【项目名称】土木工程结构区域分布光纤传感与健康监测关键技术

【推荐奖种】2017年度国家技术发明奖一等奖

【推荐单位意见】

      我单位认真审阅了该项目推荐材料，确认全部材料真实有效，相关栏目均符合填写要求。该项目针对土木工程结构预防性维护管理这一重大国家需求，系统建立了土木工程结构区域分布光纤传感与健康监测关键技术，通过在结构区域分布传感原理、技术、装置以及结构全面评估方法等方面的核心发明，开发了高性能长耐久的结构区域分布光纤传感及其解调设备，建立了仅利用单种区域分布传感器技术进行结构参数、损伤与荷载全面识别和结构性能直接评估的综合成套技术及理论体系，突破了现有健康监测技术存在的监测系统耐久性差及海量数据无法有效分析结构“健康”状况的瓶颈问题。专家组鉴定结果表明该项目在结构区域分布传感方法、技术、装置及理论的成果均达到国际领先水平。项目成果包括授权国际国内发明专利30项，发表论文200余篇（其中SCI论文82余篇），形成针对结构区域分布光纤传感与健康监测技术的中英文专著、江苏省地方标准和协会标准，相关成果被写入日美土木工程学会权威报告及相关指南。研究成果广泛推广应用于苏通大桥、无锡地铁、日本新干线铁道、美国高速公路桥等30多个国内外重要工程，建成世界最大规模的长江流域桥梁监测群，形成全国首个结构群监测数据中心，直接经济效益超4.6亿。获江苏省科技进步一等奖、公路学会科技进步一等奖并获国家优秀专利奖、国际工业展览会银奖、国际健康监测人物奖等。推荐该项目申报2017年度国家技术发明奖一等奖。

【项目简介】

      我国各类基础设施体量大病害多寿命短，利用结构健康监测技术有望实现土木工程结构安全与长寿命服役这一重大国家需求。现有健康监测技术存在传感与采集系统耐久性差、海量监测数据难以有效分析结构损伤与性能等传统难题。为此，本项目通过光纤实现结构关键区域分布传感的原理、技术、装置等核心发明，建立了重大工程结构区域分布传感与健康监测的成套技术理论及技术装备，突破了现有监测系统耐久性差及现有技术无法进行结构“健康”评估的瓶颈。主要发明点包括：

      1、发明了高性能长寿命光纤区域分布传感技术

      率先研发了一专多能并具有损伤覆盖能力的长标距光纤传感单元，通过长标距化设计、刚度加强增敏等核心技术开发，实现了从传统点式传感到长标距-串联成网-区域分布宏微观监测的技术突破；通过玄武岩纤维封装、光纤滑移机理揭示、锚固端变刚度防滑移防脆断设计等发明，创新开发设计寿命为50年的光纤传感器技术与产品，经疲劳蠕变等各类耐久性试验显示其长期性能变化<0.8%，现场自然老化试验证明其使用寿命>20年。

      2、发明了光纤传感网络一体化解调技术及相关高性能装备技术

      首创光纤光栅与光纤布里渊散射传感相互融合的一体化解调技术，通过放大器前置化与光源复用等关键技术突破,实现了大型结构区域分布传感网络的多种光纤传感系统实时共线监测，从根本上解决了现有光纤传感装置功能单一、兼容性差难题；所发明的光纤光栅解调技术与装置，通过体全息光栅光谱分析、温度自校准与误差自补偿技术实现了高解析度与低成本化，经鉴定较国际最先进产品分辨率提高10倍、成本降低50%；通过微波扫描鉴频等原创性技术开发的光纤布里渊散射解调装置，测速提高300倍，达到土木工程实用化水平。

