博物馆文物保护装备管理系统设计
张 阳，张 翔，陈烁夷
（合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，合肥230009）
摘要： 针对目前博物馆文物保护领域中文物保护装备统一管理的问题，提出一种基于双服务器的BS架构管理平台。整个系统被抽象为包含终端、网络、数据、服务的4层设计模型，终端层与服务层解耦，系统得以更简单、更灵活、更具兼容性；摒弃相对传统的客户端应用软件的集中管理方式，采用了本地与云端双服务器的BS架构，将功能从云端下放至各本地博物馆，形成本地高度自治内循环；使之在拥有易安装、易拓展、表现力强等特点的基础上，保留了针对需求个性化定制的可能性。通过实际测试，该系统可有效解决博物馆内文物保护装备的远程监控管理问题，简化了安装维护工作，提高了工作效率，可靠性好。
关键词： 管理系统；博物馆设备；微环境保护；BS架构；C#；分布式
中华文化源远流长，漫长的历史文化长河给人们留下了丰富的历史文物资源，这是研究人类历史的宝贵资源，对现今的科学研究，生产活动具有很大价值。博物馆是历史的窗口，展柜是文物展陈的载体，展柜微环境系统中温度、湿度、光照、紫外线及有害气体均会破坏文物化学成分，造成无法逆转的文物损伤[1]。近年来，世界各国对文物文化遗产的保护给予了高度重视，在文物保护装备研发领域不断开拓，通过大型恒湿机[2]、空气监控仪、多参数分析仪等微环境监控设备，可实现展柜微环境的有效控制，从而达到长久保护、保存文物的目的[3]。
(4)协调发展型情景下，水资源承载能力随着时间的增长，增加的幅度最大，水资源承载能力在2030年达到了最大，说明协调发展情景下山塘水资源的开发利用潜力最大，也是未来经济社会发展的方向。
大多数文物保护装备目前只能适配少量展柜的工作负载，一个相对大型的博物馆一般需要几十甚至上百套设备，常规的定期巡检工作繁重，效果不佳，数据记录和分析困难；集中式的客户软件使用不便，拓展性差，维护升级成本高。这些给博物馆的统一管理和数据记录分析带来了很大的局限，极大限制了文物保护领域的发展[4]。对此，在系统分析应用环境的基础上，提出4 层设计模型，并以此为基础设计基于浏览器B/服务器S 架构改良的双服务器版管理系统，以高效地解决上述问题，提升博物馆文物保护效率，推进博物馆智能化进程。
1 博物馆设计模型
博物馆物理上是一组相对集中的建筑群，逻辑上一般存在“一博物馆-多展厅、一展厅-多展柜”的双重一对多结构。在文物保护领域，常规而言，一个展柜对应一套特定的文物保护装备，对应保护一组文物。系统网络上在一个独立博物馆内建立一个覆盖性的局域网，每一个展柜对应的文物保护装备在网络中占有一个IP 地址。
文物保护装备管理系统本质上是管理展柜内的仪器，常规以仪器为管理系统的基本单位会暴露出仪器间的差异性，在仪器换组更新时也会对系统产生很大的修改需求。在博物馆的应用环境下，尽管展柜内仪器有所不同，但是展柜总体所需监测的物理量极其有限。据此，选择以展柜作为整个管理系统的基本单位，相比而言，充分利用了博物馆的特殊应用场景的情况，实质上是通过一定的数据冗余将仪器的差异性用展柜封装起来，达到对上级系统屏蔽仪器差异性的目的，从而大大简化系统设计，增强了系统的兼容性。
轻量级、大众化 原生应用是专门针对某一类移动设备而开发的，下载并安装到设备里进行使用；轻量级应用是指基于微信等应用软件，以一定形式为用户提供的应用服务，具有上手容易、发展迅速的特点[3]。教师采用轻量级形式的全民学习共享平台，花费更多心思在教学设计上，深耕教学内容，打磨出高品质的智慧课堂。教师可以零成本地开发课程资源，对制作好的PPT添加语音讲解，引入学生投票、提问、评论功能，促使学生更加专注。教师可以登录微信完成课件的移动查阅、实时推送，可以通过雨课堂或微信群的形式建立立体交流、互动互助的共享空间，又能实现点对点的个人交流空间。
借助TPL 模型数据中心，在主线程的基础上，开辟了实时监测线程、控制监测线程、同步线程、数据处理线程。子线程在主线程的调度下稳定运行，各司其职。
文物保护装备管理系统的数据中心是基于C#在.NET 下开发的软件系统。服务层采用基于PHP的Web 服务[9]，数据库采用MySQL 数据库。
数据中心运行界面如图4 所示。界面主要分为状态区和控制区。状态区与图3 工作接口相对应，表征仪器网络、同步网络和数据库3 个方向接口的可用性；终端连接表征本轮查询中终端层相应的终端数，以便用户直观地获取工作状态。控制区包括用户名和几个基本控制按钮，可实现软件的简单功能操作。界面底栏可实时显示当前的工作状态。
图1 文物保护装备管理系统架构
Fig.1 Architecture of cultural relics protection equipment management system
网络层 是本地博物馆一个覆盖性局域网，终端层的所有终端都应接入该网络，并占用网络地址。网络层的网络形式可根据现场要求选择。目前，无线通讯领域百花齐放，ZigBee[5-6]，蓝牙，LoRa[7]，NB-IoT，WiFi 等通讯方式都有广泛的应用。通过实际考察博物馆的应用环境，系统采用终端仪器配备WiFi 通讯模块，终端传感器配备LoRa 通讯模块的复合无线网络方案[8]。
