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2019年2月27日
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打造敏感强健的“大地感知神经”
——解读国家科学技术进步奖一等奖项目“地质工程分布式光纤监测关键技术及其应用”

一根头发丝粗细的光纤,根据不同地质环境和多场监测要求,穿上各种“定制”的外衣,变成敏感强健的“大地感知神经”,使得大地一有灾害异动,远在千里的监测系统就能立刻发现目标,精准预警。

在1月8日举行的国家科技奖励大会上,pt老虎机游戏地球科学与工程学院施斌教授团队的“地质工程分布式光纤监测关键技术及其应用”项目荣获2018年国家科学技术进步奖一等奖。这也是中国科研团队在地质与岩土工程监测领域取得的又一项引领国际科技前沿的重要成果。

将光纤变成连接人类与大地之间的“感知神经”

中国是世界上地质灾害十分严重的国家。尤其是随着我国基础工程建设的高速发展,人类工程活动对地质环境的扰动,更加剧了各类灾害的发生。据不完全统计,我国每年因各类自然和工程灾害造成的经济损失高达2000亿元人民币。

2018年10月10日,习近平总书记主持召开中央财经委员会第三次会议。习近平在会上发表重要讲话强调,加强自然灾害防治关系国计民生,要建立高效科学的自然灾害防治体系,提高全社会自然灾害防治能力,为保护人民群众生命财产安全和国家安全提供有力保障。因此,防治各类地质与岩土工程灾害是我们国家的重大需求。

据施斌介绍,地质灾害和各类岩土工程具有规模大、影响因素复杂、隐蔽性强、跨越区域多、环境恶劣、实时性监测要求高、监测周期长等特点,因此,传统的点式、电测类监测技术和手段还难以满足防灾减灾需求,也给灾害的预警预报和防治带来巨大的挑战。

从1998到2018这20年间,施斌团队经过艰辛探索和不断创新,在地质与岩土工程多场多参量分布式传感介质、长距离解调设备、监测方法与系统集成、地质工程灾害机理和理论判据等方面取得了十余个关键理论和技术问题的突破。他形象地将这些成果比喻为“神经”、“大脑”和“身体”:

团队研制出的米级量程的大变形场和厘米级空间分辨率的温度场传感光缆、可加热的水分场监测复合传感光缆等,为地质工程监测提供了坚韧而敏感的“神经”;团队研制出了我国第一台、具有完全自主知识产权的商用化的分布式光纤应变单端解调设备,为地质工程光纤监测提供了精准而智能的“大脑”;团队还创建了边坡、地面沉降、桩基、隧道等多场分布式光纤监测系统,为地质灾害和岩土工程光纤监测提供了强健而高效的“身体”,监测精度大大提高,监测成本大大降低。

“将光纤变成连接人类与大地之间的“神经”,让我们能够感知大地,减轻各类地质与岩土工程灾害,造福人类,这是我毕生的追求。”施斌说。

应用性科研成果一定要做到落地开花

“我们这个成果的形成大致有三个阶段。”施斌介绍说。

从1998年至2008年这十年间,是成果的基础研究阶段。施斌团队主要开展理论和室内外试验研究,解决地质与岩土工程光纤监测中的关键理论和技术问题。

从2009年到2015年,是成果的产业化阶段。研究成果在苏州工业园区开始转化,成立了由pt老虎机游戏(苏州)高新技术研究院、苏州市基础工程分布式传感监测技术重点实验室和苏州南智传感科技有限公司组成的产学研平台。“这一阶段是本成果形成过程中最具挑战、最为艰辛、最能考验信心、决心、毅力和胆略的生死关键阶段,团队在产学研机制方面创出了一条新路,并取得了成效。”施斌表示。

从2016年至今,是成果的快速应用和推广阶段。这一阶段技术产品不断被社会了解和接受,事业得到快速发展,同时先进的技术产品又反过来促进了pt老虎机游戏地质工程学科的科学研究,相关研究成果在国际重要刊物上多次得到大篇幅的报道和认可,实现了学校、地方和团队都赢的良好局面。

据介绍,目前成果有40余种产品推向了国内外市场,并在“长三角”和京津冀地面沉降区、南水北调、三峡库区、青藏铁路、港珠澳大桥、北京故宫、锦屏电站、延长油田、城建隧道等300余个项目中得到应用,相关技术产品已出口到英国、美国、意大利、智利、马来西亚等国,节省部分工程监测费用70%-80%,产生了显著的社会和经济效益。

经过近20年的研发积淀与发展,该成果已成为我国地质与岩土工程领域中的一项特色成果,2008年获教育部科技进步奖一等奖,2012年中国产学研合作创新成果奖,2017年获教育部技术发明奖一等奖,2018年获国家科学技术进步奖一等奖。不仅如此,施斌还创立了地质与岩土工程光电传感监测国际论坛,引领了地质与岩土工程分布式光纤监测技术的发展。

发扬团队精神是事业成功的保证

一个科研成果的形成,不仅包括学科知识、科研成果的不断积淀,同时也伴随一个创新团队的成长过程。施斌时常感到非常骄傲,因为他领导着一支非常优秀的中青年科研队伍,他们中有青年长江,托举工程青年人才、李四光优秀博士研究生,数位我国本领域中最高青年科技奖“谷德振青年科技奖”获得者等。一些优秀的年轻教师和研究生去英国剑桥大学、美国斯坦福大学、加州大学伯克利分校、日本京都大学等国际著名学习交流,他们在国际重要刊物上发表了许多高水平的论文,在国际舞台上已初露锋芒,获得了国内外同行的肯定。

“他们勇于创新、勇于担当、非常团结、非常敬业、具有团队精神、具有国际视野。在我培养出的100多位博士后、博士和硕士中,有的已成为大学教授、单位里的总工和技术骨干,有的已走上了中高层领导岗位,有的成为了公司总经理正在创新创业,他们在各自的岗位上做出了十分优异的成绩。而这些优秀的人才是我们事业成功的保证,也是对我们大学教师的最高奖赏。我为他们自豪!”

“这一成果的取得凝聚了100多位教师、科研人员、研究生、工人技术人员的辛勤付出,没有这样一个团结奋进、富有创新精神的群体,一切无从谈起。我们一定会再接再厉,勇攀高峰。”施斌说,今后,他们将进一步完善相关技术和产品,在光纤化学场监测、地震波监测等方面,不断开拓,在地质与岩土工程领域继续发挥引领者的作用,为中华民族伟大复兴事业作出应有的贡献。

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“大地感知神经”系统四大突破

一、创制了地质体多场传感光缆系列。研制了米级量程的大变形场和厘米级空间分辨率的温度场光纤传感器以及可加热的水分场监测复合传感光缆。

二、研制了地质工程长距离分布式光纤解调设备。发明了能量分布的布里渊谱识别及BOTDR空间分辨率提升方法,研制了中国第一台商用化的分布式光纤应变单端解调设备。

三、创建了地质工程分布式光纤监测系统。攻克了地质工程内部和深部变形监测瓶颈以及海量数据处理难点,创建了边坡、地面沉降、桩基、隧道等多场分布式光纤监测系统。

四、揭示了多种地质灾害新机理,提出了理论新判据。提出了地层压缩潜力新判据;确立了土质滑坡预警应变阈值;提出了锚杆与岩土耦合时效判据。