中國工程院院士姜德生：新型光纖傳感網(wǎng)絡(luò )在多行業(yè)實(shí)現智能化應用

  在2021中國5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大會(huì )期間，由2021中國5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大會(huì )組委會(huì )、工業(yè)和信息化部新聞宣傳中心主辦，中國信息通信科技集團承辦的數字連接專(zhuān)題會(huì )議在武漢成功舉辦。中國工程院院士、武漢理工大學(xué)首席教授姜德生做了題為《新型光纖傳感網(wǎng)絡(luò )及其在智能化中應用》的演講。

  姜德生表示，光柵陣列傳感器能夠實(shí)現全域測量，現代工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展，急需發(fā)展新型光纖傳感網(wǎng)絡(luò )，這也是掣肘工業(yè)領(lǐng)域智能化關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。經(jīng)過(guò)學(xué)科交叉與技術(shù)集成研究，通過(guò)波分與時(shí)分混合組網(wǎng)，實(shí)現了單纖超10萬(wàn)個(gè)光柵陣列傳感光纖的工業(yè)化生產(chǎn)，并在智能交通、智能制造、智能建材等領(lǐng)域實(shí)現廣泛工業(yè)化應用。

  新型光纖傳感網(wǎng)絡(luò )橫空出世

  現如今，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改變了人們的生活，5G物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展顛覆了現代工業(yè)運行模式，數字化、網(wǎng)絡(luò )化也得到了高速發(fā)展，尤其智能化在各個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)形成了潮流。

  姜德生認為，實(shí)現智能化主要包括三部分的內容：一是先進(jìn)的傳感網(wǎng)絡(luò )。二是計算機、5G云平臺。三是智能管理系統。然而，如今產(chǎn)業(yè)面臨的困境是中間發(fā)展很快，而兩頭發(fā)展不足。5G以及計算機的平臺得到了高速發(fā)展，但是傳感網(wǎng)絡(luò )實(shí)際上是一個(gè)短板，影響了智能化高速發(fā)展，智能管理系統的發(fā)展“有勁無(wú)處使”。

  據悉，光纖傳感器發(fā)展已經(jīng)近五十余年，在國內外都得到了高度的重視，尤其是其在工業(yè)領(lǐng)域惡劣環(huán)境一些獨特的優(yōu)勢，例如傳輸遠不受電池干擾等方面的優(yōu)勢。隨著(zhù)智能化的發(fā)展極需要此類(lèi)先進(jìn)的光纖傳感網(wǎng)絡(luò )。

  姜德生指出，這種傳感網(wǎng)絡(luò )跟傳統傳感網(wǎng)絡(luò )有不同的要求，主要有下面幾方面的內容，包括：容量大、傳輸距離遠、精度高、智慧網(wǎng)以及可靠性高。傳統的光纖傳感網(wǎng)絡(luò )沒(méi)有辦法達到這些要求?！艾F在的光纖傳感網(wǎng)絡(luò )有兩種，分別是時(shí)分網(wǎng)絡(luò )和波分網(wǎng)絡(luò )。這兩類(lèi)各有優(yōu)缺點(diǎn)。時(shí)分網(wǎng)絡(luò )雖然很好，但是由于是利用光的上層光做成，因此精度很差測量參數很少。而波分利用光柵，網(wǎng)絡(luò )精度很高，測量參數近千組，但是網(wǎng)絡(luò )很小?！?

  早在二十多年前，國外就有科學(xué)家提出來(lái)建立一種波分時(shí)分的混合網(wǎng)絡(luò )，發(fā)揮這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)勢并克服缺點(diǎn)。姜德生表示，這種想法是可行的，但是技術(shù)難度很大，所以在這20年間都沒(méi)有得到很好的發(fā)展。主要難點(diǎn)在于傳統制備光柵都是靜態(tài)的，而在這種波分時(shí)分混合網(wǎng)絡(luò )需要在光纖拉制過(guò)程當中動(dòng)態(tài)的制備光柵，一靜一動(dòng)，技術(shù)難度極大。

  據其介紹，我們國家經(jīng)過(guò)了近十年的研究解決了這個(gè)問(wèn)題。傳統的做傳感器都是單個(gè)做成的，不管是電的還是光纖的，像光纖的圖有做壓力、硬件、溫度的都是一個(gè)一個(gè)制備然后組網(wǎng)，這個(gè)模式是自動(dòng)化模式而不是智能化的模式，對于先進(jìn)的傳感網(wǎng)絡(luò )或者說(shuō)對于智能化實(shí)際上是行不通的，需要制備傳感網(wǎng)絡(luò )就和光感一樣。

