哈工大教授董永康:给“智慧城市装上神经网络”

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哈工大教授董永康:给“智慧城市装上神经网络”
哈工大教授董永康:给“智慧城市装上神经网络”
来源:人民网-黑龙江频道  2018年11月28日16:40

人民网哈尔滨11月28日电 “既然选择了,就做到极致”,董永康教授是哈工大2018年度首届“立德树人先进导师”、2017年国家重大科学仪器设备开发专项“分布式光纤应变监测仪”项目首席科学家,他带领团队研发出高空间分辨率分布式布里渊光纤传感分析仪,打破了日本在该领域国际上的唯一垄断,成功实现了技术反超,并因此获得首届中国光学工程学会科技创新奖。

助力“智慧城市”建设

分布式光纤传感可以实现长距离的空间连续测量,监测点位可达百万个,具有传统点式传感器不可比拟的优势。一直以来,董永康潜心专注于高性能分布式布里渊光纤传感的基础研究和应用。“分布式布里渊光纤温度和应变分析仪”,这个充满了工科气息的名词,就是2015年他创立的睿科光电所生产的产品。

要理解这个略显生僻的行业,对于外行人来说,确实有点障碍,因为我们不能直接看见它。不过,我们每个人身在其中,都能够感受到: 错落有致的高楼建筑,纵横交错的交通设施,越来越多的大型工程,例如隧道桥梁、高速铁路、高速公路、通信网络、传输线路……构成了每一座城市的血肉和骨架,撑起了我国现代化发展与建设的脊梁。地上的部分,我们能够看见,地下看不见的空间,布满了各种各样的管道:输水的、输气的、输油的、供热的……这些纵横交错的管道,如果加上“神经感知”,就能从一个麻木无知的躯壳变为“有机生命体”,对外力与环境推搡侵蚀等做到防患于未然,从而延长“寿命”。

分布式布里渊光纤传感分析仪,就像一个“健康专家”,能够实现长距离、高空间分辨率的温度和应变实时监测,可以像“神经网络”一样感知待测物的健康状况,从而对结构变形、泄漏以及火灾等灾害实现早期预警和实时探测,对于改善我国在大型基础设施、大型结构装备、地质灾害等安全监测能力,提升公共安全水平,减小经济损失和社会影响具有重要的现实意义。光纤作为传感器的技术,还具有信号带宽宽、抗电磁干扰、精度高、灵敏度高、使用寿命长、单位长度点位造价低、工况环境要求不高、易于网络化等优点。

“分布式布里渊光纤温度和应变分析仪”的诞生,不仅标志着董永康带领团队勇敢迈出了从科学研究到产业生产与实践应用的关键一步,更是打破了我国使用此类产品的国外垄断,在我国石油天然气管道和储存罐的温度和变形检测、海底或陆地电缆的温度和应变监测等多个领域发挥着重要作用。

2015年,分布式布里渊光纤传感分析仪被用于监测亚洲第一、世界第二(建成时)的三跨连续全漂浮钢箱梁悬索桥——厦门海沧大桥,检测其桥梁结构的工作状态和使用能力。合作单位中交公路规划设计研究院认为通过获取各种工况下的大桥整体应变分布测量数据,可以准确判断车辆荷载的位置信息以及由荷载引起的桥梁应变分布,董永康团队成功获取了千米级大跨度悬索桥全尺度应变连续分布结果,为桥梁安全评估提供了有力依据。

随后,他们又把这项技术带到了青藏高原。青藏高速公路穿越高原腹地多年冻土区,如何解决由冻融引起的路基沉降病害问题尤为突出。董永康团队在我国首条高海拔高寒多年冻土高速公路——青海省共和至玉树高速公路建立了示范工程,用户单位中交第一公路勘察设计研究院指出该测试结果可以全面反映出试验段的温度、应变信息,对试验段路基沉降病害形成了有效的监测网络,为下一步国家建设京藏高速公路提供了有力的技术保障。

探索光纤传感技术新应用

想要追溯分布式布里渊光纤传感分析仪的诞生,还要从董永康的求学生涯开始讲起。1999年,董永康千里迢迢从安徽来到哈工大求学。4年的大学生活充实而忙碌,转眼间他水到渠成地迈入了硕士生涯,成为长江学者吕志伟教授的学生。

最初,董永康所做的是布里渊散射的机理研究,这是个比较传统的方向,但他却认为,“想要做好科学研究,想要做出成果,就必须有创新。”抱着这样的信念,董永康阅读了大量文献,了解科技前沿发展方向,“光纤”便由此钻进了他的脑子里。