主线程是由操作系统创建的启动线程，同时也是数据中心的UI 线程。为增强界面响应，一般不在主线程中做大负载的运算和操作。该系统主线程运行流程如图5 所示，系统启动后经用户管理模块、系统自检模块后即可进入运行状态。通过配置注册表信息，系统重启后，数据中心将自动进入运行状态，通过垃圾回收和系统的定期重启清除数据残留，释放系统资源，确保数据中心的长期稳定运行。
饲料形态和适口性、环境温度是仔猪认料开食的重要前提，训练方法有多种，可利用仔猪出外活动时，让日龄大已开食的仔猪诱导采食，或在饲喂母猪时在地面上撒些饲料让仔猪认食，最有效的方法是强制补料，仔猪7日龄时，定时将产床的母猪限位区与仔猪活动区封闭，在仔猪补料槽内加料，仔猪因饥饿而找寻食物，然后解除封闭，让仔猪哺乳，短期内即可达到提前开食的目的。
服务层 是一组面向用户的服务软件，主要负责整个系统数据的具象化显示，表征博物馆文物保护系统的所有信息和响应用户的控制操作。该层专注于数据的表现逻辑和提供用户良好的交互体验，相对于常规的专业客户端应用软件，系统采用更灵活多变、更具表现力的Web 界面来实现，在获得优雅展示效果的同时，大幅度减少安装维护工作成本。
基于该4 层设计模型，提出了基于双服务器的BS 架构管理系统，本质上同时存在本地和云端2 组相近的服务器和数据库系统。在应用时，每个本地博物馆配备一个自己的数据中心和数据库，同时数据中心负责数据库的云同步。本地用户接入本地服务器，实现对本地博物馆的监控和管理；云端用户接入云数据库，实现对各地在线博物馆的远程监控和管理。通过对云端用户的权限和功能限制，在保留高效远端管理功能的同时，有效保护本地的数据安全和仪器稳定。同时它也是一套分布式管理系统。在本地，数据中心是协调者，终端是主动参与者，具有高度自治性，独立完成各展柜的监控任务，设备增减非常方便；在云端，每一个博物馆的数据中心是主动参与者，主动将本地数据库和相关信息对上同步，权限高度下放，博物馆甚至可以离线运行。这样的工作模式使整个系统变得扁平高效，在各终端具有自理能力的同时获得了极大的可扩展性和兼容性。
2 系统的功能需求分析
当学生说出自己的感受后，我向学生介绍了杨绛的情况，学生越听越吃惊，最后竟然要否定自己的观点。我告诉学生，杨绛虽然才华横溢，品德高尚，但是你刚才所说的问题确实存在。你看这么著名的学者作品中尚且存在这种问题，其他人的文章存在一些问题也就不足为怪了，只要你认真阅读，大胆质疑，一定会发现更多深层次的问题。学生从中受到肯定和启发，也会变得越来越有质疑精神。
图2 系统的功能需求
Fig.2 Functional requirements of the system
在整个系统中，数据中心作为博物馆监控平台的运转核心，在本地服务器上独立存在，时刻保持运行状态，维系监控服务器、仪器网络、云服务器的连接与数据交互，同时维护整个仪器监控网络的正常运转。其所需功能如下：①通过内部仪器网络与终端层仪器相连接，定期采集各仪器数据，并存储于本地数据库中；②通过数据库获取监控平台的控制指令，转译为相应仪器的控制指令，下达相应仪器，并反馈控制结果；③定期经互联网，向云端数据库同步数据；④定期备份本地数据库；⑤人员管理、日志记录等软件运行基本功能；⑥状态指示、网络监控等仪器网络监控功能； ⑦每日计算数据方差、达标率等信息的数据分析功能。
3 系统的软件设计
终端层 是博物馆内所有的文物保护装备的总和，每套终端仪器可独立运行，完成相应的展柜微环境监控功能。该层可实时采集目标数据，短期离线存储，同时还需保留对网络层相适配的网络接口，兼容指定的网络通讯协议。终端层是整个系统的根基，是微环境监控功能的执行者，是微环境监控效果的基础。
作为系统的运行核心，数据中心的主要工作接口如图3 所示。数据中心接入仪器网络，采集运行数据，控制仪器运行。同时，将运行参数写入数据库中，定期从数据库中读取控制指令，定期向云服务器同步数据。
图3 数据中心的工作接口
Fig.3 Working interface of data center
丹江口水库拦汊筑坝违法行为专项整治行动实践与思考……………………………………………………… 魏显栋(6.55)
数据中心采用新的任务并行库TPL（task parallel library）模型实现高效稳定的并行编程。新的Parallel Extension 基于任务编程模型描述并行，从而使编写充分利用多核处理器能力的代码变得更加容易，而不用费力地去处理复杂的托管线程，从而编写出更简洁高效的并发软件[10]。
图4 数据中心运行界面
Fig.4 Operational interface of data center
基于此，文物保护装备管理系统被划分为4 层设计模型（即终端层、网络层、数据层和服务层），如图1 所示，每一层都有着相对独立功能和相互的接口要求。
文物保护装备管理系统主要具有人员管理、博物馆信息管理、实时数据显示、历史数据查询、系统预警、人工控制等功能，如图2 所示。
