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        集團新聞

        【項目名稱】土木工程結構區域分布光纖傳感與健康監測關鍵技術

        2017-01-09

        【項目名稱】土木工程結構區域分布光纖傳感與健康監測關鍵技術

        【推薦獎種】2017年度國家技術發明獎一等獎

        【推薦單位意見】

              我單位認真審閱了該項目推薦材料,確認全部材料真實有效,相關欄目均符合填寫要求。該項目針對土木工程結構預防性維護管理這一重大國家需求,系統建立了土木工程結構區域分布光纖傳感與健康監測關鍵技術,通過在結構區域分布傳感原理、技術、裝置以及結構全面評估方法等方面的核心發明,開發了高性能長耐久的結構區域分布光纖傳感及其解調設備,建立了僅利用單種區域分布傳感器技術進行結構參數、損傷與荷載全面識別和結構性能直接評估的綜合成套技術及理論體系,突破了現有健康監測技術存在的監測系統耐久性差及海量數據無法有效分析結構“健康”狀況的瓶頸問題。專家組鑒定結果表明該項目在結構區域分布傳感方法、技術、裝置及理論的成果均達到國際領先水平。項目成果包括授權國際國內發明專利30項,發表論文200余篇(其中SCI論文82余篇),形成針對結構區域分布光纖傳感與健康監測技術的中英文專著、江蘇省地方標準和協會標準,相關成果被寫入日美土木工程學會權威報告及相關指南。研究成果廣泛推廣應用于蘇通大橋、無錫地鐵、日本新干線鐵道、美國高速公路橋等30多個國內外重要工程,建成世界最大規模的長江流域橋梁監測群,形成全國首個結構群監測數據中心,直接經濟效益超4.6億。獲江蘇省科技進步一等獎、公路學會科技進步一等獎并獲國家優秀專利獎、國際工業展覽會銀獎、國際健康監測人物獎等。推薦該項目申報2017年度國家技術發明獎一等獎。


        【項目簡介】

              我國各類基礎設施體量大病害多壽命短,利用結構健康監測技術有望實現土木工程結構安全與長壽命服役這一重大國家需求?,F有健康監測技術存在傳感與采集系統耐久性差、海量監測數據難以有效分析結構損傷與性能等傳統難題。為此,本項目通過光纖實現結構關鍵區域分布傳感的原理、技術、裝置等核心發明,建立了重大工程結構區域分布傳感與健康監測的成套技術理論及技術裝備,突破了現有監測系統耐久性差及現有技術無法進行結構“健康”評估的瓶頸。主要發明點包括:

              1、發明了高性能長壽命光纖區域分布傳感技術

              率先研發了一專多能并具有損傷覆蓋能力的長標距光纖傳感單元,通過長標距化設計、剛度加強增敏等核心技術開發,實現了從傳統點式傳感到長標距-串聯成網-區域分布宏微觀監測的技術突破;通過玄武巖纖維封裝、光纖滑移機理揭示、錨固端變剛度防滑移防脆斷設計等發明,創新開發設計壽命為50年的光纖傳感器技術與產品,經疲勞蠕變等各類耐久性試驗顯示其長期性能變化<0.8%,現場自然老化試驗證明其使用壽命>20年。

              2、發明了光纖傳感網絡一體化解調技術及相關高性能裝備技術

              首創光纖光柵與光纖布里淵散射傳感相互融合的一體化解調技術,通過放大器前置化與光源復用等關鍵技術突破,實現了大型結構區域分布傳感網絡的多種光纖傳感系統實時共線監測,從根本上解決了現有光纖傳感裝置功能單一、兼容性差難題;所發明的光纖光柵解調技術與裝置,通過體全息光柵光譜分析、溫度自校準與誤差自補償技術實現了高解析度與低成本化,經鑒定較國際最先進產品分辨率提高10倍、成本降低50%;通過微波掃描鑒頻等原創性技術開發的光纖布里淵散射解調裝置,測速提高300倍,達到土木工程實用化水平。

