清華大學電子工程系楊華中教授用無線傳感網“把脈”大型橋梁結構健康監(jiān)測
更新時間：2021-04-10 17:51
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近日，有一支來自于非交通領域的團隊備受矚目。這支團隊主導開發(fā)的“基于無線傳感網的大型橋梁結構監(jiān)測系統建設和關鍵技術研究”項目受到了交通、結構、電子等各領域專家的高度關注，并獲得了2016年度中國公路學會一等獎。
這支團隊就是教育部特聘長江學者、清華大學電子工程系教授楊華中團隊。究竟是什么讓一支來自電子專業(yè)的團隊在中國公路行業(yè)的最高獎項中獲得一等獎？筆者走近清華大學楊華中和他的團隊，揭開團隊的神秘面紗。
潛心科研 十年磨礪厚積薄發(fā)
無線傳感器網絡與結構健康監(jiān)測技術的結合，是目前結構健康監(jiān)測領域研究與實踐的一個發(fā)展趨勢。清華大學是國內最早從事無線傳感網/物聯網技術及應用研究的單位之一，也是國內最早從事結構安全監(jiān)測智能化并將無線傳感網/物聯網技術應用于其中的單位，在這方面擁有著深厚的技術積淀和儲備。
低功耗核心芯片是構建無線傳感器節(jié)點的基礎，在國家自然科學基金的支持下，清華大學先后開展了“SoC低功耗電路與系統（2003-2006）”“低功耗無線通信SoC設計（2007-2008）”“基于非易失存儲器件的低功耗無線傳感網芯片與應用研究（2009-2011）”等研究工作。在國家863計劃的資助下，清華大學開展了“RF關鍵電路與工藝模塊（2005-2007）”“無線傳感器網絡的低功耗技術（2006-2008）”“基于片上傳感網的異構多核SOC低功耗設計與計算（2008-2011）”等研究工作。在國家科技重大專項的支持下，清華大學開展了“中高速傳感器網絡核心芯片研發(fā)（2010-2012）”等研究工作。
“這些項目的開展使得團隊在無線傳感網核心芯片及傳感網節(jié)點低功耗技術方面有了很好的技術儲備?！睏钊A中說，比如，團隊成員劉勇攀博士發(fā)明的低功耗非易失處理器吸引了MIT等20余所國際知名大學、美國NSF和DARPA資助的多個中心的跟蹤研究，并被IEEE體系結構頂級雜志Micro選為亮點成果，在其網站首頁報道。
砥礪突破 核心技術百煉成鋼
在已有低功耗芯片和節(jié)點技術基礎上，為了研發(fā)面向橋梁結構健康監(jiān)測系統，團隊成員王鵬軍博士進一步攻克時間同步、傳感器等一系列難題。
時間同步問題一直是國際既有無線橋梁監(jiān)測方式的局限，該項目率先成功應用了精度自適應時間同步算法，同步精度達到10μs，大大優(yōu)于常規(guī)橋梁監(jiān)測要求的1-100ms；同步收斂速度優(yōu)于傳統100%以上，精度可調可自適應。
傳感器的壽命問題是關系到橋梁監(jiān)測系統能否長期穩(wěn)定運行的核心問題，本項目集成開發(fā)并成功應用平均100μA（3V時）的低功耗傳感器，工作壽命優(yōu)于現有傳感器達2-3倍以上，更為適應太陽能供電等非穩(wěn)定性供能條件。
本項目研發(fā)并成功應用基于功率譜峰值突出預處理的索力算法，拉索基頻解算精度為0.1%-1.0%FS，可全面替代傳統索力傳感器。
同時，項目率先成功應用振弦類傳感器動態(tài)采樣方法，采樣率5-100Hz，頻率信號精度0.1-0.4Hz，突破了振弦類傳感器數十年來僅可靜態(tài)采樣（采樣率通常低于0.02Hz）的應用局限。
基于上述技術，本項目成功開發(fā)的無線智能傳感器與云平臺集成的大型橋梁結構監(jiān)測系統建設方法，對比傳統監(jiān)測方式，更可以降低50%以上的建設和運維成本，節(jié)省70%以上的建設時間。
大展拳腳 產業(yè)道路前景廣闊
2012年，風景秀麗的京杭大運河上，楊華中團隊在江蘇無錫重要的交通樞紐——蓉湖大橋上布設完成了當時世界上規(guī)模最大的基于無線傳感器網絡的橋梁監(jiān)測系統，一時引起了社會極大關注。
不需要任何線纜，通過一個個巴掌大小的無線智能傳感器，蓉湖大橋的關鍵結構部位的監(jiān)測數據就可以實時傳回到業(yè)主單位的電腦上。業(yè)主單位說：“整個項目搭建過程時間短，不影響交通，后期維護成本低且非常便捷，監(jiān)測數據準確，軟件應用起來也非常方便?！?/SPAN>
5年來，楊華中和他的團隊在包括河南鄭州劉江黃河大橋、四川瀘州長江大橋、泰安長江大橋、無錫開源大橋、山東淄博樵嶺前大橋、德州衛(wèi)運河大橋、南通新江海河橋、如泰運河大橋等數十座橋梁上實現了基于無線傳感網的橋梁結構監(jiān)測系統，做過眾多的橋梁專項檢測、監(jiān)測項目，并率先被應用于“一帶一路”項目——剛果(布)布拉柴維爾沿河大道斜拉橋的監(jiān)測中。
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