南京大学教授施斌: 光纤变“神经”大地能感知

发布日期:2019-08-28 10:05
    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。



    这并非传说。近日,南京大学地球科学与工程学院施斌教授团队历经2 0 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2 0 1 8 年国家科学技术进步奖一等奖。

光纤“神经”感知大地

    我国是世界上地质灾害十分严重的国家。
    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。
过去2 0 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1 0 余个关键理论和技术问题的突破:创制了3 0 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”……
   “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。2 0 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。

突破技术封锁形成自主产权

    1 9 9 8 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2 1 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。
    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。
“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。
   1 9 9 9 年,国家“9 8 5 ”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2 0 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……各种艰辛难以想象。
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。”

发展产学研形成产业链

    施斌介绍,这项学术成果的形成大致有三个阶段:
1 9 9 8 年到2 0 0 8 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。
2 0 0 9 年到2 0 1 5 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(苏州)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。
2 0 1 6 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。
    目前,这项成果有4 0 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3 0 0 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,节省工程监测费用7 0 %—8 0 %。近3 年来,成果及其衍生产品直接销售收入2 .1 9 亿元,新增利润3 6 0 0 万元。
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。
    施斌介绍,未来,团队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。



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