作者: 温才妃 齐琦 来源:中国科学报 发布时间:2019-1-11
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打造敏感强健的“大地感知神经”

 

施斌在苏州地铁巡视隧道光纤监测系统。

他们完成了从基础研究—核心技术—硬件设备—系统集成—成果转化—工程应用的全过程创新,并形成了新的技术产业链,开创了地质与岩土工程监测新的技术领域,使地质工程监测技术从点式走向分布式,从电测时代走向了光感时代。

■本报记者 温才妃 通讯员 齐琦

一根头发丝粗细的光纤,根据不同地质环境和多场监测要求,穿上各种“定制”的外衣,变成敏感强健的“大地感知神经”,使得大地一有灾害异动,远在千里的监测系统就能立刻发现目标,精准预警。

近日,《中国科学报》从南京大学获悉,该校地球科学与工程学院教授施斌团队历经20年攻关,创造性地建立了地质工程分布式光纤监测技术体系;在地质工程灾害机理和理论判据方面取得新突破,形成了具有完全自主知识产权的技术和设备,由此荣获2018年国家科学技术进步奖一等奖。

开拓地质工程灾害监测技术新领域

中国是世界上地质灾害十分严重的国家,特别是近40年来,随着我国基础工程建设的高速发展,人类工程活动对地质环境的扰动,更加剧了各类灾害的发生,直接影响人民的生命和财产安全。据不完全统计,我国每年因各类自然和工程灾害造成的经济损失高达2000亿元。

因此,防灾减灾是面向国计民生的重大需求。不过,施斌介绍说,由于地质灾害和各类岩土工程具有规模大、影响因素复杂、隐蔽性强、跨越区域多、环境恶劣、实时性监测要求高、监测周期长等特点,传统的点式、电测类监测技术和手段还难以满足防灾减灾需求,也给灾害的预警预报和防治带来巨大的挑战。

从1998年到2018年间,施斌团队在地质与岩土工程多场多参量分布式传感介质、长距离解调设备、监测方法与系统集成、地质工程灾害机理和理论判据等方面取得了十余个关键理论和技术问题的突破。

他形象地将这些成果比喻为“神经”“大脑”和“身体”。

他们提出了纤—土耦合时效判据,创制出30余种适用于不同地质工程条件监测的传感光缆;研制出米级量程的大变形场和厘米级空间分辨率的温度场传感光缆、可加热的水分场监测复合传感光缆等,为地质工程监测提供了坚韧而敏感的“神经”。

他们发明了能量分布的布里渊谱识别及BOTDR空间分辨率提升方法等,研制出了我国第一台具有完全自主知识产权的商用化的分布式光纤应变单端解调设备,为地质工程光纤监测提供了精准而智能的“大脑”。

他们创建了边坡、地面沉降、桩基、隧道等多场分布式光纤监测系统,为地质灾害和岩土工程光纤监测提供了强健而高效的“身体”,监测精度大大提高,监测成本大大降低。

他们提出了地层压缩潜力新判据,确立了土质滑坡预警应变阈值,提出了锚杆与岩土耦合时效判据等,丰富了地质工程灾害预警和防治理论体系。

他们完成了基础研究—核心技术—硬件设备—系统集成—成果转化—工程应用的全过程创新,并形成了新的技术产业链,开创了地质与岩土工程监测新的技术领域,使地质工程监测技术从点式走向分布式,从电测时代走向了光感时代。

“将光纤变成连接人类与大地之间的‘神经’,让我们能够感知大地,减轻各类地质与岩土工程灾害,造福人类,这是我们的追求。”施斌说。

二十年磨一剑

时间倒回至20年前。

1998年,施斌从美国访学归国。这一年长江流域暴发特大洪水,施斌与一个日本专家团对长江堤防进行沿途考察。来到最危险的荆江大堤考察时,他了解到,当时几百号人手牵手在农田里寻找管涌灾害点。