      3、原创性建立了结构健康监测与结构群协同评估成套技术和理论

创造性建立了基于区域分布应变的结构动力分析新理论体系，基于所发明长标距传感能够揭示结构宏微观信息的独特优势，实现了结构各类型参数及荷载的全面识别，特别是结构宏观损伤（明显裂纹、支座变化）与微小损伤（0.05mm以下微裂纹、钢筋腐蚀）的精准探测，从根本上解决了传统局部与整体传感技术均难以识别大型结构微小损伤的难题；首次提出基于区域分布传感的结构群协同监测与评估理念与方法，建立了结构群监测协同组网与系统构建等创新应用技术；被评价为“取得了里程碑式的成果,具有开拓性影响”。

      成果包括：授权发明国际国内专利30项，软件著作权3项，发表论文150篇（SCI论文56篇），形成针对结构区域分布光纤传感与健康监测技术的中英文专著各1部、地方和行业标准各1部，相关成果被写入日美指南规程。成果创新应用于苏通大桥、无锡地铁、美国高速公路桥、日本新干线铁路桥等30余处重要土建交通工程，建成世界最大规模的长江流域桥梁监测群，形成全国首个结构群监测数据中心，直接经济效益超4.6亿元。获江苏省科技进步一等奖、公路学会科技进步一等奖并获国家优秀专利奖、国际工业展览会银奖（全国仅4所高校获奖）、国际健康监测人物奖等。领域权威专家组鉴定在区域分布传感方法、理论、技术与装置等方面的成果均达到国际领先水平。

【客观评价】

       (1)西部交通建设科技项目“西部大型桥隧结构物分布式安全监测和灾变预警系统的研究与开发”验收与成果鉴定会上，专家委员会一致认为本项目的区域分布传感新理念，研发的两大类区域分布光纤传感技术与系统，以及所建立的基于区域分布传感的应变模态分析方法、损伤识别技术取得了多项创新以及巨大经济社会效益，具有重要的理论及工程实践意义，达到国际领先水平。（2）中国公路学会召开的“桥梁结构群协同监测评估先进技术及应用”课题成果鉴定会上，形成的鉴定意见包括：“首次提出了桥梁结构群区域分布传感、协同监测评估、多种结构群数据协同分析与性能评估的概念和方法，解决了传统局部点式传感技术难以捕捉损伤及整体传感技术对局部损伤不敏感的问题；创建了桥梁结构健康监测标准体系，成功应用于国内外多座桥梁结构群协同监测示范工程，取得显著的经济和社会效益，推动了交通行业桥梁健康监测的科技进步；综上所述，该课题研究成果总体上达到国际先进水平，其中桥梁结构群区域分布传感与协同监测评估技术达到国际领先水平。”(3)住房和城乡建设部建筑节能与科技司组织的十一五科技支撑项目“重大建（构）筑物健康检测与诊断技术”验收会上，专家委员会一致认为本项目研发了多种类型的区域分布光纤传感技术以及解调装置，并建立了试验及成果转化基地，实现了产业化,取得了显著的社会和经济效益，对相关产业发展提供了有力的技术支撑。

【推广应用情况】

      研究成果广泛推广应用于苏通大桥、九江长江大桥、南京机场T2航站楼、无锡地铁、马鞍山大桥、北京四惠立交桥群、美国Wayne桥、日本妙高大桥等国内外30余处重要土建交通工程，例如，在苏通大桥专用航道桥的监测工程中，首次实现了百米级梁桥挠度分布的高精度实时监测，克服了常规GPS精度不足，而联通管或压力变送器车激变形信号被严重削峰的局限。针对美国Wayne桥的健康监测工作显示了本项目技术各方面的优越性，被美国媒体报导。建成世界最大规模的长江流域桥梁监测群，形成全国首个结构群监测数据中心。上述工程直接经济效益超4.6亿，推动了结构区域分布光纤传感及其健康监测理论等整套技术在国内外的规模化应用。