              3、原創性建立了結構健康監測與結構群協同評估成套技術和理論

        創造性建立了基于區域分布應變的結構動力分析新理論體系,基于所發明長標距傳感能夠揭示結構宏微觀信息的獨特優勢,實現了結構各類型參數及荷載的全面識別,特別是結構宏觀損傷(明顯裂紋、支座變化)與微小損傷(0.05mm以下微裂紋、鋼筋腐蝕)的精準探測,從根本上解決了傳統局部與整體傳感技術均難以識別大型結構微小損傷的難題;首次提出基于區域分布傳感的結構群協同監測與評估理念與方法,建立了結構群監測協同組網與系統構建等創新應用技術;被評價為“取得了里程碑式的成果,具有開拓性影響”。

              成果包括:授權發明國際國內專利30項,軟件著作權3項,發表論文150篇(SCI論文56篇),形成針對結構區域分布光纖傳感與健康監測技術的中英文專著各1部、地方和行業標準各1部,相關成果被寫入日美指南規程。成果創新應用于蘇通大橋、無錫地鐵、美國高速公路橋、日本新干線鐵路橋等30余處重要土建交通工程,建成世界最大規模的長江流域橋梁監測群,形成全國首個結構群監測數據中心,直接經濟效益超4.6億元。獲江蘇省科技進步一等獎、公路學會科技進步一等獎并獲國家優秀專利獎、國際工業展覽會銀獎(全國僅4所高校獲獎)、國際健康監測人物獎等。領域權威專家組鑒定在區域分布傳感方法、理論、技術與裝置等方面的成果均達到國際領先水平。


        【客觀評價】

               (1)西部交通建設科技項目“西部大型橋隧結構物分布式安全監測和災變預警系統的研究與開發”驗收與成果鑒定會上,專家委員會一致認為本項目的區域分布傳感新理念,研發的兩大類區域分布光纖傳感技術與系統,以及所建立的基于區域分布傳感的應變模態分析方法、損傷識別技術取得了多項創新以及巨大經濟社會效益,具有重要的理論及工程實踐意義,達到國際領先水平。(2)中國公路學會召開的“橋梁結構群協同監測評估先進技術及應用”課題成果鑒定會上,形成的鑒定意見包括:“首次提出了橋梁結構群區域分布傳感、協同監測評估、多種結構群數據協同分析與性能評估的概念和方法,解決了傳統局部點式傳感技術難以捕捉損傷及整體傳感技術對局部損傷不敏感的問題;創建了橋梁結構健康監測標準體系,成功應用于國內外多座橋梁結構群協同監測示范工程,取得顯著的經濟和社會效益,推動了交通行業橋梁健康監測的科技進步;綜上所述,該課題研究成果總體上達到國際先進水平,其中橋梁結構群區域分布傳感與協同監測評估技術達到國際領先水平?!?3)住房和城鄉建設部建筑節能與科技司組織的十一五科技支撐項目“重大建(構)筑物健康檢測與診斷技術”驗收會上,專家委員會一致認為本項目研發了多種類型的區域分布光纖傳感技術以及解調裝置,并建立了試驗及成果轉化基地,實現了產業化,取得了顯著的社會和經濟效益,對相關產業發展提供了有力的技術支撐。

         

        【推廣應用情況】

              研究成果廣泛推廣應用于蘇通大橋、九江長江大橋、南京機場T2航站樓、無錫地鐵、馬鞍山大橋、北京四惠立交橋群、美國Wayne橋、日本妙高大橋等國內外30余處重要土建交通工程,例如,在蘇通大橋專用航道橋的監測工程中,首次實現了百米級梁橋撓度分布的高精度實時監測,克服了常規GPS精度不足,而聯通管或壓力變送器車激變形信號被嚴重削峰的局限。針對美國Wayne橋的健康監測工作顯示了本項目技術各方面的優越性,被美國媒體報導。建成世界最大規模的長江流域橋梁監測群,形成全國首個結構群監測數據中心。上述工程直接經濟效益超4.6億,推動了結構區域分布光纖傳感及其健康監測理論等整套技術在國內外的規?;瘧?。

         