向导师吕志伟提出要研究光纤技术时,董永康却连光纤长什么样都还没见过。吕志伟被他的执着和坚定打动,便拨了经费支持他的研究。有了激光器、放大器和光纤,董永康一股脑儿钻进了这片充满未知的领域,开始了艰难的摸索之路。

“做任何技术都得先把物理机制弄清楚。既然选择这个方向,就一定好好做下去。”怀着这样的决心和信念,董永康夜以继日刻苦钻研。寒来暑往,一晃儿他又开始了博士研究生生涯。经过研究生阶段的积累和磨砺,董永康总算对布里渊光纤传感技术的机理了然于心,并打下了扎实的理论基础。

“只有真正把理论研究和技术应用相结合才能真正实现它的价值。”博士毕业后,董永康并不满足于自己所做的基础研究工作。他毅然决定继续深造,直奔这一领域的大师——加拿大皇家科学院院士、光纤光学与光电子学首席科学家鲍晓毅院士。

在渥太华大学深造的3年博士后期间,董永康瞄准了分布式布里渊光纤技术的应用研发,迈出了从理论研究到技术研发的重要一步。无心欣赏新鲜的异国美景,董永康目标明确,抱着“出国是为了回国”的信念,整天泡在实验室里,做实验、写文章。这些在旁人看来艰苦而枯燥的事情,董永康倒是沉浸其中,他只想把这项技术做到极致。

“只有在了解物理机制的前提下,才能提出有效的创新方案,才能真正解决问题。”有着扎实理论基础的董永康针对传统的布里渊光纤传感器空间分辨率较低(1m)的问题,提出了差分脉冲对布里渊光时域分析技术(DPP-BOTDA),实现了2cm的超高空间分辨率。同时,将传感距离显著提高至150km。这两项指标均超越了国际领先水平。

刚去加拿大时,国际上基本没有人知道董永康;静心沉潜3年后,他已经在分布式光纤传感领域声名鹊起。

开拓“后建筑时代”新市场

2011年,带着技术回国的董永康,婉拒了很多高校和科研院所的盛情邀请,毅然选择了扎根母校哈工大,在这片亲切的科研热土上继续勤耕苦作。作为团队带头人,董永康回到熟悉的实验室,却为实验室的硬件设备一筹莫展。

“无论如何不能放弃,既然选择了这里就要努力做到极致。”下定决心之后,董永康开始东奔西走,找其他老师合作,四处争取项目资源,靠着一点一滴的积累,总算把实验室建设得有模有样。

“学以致用,到了把科研成果和工程应用结合的时候啦!”经过深思熟虑,董永康决定带领团队将分布式布里渊光纤传感技术成果开发成适合于工程应用的仪器,同时与土木学院长江学者李惠教授合作开展了在大型基础设施中的监测研究。

从机理研究到技术研发,再到工程应用和如今的产业化。他至今记得,在产品研制后期,团队在实验室调试时仪器各项指标和功能一切正常,可在工程现场使用时,却发现仪器莫名其妙地不好使了。董永康带着团队连续攻关三个月,对仪器的零部件逐一排查,最终发现问题出现在其中一个关键器件上,工程现场温度骤升骤降,破坏了器件的性能,而实验室环境温度比较稳定,所以仪器并未出现异常。通过两年多技术攻关,团队终于推出了性能稳定、可靠,适合于工程应用的仪器。

“科研和创业都要追求创新,都要有高附加值,而创业是将科研成果产业化,作为产品讲究的是安全可靠、有市场。”通过这次经历,董永康更加深刻感悟到科研与创业的异同,他深知两者都需要瞄准一个方向,认真对待,功夫到家才能真正做好。为此,他还特意面向全校开设了创新创业课,将自己的科研创业经历和所思所得分享给更多的学生们。

作为团队科研产品市场化的先锋,睿科光电的产品经过了市场的检验,订单越来越多,发展越来越好,仪器已经应用在高速铁路监测、海底高压输电线监测、山体滑坡监测和航空航天设备诊断等诸多领域。“睿科光电目前还只是一个很小的公司,但它从诞生的第一天开始,就是在与行业内最顶尖的国外企业竞争。”在董永康看来,今后路还很远。虽然目前利用分布式光纤传感技术能有效测量温度、应变和振动,但对于气体等参量的监测却无能为力。压力越大,动力越大。董永康坚持信念,迎接挑战。他说:“未来我们会将分布式光纤传感技术往更多的参量上去发展,全方位打造 ‘智慧城市’的‘神经网络’。”(韩婷澎、冯小恩、吉星)

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(责编:邹慧、张喜艳)