中國(guó)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(xiàn)智能化應(yīng)用

  在2021中國(guó)5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)期間，由2021中國(guó)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(guó)信息通信科技集團(tuán)承辦的數(shù)字連接專(zhuān)題會(huì)議在武漢成功舉辦。中國(guó)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(yīng)用》的演講。

  姜德生表示，光柵陣列傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)全域測(cè)量，現(xiàn)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(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)廣泛工業(yè)化應(yīng)用。

  新型光纖傳感網(wǎng)絡(luò)橫空出世

  現(xiàn)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(xiàn)代工業(yè)運(yùn)行模式，數(shù)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(rèn)為，實(shí)現(xiàn)智能化主要包括三部分的內(nèi)容：一是先進(jìn)的傳感網(wǎng)絡(luò)。二是計(jì)算機(jī)、5G云平臺(tái)。三是智能管理系統(tǒng)。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(jì)算機(jī)的平臺(tái)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(tǒng)的發(fā)展“有勁無(wú)處使”。

  據(jù)悉，光纖傳感器發(fā)展已經(jīng)近五十余年，在國(guó)內(nèi)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如傳輸遠(yuǎn)不受電池干擾等方面的優(yōu)勢(shì)。隨著智能化的發(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(tǒng)傳感網(wǎng)絡(luò)有不同的要求，主要有下面幾方面的內(nèi)容，包括：容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、精度高、智慧網(wǎng)以及可靠性高。傳統(tǒng)的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有辦法達(dá)到這些要求?！艾F(xiàn)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(cè)量參數(shù)很少。而波分利用光柵，網(wǎng)絡(luò)精度很高，測(cè)量參數(shù)近千組，但是網(wǎng)絡(luò)很小。”

  早在二十多年前，國(guó)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(shì)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(tǒng)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(dāng)中動(dòng)態(tài)的制備光柵，一靜一動(dòng)，技術(shù)難度極大。

  據(jù)其介紹，我們國(guó)家經(jīng)過(guò)了近十年的研究解決了這個(gè)問(wèn)題。傳統(tǒng)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(duì)于先進(jìn)的傳感網(wǎng)絡(luò)或者說(shuō)對(duì)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(yīng)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(chǔ)?！? 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(yīng)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(xiàn)場(chǎng)得到很好的使用。它顛覆了以前的分析應(yīng)用的模式，利用大數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)、分析、統(tǒng)計(jì)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(píng)，并在2019年獲得了國(guó)家發(fā)明二等獎(jiǎng)。

  廣泛應(yīng)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(yīng)用。

  據(jù)其透露，光纖傳感網(wǎng)絡(luò)在火災(zāi)報(bào)警的很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。以前的石油化工行業(yè)，使用的都是國(guó)外的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，后期國(guó)內(nèi)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(guó)在2014年對(duì)電力行業(yè)的電纜廊道、隧道等領(lǐng)域火災(zāi)報(bào)警立了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。姜德生表示，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是非常科學(xué)但很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)殡娏χ鸷褪突に淼乐鸩煌饕憩F(xiàn)在電力行業(yè)的著火都是慢慢穩(wěn)升，要求在十公里長(zhǎng)的領(lǐng)域里面，每十厘米的熱源設(shè)置一個(gè)檢測(cè)，任何一個(gè)地方都要把溫升檢測(cè)出來(lái)。直到陣列光柵傳感網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)才做到了這一標(biāo)準(zhǔn)，十厘米做一個(gè)光柵，十公里長(zhǎng)的光柵就做了十萬(wàn)多光纖，該技術(shù)是國(guó)內(nèi)唯一通過(guò)消防認(rèn)證的，現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)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(guó)智能交通行業(yè)已經(jīng)取得長(zhǎng)足進(jìn)步。我國(guó)在多省份建設(shè)了示范應(yīng)用區(qū)，這里面也涉及到了傳感網(wǎng)絡(luò)和智能管理系統(tǒng)。

  姜德生認(rèn)為，目前智能交通行業(yè)大都用的是視頻雷達(dá)、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?yàn)檫@種傳感網(wǎng)絡(luò)盲點(diǎn)很多，并不能把一百公里長(zhǎng)、一千公里長(zhǎng)的交通里面所有部分的信息全部能夠檢測(cè)到，GPS能做到但是也有缺點(diǎn)。

  姜德生表示，其團(tuán)隊(duì)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(shè)備的編碼，把每一個(gè)裝備重要的部件都編碼檢測(cè)，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(shè)下來(lái)，首先是對(duì)高速公路進(jìn)行編碼，因?yàn)橐獙?duì)每一根車(chē)道布一根傳感光纜，按照3-5米分割一個(gè)區(qū)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(jié)點(diǎn)節(jié)。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(xiàn)真正的智能化了。首先做車(chē)輛運(yùn)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(cè)出來(lái)，這樣才可以測(cè)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(cè)這條公路上哪個(gè)地方有沒(méi)有重要的設(shè)備例如橋梁、隧道、顛簸等等此類(lèi)運(yùn)行狀況，這樣才能做到智能化。并且還可以為現(xiàn)在的無(wú)人駕駛做準(zhǔn)備，因?yàn)楝F(xiàn)在無(wú)人駕駛最缺的節(jié)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(cè)道路的性能是為了車(chē)輛運(yùn)行安全，所以檢測(cè)有沒(méi)有破損、脫空。現(xiàn)在反過(guò)來(lái)，通過(guò)車(chē)輛在上面運(yùn)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(yīng)用到了武漢地鐵、鄂州花湖機(jī)場(chǎng)等地。