3.1 主线程
数据层 是一组数据管理和网络维护软件，也是实现文物保护装备管理系统主要功能的模块。其主要负责整个网络数据的存储、 交换和维护工作，对下适配网络层通讯协议，维护网络内数据，对上留有对服务层的接口，响应服务层的指令。管理系统将数据库作为数据层和服务层交互的桥梁，在记录交互内容的同时完成指令的传递，将数据层从整个系统中分割开来，一方面在软件实现方式有所差异，另一方面加强了数据层技术的专一性和专业性，整体更加简洁灵活。
图5 主线程运行流程
Fig.5 Main thread running flow chart
系统自检模块用于在系统进入运行状态前对所需资源的检测，以避免运行时出错。其检测项包括仪器网络是否可用，云服务器是否可用，数据库连接是否正常，数据库是否初始化，等。
如果患者“四部27点规律”查体后,不符合“两部2点或两部2点以上”,则不需要拍X光、CT、MRI。这样先行压痛点检查既可避免漏诊,又可免除拍X光、CT、MRI的检查,从而最大限度的避免医疗资源的浪费,这也是本诊断方法的特别优势。
鉴于此，本文对5个型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架节点抗震性能进行试验研究，在此基础上，考虑试件弹性阶段、带裂缝工作段、屈服强化段及破坏阶段4个受力过程，采用回归拟合法建立了型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架节点四折线骨架曲线模型，并对整个加载和卸载过程中的刚度退化规律及滞回规则进行分析，提出了型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架节点滞回曲线恢复力模型，可为该种节点工程应用提供参考。
3.2 实时监测模块
实时监测模块是数据中心的主要功能模块，也是最为重要的模块；为一组仪器轮询任务。主线程在运行状态下定时启动，运行周期设为5 min。该模块的运行流程如图6a 所示。
模块启动时，先从数据库中读取当前的网络节点列表，更新缓存中轮询队列及节点字典的信息。通过查询节点字典调用相适配的通讯协议与节点进行数据交换，获取当前节点数据并存储在本地数据库中，类似地依次完成轮询队列。轮询队列结束后，自动关闭轮询线程启动云同步线程，通过查询数据库的更新时间，将数据库中近期内改变的所有数据post 到云服务器的相应端口，记录云服务器的返回信息，判断传输是否成功。
3.3 控制检测模块
控制检测模块为一组用户响应任务，其运行流程如图6b 所示。当系统进入运行状态后，控制检测模块同步启动，用户通过Web 服务器下操作目标终端，指令经服务层接收后存储在数据库中，数据中心定期检测数据库的任务集获取未完成的用户任务，通过节点字典将用户任务转译为相应节点的控制指令，下发至目标仪器，等待并接收仪器反馈，再将反馈存储回数据库中供服务层使用。
3.4 数据处理模块
数据处理模块为一组数据处理任务，每天定时运行一次（运行流程如图6c 所示），对当日采集的所有节点数据进行展柜级均值、方差、达标率分析，展厅级系统分析，再将分析结果存储在相应的数据分析表中，从而帮助馆方评价整个博物馆的微环境监控水平，帮助监管部门在获取直接数据的同时，快速判断博物馆的文物保护水平。
图6 子线程模块运行流程
Fig.6 Subthread module running flow chart
博物馆数据安全是博物馆管理系统的一个重要评价方面。管理系统一方面采用同步的方式将本地数据传输到云数据端，云端实时备份，另一方面本地开启数据记录功能，以文件的形式记录每一次数据操作，同时每天定时对当日数据进行增量备份，每月定时对数据库进行完全备份并做物理转移，从而保障博物馆的数据安全[11]。
4 服务层界面
通过整个系统，终端层中相对独立的微环境监控仪器在网络层中完成联结，经数据中心统一调度，每个终端设备得以与服务器、数据库之间传递交换信息。最终赋予用户在服务层的对于整个博物馆内所有文物保护装备的监控能力。管理系统服务层采用Apache 系统在本地服务器和AliCloud 上建立Web 服务器，编写相应的Web 服务界面，实现服务层功能[12]。
服务层面向本地和云端2 种用户。本地用户通过本地局域网访问本地服务器，获得相对自由完整的服务，可自由获得数据表数据曲线，远程监控本地博物馆内所有文物保护装备。云端用户通过互联网访问云服务器，获得相对受限的服务，实质上是为了保护博物馆的仪器安全，屏蔽了云端网络对本地仪器的操作权限，但可以访问任意得到授权的博物馆数据和图表分析，便于博物馆管理人员和国家监管部门进行监控。服务层界面如图7 所示。
图7 用户服务界面
Fig.7 Interface of user service
5 结语
在系统分析博物馆这一应用环境的基础上，提出了包含终端、网络、数据、服务4 层设计模型，并据此设计了基于双服务器BS 架构的管理系统。相较传统管理系统而言，该方案在系统兼容性、操作性、扩展性方面有明显优势，在简化系统方案的同时保留了个性化定制的可能，充分考虑了馆方的设计需求，提供了相对完备的解决方案。该系统目前已通过博物馆试用，经实际测试证明其可有效完成博物馆环境监测任务，大幅度降低人工成本，提高博物馆智能化水平。
