地下UNESCO遗产地预防性保护的多传感器遥测—大地测量协同长期结构健康监测：以Wawel城堡Dragon’s Den Cave与Wieliczka盐矿St. Kinga’s Chapel为例

《Sensors》：A Scenario-Based Hardware-in-the-Loop Platform for Real-Time Road-Load Emulation on Production Micromobility Drives

　　

地下遗产地的长期结构健康监测（Structural Health Monitoring, SHM）因高湿度、可达性受限、复杂地质条件和侵蚀性含盐环境而具有挑战性。本研究介绍了一套集成多传感器遥测监测系统（integrated multi-sensor telemetric monitoring system）在两个历史重要场址的实施与长期评估：Wawel Castle下方的Dragon’s Den Cave和Wieliczka Salt Mine中的St. Kinga’s Chapel。该系统结合位移传感器（displacement sensors）、岩体锚杆应变测量（strain measurements）和微气候监测（microclimate monitoring），以评估结构行为并支持潜在危险变化的早期检测。洞穴监测持续四年，盐矿监测持续两年。结构测量数据与环境数据共同分析，以区分温度与湿度相关的传感器响应和实际变形。周期性大地测量（geodetic surveys）为遥测测量提供独立验证。两座结构在观测期间保持稳定。遥测测量在监测的伸长计位置记录到最大0.16 mm的变化，而大地测量表明水平累计位移约2.6 mm、垂直累计位移约2.4 mm。结果表明，将结构与环境传感与周期性大地测量验证相结合，可在苛刻地下条件下实现可靠长期监测。所提出的微创且可扩展方法支持地下遗产结构的预防性保护（preventive conservation）与安全管理。

该研究聚焦地下遗产地长期结构健康监测（Structural Health Monitoring, SHM）难题。研究背景是：地下UNESCO遗产地面临高湿度、可达性有限、复杂地质条件和含盐侵蚀环境。Dragon’s Den Cave位于Wawel Castle下方，是波兰代表性喀斯特洞穴，年游客超过300,000人，被列为Class 0对象，技术状况需特别严格监督；2020—2021年该洞穴实施加固，安装超过1500 m钢与玻璃环氧锚杆，原十处木垛和木柱仅保留一根加固柱。St. Kinga’s Chapel位于Wieliczka Salt Mine，该盐矿于1978年列入UNESCO世界遗产名录，教堂约高12 m、宽18 m、长54 m，年游客近2,000,000人，盐岩流变过程导致收敛、侧壁旋转、底沉不均和水平位移。两处均受缓慢地质、岩土过程与地下微气候变化影响，传统周期检查或孤立测量不足以支撑早期预警、游客安全和预防性保护，因此研究人员开展集成监测研究。研究目标是在两个不同地质、几何、功能和保护约束的地下遗产地中应用并评估一种集成监测框架：将高分辨率遥测传感器（裂缝计、锚杆测力计、钻孔伸长计）与周期性大地测量、精密水准、地面激光扫描（terrestrial laser scanning, TLS）及微气候观测结合，以检测和量化活跃变形、支持早期识别与保护决策，同时尽量减少对遗产本体的视觉和物理影响。研究总体结论是：观测期内两处监测位置表现稳定，未发现显著渐进变形或结构报警事件；局部遥测与空间大地测量提供互补信息；温度对短期读数有显著影响，但其校正系数不宜作为多年通用物理参数；所提物联网（Internet of Things, IoT）架构可为多传感器监测与决策支持提供框架。

关键技术方法不超250字：在两个UNESCO遗产地部署SISGEO振动弦裂缝计、MEXID多点钻孔伸长计、电阻式锚杆测力计和微气候传感器，由OMNIAlog记录仪采集；Dragon’s Den Cave每4 h采集，St. Kinga’s Chapel每12 h采集，设阈值报警并重复三次确认。配合同期或周期大地测量、精密水准、收敛测量与地面激光扫描。监测时长分别约4年和2年。传感器经SISGEO实验室和大学实验室重复校准，采用多项式因子；温度分析采用含时滞多元线性回归。样本来源即上述两个UNESCO遗产地。

研究结果如下。3. Results（结果）：数据稳定性总体很高。Dragon’s Den Cave四年和St. Kinga’s Chapel两年观测中，系统仅触发两次报警，均为非数值（NaN: Not a Number），原文认为最可能由电压浪涌或内部系统错误引起；第三次异常为测试中故意诱发。系统在报警条件下重复测量三次，只有三次结果一致才触发报警。圣金加教堂传感器读数也相对稳定，偶尔受岩台清尘活动干扰。校准分析表明，现场条件未导致传感器测量特性显著退化，最终采用制造商多项式因子。MEXID伸长计最短测量段变化约为深部段的两倍，但总记录值仅达0.16 mm，平均约0.04 mm/year；锚杆测力计显示支护系统稳定，验证了以密集锚杆替代原支护的合理性。

