清華大學(xué)電子工程系楊華中教授用無線傳感網(wǎng)“把脈”大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測
更新時(shí)間：2021-04-10 17:51
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近日，有一支來自于非交通領(lǐng)域的團(tuán)隊(duì)備受矚目。這支團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)開發(fā)的“基于無線傳感網(wǎng)的大型橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)和關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目受到了交通、結(jié)構(gòu)、電子等各領(lǐng)域?qū)＜业母叨汝P(guān)注，并獲得了2016年度中國公路學(xué)會(huì)一等獎(jiǎng)。
這支團(tuán)隊(duì)就是教育部特聘長江學(xué)者、清華大學(xué)電子工程系教授楊華中團(tuán)隊(duì)。究竟是什么讓一支來自電子專業(yè)的團(tuán)隊(duì)在中國公路行業(yè)的最高獎(jiǎng)項(xiàng)中獲得一等獎(jiǎng)？筆者走近清華大學(xué)楊華中和他的團(tuán)隊(duì)，揭開團(tuán)隊(duì)的神秘面紗。
潛心科研 十年磨礪厚積薄發(fā)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的結(jié)合，是目前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域研究與實(shí)踐的一個(gè)發(fā)展趨勢。清華大學(xué)是國內(nèi)最早從事無線傳感網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用研究的單位之一，也是國內(nèi)最早從事結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測智能化并將無線傳感網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于其中的單位，在這方面擁有著深厚的技術(shù)積淀和儲(chǔ)備。
低功耗核心芯片是構(gòu)建無線傳感器節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)，在國家自然科學(xué)基金的支持下，清華大學(xué)先后開展了“SoC低功耗電路與系統(tǒng)（2003-2006）”“低功耗無線通信SoC設(shè)計(jì)（2007-2008）”“基于非易失存儲(chǔ)器件的低功耗無線傳感網(wǎng)芯片與應(yīng)用研究（2009-2011）”等研究工作。在國家863計(jì)劃的資助下，清華大學(xué)開展了“RF關(guān)鍵電路與工藝模塊（2005-2007）”“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗技術(shù)（2006-2008）”“基于片上傳感網(wǎng)的異構(gòu)多核SOC低功耗設(shè)計(jì)與計(jì)算（2008-2011）”等研究工作。在國家科技重大專項(xiàng)的支持下，清華大學(xué)開展了“中高速傳感器網(wǎng)絡(luò)核心芯片研發(fā)（2010-2012）”等研究工作。
“這些項(xiàng)目的開展使得團(tuán)隊(duì)在無線傳感網(wǎng)核心芯片及傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)低功耗技術(shù)方面有了很好的技術(shù)儲(chǔ)備?！睏钊A中說，比如，團(tuán)隊(duì)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(xué)、美國NSF和DARPA資助的多個(gè)中心的跟蹤研究，并被IEEE體系結(jié)構(gòu)頂級(jí)雜志Micro選為亮點(diǎn)成果，在其網(wǎng)站首頁報(bào)道。
砥礪突破 核心技術(shù)百煉成鋼
在已有低功耗芯片和節(jié)點(diǎn)技術(shù)基礎(chǔ)上，為了研發(fā)面向橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，團(tuán)隊(duì)成員王鵬軍博士進(jìn)一步攻克時(shí)間同步、傳感器等一系列難題。
時(shí)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(xiàng)目率先成功應(yīng)用了精度自適應(yīng)時(shí)間同步算法，同步精度達(dá)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(tǒng)100%以上，精度可調(diào)可自適應(yīng)。
傳感器的壽命問題是關(guān)系到橋梁監(jiān)測系統(tǒng)能否長期穩(wěn)定運(yùn)行的核心問題，本項(xiàng)目集成開發(fā)并成功應(yīng)用平均100μA（3V時(shí)）的低功耗傳感器，工作壽命優(yōu)于現(xiàn)有傳感器達(dá)2-3倍以上，更為適應(yīng)太陽能供電等非穩(wěn)定性供能條件。
本項(xiàng)目研發(fā)并成功應(yīng)用基于功率譜峰值突出預(yù)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(tǒng)索力傳感器。
同時(shí)，項(xiàng)目率先成功應(yīng)用振弦類傳感器動(dòng)態(tài)采樣方法，采樣率5-100Hz，頻率信號(hào)精度0.1-0.4Hz，突破了振弦類傳感器數(shù)十年來僅可靜態(tài)采樣（采樣率通常低于0.02Hz）的應(yīng)用局限。
基于上述技術(shù)，本項(xiàng)目成功開發(fā)的無線智能傳感器與云平臺(tái)集成的大型橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)方法，對(duì)比傳統(tǒng)監(jiān)測方式，更可以降低50%以上的建設(shè)和運(yùn)維成本，節(jié)省70%以上的建設(shè)時(shí)間。
大展拳腳 產(chǎn)業(yè)道路前景廣闊
2012年，風(fēng)景秀麗的京杭大運(yùn)河上，楊華中團(tuán)隊(duì)在江蘇無錫重要的交通樞紐——蓉湖大橋上布設(shè)完成了當(dāng)時(shí)世界上規(guī)模最大的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)，一時(shí)引起了社會(huì)極大關(guān)注。
不需要任何線纜，通過一個(gè)個(gè)巴掌大小的無線智能傳感器，蓉湖大橋的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位的監(jiān)測數(shù)據(jù)就可以實(shí)時(shí)傳回到業(yè)主單位的電腦上。業(yè)主單位說：“整個(gè)項(xiàng)目搭建過程時(shí)間短，不影響交通，后期維護(hù)成本低且非常便捷，監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，軟件應(yīng)用起來也非常方便?！?/SPAN>
5年來，楊華中和他的團(tuán)隊(duì)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(yùn)河大橋、南通新江海河橋、如泰運(yùn)河大橋等數(shù)十座橋梁上實(shí)現(xiàn)了基于無線傳感網(wǎng)的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，做過眾多的橋梁專項(xiàng)檢測、監(jiān)測項(xiàng)目，并率先被應(yīng)用于“一帶一路”項(xiàng)目——?jiǎng)偣?布)布拉柴維爾沿河大道斜拉橋的監(jiān)測中。
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