【文物保护及文化传承】| 莫高窟的“养颜”人

▲ 莫高窟中心监测大屏幕

敦煌研究院名誉院长樊锦诗说：“浙大团队做了一件敦煌立刻就需要的工作”。

延缓壁画“衰老”,需要实时监测

位于敦煌城东南鸣沙山东麓的莫高窟海拔高出敦煌市区300米，与敦煌文物做伴的人，把进到窟区称为“上山”。

2006年11月，董亚波第一次“上山”。经过长途奔波，到莫高窟已经是晚上了，周围漆黑一片，啥也看不清。第二天，他起了个大早，想早点去洞窟勘测，推开窗一看，外面还是黑乎乎的。怎么回事?来之前他听说，大漠里刮沙尘暴的时候，白天也会像晚上一样，“该不会这么巧吧，头一回来就碰上沙尘暴了。”后来才知道，因为时差和纬度的原因，这里的早上7点跟杭州的凌晨三四点一样。

待到天明，洞窟渐次露出真容，董亚波被震撼到了。“古代人的智慧和力量远远超过我们的想象，一种想要保护她的念头油然而生”。然而现实并不是那样美好。岁月的流逝，风沙的侵蚀，让这些美得勾魂摄魄的壁画和彩塑变得十分脆弱，不少文物开始褪色、剥落、开裂。

除了自然因素，壁画彩塑的另一个劲敌就是洞窟开放时游客带入的水汽和二氧化碳。当空气相对湿度超过62%时，壁画深处的地仗层就会析出盐分，进而在壁画表面结晶，引起壁画酥碱和破裂。

根据敦煌研究院的一项研究，每40个游客参观半小时，洞内的二氧化碳值就会升高7.5倍，空气相对湿度上升10%，温度升高4℃。人为不经意的损坏加速了经年累月的侵蚀，再加上风沙等自然界的影响，壁画文物正在一天天地“衰老”。

要想减缓“衰老”过程，就需要有环境监测。然而当时的技术手段相对落后，只能隔一周手动提取一次监测结果。“这种监测方式时效性很差，只能作为‘事后诸葛亮’。如果真的需要采取保护措施，这样的时效性是不够的。”董亚波意识到，要研制安装一套实时反馈的环境监测系统。

▲ 网关安装现场

洞窟里作业空间狭小，监测工作很难开展。手机在石窟内，居然一格信号都没有——多数洞窟开凿在崖体深处，彻底遮蔽了外界的无线信号。而由于文物保护的需要，窟内没有电源，不能搭设网线。

董亚波想到了当时刚刚兴起的物联网技术，依托无线传感网络传递信号。然而，在工业界无线传感技术虽然已经起步，但体积庞大使用不便，还要拉电拉网，对洞窟的环境和壁画文物都有不良影响，此前还从来没有应用在文物保护上。显然，直接移植现成技术是行不通的，必须对系统重新改造。

克服重重困难，专为敦煌量身定制一套系统

下山后，董亚波把问题带回浙江大学，跟他的团队一起研究。首要的一个问题是如何把信号从洞窟里面传出来。莫高窟南窟有492个洞窟，大小不一，形状各异，像61号石窟，里面的甬道有近10米深，甬道两旁的崖体如同“铜墙铁壁”，大大增加了信号传输的难度。

董亚波团队设计了一个多跳自组织结构，在洞窟里布置几个中转，让数据在接力中传递出来，“信号传输的线路都是根据各个洞窟的实际情况来设计的。”董亚波说，“就像是踢足球，后场把数据传到中场，中场绕过洞窟里的障碍物，几次倒脚之后再往前传，最后由前锋临门一脚把信号传到洞窟外面。”

洞窟里没有电源供电，意味着无线传感器只能用电池工作。如何降低电能消耗?团队尽可能让传感器在不工作的时候休眠，压缩工作时间。因此，每一分钟的数据传输，传感器在工作的短短几十毫秒中，要完成寻找信号、接收上游传感器数据、寻找下游传感器、发送数据以及接收应答等动作。这样一来，董亚波团队的这款传感器只需要两节五号电池，就能工作整整一年时间。

在硬件层面，董亚波带领团队设计研制传感器，尽可能降低传感器能耗，并且把传感器的体积做小，以避免对洞窟景观造成影响。而在软件层面，他们写了几十万条代码，确保整个传感器高效运行。

▲ 莫高窟地下水位监测器

如果是因为游客多，窟内温湿度大于室外，莫高窟就会启动这个洞窟的限流和通风措施;如果是室外大气湿度过高，影响窟内湿度，或是出现了降雨、沙尘暴等恶劣天气，则会关闭洞窟门，稳定窟内环境，甚至停止参观。董亚波还在敦煌“种下”了一支本土团队，帮助敦煌研究院成立了全国文物界较早的监测中心。

随着监测数据量的越来越大，对服务器的容量和处理速度需求也不断提高。董亚波团队又面临新的问题。

“相较于一般工业或者民用领域上采集的实时数据，可以定期清除或者压缩，但是在文物界，历史数据却大有用武之地。”董亚波介绍，在文物保护中，利用历史数据可以建立文物保存环境和文物本体状态的环境统计模型、风险溯源模型等，为未来的文物风险预警提供重要依据，因此这些数据价值巨大，删不得。

价值巨大的历史数据如何保存?

几十亿甚至上百亿条数据就像滚雪球一样越来越多，需要的存储空间也越来越大，与此同时数据查询也变得异常缓慢，而从庞大的数据中进行一次复杂的数据查找有时需要等待十几秒才能完成，严重影响了文物保护研究的效率。“不敢轻易访问前一年的完整数据，怕服务器跑不动会崩溃。”董亚波说。

还有一个情况也让董亚波犯愁。有时候莫高窟会停电，使得传输网络中断。这时传感器会自动储存数据，恢复供电后，这些暂时保存在传感器上的数据就会像洪水一般涌向服务器。这让董亚波每天对数据的安全提心吊胆，就好像是守着一个几近临街的水库，担心大坝溃坝，数据丢失。

得益于云技术的日新月异，数据写入与访问性能得到极大改善，攻克了海量数据存储管理的技术难题。浙江大学智云实验室的浙大云平台便应用在了莫高窟的保护项目中。

“如果从20世纪90年代潘云鹤院士跟敦煌合作算起，我们浙大计算机学院参与文物保护工作已经有20多年了，随着文保需求的不断变化，建工、材料、生仪、控制、能源等其他学科的教授们也加入进来了，我们的力量越来越壮大了。”董亚波说。

在敦煌研究院的一面墙上，有这样一句话：“历史是脆弱的，因为她被写在了纸上，画在了墙上;历史又是坚强的，因为总有一批人愿意守护历史的真实，希望她永不磨灭。”