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作者:鄭智銘(2005-03-20);推薦:徐業良(2005-04-01)

故宮博物院館藏環境監測系統開發計畫

1.     故宮博物院館藏環境現況

1.1 故宮博物院館藏管理方式與館藏環境

故宮博物院藏品為中華文化寶庫之譽。故宮博物院收藏的文物,可分為銅器、瓷器、玉器、漆器、琺瑯器、雕刻、文具、印拓、錢幣、繪畫、法書、法帖、絲繡、成扇、善本書籍、服飾等等眾多類別,館藏數目將近六十六萬件。限於展出場地,台北故宮每次僅能展出各類文物1700餘件,其餘館藏均於庫房中收藏保存。

按照台北故宮規定,庫房開啟、關閉,須由分持電腦鎖卡片和普通鎖鑰匙的職員2人、工友1人同行,配合電腦控制中心完成作業。進出人員需要填寫庫房日記並經電腦通過閉路電視錄影。開啟文物箱件,也需要工作人員2人、工友2人在場。非公務或非經核準,外人不能進庫房。為了讓館藏文物獲得良好的館藏環境,約一個月方可進入庫房一次檢視庫房文物與環境。

故宮博物院為了防止意外的發生,整個展覽區與庫房均有限制供電時間,在故宮人員下班後也會展覽區與庫房會隨著斷電,防止在無人的情況下無法處理的緊急意外情況。故宮博物院供電時間如下:

(1)   展覽區:供電時間8:00~18:00,展覽區已經設置現成無線網路。

(2)   庫房區:供電時間7:30~19:00,庫房區電源插頭與網路線均無現成設備。

由於故宮博物院展覽區與庫房區的供電、網路、與電源設備均不相同,且庫房區有人員進出限制,因此在環境監測系統建構上必須依據不同限制作適當設計。

1.2 故宮現有環境監測模式與本計畫目的

故宮博物院為了保存文物的品質,不論在展覽場以及地下庫房,在環境方面均有恆溫恆濕的環境控制系統維護館內環境的溫濕度恆定,在展覽場與庫房中均有溫濕度記錄器以報表方式輸出溫濕度的監測記錄。

目前的環境監測方式有幾個可以進一步改進的方向:

(1)     目前必須以人工巡視的方式,瞭解設於每個展覽場與庫房中的個別溫濕度記錄器是否有異常的情況出現,非常耗費人力。

(2)     庫房環境僅允許一個月進入一次,對於庫房環境異常變化無法即時掌握。

(3)     故宮位於陽明山周圍,因陽明山原因所以空氣中含硫氣體含量可能偏高。

目前市面上已經有許多現成、適用於博物館的環境監測系統,如著名的Hanwell公司發展之博物館環境監測系統,相關分析與比較見附件投影片。但因故宮博物院特殊需求與限制,初步討論結果可能無法直接使用現成的市售系統。

本計畫提出「分散式伺服架構環境監測系統」,目的在輔助故宮館藏環境的監測與管理,並建立即時監測與異常預警通報的系統,降低館藏損壞的風險。本系統具有開放與彈性擴充的架構,可以針對故宮博物院環境與設備的各種需求與限制搭配適當的功能模組,在未來有更大的升級與功能擴充的空間。

配合故宮的需求與特殊限制,本系統的各項設計概念如下:

(1)     感測項目:感測器除了溫度與濕度之外,針對陽明山環境可增加含硫氣體感測器,未來更可以視需求彈性擴充感測器項目。

(2)     電源供應:故宮博物院為了館藏環境的安全,限制館內供電的時間,目前市售系統必須由中控電腦作為資料儲存的伺服器,中控電腦電源與網路必須24hr暢通。因此本系統將針對故宮的電源供應限制提供方便有彈性的解決方案。

(3)     資料傳輸架構:目前市售系統多以無線電的方式將資料傳輸至中控電腦,在庫房環境下,可能會因為屏蔽而無法正常使用。因此本系統將針對故宮的環境特色與限制,採用中控電腦與分散式伺服器可彈性並存的資料傳輸與儲存架構。

(4)     館藏環境輔助管理與緊急通報功能:本系統所採用開放式的資料傳輸架構,可以提供科技室、總務室等不同單位同時使用,彈性選擇集中式或是多點式分散管理。除了被動式監測外,在異常情況發生時會發送主動式警告訊息。

本計畫規劃分為三階段執行,第一階段針對展覽區設置,第二階段擴展至庫房區,第三階段則擴充附加功能如特有監測項目、緊急通報系統與備份系統等功能。

2.     故宮博物院館藏環境監測系統設計

2.1 系統架構

1所示為最基礎的故宮博物院館藏環境監測系統架構圖,基礎系統中不需要中控電腦進行感測資料的匯集與儲存,每一個分散式感測資料伺服器(Distributed Data server, DDS)後端可以連接8個不同感測器,並具有資料儲存資料伺服器的功能。所有DDS藉由網路方式形成一個感測網,因此可以分散大範圍的分散式環境監測,甚至跨縣市至南區故宮形成遠距監控網。使用者與管理者可以藉由TCP/IP/HTTP通訊協定的方式藉由VB程式或IE瀏覽器向各DDS索取所需要的監測資料。如此開放式的資料傳輸模式可以使用市面上各種現成的無線∕有線網路技術作為資料傳輸機制,並可以與故宮現有無線網路系統相整合,不需額外人力維護另一項系統。