施斌听后心情十分沉重:都21世纪了,可我们的灾点搜寻还在依靠人海战术这种十分落后的方式,远远不能满足国家防灾减灾的重大需求。

施斌从考察团里了解到,国际上正在探索研发一种分布式光纤测量技术,能够长距离、分布式监测被测物的形变和温度等物理指标,从原理上来说它十分适用于堤防这样的长距离线性工程灾害监测。

“获悉这些信息后,我当时很兴奋,下决心将这一技术应用到地质灾害预警与岩土工程的安全监测中。”施斌对记者说,“可是,当时国际上对中国进行相关技术封锁,而且将这一技术应用于地质体的监测,许多人认为在技术上几乎不可能,零点几毫米的光纤一埋入岩土体就会脆断,无法使用。”

但施斌顶住了种种压力,坚持要将这件事做下去。

2000年,国家“985工程”启动,施斌获得了第一笔研发资金,开始了近20年的科技攻关。

“对我而言,认准了一条路,只会全力以赴。”施斌说,他至今还记得大学里一门叫《科学思想发展史》的公共课,由南京大学哲学系原系主任林德宏主讲。这门课让他第一次比较完整地懂得了“什么是科学”以及追求科学的曲折和艰辛,教会了他如何思考问题、发现问题以及解决问题。

他还写了一篇关于哲学方面的论文,发表在《自然辩证法》杂志上。“现在想来,对哲学的爱好,让我日后的科研工作和人生道路受益。”施斌说,“我还保留着这门课的油印教材。”

形成产业链,驶入快车道

“成果的形成大致有三个阶段。”施斌介绍道。

从1998年至2008年,是成果的基础研究阶段。施斌团队主要开展理论和室内外试验研究,解决地质与岩土工程光纤监测中的关键理论和技术问题。

从2009年到2015年,是成果的产业化阶段。研究成果在苏州工业园区开始转化,成立了由南京大学(苏州)高新技术研究院、苏州市基础工程分布式传感监测技术重点实验室和苏州南智传感科技有限公司组成的产学研平台。

“这一阶段是成果形成过程中最具挑战,最为艰辛,最能考验信心、决心、毅力和胆略的生死关键阶段,谁能够挺过科研成果转化的‘最后一公里’,谁就能看到成功的曙光。”施斌对记者说,“南京大学、苏州市政府和苏州工业园区给了团队一个宽松的平台和创新的环境,使我们能够在产学研机制方面闯出一条新路。”

自2016年至今,是成果的快速应用和推广阶段。施斌介绍说,这一阶段技术产品不断被社会了解和接受,事业得到快速发展,同时也促进了南京大学地质工程学科的发展,相关研究成果在国际重要刊物上多次得到大篇幅的报道和认可,实现了学校、地方和研究团队多赢的良好局面。

目前,该成果已衍生出40余种产品进入国内外市场,并在长三角和京津冀地面沉降区、南水北调、三峡库区、青藏铁路、港珠澳大桥、北京故宫、锦屏电站、延长油田、城建隧道等300余个项目中得到应用,相关技术产品已出口到英国、美国、意大利、智利、马来西亚等国,产生了显著的社会和经济效益(相关产品可节省工程监测费用70%~80%)。

应用型研究与国家重大需求相结合

“这一成果的取得凝聚了100多位教师、科研人员、研究生、工人技术人员的辛勤付出,没有这样一个团结奋进、富有创新精神的群体,一切无从谈起。我们一定再接再厉,再攀高峰。”施斌表示,今后他们将进一步完善相关技术和产品,在光纤化学场监测、地震波监测等方面不断开拓,在地质与岩土工程领域继续发挥引领者的作用。

同时,施斌认为,应用性强的学科一定要和国家的重大需求结合在一起。

“走出实验室,在具体的工程实践中发现问题、解决问题、创新技术、形成产品、走向市场,以满足国家需求,这是我对自己科研工作的要求。”施斌说。

或许,这也是让科技成果效益最大化、科技工作者服务于社会的有效途径。

《中国科学报》 (2019-01-11 第6版 转移转化)
 
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