物联网环境下露天文物健康风险评估方法研究

【摘要】：作为人类文明的历史载体和见证者,露天文物具有独特的历史、文化和经济价值。露天文物长期面临自然侵蚀和人为破坏,健康形势日益恶化。正确评估文物健康风险是延长文物寿命和保护文物价值的前提和基础。物联网技术在文物保护领域的广泛应用,为文物健康评估提供了必要的数据支持。文物健康风险评估已经成为文物预防性保护理论研究的热点,文物保护部门和文物专家已经认识到文物健康保护的重要性。在物联网技术应用之前,对文物健康风险的评估主要建立在大量的物理和化学实验基础之上,凭借文物专家的经验来判断文物存在的健康隐患。这些方法存在费时费力、主观性强、周期长的弊端,不能对文物健康风险进行系统性、全方位定量地评估。如今,应用物联网技术实时采集文物数据,通过分析文物监测数据发现文物病害与保存环境的关系,系统研究文物健康风险评估方法已经成为文物健康保护工作的重点。论文首先从露天文物健康管理业务需求出发,提出了文物多维度管理特征模型,构建了物联网环境下文物健康风险评估体系,以石质文物为例,制定了露天文物的健康风险评价指标体系;其次,分析了文物监测数据特征,在此基础之上采用灰色理论、信息熵理论、云模型、支持向量机等理论与技术,设计了基于灰色关联度和信息熵的文物变形评价模型,研究了基于云模型的文物风化等级评价算法,提出了基于主成分分析法(PCA)和支持向量机(SVM)的综合文物健康风险评价方法;然后,利用小波理论、灰色模型和神经网络理论,分析了文物病害和环境因素的时滞相关关系,提出了基于小波时滞相关的灰色神经网络文物病害预测模型;最后,设计并实现了支持多种终端的文物健康风险管理系统。主要创新性研究内容包括:(1)提出了文物多维度管理特征模型;构建了文物健康风险管理体系,设计了综合文物本体、病害、环境和安全监管水平四个方面的多维度文物健康风险指标体系;通过分析文物健康监测数据特点,确定了文物病害的关键环境影响因素。(2)采用综合灰色关联度计算当前变形与其历史最差状态和最优状态的相关度;采用信息熵作为各个病害指标的权重,构建了基于综合灰色关联度和信息熵的文物变形病害评价模型,设计了文物变形指数对文物变形风险进行客观评价。(3)提出了基于云模型的文物风化评价算法,构建风化评价指标不同等级的云模型,计算当前风化状态的等级隶属度,实现了文物风化等级的定性、定量评估,有效克服了文物风化病害的模糊性、随机性和不确定性,避免了专家打分过于主观的问题。(4)设计了文物健康风险的PCA-SVM评价算法,采用主成分分析法对多维度文物健康风险评价指标进行降维,该方法采用层次分析法和相关系数作为初始权重,利用支持向量机分类学习能力,实现了文物健康风险综合性评估,有效降低了评价的复杂度。(5)采用小波滞后相关理论分析了文物病害与关键环境因素的时滞相关系数,提出了基于小波时滞相关的灰色神经网络模型(WGRFM),针对文物病害的小样本、滞后性、非平稳等性质,实现了小样本、滞后性的露天文物病害多步预测,提高了病害预测的准确度。论文建立了文物健康风险评价指标体系,在定量定性评价文物变形和风化两种综合病害指标的基础上,研究了PCA-SVM文物健康评价方法,设计了WGRFM文物病害预测模型,为判断文物当前健康风险水平和预知文物病害发展趋势提供了可行的方法,为科学制定文物保护方案提供了理论研究基础。