1. 故宮博物院館藏環境監測系統架構圖

本計畫規劃分為三階段執行,第一階段針對展覽區作少量設置,以系統架構測試為主要目的。如第一階段執行成果滿意,在第二階段擴展至庫房區作較大量設置,並針對庫防區需求作改進。第三階段則視故宮需求進一步擴充附加功能如特有監測項目、緊急通報系統、與備份系統等功能。

2.2 細部規劃

(1)   感測器選擇

故宮現有的環境控制系統,維持溫度在20±2oC的範圍,濕度則因館藏品而有不同的濕度有40%55%65%的濕度要求,並維持在±3%的範圍。因此感測器的理想精確度規格溫度可能必須在±0.5oC以下,而濕度在±2%以下。以市售Hanwell監測系統為例,其溫度量測精確度在±0.5oC,濕度精確度在±2%

本計畫第一階段以系統架構測試為主要目的,因此會先以National Semiconductor公司的溫度感測器LM35(圖2(a),精確度±0.25oC)以及Sencera公司所生產的濕度感測器808H5V5(圖2(b),精確度±4%)進行測試,此二感測器售價共約400元。確認系統架構能正常運作後,可視需求整合故宮目前現有溫濕度監測裝置,或是針對故宮環境溫濕度監測的規格需求,尋求更精確的感測裝置。如圖3所示,Rotronic所生產的HygroPalm-3,溫度與濕度精確度分別為±0.2C與±1%,並且具有類比訊號輸出功能,可以直接接上DDS使用,但價格十分昂貴,主機加感測頭售價約22,000元。

2. 電壓輸出型溫度(a)與濕度(b)感測器

3. Rotronic HygroPalm-3高精度溫濕度感測裝置

(2)   不斷電系統

故宮博物院展覽區供電時間在約為10小時,斷電時間約為14小時;庫房區供電時間在約為11.5小時,斷電時間約為12.5小時,針對此特殊狀況尋求電源供應的方案時,以使用不斷電系統為最方便的選擇。

不斷電系統選擇時主要考量的因素為電池容量、充電時間、以及輸出電流型態。電池容量必須能夠供應DDS超過14小時的電源,並且能在10小時內充飽電源。目前市售不斷電系統多為交流電110V輸出,若能選擇具有直流電輸出功能的不斷電系統,則不需要經過交直流的重複轉換耗損能源。因此目前選用的可能方案為科風公司(http://www.pcmups.com.tw/)DC不斷電系統系列,圖4所示。

4. 科風公司的DC不斷電系統

(3)   網路資料傳輸

網路資料傳輸在計畫第一階段與第二階段執行期間,將針對展覽區與庫房區不同的限制與需求,提供不同的功能模組。故宮博物院館藏環境監測系統所建構的DDS監測網,所有的資料傳輸均以公開相容的TCP/IP/HTTP通訊協定進行資料傳輸,因此可以選用市售現成各種無線有線的網路傳輸方式。隨著通訊技術的進步,不需更改DDS的主體便可以更換外部的網路傳輸裝置,升級擴充更快的傳輸機制。每一個DDS擁有一個特定的專屬虛擬IP,後端使用者介面藉由IP便可以獲知各DDS的位置。

故宮博物院館藏環境監測系統第一階段針對展覽區的環境設置,使用故宮展覽區現有的無線網路架構,因此僅需要在DDS上加裝圖5所示D-link所生產DWL-G730AP的無線網路卡便可以整合於現有無線網路架構,不需維護任何的額外的設備。第二階段針對庫房區設置,因為庫房的屏蔽環境,因此可能必須使用有線網路線或是電源網路。

5. D-link DWL-G730AP

(4)   記憶卡

DDS所使用的記憶儲存媒體為MMC記憶卡,MMC卡的讀取壽命約為30萬次。目前資料監測規劃為每10分鐘記錄一筆資料(重複三次),一天讀出寫入估計值共約450次,因此使用壽命約可以確保兩年不斷地讀出與寫入使用期間不會發生錯誤,不需要任何額外的維護。因此建議使用128MB記憶卡,每兩年更換一次MMC卡。

2.3 故宮環境的相關配合

故宮博物院館藏環境監測系統,對於故宮人員而言,不需要維護額外的設備與中控電腦,管理人員、警衛、科技室與總務室均可以在各處藉由VB介面或IE介面擷取各DDS中即時監測資料與MMC卡內儲存資料。

