文物保护掀起智慧革命信息技术守护人类文明

2017年10月11日，北京故宫博物院院庆92周年之际，“发现·养心殿——主题数字体验展”在故宫之“端”——端门数字馆全新亮相。这是故宫博物院进一步将传统文化与现代科技相融合的又一次创新呈现。视觉中国供图（资料图片

21世纪最时髦的技术，改变的不仅是未来，在被称为“最古老的研究”的文物与博物馆界，感受到的变化可能更加显著。

天津大学文化遗产保护与传承信息技术研究中心主任张加万团队历时10年，用物联网、大数据、人工智能等现代信息技术，致力于让沉睡的文物“活”起来、传下去。这群每天与计算机打交道的科学家，加入了人类文化遗产守护者之列。

时间是保护者们最大的敌人。他们必须与变化多端的气候、难以预知的自然灾害“作战”。比这更“可怕”的，是接踵而至的观赏者。对于那些已经极其脆弱的文物而言，哪怕是游客脚步带来的震动，或是呼吸产生的湿气，都可能对它们造成不可逆转的伤害。

人们一直在寻找两全的办法，既要让老祖宗和大自然留下的文明瑰宝能让更多后人亲眼见到、亲身感受;又不能使其受到分毫损伤。

现代科学技术成为解开难题的钥匙。“智慧博物馆”和“文物预防性保护技术”是张加万团队致力研发的两大神器，他们试图用现代信息技术架起一条“时间隧道”，让历史与未来的跨时空对话，让大千世界中自然和文化的DNA得以存续，并源源不断地激发出更丰富、更有意义的文明财富。

让博物馆更像一个真正的“人”

大大小小的博物馆中，珍藏着人类最精华的智慧和最绚烂的艺术。遗憾的是，由于场地和条件的种种限制，仅有极少一部分能呈现在人们面前。

“即使在一些规模较大的馆，能陈列出来示人的，不足百分之一。”张加万走访了国内许许多多博物馆，看得越多，越觉得自己“待不住了，感觉欠账太多”。他注意到，一般来说，一座博物馆能展示出来的文物只是不过几千件，“那么多好东西，老百姓能看见的不过九牛一毛”。

他擅长的信息技术，能帮助博物馆“尽可能地开放”，“物理空间有限，可网络空间无限啊”。把博物馆的藏品放到网上，此前也有人尝试，称之为虚拟博物馆、数字博物馆;但张加万心目中理想的博物馆，应该是有生命的，会思考、能学习，更重要的是拥有互联网时代的思维方式——开放、共享、互动。

他决心用一套智能化解决方案让那些“沉睡”的博物馆苏醒，即通过充分运用云计算、大数据、物联网、移动通信等新一代信息技术成果，感知、分析、处理博物馆（群运行的各项关键信息，实现智慧管理、智慧保护、智慧服务三大能力全面提升的博物馆发展模式。

事实上，科技和文化的牵手，已经让博物馆变得有趣起来。天津大学团队参与建设的故宫端门数字馆，是全国第一家将古代建筑、传统文化与现代科技融合的全数字化展厅。团队用增强现实技术还原了曲水流觞的生动场景。游客不仅可以游戏其中，还能当一回王羲之现场书写《兰亭集序》，而计算机则帮助人们模拟出水墨渲染的逼真效果。“当时游客天天都排长队体验”，张加万清楚，类似的人机交互、虚拟现实和增强现实等设备，以及全息技术、全景技术、3D图形学等技术，正在让越来越多的人对神秘的博物馆产生了兴趣。

而智慧博物馆不仅是技术层面的转型升级，而是让博物馆更像一个真正的“人”。天大团队将智慧博物馆的特质概括为：知识渊博、善解人意、擅长表达和精明强干。

今后走进博物馆，你只需要一个AR眼镜。你看到一幅心动的画，眼前会自动弹出跟这幅画相关的资料，应有尽有。你可以边走边跟眼镜聊天，随时提出自己的疑问并得到解答。走到一个残缺不全的文物面前，它会立即生成全息3D动画复原，你可以伸出手360度仔细端详它，虽然它始终没离开橱窗。你甚至不用跋涉千里，眼前的壁画和光影，与敦煌莫高窟洞窟所见，别无二致。

这一切，已经成真。

给博物馆装个“聪明的大脑”

并不是文物“会动”了，就是“活”起来了，要让博物馆真正智慧起来，必须要有一个智慧的“大脑”。张加万意识到，知识工程领域的知识图谱，能帮助博物馆变得聪明;建立一套文物领域的知识图谱，好比是给博物馆装上大脑。

知识图谱是现代信息科学中的概念。简单说，这是一种让机器读懂数据的方法，即把一个个互不相干的知识，找到彼此关联性并据此连成一个“语义网络”，这对机器而言就是图谱。当下最红的人工智能技术，正是借助知识图谱，让机器学会自己学习。