【主要知识产权证明目录】

【主要完成人情况】

      1.姓名：吴智深

      技术职称：正高级

      工作单位：东南大学

      个人排名：1

      曾获国家奖情况：2012年，纤维增强复合材料的高性能及结构性能提升关键技术与应用，排名第1，国家科技进步二等奖，证书号：2012-J-221-2-05-R01。

      对本项目主要贡献：主持了本项目技术发明的总体规划和研究策略。创建了区域分布传感理念与方法，发明了系列高性能化区域分布光纤传感技术，建立了基于区域分布传感的结构健康监测成套综合理论及系统。对发明点1、2、3均有主要贡献。获授权发明专利22件，其中第1发明人11件；专著1部；江苏省和行业标准各1部；发表相关SCI收录论文40余篇。在该项目中的工作量占本人工作量的80%。

      2.姓名：张建

      技术职称：正高级

      工作单位：东南大学

      个人排名：2

      对本项目主要贡献：主要负责基于区域分布光纤传感技术的结构健康监测理论研究及其应用。提出了实现区域分布传感理念的传感器优化布置算法，建立了完整的基于区域分布传感的长标距应变模态理论，实现了由区域应变到结构各类型参数的全面识别，并推广应用于多个大型工程结构。对发明点1和3做出贡献。获授权发明专利3件，其中第1发明人3件。在该项目中的工作量占本人工作量的80%。

      3.姓名：孙安

      技术职称：正高级

      工作单位：东南大学

      个人排名：3

      对本项目主要贡献：发明了光纤光栅与光纤布里渊散射多功能传感一体化技术，研发出国际领先的核心自主产权高性能化光纤光栅解调仪技术与装置，建立了高测速光纤布里渊散射传感装置并达到实用化水平。对发明点1和2做出贡献。获授权发明专利7件，其中第1发明人4件。在该项目中的工作量占本人工作量的90%。

      4.姓名：李素贞

      技术职称：副高级

      工作单位：同济大学

      个人排名：4

      对本项目主要贡献：设计研发了分布式长标距FBG传感器，基于此率先发展了利用分布平均应变动力响应的振动模态分析理论及振动模态测试技术，建立了基于相对平均应变模态向量统计的无模型损伤识别及多阶段损伤识别方法，改善了既有的结构损伤识别技术精度低、受温度与噪音影响大的现状。对发明点1和3做出贡献。获授权发明专利4件，其中第1发明人3件。在该项目中的工作量占本人工作量的70%。

      5.姓名：张宇峰

      技术职称：正高级

      工作单位：苏交科集团股份有限公司

      个人排名：5

      曾获国家奖情况：2013年，长大跨桥梁结构状态评估关键技术与应用，排名第3，国家科技进步二等奖，证书号：2013-J-223-2-02-R03。

      对本项目主要贡献：发明了采用准静态荷载试验与分布式光纤光栅传感技术实现桥梁状态快速评定的方法，并提出了一种位移测点的优化布设方法，推动了区域分布光纤传感技术在多项桥梁工程监测中的实用应用。对发明点3做出贡献。获授权发明专利3件，其中第1发明人3件。在该项目中的工作量占本人工作量的50%。

      6.姓名：张浩

      技术职称：副高级

      工作单位：石家庄铁道大学

      个人排名：6

      对本项目主要贡献：研发了无滑移分布式光纤传感器；研发了高速公路用耐高温双向长标距光纤光栅传感器；提出了一种基于长标距光纤光栅传感技术的建筑物沉降缝二维变形长期监测方法；并将长标距光纤光栅传感技术应用于地铁施工时临近建筑裂缝的监测，推动了区域分布式光纤传感技术在地铁监测中的应用。对发明点1和3做出贡献。获授权发明专利2件。在该项目中的工作量占本人工作量的70%。

【完成人合作关系说明】

      第一、第二和第三完成人任职东南大学土木工程学院，在第一完成人的领导下组成团队长期合作研究；第五申请人任职江苏省交通科学研究院股份有限公司，长期与上述东南大学团队进行产学研合作，共同完成多个工程项目；第三和第六完成人在第一完成人指导下攻读和取得博士学位，现在分别任职于同济大学和石家庄铁道大学。