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光导纤维变“神经” 大地能感知

来源:http://www.btxygg.com 作者:广东快乐10分预测 时间:2019-11-21 22:56

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研制出中国第一台、具有完全自主知识产权的商用化的分布式光纤应变单端解调设备,为地质工程光纤监测提供了精准而智能的“大脑”;

“将光纤变成连接人类与大地之间的‘神经’,我们就能够感知大地、减轻各类地质与岩土工程灾害。如何给脆弱的裸纤‘穿好衣服’,成为坚韧、敏感和多量程的感测‘神经’,是我们的主要工作。”施斌说。20年来,团队完成了基础研究—核心技术—硬件设备—系统集成—成果转化—工程应用的全过程创新,形成了新的技术产业链,开创了地质与岩土工程监测新的技术领域,使地质工程监测技术从点式走向分布式,从电测时代走向了光感时代。

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图片 3适应不同环境的传感光缆。南京大学供图

施斌对于青年教师和研究生的培养从来不放松。定期或不定期开研讨会,是他长期在培养青年教师和研究生中形成的制度,大家在火花碰撞中迅速成长。多年来,他带领着这支高水平的中青年研究团队和优秀研究生队伍,完成了国家“973计划”、国家科技支撑计划、国家自然科学基金重点项目等重要课题。团队已培养出数位优秀青年科学基金项目获得者、青年长江学者等,他们在国际重要刊物上发表了一系列高水平论文,在国际舞台上初露锋芒。

论文链接:

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1998年到2008年,是成果的基础研究阶段。团队主要开展理论和室内外试验研究,解决地质与岩土工程光纤监测中的关键理论和技术问题。

精确测量地质体的时空变形特征是地球科学基础研究和地质灾害防治必不可少的工作。最近,地球科学与工程学院施斌教授团队博士生张诚成在朱鸿鹄副教授和施斌教授指导下,在室内砂土地基模型试验中发现:土体变形的分布式光纤监测结果与采用粒子图像测速技术获得的标定数据之间存在一定的偏差。于是他们系统研究了土体与分布式应变感测光纤之间的变形耦合问题,并以感测光纤–土体界面状态为着眼点,探究了界面力学性质在土体密实度、含水率和围压变化以及土体变形等内外因素作用下的演化规律。他们以5厘米空间分辨率捕捉到了土体变形破坏过程中分布式感测光纤应变的分布特征及其演化过程。研究发现,在土体变形过程中纤土界面存在两个应力状态截然不同的区段。在土体变形较大处,应变沿光纤呈线性分布,这表明纤–土界面已进入塑性应力状态,且该区随着土体变形增大而不断地扩展。在此基础上,他们在国际上首次提出了一个能够精确描述分布式应变感测光纤–土体界面渐进性破坏过程的弹–塑性力学模型,以及基于应变梯度的纤–土界面应力状态估算方法,并建立了地质体变形监测读数有效性的判据体系。该成果对土体变形监测及地质灾害预警预报具有重要的意义。

时间倒回1998年,施斌从美国访学归国。这一年恰逢长江特大洪水,施斌与一个日本专家团对长江堤防进行沿途考察,当来到最危险的荆江大堤考察时,他看到几百号人手牵手在农田里寻找管涌灾害点,施斌感到心情十分沉重:都21世纪了,可灾点搜寻还在依靠人海战术这种十分落后的方式,这远远不能满足国家防灾减灾的重大需求。

光纤“神经”

(地球科学与工程学院 科学技术处)

提出地层压缩潜力新判据,确立了土质滑坡预警应变阈值,提出了锚杆与岩土耦合时效判据等,丰富了地质工程灾害预警和防治理论体系。

这并非传说。近日,记者从南京大学获悉,该校地球科学与工程学院施斌教授团队历经20年攻关,形成了完全自主知识产权的技术和设备,创造性地建立了地质工程分布式光纤监测技术体系,并在地质工程灾害机理和理论判据方面取得新突破,获得2018年国家科学技术进步奖一等奖。这也是中国科研团队在地质与岩土工程监测领域取得的又一项站在国际科技前沿的重要成果。

该研究成果近期以Role of the interface between distributed fibre optic strain sensor and soil in ground deformation measurement为题发表于Scientific Reports (DOI: 10.1038/srep36469)。该工作得到了国家自然科学基金重点项目、面上项目和青年基金项目的资助。

8日,记者从南京大学获悉,该校地球科学与工程学院施斌教授团队创造性地建立了地质工程分布式光纤监测技术体系,在地质工程灾害机理和理论判据方面取得新突破,荣获了2018年国家科学技术进步奖一等奖。这也是中国科研团队在地质与岩土工程监测领域取得的又一项领先国际水平的科技成果。

施斌从考察团里了解到,国际上正在探索研发一种分布式光纤测量技术,能够长距离、分布式监测被测物的形变和温度等物理指标,可用于长距离线性工程的监测。

图2 描述纤–土界面渐进性破坏过程的弹–塑性力学模型

提出纤-土耦合时效判据,创制出了30余种适用于不同地质工程条件监测的传感光缆,为监测提供了坚韧而敏感的“神经”;

这一“大地感知神经”,到底是怎样炼成的呢?

