面向重大工程与装备的光纤复合传感器及其数字化监测技术

获奖等级：科技进步奖二等奖

完成人：郭传臣、邱锡荣、谭晓东、耿靖玮、曾凡辉、张向文、胡春梓、郝雅文、苏磊、李瑞亮

完成单位：铁正检测科技有限公司、北京标研科技发展中心、广信检测认证集团有限公司、山东省建筑科学研究院集团有限公司、山东赛文特科技工程有限公司

桥梁与隧道在现实生活尤为常见，高效全面地获取实时变形信息和多维度评估其安全性制约其安全运营的“咽喉”；桥隧工程施工用盾构机、架桥机等构件尺度大的复杂机电装备常连续服役于高温等严苛工况，其状态呈时空分布、多维度耦合等特征。现有电阻应变片等电测手段很难、甚至无法对桥隧工程变形监测以及复杂机电装备运行状态进行有效的分布动态测量和可视化监测，严重制约着重大工程与装备的安全稳定运行和智能运维。

一、主要研究内容

项目针对轨道交通桥隧工程与装备“隐患点位和线性区域”两个层次变形监测需求，基于光纤传感技术，研制出全硅质封装的智能光纤光栅传感装备，研究了光信号混合高速解调及基于数字孪生的可视化监测方法，建成了“云网端一体化”的安全风险管理平台，实现了桥隧工程与装备“点-线”变形信息的高精度监测、多任务统筹与实时动态预警。

（1）针对桥隧工程与装备变形感知装备耐久性差、覆盖范围不全面等问题，以“光栅+玻璃基片”熔融封装的形式，研发了全硅质封装的多类型光纤光栅传感装备，创建了光纤悬张与柔性铰链结合的温度-应变/位移增敏模型，满足了桥隧工程结构与装备承载件长期在恶劣环境下实时、连续以及高精度的变形监测需求。

（2）面向桥隧工程主体结构变形与装备大尺度构件多状态全域动态监测难题，提出了光信号多特征解调及数字孪生监测方法，建立了“光纤传感+北斗定位”一体化的“点-线-面”融合桥梁工程与装备变形时空多维动态智能感知方法。实现了桥隧工程与装备结构的温度、挠度、震动、关键点位沉降和位移的“点-线”同步实时监测。

（3）针对采集到的海量变形监测数据具有多源异构特点，提出了分布式光纤传感信号高速与多特征混合解调新方法，提出“星-光-电”多源信息融合的数据交叉校准方法开发了多任务统筹的“云网端一体化”安全风险管理平台。解决了桥隧工程与设备变形监测数据耦合与结构安全性立体评估问题。

二、关键技术及创新点

考虑桥隧工程结构，盾构机及架桥机等装备，承载件尺度大、微变形、应用环境恶劣等特点，研制了新一代全（半）硅基光纤传感装备，研究了阵列光栅传感与传统光纤传感相结合的空分、波分和时分混合信号采集复用方法，建立了温度-应变/位移的光纤双柔铰/柔性杠杆增敏方法。

针对盾构机、机床等机电装备大尺度构件多状态全域动态监测难题，以及桥隧工程结构主体变形及工程沿线边坡同步安全监测需求，发明了光信号多特征解调及数字孪生监测方法，创新性地构建了盾构隧道“线性+断面”式的结构变形全方位智能感知体系，建立了“光纤传感+北斗定位”一体化的“点-线-面”融合桥梁工程变形与装备时空多维动态智能感知方法。

针对海量变形监测数据具有多源异构的特点，提出了分布式光纤传感信号高速与多特征混合解调新方法。构建了“星-光-电”监测数据融合的结构变形预警模型，开发了多任务统筹的“云网端一体化”安全风险管理平台，实现了桥隧工程隐患部位的精准识别和区域变形的精准掌控。

三、取得的科技成果

项目授权专利26件，发表论文/著作9篇，软件著作权6件，参编标准20部。

四、经济、社会效益

项目研究成果系统地解决了盾构隧道、洞口边坡、桥梁等多个工程结构和周边环境的监测与装备运维实时监控问题，在济南黄河济泺路隧道、青岛地铁、济莱高铁等国家/省部重点工程中，为建设单位提供了新型优质服务，形成了中铁建“地下空间智能运维”名片，提升了企业竞争力，新增销售收入的同时为建设单位节支约运维支出。

项目研究成果被纳入中国铁建股份有限公司水下隧道工程实验室智能监测分中心、坝道工程医院中铁十四局分院等产业化平台，有望以“互联网+安全监测”的产业理念，提升全国基础设施工程检测修复与应急抢险技术能力，为创新型国家建设注入新动力。