  “同樣，經(jīng)過(guò)多年的研究，我們已經(jīng)解決了這樣的問(wèn)題，成功制備成多種溫度傳感網(wǎng)絡(luò )、應力傳感網(wǎng)絡(luò )、振動(dòng)傳感網(wǎng)絡(luò )為工業(yè)化領(lǐng)域智能化提供了很好的基礎?！? 姜德生稱(chēng)。這種傳感網(wǎng)絡(luò )主要是顛覆了原來(lái)的很多觀(guān)點(diǎn)。原來(lái)做傳感器網(wǎng)絡(luò )很難做到一千個(gè)。而如今，我們可以在上面做到幾十萬(wàn)個(gè)傳感器，這種傳感器改變了以前的傳感模式，也就是不需要制備探頭，不管是溫度、應力、振動(dòng)，其他的傳感器跟電感、光感一樣，這樣才能在工業(yè)現場(chǎng)得到很好的使用。它顛覆了以前的分析應用的模式，利用大數據的學(xué)習、分析、統計相似的模式，目前已經(jīng)用在交通、電力、石化等行業(yè)，得到一致好評，并在2019年獲得了國家發(fā)明二等獎。

  廣泛應用于各行各業(yè)

  在接下來(lái)的演講中，姜德生介紹了新型光纖傳感網(wǎng)絡(luò )在交通、電力等領(lǐng)域里面智能化的應用。

  據其透露，光纖傳感網(wǎng)絡(luò )在火災報警的很多領(lǐng)域得到了廣泛應用。以前的石油化工行業(yè)，使用的都是國外的光纖傳感網(wǎng)絡(luò )，后期國內光柵傳感網(wǎng)絡(luò )發(fā)明后，中石油、中石化95%以上領(lǐng)域都采用了這種傳感網(wǎng)絡(luò )。

  我國在2014年對電力行業(yè)的電纜廊道、隧道等領(lǐng)域火災報警立了國家標準。姜德生表示，這個(gè)標準是非?？茖W(xué)但很難實(shí)現，因為電力著(zhù)火和石油化工隧道著(zhù)火不同，主要表現在電力行業(yè)的著(zhù)火都是慢慢穩升，要求在十公里長(cháng)的領(lǐng)域里面，每十厘米的熱源設置一個(gè)檢測，任何一個(gè)地方都要把溫升檢測出來(lái)。直到陣列光柵傳感網(wǎng)絡(luò )出現才做到了這一標準，十厘米做一個(gè)光柵，十公里長(cháng)的光柵就做了十萬(wàn)多光纖，該技術(shù)是國內唯一通過(guò)消防認證的，現在已經(jīng)應用到了大型水電烏東德水電站、港珠澳大橋等地。

  近年來(lái)，我國智能交通行業(yè)已經(jīng)取得長(cháng)足進(jìn)步。我國在多省份建設了示范應用區，這里面也涉及到了傳感網(wǎng)絡(luò )和智能管理系統。

  姜德生認為，目前智能交通行業(yè)大都用的是視頻雷達、GPS這種技術(shù)，這種技術(shù)雖然能起到很大的作用但是不能滿(mǎn)足智能交通的網(wǎng)絡(luò )需求。因為這種傳感網(wǎng)絡(luò )盲點(diǎn)很多，并不能把一百公里長(cháng)、一千公里長(cháng)的交通里面所有部分的信息全部能夠檢測到，GPS能做到但是也有缺點(diǎn)。

  姜德生表示，其團隊做了很多該領(lǐng)域的研究和示范工作，比如湖北省第一個(gè)高速公路—從亳州到武漢的高速公路。第一步做了設備的編碼，把每一個(gè)裝備重要的部件都編碼檢測，由于一根光纖可以做幾十萬(wàn)個(gè)傳感器，所以能夠輕易布設下來(lái)，首先是對高速公路進(jìn)行編碼，因為要對每一根車(chē)道布一根傳感光纜，按照3-5米分割一個(gè)區域全部編碼，這些工作以前是沒(méi)有辦法做的，不管是電的傳感器還是光纖的傳感器。

  “電的傳感器就是兩萬(wàn)多個(gè)傳感器，四萬(wàn)多個(gè)節點(diǎn)節。同時(shí)還要保證不產(chǎn)生故障，這些很難做到，光纖要焊兩萬(wàn)個(gè)點(diǎn)雖然可以但是早已經(jīng)沒(méi)有光了，這樣就解決了問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題解決以后就可以實(shí)現真正的智能化了。首先做車(chē)輛運行信息的智能化，就是每一個(gè)車(chē)走的軌跡和位置，全部都可以檢測出來(lái)，這樣才可以測試是不是擁堵、效率高不高、以及有沒(méi)有違章的超車(chē)、車(chē)禍等等?！?

  除此之外，由于是多類(lèi)型的傳感器，還可以檢測這條公路上哪個(gè)地方有沒(méi)有重要的設備例如橋梁、隧道、顛簸等等此類(lèi)運行狀況，這樣才能做到智能化。并且還可以為現在的無(wú)人駕駛做準備，因為現在無(wú)人駕駛最缺的節是傳感網(wǎng)絡(luò )。

  姜德生坦言，就道路安全的信息化來(lái)說(shuō)，這里面的思路也和原來(lái)不同，原來(lái)檢測道路的性能是為了車(chē)輛運行安全，所以檢測有沒(méi)有破損、脫空?，F在反過(guò)來(lái)，通過(guò)車(chē)輛在上面運行的好壞、振動(dòng)狀況、位置等因素，反過(guò)來(lái)分析問(wèn)題。這種陣列傳感網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)實(shí)際應用到了武漢地鐵、鄂州花湖機場(chǎng)等地。