3.1. Determination and Verification of Temperature Coefficients（温度系数的确定与验证）：温度变化是结构监测基本挑战。Wieliczka Salt Mine温湿度由通风和空调系统主动调节；Dragon’s Den Cave不主动控温，仅通过塔窗通风，Szyszko-Bohusz Chamber年温度振幅约10 °C，日波动可达5 °C。研究人员选取最易受温度波动的伸长计，分两阶段分析。

3.1.1. Regression Model for Four-Hour Data（四小时数据回归模型）：采用 D(t)=β₀+β_TT(t?τ)+β_timet+ε(t)，测试0—48 h时滞。最佳拟合均为τ=0 h；β_T显著且为负，即温度升高时伸长计读数平均下降。四小时模型R²为0.790—0.981，RMSE为0.00153—0.00363 mm，说明短期温度影响明确，但不能证明系数在多年序列中稳定。

3.1.2. Application of Coefficients to Monthly Averages（系数应用于月均值）：将四小时数据所得β_T应用于2021年4月至2025年2月月均数据后，四个传感器β_T均不显著，95%置信区间包含零，无法拒绝H₀: β_T=0。月模型R²约7%—74%，RMSE为0.0209—0.0516 mm。部分高R²主要来自显著时间趋势，如传感器460约0.0741 mm/year、459约0.0360 mm/year、458约0.0182 mm/year，而非温度效应。结论是：温度对短期读数有明显影响，但由高分辨率数据得到的经验温度校正不应自动视为长期稳定物理模型。

3.2. Geodetic Measurements in Dragon’s Den（龙穴洞大地测量）：大地测量点沿测量剖面分布，与局部伸长计互补。比较Series VII（2024年11月7日）和Series VIII（2025年2月13日），最大累计水平位移约2.6 mm、垂直位移约2.4 mm；差异与估计精度（水平±1 mm、垂直±0.5 mm）相当，且无一致空间或时间模式。因此，大地测量结果未提供洞穴发生协调性渐进变形的证据，但强调局部传感器趋势需置于更广空间背景中解释。

讨论部分总结：监测位置稳定表示在仪器位置和可用时段内未检测到渐进变形，而非证明周围岩体完全没有变形。局部传感器与空间大地测量提供不同、互补的信息；裂缝计、锚杆测力计和MEXID伸长计提供局部高分辨率观测，大地测量网络提供空间较广的独立验证，TLS补充大表面几何文档但点精度通常较低。温度分析表明，温度系数是特定时期经验校正，而非通用物理参数；通风、传感器条件、支护几何、施工活动或数据统计特征变化均可能改变关系。系统报警需区分结构事件与技术、环境事件；重复测量可降低误报风险。安装保护、锚固、电缆布置、电屏蔽、数据传输、校准和周期技术验证对长期运行至关重要。研究提出基于IoT的功能架构，以整合传感、采集、安全通信、数据处理和专家解释，形成决策支持系统。

结论部分翻译：本研究证明，在苛刻环境和保护约束下，将准连续遥测监测与周期性大地测量及TLS整合于地下遗产地是可行的。观测期内，Dragon’s Den Cave和St. Kinga’s Chapel的监测位置表现稳定。Dragon’s Den Cave中MEXID伸长计记录的最大位移约0.16 mm，而大地测量显示水平分量累计约2.6 mm、垂直分量约2.4 mm；这些大地测量值未形成一致的空间或时间渐进变形模式，应结合测量不确定度解释。Dragon’s Den伸长计四小时数据显示温度与实测位移之间存在统计显著短期关系，但相应温度系数应用于覆盖整个观测期的月均数据时不显著，说明由高分辨率数据得到的经验温度校正不应自动视为稳定长期物理模型。结果还确认，局部遥测传感器与空间大地测量提供不同但互补的信息：局部传感器对选定潜在脆弱位置敏感，大地测量独立评估洞穴更广空间行为，TLS通过记录较大表面变化进一步补充，但点精度通常较低。总体而言，监测系统在观测期内未识别出显著渐进变形或结构报警事件；该结论适用于仪器化位置和可用观测区间。继续监测仍然必要，因为可靠识别缓慢变形过程需要更长时期的重复观测，并确认一致的空间和时间模式。所提基于IoT的架构为多传感器测量、环境校正、时间序列分析和决策支持功能的整合提供概念框架，可改善数据采集连续性、促进长期趋势与异常识别，并支持专家评估和维护规划。保护历史遗产，尤其是列入UNESCO世界遗产名录的最高意义场址，应成为发达国家优先事项。对历史地下结构实施可准连续记录的高分辨率传感器以监测局部岩体变形，是推动其安全管理现代化的自然步骤。每日吸引大量游客的旅游景点必须接受系统监督，以确保游客和受保护结构本身的安全。