清华大学电子工程系杨华中教授用无线传感网“把脉”大型桥梁结构健康监测
更新时间：2021-04-10 17:51
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近日，有一支来自于非交通领域的团队备受瞩目。这支团队主导开发的“基于无线传感网的大型桥梁结构监测系统建设和关键技术研究”项目受到了交通、结构、电子等各领域专家的高度关注，并获得了2016年度中国公路学会一等奖。
这支团队就是教育部特聘长江学者、清华大学电子工程系教授杨华中团队。究竟是什么让一支来自电子专业的团队在中国公路行业的最高奖项中获得一等奖？笔者走近清华大学杨华中和他的团队，揭开团队的神秘面纱。
潜心科研 十年磨砺厚积薄发
无线传感器网络与结构健康监测技术的结合，是目前结构健康监测领域研究与实践的一个发展趋势。清华大学是国内最早从事无线传感网/物联网技术及应用研究的单位之一，也是国内最早从事结构安全监测智能化并将无线传感网/物联网技术应用于其中的单位，在这方面拥有着深厚的技术积淀和储备。
低功耗核心芯片是构建无线传感器节点的基础，在国家自然科学基金的支持下，清华大学先后开展了“SoC低功耗电路与系统（2003-2006）”“低功耗无线通信SoC设计（2007-2008）”“基于非易失存储器件的低功耗无线传感网芯片与应用研究（2009-2011）”等研究工作。在国家863计划的资助下，清华大学开展了“RF关键电路与工艺模块（2005-2007）”“无线传感器网络的低功耗技术（2006-2008）”“基于片上传感网的异构多核SOC低功耗设计与计算（2008-2011）”等研究工作。在国家科技重大专项的支持下，清华大学开展了“中高速传感器网络核心芯片研发（2010-2012）”等研究工作。
“这些项目的开展使得团队在无线传感网核心芯片及传感网节点低功耗技术方面有了很好的技术储备。”杨华中说，比如，团队成员刘勇攀博士发明的低功耗非易失处理器吸引了MIT等20余所国际知名大学、美国NSF和DARPA资助的多个中心的跟踪研究，并被IEEE体系结构顶级杂志Micro选为亮点成果，在其网站首页报道。
砥砺突破 核心技术百炼成钢
在已有低功耗芯片和节点技术基础上，为了研发面向桥梁结构健康监测系统，团队成员王鹏军博士进一步攻克时间同步、传感器等一系列难题。
时间同步问题一直是国际既有无线桥梁监测方式的局限，该项目率先成功应用了精度自适应时间同步算法，同步精度达到10μs，大大优于常规桥梁监测要求的1-100ms；同步收敛速度优于传统100%以上，精度可调可自适应。
传感器的寿命问题是关系到桥梁监测系统能否长期稳定运行的核心问题，本项目集成开发并成功应用平均100μA（3V时）的低功耗传感器，工作寿命优于现有传感器达2-3倍以上，更为适应太阳能供电等非稳定性供能条件。
本项目研发并成功应用基于功率谱峰值突出预处理的索力算法，拉索基频解算精度为0.1%-1.0%FS，可全面替代传统索力传感器。
同时，项目率先成功应用振弦类传感器动态采样方法，采样率5-100Hz，频率信号精度0.1-0.4Hz，突破了振弦类传感器数十年来仅可静态采样（采样率通常低于0.02Hz）的应用局限。
基于上述技术，本项目成功开发的无线智能传感器与云平台集成的大型桥梁结构监测系统建设方法，对比传统监测方式，更可以降低50%以上的建设和运维成本，节省70%以上的建设时间。
大展拳脚 产业道路前景广阔
2012年，风景秀丽的京杭大运河上，杨华中团队在江苏无锡重要的交通枢纽——蓉湖大桥上布设完成了当时世界上规模最大的基于无线传感器网络的桥梁监测系统，一时引起了社会极大关注。
不需要任何线缆，通过一个个巴掌大小的无线智能传感器，蓉湖大桥的关键结构部位的监测数据就可以实时传回到业主单位的电脑上。业主单位说：“整个项目搭建过程时间短，不影响交通，后期维护成本低且非常便捷，监测数据准确，软件应用起来也非常方便。”
5年来，杨华中和他的团队在包括河南郑州刘江黄河大桥、四川泸州长江大桥、泰安长江大桥、无锡开源大桥、山东淄博樵岭前大桥、德州卫运河大桥、南通新江海河桥、如泰运河大桥等数十座桥梁上实现了基于无线传感网的桥梁结构监测系统，做过众多的桥梁专项检测、监测项目，并率先被应用于“一带一路”项目——刚果(布)布拉柴维尔沿河大道斜拉桥的监测中。
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