中國工程院院士姜德生：新型光纖傳感網絡在多行業實現智能化應用

  在2021中國5G+工業互聯網大會期間，由2021中國5G+工業互聯網大會組委會、工業和信息化部新聞宣傳中心主辦，中國信息通信科技集團承辦的數字連接專題會議在武漢成功舉辦。中國工程院院士、武漢理工大學首席教授姜德生做了題為《新型光纖傳感網絡及其在智能化中應用》的演講。

  姜德生表示，光柵陣列傳感器能夠實現全域測量，現代工業物聯網高速發展，急需發展新型光纖傳感網絡，這也是掣肘工業領域智能化關鍵技術難點。經過學科交叉與技術集成研究，通過波分與時分混合組網，實現了單纖超10萬個光柵陣列傳感光纖的工業化生產，并在智能交通、智能制造、智能建材等領域實現廣泛工業化應用。

  新型光纖傳感網絡橫空出世

  現如今，互聯網技術改變了人們的生活，5G物聯網的發展顛覆了現代工業運行模式，數字化、網絡化也得到了高速發展，尤其智能化在各個領域已經形成了潮流。

  姜德生認為，實現智能化主要包括三部分的內容：一是先進的傳感網絡。二是計算機、5G云平臺。三是智能管理系統。然而，如今產業面臨的困境是中間發展很快，而兩頭發展不足。5G以及計算機的平臺得到了高速發展，但是傳感網絡實際上是一個短板，影響了智能化高速發展，智能管理系統的發展“有勁無處使”。

  據悉，光纖傳感器發展已經近五十余年，在國內外都得到了高度的重視，尤其是其在工業領域惡劣環境一些獨特的優勢，例如傳輸遠不受電池干擾等方面的優勢。隨著智能化的發展極需要此類先進的光纖傳感網絡。

  姜德生指出，這種傳感網絡跟傳統傳感網絡有不同的要求，主要有下面幾方面的內容，包括：容量大、傳輸距離遠、精度高、智慧網以及可靠性高。傳統的光纖傳感網絡沒有辦法達到這些要求?！艾F在的光纖傳感網絡有兩種，分別是時分網絡和波分網絡。這兩類各有優缺點。時分網絡雖然很好，但是由于是利用光的上層光做成，因此精度很差測量參數很少。而波分利用光柵，網絡精度很高，測量參數近千組，但是網絡很小?！?

  早在二十多年前，國外就有科學家提出來建立一種波分時分的混合網絡，發揮這兩個網絡的優勢并克服缺點。姜德生表示，這種想法是可行的，但是技術難度很大，所以在這20年間都沒有得到很好的發展。主要難點在于傳統制備光柵都是靜態的，而在這種波分時分混合網絡需要在光纖拉制過程當中動態的制備光柵，一靜一動，技術難度極大。

  據其介紹，我們國家經過了近十年的研究解決了這個問題。傳統的做傳感器都是單個做成的，不管是電的還是光纖的，像光纖的圖有做壓力、硬件、溫度的都是一個一個制備然后組網，這個模式是自動化模式而不是智能化的模式，對于先進的傳感網絡或者說對于智能化實際上是行不通的，需要制備傳感網絡就和光感一樣。

  “同樣，經過多年的研究，我們已經解決了這樣的問題，成功制備成多種溫度傳感網絡、應力傳感網絡、振動傳感網絡為工業化領域智能化提供了很好的基礎?！? 姜德生稱。這種傳感網絡主要是顛覆了原來的很多觀點。原來做傳感器網絡很難做到一千個。而如今，我們可以在上面做到幾十萬個傳感器，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、應力、振動，其他的傳感器跟電感、光感一樣，這樣才能在工業現場得到很好的使用。它顛覆了以前的分析應用的模式，利用大數據的學習、分析、統計相似的模式，目前已經用在交通、電力、石化等行業，得到一致好評，并在2019年獲得了國家發明二等獎。

  廣泛應用于各行各業

  在接下來的演講中，姜德生介紹了新型光纖傳感網絡在交通、電力等領域里面智能化的應用。

  據其透露，光纖傳感網絡在火災報警的很多領域得到了廣泛應用。以前的石油化工行業，使用的都是國外的光纖傳感網絡，后期國內光柵傳感網絡發明后，中石油、中石化95%以上領域都采用了這種傳感網絡。

  我國在2014年對電力行業的電纜廊道、隧道等領域火災報警立了國家標準。姜德生表示，這個標準是非?？茖W但很難實現，因為電力著火和石油化工隧道著火不同，主要表現在電力行業的著火都是慢慢穩升，要求在十公里長的領域里面，每十厘米的熱源設置一個檢測，任何一個地方都要把溫升檢測出來。直到陣列光柵傳感網絡出現才做到了這一標準，十厘米做一個光柵，十公里長的光柵就做了十萬多光纖，該技術是國內唯一通過消防認證的，現在已經應用到了大型水電烏東德水電站、港珠澳大橋等地。

  近年來，我國智能交通行業已經取得長足進步。我國在多省份建設了示范應用區，這里面也涉及到了傳感網絡和智能管理系統。

  姜德生認為，目前智能交通行業大都用的是視頻雷達、GPS這種技術，這種技術雖然能起到很大的作用但是不能滿足智能交通的網絡需求。因為這種傳感網絡盲點很多，并不能把一百公里長、一千公里長的交通里面所有部分的信息全部能夠檢測到，GPS能做到但是也有缺點。

  姜德生表示，其團隊做了很多該領域的研究和示范工作，比如湖北省第一個高速公路—從亳州到武漢的高速公路。第一步做了設備的編碼，把每一個裝備重要的部件都編碼檢測，由于一根光纖可以做幾十萬個傳感器，所以能夠輕易布設下來，首先是對高速公路進行編碼，因為要對每一根車道布一根傳感光纜，按照3-5米分割一個區域全部編碼，這些工作以前是沒有辦法做的，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多個傳感器，四萬多個節點節。同時還要保證不產生故障，這些很難做到，光纖要焊兩萬個點雖然可以但是早已經沒有光了，這樣就解決了問題。這個問題解決以后就可以實現真正的智能化了。首先做車輛運行信息的智能化，就是每一個車走的軌跡和位置，全部都可以檢測出來，這樣才可以測試是不是擁堵、效率高不高、以及有沒有違章的超車、車禍等等?！?

  除此之外，由于是多類型的傳感器，還可以檢測這條公路上哪個地方有沒有重要的設備例如橋梁、隧道、顛簸等等此類運行狀況，這樣才能做到智能化。并且還可以為現在的無人駕駛做準備，因為現在無人駕駛最缺的節是傳感網絡。

  姜德生坦言，就道路安全的信息化來說，這里面的思路也和原來不同，原來檢測道路的性能是為了車輛運行安全，所以檢測有沒有破損、脫空?，F在反過來，通過車輛在上面運行的好壞、振動狀況、位置等因素，反過來分析問題。這種陣列傳感網絡已經實際應用到了武漢地鐵、鄂州花湖機場等地。