摘要: 摘要 本文探讨了基于模糊逻辑的Art-Risk 3.0软件在文化遗产建筑预防性保护与修复监测中的应用。该软件通过量化建筑的脆弱性、环境风险及功能性服务寿命，支持多场景风险分析。研究通过500个理论案例及西班牙塞维利亚圣卡塔琳娜教堂（14世纪哥特-穆德哈尔风格）的修复前后对比（2012-2020年），验证了Art-Risk 3.0的效能。结果显示，软件能有效识别环境对建 ...

摘要    

本文探讨了基于模糊逻辑的Art-Risk 3.0软件在文化遗产建筑预防性保护与修复监测中的应用。该软件通过量化建筑的脆弱性、环境风险及功能性服务寿命，支持多场景风险分析。研究通过500个理论案例及西班牙塞维利亚圣卡塔琳娜教堂（14世纪哥特-穆德哈尔风格）的修复前后对比（2012-2020年），验证了Art-Risk 3.0的效能。结果显示，软件能有效识别环境对建筑的影响、评估修复措施效果，并为优先级干预提供科学依据。研究证明了模糊逻辑在文化遗产动态管理中的潜力，为遗产建筑的长期保护提供了创新工具。

一、研究问题    

1.如何量化遗产建筑的脆弱性与环境风险？    

传统风险模型多为静态评估，未考虑修复和维护对脆弱性的动态影响，需开发多因素综合模型。

2.如何通过模糊逻辑实现多场景风险分析？

模糊逻辑需处理不确定性数据（如专家经验、环境变量），需设计合理的输入-输出规则及推理机制。

3.如何验证Art-Risk 3.0的可靠性与适用性？

需通过大规模理论案例与实际修复案例验证模型的敏感性、一致性及预测能力。

4.如何评估修复措施对遗产建筑功能寿命的影响？

需建立修复前后的量化对比指标，分析脆弱性、风险及功能寿命的动态变化。

二、研究意义    

紧迫性：气候变化、城市化及人为活动加剧遗产建筑损坏，亟需高效监测工具，另一方面现有风险评估多依赖专家主观判断，缺乏动态数据支持，难以应对复杂多变的威胁。第三，联合国教科文组织（UNESCO）及国际古迹遗址理事会（ICOMOS）呼吁采用科学方法推动遗产可持续管理。    

三、研究创新点     

1.Art-Risk 3.0首次将模糊逻辑与地理信息系统（GIS）结合，实现多源数据融合与自动化分析。

2.为遗产管理者提供优先级干预建议，优化资源分配，延长建筑功能寿命。

3.提出“功能服务寿命指数”（FSL）概念，建立脆弱性-风险-功能的定量关系模型。    

图 2.Art-Risk3.0 平台工作流程。    

四、研究方法    

1. 模糊逻辑模型构建

输入变量设计：选取21个输入变量，分为脆弱性（10项，如地质条件、维护状态）和风险（11项，如降雨强度、热应力）。

模糊化与去模糊化：

采用高斯隶属函数将定量数据（1-5级）转换为模糊集，允许部分隶属（如“中等风险”可同时属于“低”和“高”）。

通过德尔菲法（两轮专家咨询）确定693条模糊推理规则数据库（IF-THEN结构），涵盖建筑学、工程学等多领域知识。

推理引擎：基于Mamdani模型，使用最小-最大算子进行规则聚合，输出脆弱性指数（VI）、风险指数（RI）及功能寿命指数（FSL）。

去模糊化：采用质心法将模糊输出转换为具体数值（如FSL范围11.02-83.04）。

2. 数据采集与处理

理论案例：生成500个随机组合的输入数据（1-5级），涵盖极端（全1或全5）及中间状态，验证模型的敏感性与一致性。

该研究还结合以圣卡塔琳娜教堂为实际案例，记录2012年（修复前）、2019年（修复后）、2020年（中期监测）三次现场调查建筑状态、环境数据及修复措施，对比修复前后的VI、RI及FSL变化，分析模型对实际干预的响应能力。

研究者主要使用Art-Risk卡片模型手动录入定性变量（如建筑价值），GIS自动获取环境数据（如降雨量）。    

3. 模型验证

统计验证：计算理论案例中FSL与RI的皮尔逊相关系数（r=-0.938），确定系数R²=0.824，验证负相关关系。

五、研究结果    

1. 理论案例分析

FSL与风险的强负相关：风险指数（RI）每增加1单位，FSL平均下降2.2%（指数拟合方程：FSL=109.39e^{-0.02RI}）。

异常值分析：5%的案例显示RI与FSL关系偏离主趋势，主要因输入变量非线性交互（如高遗产价值抵消部分风险）。

2. 圣卡塔琳娜教堂案例

修复前（2012年）：

脆弱性：VI=71（高），主要因屋顶渗水、结构裂缝及维护缺失（Ar10=5）。

风险：RI=55（中高），热应力（Ar18=5）及暴雨侵蚀（Ar17=4）为主要威胁。功能寿命：FSL=37（临界不可接受），需紧急干预。

修复后（2019年）：

脆弱性：VI降至34（低），修复措施解决渗水与裂缝（Ar10=1），维护计划启动（Ar8=2）。风险：RI=47（中），环境风险未显著改善（热应力仍为5）。功能寿命：FSL升至60（需定期监测）。

中期监测（2020年）：    

脆弱性反弹：VI=42（中低），因北墙新裂缝（Ar10=2）暴露材料老化问题。风险持续：RI保持47，热应力仍为主要威胁。功能寿命：FSL=56，提示需加强预防性维护。

3. 关键发现

环境风险主导长期影响：热应力与暴雨侵蚀难以通过建筑修复完全消除，需长期监测。修复后FSL的短暂提升依赖持续维护，间断性维护导致脆弱性反弹。

图 3.GIS 进行的岩土工程地图和研究的教堂。 

   

图 4.GIS 和研究的教堂进行的平均降雨量地图。

    

图 9.洪水危险地图和研究的教堂。

图 6.热振幅图和研究的教堂

    

图 10.脆弱性、危害和功能指数（绿色：最佳条件，黄色：可接受条件，红色：不可接受的条件）。（有关此图例中对颜色的引用的解释，读者可参考本文的网络版本。

六、研究结论    

1.Art-Risk 3.0通过模糊逻辑成功量化了遗产建筑的动态风险，理论案例与实际案例验证了其一致性与灵敏度。

2.修复效果评估：圣卡塔琳娜教堂的修复显著降低脆弱性，但环境风险仍威胁长期功能寿命，凸显预防性维护的重要性。

3.FSL<40需紧急干预，为管理者提供科学依据，优化资源分配。

七、研究展望    

1.不足

l数据局限性：实际案例仅聚焦单一建筑，需扩展至不同气候与文化背景的遗产。

l模型复杂度：693条规则虽全面，但用户操作门槛高，需简化界面设计。

l环境变量静态处理：如热应力数据依赖历史均值，未整合实时气候预测。

2.展望    

l多灾害耦合分析：纳入地震、洪水等低频高损事件，提升模型全面性。

l机器学习优化：结合神经网络自动更新规则库，减少专家主观依赖。

l用户友好化：开发移动端应用与可视化仪表盘，推动工具普及。

l政策对接：与遗产保护机构合作，将模型纳入国家文化遗产管理标准。