位于南沙資訊科技園的香港科技大學(xué)霍英東研究院內(nèi)，高民和他的團(tuán)隊正盯著實驗室的一塊屏幕觀察。屏幕內(nèi)顯示的內(nèi)容，是一座大橋的實時“心電圖”數(shù)據(jù)。高民的身份不是醫(yī)生，而是香港科技大學(xué)霍英東研究院物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)部總監(jiān)。“心電圖”數(shù)據(jù)來自距離實驗室40余公里的番禺大橋，發(fā)射源則是大橋橋梁上24個比蛋撻還小的黑色模塊——傳感器。

　　這些專業(yè)名稱為新型水泥基復(fù)合材料壓電傳感器的模塊，就像聽診器一樣，能夠收集橋梁的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在承受外力時釋放出來的應(yīng)力波，并通過裝在橋上的無線網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳送到后臺，形成波譜圖。“橋梁長期承受外部壓力，尤其是重型貨車碾壓，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的勞損不易被發(fā)現(xiàn)，我們的項目就是要通過橋梁釋放應(yīng)力波的頻譜變化，實現(xiàn)對大橋安全性的可視化監(jiān)測�！备呙穹Q，這種傳感器能監(jiān)測到人工現(xiàn)場無法發(fā)現(xiàn)的裂縫。

　　將橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形

　　“2007年的佛山南海九江大橋事件，運(yùn)砂船撞擊是導(dǎo)致發(fā)生橋面坍塌的主要原因，但不排除在撞擊之前，橋梁內(nèi)部就已經(jīng)存在因為長期承受壓力而導(dǎo)致的損害�！备呙窠榻B稱，目前業(yè)界對大橋安全性的監(jiān)測主要有兩種：一種是人工檢視，另一種是高精度GPS定位。

　　“人工檢視是最普遍的方式，靠人眼檢查，使用X光或超聲波探傷、探縫，相當(dāng)程度上是憑借經(jīng)驗，局限性很大�！备呙穹Q，GPS定位的方法并未普遍使用，“虎門大橋使用過這種技術(shù)，主要是通過差分儀做參照，監(jiān)測橋梁關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的位移情況，比如遭遇地震時是否有歪斜，無法監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損害情況。因此，橋梁安全的監(jiān)測亟需一種可以檢測材料早期惡化的創(chuàng)新、合理、高效的無損檢測技術(shù)。”

　　據(jù)高民介紹，橋上通行的汽車、橋下水流和吹過的強(qiáng)風(fēng)都會對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生力的作用，當(dāng)受力超過其承受能力時就會對橋梁造成損害，同時釋放出應(yīng)力波�！拔覀冄邪l(fā)的傳感器就是通過捕捉橋梁水泥結(jié)構(gòu)釋放的應(yīng)力波，傳回后臺進(jìn)行分析，實現(xiàn)對橋梁安全進(jìn)行精細(xì)化判斷和預(yù)警�！备呙癖硎�，這項技術(shù)將橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形，實現(xiàn)可視化。

　　人眼看不到的裂縫會通過應(yīng)力波波頻反映出來

　　2014年9月，高民和他的團(tuán)隊獲準(zhǔn)將這套系統(tǒng)安裝到番禺大橋上。“由于大橋已經(jīng)建成并使用十余年，傳感器無法埋到混凝土結(jié)構(gòu)中，只能附在橋梁上。”高民介紹稱，他們一共安裝了24個傳感器和6個網(wǎng)關(guān)。這些傳感器通過番禺大橋上的電源進(jìn)行充電。

　　單單依靠水泥基復(fù)合材料壓電傳感器，還無法實現(xiàn)對橋梁應(yīng)力波的監(jiān)測。高民和他的團(tuán)隊研發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)，是將新型水泥基復(fù)合材料壓電傳感器與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，形成一個數(shù)據(jù)收集、轉(zhuǎn)化、傳輸?shù)南到y(tǒng)。傳感器由一個模塊和一個節(jié)點(diǎn)組成，模塊功能為收集應(yīng)力波，節(jié)點(diǎn)將力信號轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號，然后通過網(wǎng)關(guān)將電學(xué)信號傳回終端。高民表示：“這種傳感器測不到橋梁承受多大的壓力，但如果壓力對橋梁造成損害，哪怕是細(xì)微的裂縫，人眼發(fā)現(xiàn)不了，傳感器也能通過應(yīng)力波波頻反映出來�！�

　　在香港科技大學(xué)霍英東研究院物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)部，實驗室里顯眼的位置擺放著混凝土攪拌機(jī)和水泥�！拔覀儠�經(jīng)常做實驗，自己制作水泥塊，然后進(jìn)行敲擊、壓折等試驗，通過傳感器對這個過程中水泥塊釋放的應(yīng)力波進(jìn)行監(jiān)測�！备呙窠榻B稱，“通過機(jī)械對水泥塊進(jìn)行壓折的過程中，我們發(fā)現(xiàn)波譜圖上，裂縫出現(xiàn)時的應(yīng)力波頻率明顯高于其他頻段�！�

　　技術(shù)處于中試階段有望應(yīng)用在其他建筑物

　　高民表示，他曾經(jīng)去找過港珠澳大橋項目部，希望能將傳感器安裝到正在施工的大橋中，但遭到拒絕，“像港珠澳大橋這樣的大型工程，可能出于風(fēng)險控制考慮，不太愿意第一個吃螃蟹�！备呙窠榻B，就一個科研成果從研發(fā)到應(yīng)用整個流程來說，這項技術(shù)尚處于中試階段，產(chǎn)品已經(jīng)研發(fā)出來了，探測傳感器、建網(wǎng)傳遞數(shù)據(jù)這兩部已經(jīng)完成，現(xiàn)在要進(jìn)行建模和數(shù)據(jù)分析。

　　“在番禺大橋上試驗快兩年時間，后臺已經(jīng)收集到非常多的數(shù)據(jù)，但并非所有數(shù)據(jù)都有價值，也需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析�！备呙穹Q，“比如說，雖然我們在實驗室進(jìn)行很多次試驗，但從番禺大橋上測得的數(shù)據(jù)，其中某一個峰值出現(xiàn)，究竟是這座大橋已經(jīng)很危險了，還是僅僅出現(xiàn)一個小裂縫，需要對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析�！�

　　高民相信，一旦建立了模型，這項技術(shù)就真的成為一項能夠?qū)Υ髽蜻M(jìn)行健康監(jiān)測的診療技術(shù)�！氨O(jiān)測部門工作人員坐在電腦前就能夠看到大橋的‘心電圖’，有裂縫或嚴(yán)重?fù)p害出現(xiàn)，會第一時間在屏幕上顯示�！备呙穹Q，“這項技術(shù)同樣可以推廣應(yīng)用在其他建筑物。”

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