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南京大學教授施斌及其團隊——光纖變“神經” 大地能感知
來源:人民日報 作者:姚雪青 點擊數: 發表時間:2019-04-02 12:24:14
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施斌,1961年10月生于江蘇啟東,南京大學地球科學與工程學院教授、博士生導師。國家杰出青年科學基金獲得者,國家“973計劃”、國家科技支撐計劃、國家重大儀器專項、國家自然科學基金重點項目等數十個科研課題和項目的負責人。曾任國際環境巖土工程協會副主席,現任國際智能基礎設施結構健康監測學會理事、中國地質學會工程地質專業委員會副主任委員等職。長期從事地質與巖土工程的監測與評價研究,已獲得國家發明專利34項。

你能相信嗎?一根頭發絲粗細的光纖,根據不同地質環境和多場監測要求,穿上各種“定制”的外衣,就能變身敏感強健的“大地感知神經”,使得大地一有災害異動,遠在千里之外的監測系統就能立刻發現目標、精準預警。

這并非傳說。近日,記者從南京大學獲悉,該校地球科學與工程學院施斌教授團隊歷經20年攻關,形成了完全自主知識產權的技術和設備,創造性地建立了地質工程分布式光纖監測技術體系,并在地質工程災害機理和理論判據方面取得新突破,獲得2018年國家科學技術進步獎一等獎。這也是中國科研團隊在地質與巖土工程監測領域取得的又一項站在國際科技前沿的重要成果。

這一“大地感知神經”,到底是怎樣煉成的呢?

光纖“神經” 

感知大地 

我國是世界上地質災害十分嚴重的國家。

據施斌介紹,地質災害和各類巖土工程具有規模大、影響因素復雜、隱蔽性強、跨越區域多、環境惡劣、實時性監測要求高、監測周期長等特點。地質工程監測是防治地質災害、確保地質工程安全的關鍵環節,但傳統的點式、電測類監測技術和手段還難以滿足防災減災需求,也給災害的預警預報和防治帶來巨大的挑戰。

過去20年間,施斌團隊在地質與巖土工程多場多參量分布式傳感介質、長距離解調設備、監測方法與系統集成、地質工程災害機理和理論判據等方面取得了10余個關鍵理論和技術問題的突破:創制了30余種地質體多場傳感光纜,研制出了米級量程的大變形場和厘米級空間分辨率的溫度場傳感光纜、可加熱的水分場監測復合傳感光纜等,為地質工程監測打造了堅韌而敏感的“神經”;研制出具有完全自主知識產權的商用化的分布式光纖應變單端解調設備,為地質工程光纖監測提供了精準而智能的“大腦”;創建了邊坡、地面沉降、樁基、隧道等多場分布式光纖監測系統,為地質災害和巖土工程光纖監測形成了強健而高效的“身體”……

“將光纖變成連接人類與大地之間的‘神經’,我們就能夠感知大地、減輕各類地質與巖土工程災害。如何給脆弱的裸纖‘穿好衣服’,成為堅韌、敏感和多量程的感測‘神經’,是我們的主要工作。”施斌說。20年來,團隊完成了基礎研究—核心技術—硬件設備—系統集成—成果轉化—工程應用的全過程創新,形成了新的技術產業鏈,開創了地質與巖土工程監測新的技術領域,使地質工程監測技術從點式走向分布式,從電測時代走向了光感時代。

突破技術封鎖 

形成自主產權 

1998年,施斌從美國訪學歸國。這一年恰逢長江特大洪水,他與一個日本專家團對長江堤防進行沿途考察。當來到最危險的荊江大堤考察時,了解到幾百號人手牽手在農田里尋找管涌災害點,施斌心情十分沉重:快21世紀了,可災點搜尋還在依靠人海戰術這種十分落后的方式,這遠遠不能滿足國家防災減災的重大需求。

施斌從考察團里了解到,國際上正在探索研發一種分布式光纖測量技術,能夠長距離、分布式監測被測物的形變和溫度等物理指標,可用于長距離線性工程的監測。

“我當時十分興奮,因為這一技術十分適合像堤防這樣的地質工程災害的監測,決心將這一技術應用到地質災害預警與巖土工程的安全監測中。可是,當時國際上對中國進行相關技術封鎖,而且許多人認為,將這一技術應用于地質體的監測在技術上幾乎不可能,零點幾毫米的光纖一埋入巖土體就會脆斷,無法使用。”施斌頂住壓力,堅持要將這件事做下去。