这正是传统的博物馆所欠缺的。一直以来，博物馆解说陈旧呆板、套路化，让人难以提起兴趣，正是文物信息碎片化、缺乏关联性所致。很多文物展品，仅有短短几个字的简单注释，往往只解释了“是什么”，而关于其“怎么来的”等相关历史文化背景却无从知晓，“事实上，每一件文物背后都有可无限延展的故事;不同的人看，也会有不同的理解”。

同样的问题也存在于各个博物馆之间，由于缺乏信息互联，各自的藏品资源相对孤立。

正如人们习惯于一有问题就请教“度娘”，张加万团队希望建立起文物领域的搜索引擎。不同于普通的搜索引擎，文物领域的知识非常特殊，专业知识大多仍留存在行业内部，只有部分专家学者掌握，而一旦建立起文物知识图谱，可以将海量、多源、异构的文物领域数据，包括文物本体、环境、历史文献、考古资料、研究成果、网络数据等，通过利用自然语言处理、大数据分析、文献计量学、软件科学等组织起来，便于文物知识的表达和呈现。

“这些信息不仅要整理出来，还有可计算、可检索”，张加万说，这需要摸索出一套适合中国文物知识图谱的规范，有了这个聪明的大脑，便打通了博物馆之间有形的界限，让资源无限共享，进而从文物角度关联整个中国历史文化。

在此基础上，可以根据观众的喜好、时间，设计个性化游览线路;以及采用最适宜的高新技术用于展示和传播等。

目前该团队正与山西省博物院、湖南省博物馆等中国最好的文物和博物馆专家密切合作，系统开展文物知识图谱的构建与文物知识平台的建设。

给古建筑和文化遗产地当“保健医生”

除了珍藏在博物馆的奇珍异宝，还有许许多多古文化遗址、古建筑、石窟壁画等不可移动文物散落在中国从南到北各个角落里，它们是“活”的历史再现。据统计，全国不可移动文物超78万处，而风化、风蚀、雨蚀以及人为破坏，甚至空气中的水分，都是它们每天都要面临的敌人。

因为缺乏预防保护技术，即使敦煌壁画、秦始皇陵兵马俑等极其宝贵的文物，尽管被施以非常严格的保护措施，依旧多多少少会出现病害。“抢救性保护往往为时已晚”，张加万告诉记者，预防性保护的理念在文物界早有人提出，但一直苦于找不到适合的办法。

“以前主要依赖实验室模拟研究，却难以模拟真实赋存环境中的多要素耦合效应”，张加万说，任何一种症状出现的背后往往有许多复杂因素，而此前由于缺乏检测手段和数据，一直找不到文物本体与风险源之间的关联性。

针对当前文物保护工作的瓶颈，该团队研发出以“文物本体与风险源关联模型”为核心的预防性保护技术。同样的技术已经在敦煌研究院、颐和园、拉卜楞寺等遗产地开始应用。

团队与敦煌研究院合作，选取了11个洞窟、47个监测点，开始持续性壁画和彩塑文物本体年度监测。采用相机位姿精准重定位、光照主动重现技术以及自主研发的监测平台，充分考虑此类文物易出现的4种典型病害，包括疱疹、酥碱、起甲、裂隙，以及病害严重等级、洞窟南北和层级分布以及开放状态等因素，通过微变监测技术对本体产生的微小变化进行准确感知与测量;同时借助图像分析、机器学习与摄影测量学等相关技术，对本体中的4类病害进行了多尺度量化分析。

经过对敦煌莫高窟2014年至2016年部分壁画监测和分析后，团队首次发现了一年短周期内的0.1毫米级壁画本体细微变化。这一结果被文物保护领域权威专家普遍认为属于该领域实质性突破。

“通过比对前后变化，才知道壁画是怎么坏的”，张加万说，“以前只监测环境，没有监测文物本体，本体和环境之间相互作用机理一直困扰着大家”，这套技术正是要找到应对风险的路径，“我们要建立一个感知、分析、评估、响应的集成平台”。

身处沙漠地区的敦煌莫高窟在2011年、2012年遭遇了前所未有的洪水，令所有人始料不及。2012年，张加万团队开发的首个“世界文化遗产地风险管理与决策支持系统”在莫高窟得到示范应用，对洪水等重大自然灾害风险、震动风险，以及缓慢的环境变化、游客风险管理等进行系统监测和分析，“莫高窟附近地区突降暴雨，监测系统会自动根据降雨情况计算出洪水的方向、水量、速度，并推荐最合理的处理方案，确保洞窟万无一失”。

如今，这支20多人、平均年龄30岁的团队马不停蹄地奔走在全国各地，用现代信息技术守护着人类文明的DNA,“感觉时间再多都不够用，要做的事情太多”，张加万希望更多的自然科学研究者加入其中，把现代科技融入文物博物馆领域，“像是为人类打开了一个新世界”。