清華大學電子（zǐ）工程係楊華中教授用無線傳感網“把脈（mò）”大型橋梁結構健康監測
更新時間：2021-04-10 17:51
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近日（rì），有一支來自於非交（jiāo）通領域的團隊備受矚目。這支團隊（duì）主導開發的“基於無線傳感網的大型橋梁結構監（jiān）測係統建設和關鍵技術研究”項（xiàng）目受到了交（jiāo）通、結構、電子等各領域專家（jiā）的高度關（guān）注，並獲得了2016年度（dù）中國公路學會一（yī）等獎。
這支團隊就是（shì）教育部特聘長江學者、清華大學電子工程係教授楊華（huá）中（zhōng）團隊。究竟是什麽讓一支來自電子專業的團隊（duì）在中國公路（lù）行業的最（zuì）高獎項（xiàng）中獲（huò）得一等獎（jiǎng）？筆者走近清華大學（xué）楊華中和他的團隊，揭（jiē）開團隊的神秘麵紗。
潛心科研 十年（nián）磨礪厚積薄發
無線傳感器網絡與結構健康監測技術的結合，是目前結構健康監測領域研究與實踐（jiàn）的一個發展趨勢。清華大學是國內最（zuì）早從事無（wú）線傳感（gǎn）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測智能化並將無線傳感網/物聯網技術應（yīng）用於其中的單位，在這方麵擁有（yǒu）著深厚的技術積澱和儲備。
低功耗核心芯片是構建無線傳感器節（jiē）點的基礎，在國家自然科學基金的支持下（xià），清華大（dà）學先後開展了“SoC低功耗電路與（yǔ）係統（2003-2006）”“低功耗無線通信SoC設計（2007-2008）”“基於非易失存儲器件的低功耗無（wú）線傳感網芯片與應用研究（jiū）（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（gōng）藝模塊（2005-2007）”“無線傳感器網（wǎng）絡的低功（gōng）耗技術（2006-2008）”“基於片上傳感網（wǎng）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（gāo）速傳感（gǎn）器網絡核心芯片研發（2010-2012）”等研究工作。
“這些項目的開展使得團隊在（zài）無線傳感網核心芯片（piàn）及（jí）傳感網節點低功耗技術方麵有了很好的技術儲（chǔ）備（bèi）。”楊華中說，比如，團隊成員劉勇攀博士發明的低功耗非易失處理器吸引了（le）MIT等20餘所國際知名大學、美國NSF和DARPA資助的多（duō）個中心的跟蹤研究（jiū），並被IEEE體係結構頂級雜誌（zhì）Micro選為亮點成果，在（zài）其網站首頁報道。
砥（dǐ）礪突破 核心技（jì）術百煉成鋼
在已有低功（gōng）耗芯片和節點（diǎn）技術基礎上，為了研發麵向橋（qiáo）梁結構健康監測係統，團隊成員王鵬軍博士進一步攻克時間（jiān）同步、傳感器等一係列難題。
時間（jiān）同步問題一直是國際既有無線橋梁監測方式的局（jú）限，該項目（mù）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（dà）優於常規橋梁監測要求的1-100ms；同步收斂速度優於傳統（tǒng）100%以上，精度可調可自適應。
傳感器的壽命問題是關係到橋梁監測（cè）係統能否長期（qī）穩定運行的核心問題，本項目集成開發並成功應用平均（jun1）100μA（3V時）的低功（gōng）耗傳感器，工作壽命優（yōu）於現有傳感器達2-3倍以上（shàng），更為適應太陽能供電等非穩定性供能條件。
本項目研發並成功應用基於功率（lǜ）譜峰值（zhí）突出預處理的索力算法，拉索基頻解算精（jīng）度為0.1%-1.0%FS，可全（quán）麵替代傳統索力傳感器。
同時，項目率先成功應用振弦類傳（chuán）感器動（dòng）態采樣方（fāng）法，采樣率5-100Hz，頻率信號（hào）精度0.1-0.4Hz，突破了振弦類傳（chuán）感器數十年來僅（jǐn）可靜態采樣（采樣率通（tōng）常低於0.02Hz）的應用局限。
基於上述技術，本項目成功開發的無線智能傳感器（qì）與雲平台集成的大（dà）型橋梁結構監測係統建設方法，對比傳（chuán）統監測方式，更可以降低50%以上的建設和（hé）運維成本，節省70%以上的建設時間。
大展拳腳 產（chǎn）業道路前景（jǐng）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（yào）的交通樞紐——蓉（róng）湖大橋上布設（shè）完成了當時（shí）世界上規模最大的基於無線傳感器網絡的橋梁監測係統，一時引起了社會（huì）極（jí）大關注。
不需要任何線纜，通過一個個巴掌大小的無（wú）線智能傳感器，蓉湖大橋（qiáo）的關鍵結構部位的（de）監（jiān）測數據就可以實時傳回到業主（zhǔ）單位的電（diàn）腦上。業主單（dān）位說：“整個（gè）項（xiàng）目搭（dā）建過程時間短，不影（yǐng）響交通，後（hòu）期維護成本（běn）低且非常便捷，監測數據準確，軟件應用起來也非常方便。”
5年來（lái），楊華中和他的團隊在包括河南鄭州劉江黃河大橋、四（sì）川瀘州長江大橋、泰安長江大橋、無錫開源大橋（qiáo）、山東淄（zī）博樵嶺前大（dà）橋（qiáo）、德州衛運河大橋、南通新江海河橋、如（rú）泰（tài）運河大（dà）橋等數十座橋梁上實現了基於無線（xiàn）傳感網的橋梁結構監測係統，做過眾多的橋梁專項檢測、監測項目，並率先被應（yīng）用於“一帶一路”項目——剛果(布)布拉柴（chái）維爾沿河大道斜拉橋的監測中。
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