故宮環境所需配合的事項包含網路、電源、感測器位置、與定期維護四項:

(1)     網路:在展覽區所使用的故宮現有無線網路,必須可以接受手動設定虛擬IP,因為每個DDS必須要有專屬的IP以對應其所在位置。而庫房區可能每個庫房內必須架設實體網路線。

(2)     電源:每一個DDS設置位置必須要有交流電源110V的供應。

(3)     感測器位置:為了安全上的考量,DDS可能不與館藏直接放置一起,可能的方式為DDS放置於展示櫃外,而感測器偵測探頭可以藉由延長訊號線方式拉至展示櫃內,因此展示櫃可能需要有允許感測探頭進入的孔洞。

(4)     MMC卡容量使壽命約2.5年,不斷電系統電瓶壽命約三年,因此均建議每兩年更換MMC卡以及不斷電系統內電瓶。

3.     本計畫執行方式

如前所述,本計畫規劃分為三階段執行,第一階段針對展覽區設置,第二階段擴展至庫房區,第三階段則擴充附加功能如特有監測項目、緊急通報系統與備份系統等功能。以下詳述各階段執行方式。

3.1 計畫第一階段—展覽區館藏環境監測

本計畫第一階段建構之展覽區的館藏環境監測系統,每個監測單元如圖6所示,為DDS附加無線網卡與不斷電系統,系統架構示意圖如圖7所示,藉由館內現有無線網路作為資料傳輸的介面,不需維護任何中控電腦。

計畫前半部會先以簡易電壓輸出型溫度與濕度感測器,針對特展區的部分文物監測,以測試系統的穩定性,並針對展覽區地形與配置,建立客制化的VB監測介面提供管理者更直覺地掌握整體環境的狀況。後半段則可視需求提升感測器性能與精確度,並且將監測範圍擴展至整個展覽區,建立完整的展覽區館藏環境監測系統。

6. 展覽區DDS感測單元與功能模組

7. 展覽區館藏環境監測系統示意圖

3.2 計畫第二階段—庫房區館藏環境監測

計畫第二階段的主要工作為建立庫房區的館藏環境監測系統。考量庫房區金屬門對無線訊號的屏蔽,因此必須以實體網路線方式作為資料傳輸的管道,每一個監測單元不需要無線網路卡,僅需要DDS以及不斷電系統。系統整體架構示意圖如圖8所示,僅需要利用實體網路線與HUB便可以將所有DDS連成感測網。

8. 庫房區館藏環境監測系統架構示意圖

3.3 計畫第三階段—特殊監測項目、緊急通報系統、與備份伺服器的擴充

(1)   特殊監測項目

故宮博物院因鄰近陽明山,空氣中含硫氣體含量可能高於一般值,因此針對故宮博物院特有的環境,可以彈性擴充含硫氣體、二氧化碳、大氣壓力等項目,監測館藏環境的品質並維護館藏文化的保存狀態。

(2)   緊急通報系統與資料備份系統

故宮博物院館藏環境監測系統採用公開相容的TCP/IP/HTTP通訊協定進行資料傳輸,因此功能的擴充與資訊的整合能力具有很大的彈性。

如圖9所示,僅需要將內部網路加上IP分享器便可以利用INTERNET建立緊急通報系統,目前規劃在異常狀態時發送E-mail與手機簡訊,讓管理者可以即時掌握館藏環境的現況。也可視需求以再外掛一台電腦,建立備份資料庫,讓館藏環境的監測資料可以雙重保存。

9. 緊急通報系統與資料備份系統

(3)   其他擴充項目

未來故宮博物院館藏環境監測系統更可以彈性擴充各式感測器,如照度、二氧化碳等,更可以整合各式保全感測器,加入展示櫃異常開啟與傾倒、庫房區不明人士侵入等諸多功能。另一方面,藉由開放式的資料傳輸架構,可以整合南區故宮的監測系統,建立完整的故宮館藏環境監測網。

3.4 設備成本概估

1為本計畫建立之館藏環境監測系統設備成本概估,不含研究人力費、組裝與測試費用,可作為系統未來建置、經營評估參考。

1. 本計畫建立之館藏環境監測系統設備成本概估

第一階段

展覽區每一個監測單元(包含DDS、網路卡、不斷電系統與MMC

6,500

20個感測單元規模成本小計

130,000

感測器

依據規格、數量、與廠牌另計

第二階段

庫房區每一個監測單元小計(包含DDS、不斷電系統、與MMC卡)

4,500

網路設備(實體網路線與HUB等)

30,000

20個感測單元規模成本小計

120,000

感測器

依據規格、數量、與廠牌另計

第三階段

緊急通報系統(E-mail與手機簡訊)

20,000

備份資料庫

40,000

其他

系統維護費(每兩年電瓶與MMC卡需要更換一次)

2,000

20個感測單元規模系統維護費小計(每兩年維護一次)

40,000

高精度溫濕度感測器和其他特殊感測器

依據規格、數量、與廠牌另計