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南都专访丨我院物联网研发部将一种新型传感器与物联网结合,实现远程为桥梁“把脉”

作者:研究院 来源:南方都市报 日期:2016-07-06 浏览:1223次

编者按:上月南沙新区报有关我院物联网研发部「可视化无线传感网成功运用于番禺大桥」的采访报道引发热议,近日,我院物联网研发部总监高民博士,作为该项目的主要负责人,接受了南方都市报记者的深度专访。

来源:南方都市报     2016年07月06日        版次:GA05    作者:何奎山

 


    番禺大桥上一共安装了24个传感器和6个网关,通过大桥上的电源进行充电。



    由于番禺大桥已经建成并使用十余年,传感器无法埋到混凝土结构中,只能附在桥梁上。





    位于南沙资讯科技园的香港科技大学霍英东研究院内,高民和他的团队正盯着实验室的一块屏幕观察。屏幕内显示的内容,是一座大桥的实时“心电图”数据。高民的身份不是医生,而是香港科技大学霍英东研究院物联网研发部总监。

 

    “心电图”数据来自距离实验室40余公里的番禺大桥,发射源则是大桥桥梁上24个比蛋挞还小的黑色模块。这些专业名称为新型水泥基复合材料压电传感器的模块,就像听诊器一样,能够收集桥梁的钢筋混凝土结构在承受外力时释放出来的应力波,并通过装在桥上的无线网关将数据传送到后台,形成波谱图。“桥梁长期承受外部压力,尤其是重型货车碾压,内部结构的劳损不易被发现,我们的项目就是要通过桥梁释放应力波的频谱变化,实现对大桥安全性的可视化监测。”高民称,这种传感器能监测到人工现场无法发现的裂缝。

 

    将桥梁内部结构变化从数据转换成图形

   “2007年的佛山南海九江大桥事件,运砂船撞击是导致发生桥面坍塌的主要原因,但不排除在撞击之前,桥梁内部就已经存在因为长期承受压力而导致的损害。”高民介绍称,目前业界对大桥安全性的监测主要有两种:一种是人工检视,另一种是高精度G PS定位。


    “人工检视是最普遍的方式,靠人眼检查,使用X光或超声波探伤、探缝,相当程度上是凭借经验,局限性很大。”高民称,G P S定位的方法并未普遍使用,“虎门大桥使用过这种技术,主要是通过差分仪做参照,监测桥梁关键结构的位移情况,比如遭遇地震时是否有歪斜,无法监测桥梁结构内部的损害情况。因此,桥梁安全的监测亟需一种可以检测材料早期恶化的创新、合理、高效的无损检测技术。”


    据高民介绍,桥上通行的汽车、桥下水流和吹过的强风都会对桥梁结构产生力的作用,当受力超过其承受能力时就会对桥梁造成损害,同时释放出应力波。“我们研发的传感器就是通过捕捉桥梁水泥结构释放的应力波,传回后台进行分析,实现对桥梁安全进行精细化判断和预警。”高民表示,这项技术将桥梁内部结构的变化从数据转换成图形,实现可视化。

 

    人眼看不到的裂缝会通过应力波波频反映出来

   2014年9月,高民和他的团队获准将这套系统安装到番禺大桥上。“由于大桥已经建成并使用十余年,传感器无法埋到混凝土结构中,只能附在桥梁上。”高民介绍称,他们一共安装了24个传感器和6个网关。这些传感器通过番禺大桥上的电源进行充电。


     单单依靠水泥基复合材料压电传感器,还无法实现对桥梁应力波的监测。高民和他的团队研发的监测系统,是将新型水泥基复合材料压电传感器与物联网技术结合,形成一个数据收集、转化、传输的系统。传感器由一个模块和一个节点组成,模块功能为收集应力波,节点将力信号转换成电学信号,然后通过网关将电学信号传回终端。高民表示:“这种传感器测不到桥梁承受多大的压力,但如果压力对桥梁造成损害,哪怕是细微的裂缝,人眼发现不了,传感器也能通过应力波波频反映出来。”

 

    在香港科技大学霍英东研究院物联网研发部,实验室里显眼的位置摆放着混凝土搅拌机和水泥。“我们会经常做实验,自己制作水泥块,然后进行敲击、压折等试验,通过传感器对这个过程中水泥块释放的应力波进行监测。”高民介绍称,“通过机械对水泥块进行压折的过程中,我们发现波谱图上,裂缝出现时的应力波频率明显高于其他频段。”

 

    技术处于中试阶段 有望应用在其他建筑物

    高民表示,他曾经去找过港珠澳大桥项目部,希望能将传感器安装到正在施工的大桥中,但遭到拒绝,“像港珠澳大桥这样的大型工程,可能出于风险控制考虑,不太愿意第一个吃螃蟹。”高民介绍,就一个科研成果从研发到应用整个流程来说,这项技术尚处于中试阶段,产品已经研发出来了,探测传感器、建网传递数据这两部已经完成,现在要进行建模和数据分析。

 

    “在番禺大桥上试验快两年时间,后台已经收集到非常多的数据,但并非所有数据都有价值,也需要对数据进行分析。”高民称,“比如说,虽然我们在实验室进行很多次试验,但从番禺大桥上测得的数据,其中某一个峰值出现,究竟是这座大桥已经很危险了,还是仅仅出现一个小裂缝,需要对大量数据进行建模分析。”


    高民相信,一旦建立了模型,这项技术就真的成为一项能够对大桥进行健康监测的诊疗技术。“监测部门工作人员坐在电脑前就能够看到大桥的‘心电图’,有裂缝或严重损害出现,会第一时间在屏幕上显示。”高民称,“这项技术同样可以推广应用在其他建筑物。”

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