        【主要知識產權證明目錄】

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        【主要完成人情況】

              1.姓名:吳智深

              技術職稱:正高級

              工作單位:東南大學

              個人排名:1

              曾獲國家獎情況:2012年,纖維增強復合材料的高性能及結構性能提升關鍵技術與應用,排名第1,國家科技進步二等獎,證書號:2012-J-221-2-05-R01。

              對本項目主要貢獻:主持了本項目技術發明的總體規劃和研究策略。創建了區域分布傳感理念與方法,發明了系列高性能化區域分布光纖傳感技術,建立了基于區域分布傳感的結構健康監測成套綜合理論及系統。對發明點1、2、3均有主要貢獻。獲授權發明專利22件,其中第1發明人11件;專著1部;江蘇省和行業標準各1部;發表相關SCI收錄論文40余篇。在該項目中的工作量占本人工作量的80%。

              2.姓名:張建

              技術職稱:正高級

              工作單位:東南大學

              個人排名:2

              對本項目主要貢獻:主要負責基于區域分布光纖傳感技術的結構健康監測理論研究及其應用。提出了實現區域分布傳感理念的傳感器優化布置算法,建立了完整的基于區域分布傳感的長標距應變模態理論,實現了由區域應變到結構各類型參數的全面識別,并推廣應用于多個大型工程結構。對發明點1和3做出貢獻。獲授權發明專利3件,其中第1發明人3件。在該項目中的工作量占本人工作量的80%。

              3.姓名:孫安

              技術職稱:正高級

              工作單位:東南大學

              個人排名:3

              對本項目主要貢獻:發明了光纖光柵與光纖布里淵散射多功能傳感一體化技術,研發出國際領先的核心自主產權高性能化光纖光柵解調儀技術與裝置,建立了高測速光纖布里淵散射傳感裝置并達到實用化水平。對發明點1和2做出貢獻。獲授權發明專利7件,其中第1發明人4件。在該項目中的工作量占本人工作量的90%。

              4.姓名:李素貞

              技術職稱:副高級

              工作單位:同濟大學

              個人排名:4

              對本項目主要貢獻:設計研發了分布式長標距FBG傳感器,基于此率先發展了利用分布平均應變動力響應的振動模態分析理論及振動模態測試技術,建立了基于相對平均應變模態向量統計的無模型損傷識別及多階段損傷識別方法,改善了既有的結構損傷識別技術精度低、受溫度與噪音影響大的現狀。對發明點1和3做出貢獻。獲授權發明專利4件,其中第1發明人3件。在該項目中的工作量占本人工作量的70%。

              5.姓名:張宇峰

              技術職稱:正高級

              工作單位:蘇交科集團股份有限公司

              個人排名:5

              曾獲國家獎情況:2013年,長大跨橋梁結構狀態評估關鍵技術與應用,排名第3,國家科技進步二等獎,證書號:2013-J-223-2-02-R03。

              對本項目主要貢獻:發明了采用準靜態荷載試驗與分布式光纖光柵傳感技術實現橋梁狀態快速評定的方法,并提出了一種位移測點的優化布設方法,推動了區域分布光纖傳感技術在多項橋梁工程監測中的實用應用。對發明點3做出貢獻。獲授權發明專利3件,其中第1發明人3件。在該項目中的工作量占本人工作量的50%。

              6.姓名:張浩

              技術職稱:副高級

              工作單位:石家莊鐵道大學

              個人排名:6

              對本項目主要貢獻:研發了無滑移分布式光纖傳感器;研發了高速公路用耐高溫雙向長標距光纖光柵傳感器;提出了一種基于長標距光纖光柵傳感技術的建筑物沉降縫二維變形長期監測方法;并將長標距光纖光柵傳感技術應用于地鐵施工時臨近建筑裂縫的監測,推動了區域分布式光纖傳感技術在地鐵監測中的應用。對發明點1和3做出貢獻。獲授權發明專利2件。在該項目中的工作量占本人工作量的70%。

        【完成人合作關系說明】

              第一、第二和第三完成人任職東南大學土木工程學院,在第一完成人的領導下組成團隊長期合作研究;第五申請人任職江蘇省交通科學研究院股份有限公司,長期與上述東南大學團隊進行產學研合作,共同完成多個工程項目;第三和第六完成人在第一完成人指導下攻讀和取得博士學位,現在分別任職于同濟大學和石家莊鐵道大學。