图1纤–土界面变形破坏过程中感测光纤的应变分布特征及其演化过程

中新网南京1月8日电(记者 申冉 通讯员 齐琦)一根头发丝粗细的光纤,根据不同地质环境和多场监测要求,穿上不同“定制”外衣,穿山入地、进海过江,就变成了高敏度“大地感知神经”,一旦发生灾害异动,远在千里的监测系统能立刻发现目标,精准预警。

据施斌介绍,地质灾害和各类岩土工程具有规模大、影响因素复杂、隐蔽性强、跨越区域多、环境恶劣、实时性监测要求高、监测周期长等特点。地质工程监测是防治地质灾害、确保地质工程安全的关键环节,但传统的点式、电测类监测技术和手段还难以满足防灾减灾需求,也给灾害的预警预报和防治带来巨大的挑战。

施斌团队设计的光纤应变分布测试仪。南京大学供图

2016年至今,是成果的快速应用和推广阶段。技术产品不断被社会了解和接受,实现了学校、地方和团队共赢的局面。

“将光纤变成连接人类与大地之间的‘神经’,让我们能够感知大地,减轻各类地质与岩土工程灾害,造福人类,这是我毕生的追求。”施斌说。

施斌,1961年10月生于江苏启东,南京大学地球科学与工程学院教授、博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者,国家“973计划”、国家科技支撑计划、国家重大仪器专项、国家自然科学基金重点项目等数十个科研课题和项目的负责人。曾任国际环境岩土工程协会副主席,现任国际智能基础设施结构健康监测学会理事、中国地质学会工程地质专业委员会副主任委员等职。长期从事地质与岩土工程的监测与评价研究,已获得国家发明专利34项。

据不完全统计,中国每年因各类自然和工程灾害造成的经济损失高达2000亿元人民币。何以进入了21世纪,各种地质和工程灾害造成的损失仍然如此巨大呢?施斌解释,地质灾害和各类岩土工程具有规模大、影响因素复杂、隐蔽性强、跨越区域多、环境恶劣、实时性监测要求高、监测周期长等特点,传统的点式、电测类监测技术和手段还难以满足防灾减灾需求,也给灾害的预警预报和防治带来巨大的挑战。

施斌介绍,未来,他们将进一步完善相关技术和产品,在光纤化学场监测、地震波监测等方面不断开拓,在地质与岩土工程领域继续发挥引领者的作用。

从1998年到2018年,施斌团队经20年的探索创新,在地质与岩土工程多场多参量分布式传感介质、长距离解调设备、监测方法与系统集成、地质工程灾害机理和理论判据等方面取得了十余个关键理论和技术问题的突破。他形象地将这些成果比喻为“神经”“大脑”和“身体”:

形成产业链

图片 5项目团队成员。南京大学供图

我国是世界上地质灾害十分严重的国家。

施斌认为,“应用型强的学科一定要和国家的重大需求结合在一起:走出实验室,在具体的工程实践中发现问题,解决问题,创新技术,形成产品,走向市场,以满足国家需求。”

你能相信吗?一根头发丝粗细的光纤,根据不同地质环境和多场监测要求,穿上各种“定制”的外衣,就能变身敏感强健的“大地感知神经”,使得大地一有灾害异动,远在千里之外的监测系统就能立刻发现目标、精准预警。

2000年,国家“985”工程启动,在学校的强力支持下,施斌获得了第一笔研发资金,开始了近20年的科技攻关。

2009年底,南京大学现代工程与应用科学学院挂牌成立,学校正式启动学科拓展提升战略,通过理科向工科延伸,实现文理工医四大学科领域协调发展。施斌等一批教授在大力发展工程学科、增强大学服务社会的道路上有了更多施展空间。

20年来,施斌团队完成了从基础研究—核心技术—硬件设备—系统集成—成果转化—工程应用的全过程创新,并形成了新的技术产业链,开创了地质与岩土工程监测新的技术领域,使地质工程监测技术从点式走向分布式,从电测时代走向了光感时代。

施斌介绍,这项学术成果的形成大致有三个阶段:

如今,只需要一根头发丝粗的光纤,就可以对湖底隧道监测区域内每一点的温度、受力等细微变化进行实时监测;为“国之重器”港珠澳大桥,配备上能够抵御海水浸泡腐蚀的光纤表面应变计和带式光纤传感器,满足沉井长期监测的要求……

1998年,施斌从美国访学归国。这一年恰逢长江特大洪水,他与一个日本专家团对长江堤防进行沿途考察。当来到最危险的荆江大堤考察时,了解到几百号人手牵手在农田里寻找管涌灾害点,施斌心情十分沉重:快21世纪了,可灾点搜寻还在依靠人海战术这种十分落后的方式,这远远不能满足国家防灾减灾的重大需求。

创建了边坡、地面沉降、桩基、隧道等多场分布式光纤监测系统,为地质灾害和岩土工程光纤监测提供了强健而高效的“身体”,监测精度大大提高,监测成本大大降低;