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Design of Museum Cultural Relics Protection Equipment Management System
ZHANG Yang，ZHANG Xiang，CHEN Shuo-yi
（School of Instrument Science and Opto-Electronics Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）
Abstract： Cultural relics protection equipment in the field of museum cultural relics protection needs to be managed uniformly. Aiming at this question of museum，a solution of BS architecture management platform based on dual server is proposed. The entire system is abstracted into a four-layer design model for terminals，networks，data，and services. Among them，the terminal layer and the service layer are decoupled，making the system simpler，more flexible，and more professional. In addition，the traditional management method based on client application software is abandoned. Such systems are generally managed in a centralized manner based on client applications. The system uses the BS architecture of the local and cloud dual server versions. This architecture decentralizes functionality from the cloud to local museums，creating a local autonomous inner loop. It has features that are easier to install，easier to expand，and more expressive. In addition，it retains the possibility of personalization tailored to the needs. Through practical test，the system can effectively solve the problem of remote monitoring and management of cultural relics protection equipment in museums，simplify the installation and maintenance work，effectively improve work efficiency，and have good reliability.
Key words： management system；museum equipment；micro environmental protection；BS architecture；C#；distributed
中图分类号： TP311.132；G267
文献标志码： A
文章编号： 1001-9944（2019）03-0092-05
DOI： 10.19557/j.cnki.1001-9944.2019.03.020
收稿日期： 2018-12-14；
修订日期： 2019-02-13
基金项目： 安徽省科技成果转化及产业化重点项目（IMICZ2015004）
作者简介： 张阳（1979—），男，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为工业检测及控制系统、博物馆微环境监控系统；张翔（1994—），男，硕士，研究方向为博物馆微环境监控系统及工业应用软件。
标签：管理系统论文; 博物馆设备论文; 微环境保护论文; bs架构论文; C#论文; 分布式论文; 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院论文;