瑰图等形式。通过实时监测模块，管理者可以直观掌握各监测点的实时数据信息及变化趋势。
数据分析：系统默认可对各监测要素一个月以内的数据进行统计分析，并将变化趋势以图形的方式进行呈现。同时，用户还可以选择按天、按月、按季、按年为周期，对各相关监测要素的最大值、最小值、平均值、累计值进行智能化大数据分析，以便更深入、更全面掌握文物保存现状及风险因素。
安全预警：安全预警模块包括安全预警、消息推送、阀值管理等子模块。系统可基于行业标准或大数据分析，科学地设置各监测点相关参数的阈值，对可能影响文物安全的因素进行及时分级预警。预警产生后，系统会以手机消息、电子邮件等多种方式向相关工作人员进行告警，第一时间提醒相关人员采取必要的保护和调节措施，大大提高了文化遗产保护的效率。
设备管理：设备管理模块允许用户对感知层及网络层的相关设备进行维护管理。当设备损坏、撤销或新设备添加时，系统能够灵活处理，及时进行更新和升级。该功能充分满足项目后期监测区域扩展或临时传感器等历史建筑保护监测参数变更等需求。
护珠塔物联网远程实时监测系统实现了对古塔倾斜问题的远程实时监测及实时预警，验证了通过物联网技术实现对古建筑实时监测的可行性、有效性，也验证了预防性保护对于文物安全保护的重要性。根据统计学的中心极限定理，得到了护珠塔倾斜、沉降、地面振动、风荷载的预警值，并实现了多种形式的预警提醒。通过对采集的监测数据进行趋势分析，初步掌握了护珠塔健康状况监测指标当前的变化趋势。通过对监测要素进行关联分析，发现了护珠塔本体保存状况变化情况与环境要素之间的关系，明确了各监测要素之间的影响机制。