2000年,國家“985”工程啟動,在學校支持下,施斌獲得了第一筆研發資金,開始了近20年的科技攻關。從實驗室建設到研發設備購買,從理論模型的建立到試驗模型的創立,從一次次的試驗失敗到一個個理論和技術問題的突破,從傳感光纜的設計到生產試制,從產品的中試再到工程應用,從產學研平臺搭建到企業平臺的成果轉化,從強強合作到技術體系的形成……個中艱辛難以想象。

為了打破國外在分布式光纖應變解調技術上的封鎖,項目合作單位中國電子科技集團第四十一研究所,經過數年攻關,終于研制出具有完全自主知識產權的商用化的分布式光纖應變單端解調設備,在精度、重復性與測試速度等方面明顯優于國外同類產品的技術指標,填補了國內空白,綜合性能達到了國際先進水平。

“對我而言,認準了一條路,只會全力以赴。”堅毅的性格來自于施斌的成長環境。1961年,施斌出生在一個教師家庭。少年時的求學過程并不順利,這令他倍加珍惜學習的機會。1979年,他考進了南京大學地質系(即現在的地球科學系)水文地質工程地質專業。“與純理論的基礎研究相比,我更喜歡應用基礎研究,因為這樣能更快、更直接地報效社會,這也是我們那個時代一大批年輕人的想法。”畢業留校5年后,施斌一家才住上了一間18平方米的筒子樓房間。房間的對面是廁所,每到晚上,為了不影響家人休息,他常常在廁所的盥洗間里,借燈光寫論文。

2009年底,南京大學現代工程與應用科學學院掛牌成立,學校正式啟動學科拓展提升戰略,通過理科向工科延伸,實現文理工醫四大學科領域協調發展。施斌等一批教授在大力發展工程學科、增強大學服務社會的道路上有了更多施展空間。

發展產學研 

形成產業鏈 

施斌介紹,這項學術成果的形成大致有三個階段:

1998年到2008年,是成果的基礎研究階段。團隊主要開展理論和室內外試驗研究,解決地質與巖土工程光纖監測中的關鍵理論和技術問題。

2009年到2015年,是成果的轉化階段。研究成果在蘇州工業園區開始轉化,成立了由南京大學(蘇州)高新技術研究院、蘇州市基礎工程分布式傳感監測技術重點實驗室和蘇州南智傳感科技有限公司組成的產學研平臺。

2016年至今,是成果的快速應用和推廣階段。技術產品不斷被社會了解和接受,實現了學校、地方和團隊共贏的局面。

目前,這項成果有40余種產品推向了國內外市場,并在長三角和京津冀地面沉降區、南水北調、三峽庫區、青藏鐵路、港珠澳大橋、北京故宮、錦屏電站、延長油田、城建隧道等300余個項目中得到應用,相關技術產品已出口到英國、美國、意大利、智利、馬來西亞等國,節省部分工程監測費用70%—80%。近3年來,成果及其衍生產品直接銷售收入2.19億元,新增利潤3600萬元。

施斌認為,應用性強的學科應該和國家重大需求結合在一起,走出實驗室,在具體的工程實踐中發現問題、解決問題,創新技術、形成產品并走向市場,滿足國家需求。這是施斌對自己科研工作的要求,也是讓科技成果最大化、科技工作者服務于社會的最好途徑。

“科研成果的形成,不僅是學科知識、研究經驗的不斷積淀,也意味著學術團隊的成長和科學精神的傳承。”施斌介紹,這一成果凝聚了100多位教師、科研人員、研究生、工人技術人員的辛勤付出,沒有這樣一個團結奮進、富有創新精神的群體,一切無從談起。

施斌對于青年教師和研究生的培養從來不放松。定期或不定期開研討會,是他長期在培養青年教師和研究生中形成的制度,大家在火花碰撞中迅速成長。多年來,他帶領著這支高水平的中青年研究團隊和優秀研究生隊伍,完成了國家“973計劃”、國家科技支撐計劃、國家自然科學基金重點項目等重要課題。團隊已培養出數位優秀青年科學基金項目獲得者、青年長江學者等,他們在國際重要刊物上發表了一系列高水平論文,在國際舞臺上初露鋒芒。

施斌介紹,未來,他們將進一步完善相關技術和產品,在光纖化學場監測、地震波監測等方面不斷開拓,在地質與巖土工程領域繼續發揮引領者的作用。

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