故宮博物院是我國(guó)最大的古文物和古建筑博物館，歷史悠久，具有極高的文物保護(hù)價(jià)值。由于年代久遠(yuǎn)，部分古建筑出現(xiàn)了傾斜、開裂等問(wèn)題。專家迫切希望尋找一種對(duì)古建筑的健康狀況進(jìn)行無(wú)損、快速、有效和可靠的診斷分析手段，以便提前對(duì)古建筑進(jìn)行診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并積極采取預(yù)防措施進(jìn)行保護(hù)和修復(fù)。

就在近日，一種利用光纖傳感技術(shù)對(duì)故宮古建筑進(jìn)行監(jiān)測(cè)的手段被評(píng)審組專家一致看好，并被評(píng)定為“技術(shù)方案合理、監(jiān)測(cè)效果良好”。該項(xiàng)目方案正是利用航天技術(shù)，由中國(guó)航天科技集團(tuán)公司九院物聯(lián)網(wǎng)研究院組織、九院13所負(fù)責(zé)項(xiàng)目技術(shù)方案和工程實(shí)施的。

誰(shuí)來(lái)為故宮做“健康體檢”

由于古建筑的特殊性，傳統(tǒng)的人工巡檢方式和電傳感器手段都不能很好滿足文物保護(hù)的要求。

傳統(tǒng)的文物保護(hù)主要是通過(guò)定期人工巡檢、目測(cè)古建筑健康狀況的方式開展的，目前通常采用電阻應(yīng)變片等電傳感器對(duì)大型建筑物的傾斜、變形和裂縫進(jìn)行檢測(cè)。故宮博物院的古建筑大多是木材和磚石混合結(jié)構(gòu)，如果采用電傳感器就會(huì)不可避免地引入弱電信號(hào)，存在火災(zāi)隱患，這是古文物保護(hù)工作中的大忌。

光纖光柵傳感技術(shù)是利用光纖光柵作為敏感元件，來(lái)感知被測(cè)物體的形變和溫變的手段。作為建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的新型監(jiān)測(cè)設(shè)備之一，光纖光柵傳感器具有體積小、精度高、感知端“無(wú)源”、非介入式監(jiān)測(cè)、無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)通電和本征安全等特點(diǎn)，可在易燃、易爆的環(huán)境中工作。

13所是國(guó)家科技部先進(jìn)光電子技術(shù)示范型國(guó)際科技合作基地、集團(tuán)公司宇航光電子器件可靠性檢測(cè)與失效分析中心和北京市光纖傳感系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心。該所在光纖傳感技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用方面，在國(guó)內(nèi)擁有較為雄厚的實(shí)力，研發(fā)的系列光纖傳感器產(chǎn)品不僅在航天型號(hào)上得到了應(yīng)用，而且還在智能電力、石油化工、安全生產(chǎn)和橋梁等多個(gè)民用領(lǐng)域發(fā)揮了積極的作用。

在該項(xiàng)目啟動(dòng)之前，13所已承擔(dān)并完成了用光纖傳感技術(shù)對(duì)桂林南洲大橋健康狀況進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的任務(wù)，并取得了較好的效果。不同的是，這次的用戶是故宮博物院，監(jiān)測(cè)的對(duì)象是古建筑。文物專家要求對(duì)古建筑進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)時(shí)一定要做到對(duì)文物的保護(hù)，因此對(duì)文物的無(wú)損監(jiān)測(cè)就成為本項(xiàng)目的重中之重。

13所通過(guò)與故宮博物院反復(fù)多次的研究討論，最終確定了光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)古建筑結(jié)構(gòu)的方案和細(xì)節(jié)。

“變形量小，故宮狀況相對(duì)穩(wěn)定”

13所自項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)就成立了“平安故宮”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)團(tuán)結(jié)協(xié)作、攻堅(jiān)克難，先后完成了產(chǎn)品研發(fā)、工程實(shí)施、數(shù)據(jù)采集和診斷分析工作，在利用先進(jìn)傳感技術(shù)保護(hù)古建筑方面取得了突出的研究成果。

在項(xiàng)目研制過(guò)程中，13所技術(shù)人員多次赴故宮現(xiàn)場(chǎng)勘察，積極請(qǐng)教古文物保護(hù)專家，突破了“傳感器無(wú)損傷安裝工藝”“古建筑應(yīng)變變形光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)”等關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)過(guò)一年多艱苦不懈的努力，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)順利完成了技術(shù)方案設(shè)計(jì)、古建筑工程實(shí)施及數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)和分析工作。

光纖傳感技術(shù)的采用，實(shí)現(xiàn)了古建筑結(jié)構(gòu)形變和裂縫的高精度測(cè)量，精度達(dá)到微米級(jí)。該項(xiàng)目觀測(cè)到古建筑結(jié)構(gòu)在外界影響下發(fā)生微小形變情況。通過(guò)理論分析表明，在觀測(cè)期間古建筑變形量較小，處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

由于采用先進(jìn)的光纖傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)古建筑結(jié)構(gòu)健康的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，相比人工目測(cè)巡檢，有效地提高了工作效率；同時(shí)，通過(guò)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)對(duì)古建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并分析，提高了對(duì)古建筑健康診斷的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

該項(xiàng)工作得到了故宮博物院“平安故宮”基金的支持，相關(guān)研究成果也得到了故宮文物專家的肯定，故宮文物專家表示，希望雙方繼續(xù)合作，將這種研究工作深入推進(jìn)下去，為故宮文物保護(hù)提供先進(jìn)的健康診斷手段。

項(xiàng)目的實(shí)施是故宮博物院首次將先進(jìn)的光纖傳感技術(shù)引入古建筑健康監(jiān)測(cè)和保護(hù)領(lǐng)域的一次探索，同時(shí)為我國(guó)古建筑結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)工作提供了一種新的有效的監(jiān)測(cè)手段，有力地拓展了九院物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)和13所光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，為光纖產(chǎn)品的后續(xù)推廣提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。