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光通信
2021/11/29 08:35

中国工程院院士姜德生:新型光纤传感网络在多行业实现智能化应用

C114通信网  乐思

C114讯 11月29日消息(乐思)在2021中国5G+工业互联网大会期间,由2021中国5G+工业互联网大会组委会、工业和信息化部新闻宣传中心主办,中国信息通信科技集团承办的数字连接专题会议在武汉成功举办。中国工程院院士、武汉理工大学首席教授姜德生做了题为《新型光纤传感网络及其在智能化中应用》的演讲。

姜德生表示,光栅阵列传感器能够实现全域测量,现代工业物联网高速发展,急需发展新型光纤传感网络,这也是掣肘工业领域智能化关键技术难点。经过学科交叉与技术集成研究,通过波分与时分混合组网,实现了单纤超10万个光栅阵列传感光纤的工业化生产,并在智能交通、智能制造、智能建材等领域实现广泛工业化应用。

新型光纤传感网络横空出世

现如今,互联网技术改变了人们的生活,5G物联网的发展颠覆了现代工业运行模式,数字化、网络化也得到了高速发展,尤其智能化在各个领域已经形成了潮流。

姜德生认为,实现智能化主要包括三部分的内容:一是先进的传感网络。二是计算机、5G云平台。三是智能管理系统。然而,如今产业面临的困境是中间发展很快,而两头发展不足。5G以及计算机的平台得到了高速发展,但是传感网络实际上是一个短板,影响了智能化高速发展,智能管理系统的发展“有劲无处使”。

据悉,光纤传感器发展已经近五十余年,在国内外都得到了高度的重视,尤其是其在工业领域恶劣环境一些独特的优势,例如传输远不受电池干扰等方面的优势。随着智能化的发展极需要此类先进的光纤传感网络。

姜德生指出,这种传感网络跟传统传感网络有不同的要求,主要有下面几方面的内容,包括:容量大、传输距离远、精度高、智慧网以及可靠性高。传统的光纤传感网络没有办法达到这些要求。“现在的光纤传感网络有两种,分别是时分网络和波分网络。这两类各有优缺点。时分网络虽然很好,但是由于是利用光的上层光做成,因此精度很差测量参数很少。而波分利用光栅,网络精度很高,测量参数近千组,但是网络很小。”

早在二十多年前,国外就有科学家提出来建立一种波分时分的混合网络,发挥这两个网络的优势并克服缺点。姜德生表示,这种想法是可行的,但是技术难度很大,所以在这20年间都没有得到很好的发展。主要难点在于传统制备光栅都是静态的,而在这种波分时分混合网络需要在光纤拉制过程当中动态的制备光栅,一静一动,技术难度极大。

据其介绍,我们国家经过了近十年的研究解决了这个问题。传统的做传感器都是单个做成的,不管是电的还是光纤的,像光纤的图有做压力、硬件、温度的都是一个一个制备然后组网,这个模式是自动化模式而不是智能化的模式,对于先进的传感网络或者说对于智能化实际上是行不通的,需要制备传感网络就和光感一样。

“同样,经过多年的研究,我们已经解决了这样的问题,成功制备成多种温度传感网络、应力传感网络、振动传感网络为工业化领域智能化提供了很好的基础。” 姜德生称。这种传感网络主要是颠覆了原来的很多观点。原来做传感器网络很难做到一千个。而如今,我们可以在上面做到几十万个传感器,这种传感器改变了以前的传感模式,也就是不需要制备探头,不管是温度、应力、振动,其他的传感器跟电感、光感一样,这样才能在工业现场得到很好的使用。它颠覆了以前的分析应用的模式,利用大数据的学习、分析、统计相似的模式,目前已经用在交通、电力、石化等行业,得到一致好评,并在2019年获得了国家发明二等奖。

广泛应用于各行各业

在接下来的演讲中,姜德生介绍了新型光纤传感网络在交通、电力等领域里面智能化的应用。

据其透露,光纤传感网络在火灾报警的很多领域得到了广泛应用。以前的石油化工行业,使用的都是国外的光纤传感网络,后期国内光栅传感网络发明后,中石油、中石化95%以上领域都采用了这种传感网络。

我国在2014年对电力行业的电缆廊道、隧道等领域火灾报警立了国家标准。姜德生表示,这个标准是非常科学但很难实现,因为电力着火和石油化工隧道着火不同,主要表现在电力行业的着火都是慢慢稳升,要求在十公里长的领域里面,每十厘米的热源设置一个检测,任何一个地方都要把温升检测出来。直到阵列光栅传感网络出现才做到了这一标准,十厘米做一个光栅,十公里长的光栅就做了十万多光纤,该技术是国内唯一通过消防认证的,现在已经应用到了大型水电乌东德水电站、港珠澳大桥等地。

近年来,我国智能交通行业已经取得长足进步。我国在多省份建设了示范应用区,这里面也涉及到了传感网络和智能管理系统。

姜德生认为,目前智能交通行业大都用的是视频雷达GPS这种技术,这种技术虽然能起到很大的作用但是不能满足智能交通的网络需求。因为这种传感网络盲点很多,并不能把一百公里长、一千公里长的交通里面所有部分的信息全部能够检测到,GPS能做到但是也有缺点。

姜德生表示,其团队做了很多该领域的研究和示范工作,比如湖北省第一个高速公路—从亳州到武汉的高速公路。第一步做了设备的编码,把每一个装备重要的部件都编码检测,由于一根光纤可以做几十万个传感器,所以能够轻易布设下来,首先是对高速公路进行编码,因为要对每一根车道布一根传感光缆,按照3-5米分割一个区域全部编码,这些工作以前是没有办法做的,不管是电的传感器还是光纤的传感器。

“电的传感器就是两万多个传感器,四万多个节点节。同时还要保证不产生故障,这些很难做到,光纤要焊两万个点虽然可以但是早已经没有光了,这样就解决了问题。这个问题解决以后就可以实现真正的智能化了。首先做车辆运行信息的智能化,就是每一个车走的轨迹和位置,全部都可以检测出来,这样才可以测试是不是拥堵、效率高不高、以及有没有违章的超车、车祸等等。”

除此之外,由于是多类型的传感器,还可以检测这条公路上哪个地方有没有重要的设备例如桥梁、隧道、颠簸等等此类运行状况,这样才能做到智能化。并且还可以为现在的无人驾驶做准备,因为现在无人驾驶最缺的节是传感网络。

姜德生坦言,就道路安全的信息化来说,这里面的思路也和原来不同,原来检测道路的性能是为了车辆运行安全,所以检测有没有破损、脱空。现在反过来,通过车辆在上面运行的好坏、振动状况、位置等因素,反过来分析问题。这种阵列传感网络已经实际应用到了武汉地铁、鄂州花湖机场等地。

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