“科研成果的形成,不仅是学科知识、研究经验的不断积淀,也意味着学术团队的成长和科学精神的传承。”施斌介绍,这一成果凝聚了100多位教师、科研人员、研究生、工人技术人员的辛勤付出,没有这样一个团结奋进、富有创新精神的群体,一切无从谈起。

据介绍,目前施斌团队的成果已形成了40余种产品推向了国内外市场,并在长三角和京津冀地面沉降区、南水北调、三峡库区、青藏铁路、港珠澳大桥、北京故宫、锦屏电站、延长油田、城建隧道等300余个项目中得到应用,相关技术产品已出口到英国、美国、意大利、智利、马来西亚等国,节省部分工程监测费用70-80%,产生了显著的社会和经济效益。

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施斌从考察团里了解到,国际上正在探索研发一种分布式光纤测量技术,能够长距离、分布式监测被测物的形变和温度等物理指标。“获悉后,我当时十分的兴奋,因为这一技术很适合像堤防这样的地质工程灾害的监测,于是,我决心将这一技术应用到地质灾害预警与岩土工程的安全监测中。可是,当时国际上对中国进行相关技术封锁;而且将这一技术应用于地质体的监测,许多人认为在技术上几乎不可能,零点几毫米的光纤一埋入岩土体就会脆断,无法使用。”但施斌顶住了种种压力,克服了重重困难,坚持要将这件事做下去。

突破技术封锁

感知大地

2009年到2015年,是成果的转化阶段。研究成果在苏州工业园区开始转化,成立了由南京大学高新技术研究院、苏州市基础工程分布式传感监测技术重点实验室和苏州南智传感科技有限公司组成的产学研平台。

施斌认为,应用性强的学科应该和国家重大需求结合在一起,走出实验室,在具体的工程实践中发现问题、解决问题,创新技术、形成产品并走向市场,满足国家需求。这是施斌对自己科研工作的要求,也是让科技成果最大化、科技工作者服务于社会的最好途径。

为了打破国外在分布式光纤应变解调技术上的封锁,项目合作单位中国电子科技集团第四十一研究所,经过数年攻关,终于研制出具有完全自主知识产权的商用化的分布式光纤应变单端解调设备,在精度、重复性与测试速度等方面明显优于国外同类产品的技术指标,填补了国内空白,综合性能达到了国际先进水平。

“对我而言,认准了一条路,只会全力以赴。”坚毅的性格来自于施斌的成长环境。1961年,施斌出生在一个教师家庭。少年时的求学过程并不顺利,这令他倍加珍惜学习的机会。1979年,他考进了南京大学地质系(即现在的地球科学系)水文地质工程地质专业。“与纯理论的基础研究相比,我更喜欢应用基础研究,因为这样能更快、更直接地报效社会,这也是我们那个时代一大批年轻人的想法。”毕业留校5年后,施斌一家才住上了一间18平方米的筒子楼房间。房间的对面是厕所,每到晚上,为了不影响家人休息,他常常在厕所的盥洗间里,借灯光写论文。

形成自主产权

目前,这项成果有40余种产品推向了国内外市场,并在长三角和京津冀地面沉降区、南水北调、三峡库区、青藏铁路、港珠澳大桥、北京故宫、锦屏电站、延长油田、城建隧道等300余个项目中得到应用,相关技术产品已出口到英国、美国、意大利、智利、马来西亚等国,节省部分工程监测费用70%—80%。近3年来,成果及其衍生产品直接销售收入2.19亿元,新增利润3600万元。

过去20年间,施斌团队在地质与岩土工程多场多参量分布式传感介质、长距离解调设备、监测方法与系统集成、地质工程灾害机理和理论判据等方面取得了10余个关键理论和技术问题的突破:创制了30余种地质体多场传感光缆,研制出了米级量程的大变形场和厘米级空间分辨率的温度场传感光缆、可加热的水分场监测复合传感光缆等,为地质工程监测打造了坚韧而敏感的“神经”;研制出具有完全自主知识产权的商用化的分布式光纤应变单端解调设备,为地质工程光纤监测提供了精准而智能的“大脑”;创建了边坡、地面沉降、桩基、隧道等多场分布式光纤监测系统,为地质灾害和岩土工程光纤监测形成了强健而高效的“身体”……

发展产学研

2000年,国家“985”工程启动,在学校支持下,施斌获得了第一笔研发资金,开始了近20年的科技攻关。从实验室建设到研发设备购买,从理论模型的建立到试验模型的创立,从一次次的试验失败到一个个理论和技术问题的突破,从传感光缆的设计到生产试制,从产品的中试再到工程应用,从产学研平台搭建到企业平台的成果转化,从强强合作到技术体系的形成……个中艰辛难以想象。

“我当时十分兴奋,因为这一技术十分适合像堤防这样的地质工程灾害的监测,决心将这一技术应用到地质灾害预警与岩土工程的安全监测中。可是,当时国际上对中国进行相关技术封锁,而且许多人认为,将这一技术应用于地质体的监测在技术上几乎不可能,零点几毫米的光纤一埋入岩土体就会脆断,无法使用。”施斌顶住压力,坚持要将这件事做下去。

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关键词: 博士生 机理 南京大学 光纤