近日，有一支來自於非交通領域的團隊備受矚目。這支團隊主導開發的「基於無線傳感網的大型橋梁結構監測系統建設和關鍵技術研究」項目受到了交通、結構、電子等各領域專家的高度關注，並獲得了2016年度中國公路學會一等獎。
這支團隊就是教育部特聘長江學者、清華大學電子工程系教授楊華中團隊。究竟是什麼讓一支來自電子專業的團隊在中國公路行業的最高獎項中獲得一等獎？筆者走近清華大學楊華中和他的團隊，揭開團隊的神秘面紗。
潛心科研 十年磨礪厚積薄發
無線傳感器網絡與結構健康監測技術的結合，是目前結構健康監測領域研究與實踐的一個發展趨勢。清華大學是國內最早從事無線傳感網/物聯網技術及應用研究的單位之一，也是國內最早從事結構安全監測智能化並將無線傳感網/物聯網技術應用於其中的單位，在這方面擁有著深厚的技術積澱和儲備。
低功耗核心晶片是構建無線傳感器節點的基礎，在國家自然科學基金的支持下，清華大學先後開展了「SoC低功耗電路與系統（2003-2006）」「低功耗無線通信SoC設計（2007-2008）」「基於非易失存儲器件的低功耗無線傳感網晶片與應用研究（2009-2011）」等研究工作。在國家863計劃的資助下，清華大學開展了「RF關鍵電路與工藝模塊（2005-2007）」「無線傳感器網絡的低功耗技術（2006-2008）」「基於片上傳感網的異構多核SOC低功耗設計與計算（2008-2011）」等研究工作。在國家科技重大專項的支持下，清華大學開展了「中高速傳感器網絡核心晶片研發（2010-2012）」等研究工作。
「這些項目的開展使得團隊在無線傳感網核心晶片及傳感網節點低功耗技術方面有了很好的技術儲備。」楊華中說，比如，團隊成員劉勇攀博士發明的低功耗非易失處理器吸引了MIT等20餘所國際知名大學、美國NSF和DARPA資助的多個中心的跟蹤研究，並被IEEE體系結構頂級雜誌Micro選為亮點成果，在其網站首頁報導。
砥礪突破 核心技術百鍊成鋼
在已有低功耗晶片和節點技術基礎上，為了研發麵向橋梁結構健康監測系統，團隊成員王鵬軍博士進一步攻克時間同步、傳感器等一系列難題。
時間同步問題一直是國際既有無線橋梁監測方式的局限，該項目率先成功應用了精度自適應時間同步算法，同步精度達到10μs，大大優於常規橋梁監測要求的1-100ms；同步收斂速度優於傳統100%以上，精度可調可自適應。
傳感器的壽命問題是關係到橋梁監測系統能否長期穩定運行的核心問題，本項目集成開發並成功應用平均100μA（3V時）的低功耗傳感器，工作壽命優於現有傳感器達2-3倍以上，更為適應太陽能供電等非穩定性供能條件。
本項目研發並成功應用基於功率譜峰值突出預處理的索力算法，拉索基頻解算精度為0.1%-1.0%FS，可全面替代傳統索力傳感器。
同時，項目率先成功應用振弦類傳感器動態採樣方法，採樣率5-100Hz，頻率信號精度0.1-0.4Hz，突破了振弦類傳感器數十年來僅可靜態採樣（採樣率通常低於0.02Hz）的應用局限。
基於上述技術，本項目成功開發的無線智能傳感器與雲平臺集成的大型橋梁結構監測系統建設方法，對比傳統監測方式，更可以降低50%以上的建設和運維成本，節省70%以上的建設時間。
大展拳腳 產業道路前景廣闊
2012年，風景秀麗的京杭大運河上，楊華中團隊在江蘇無錫重要的交通樞紐——蓉湖大橋上布設完成了當時世界上規模最大的基於無線傳感器網絡的橋梁監測系統，一時引起了社會極大關注。
不需要任何線纜，通過一個個巴掌大小的無線智能傳感器，蓉湖大橋的關鍵結構部位的監測數據就可以實時傳回到業主單位的電腦上。業主單位說：「整個項目搭建過程時間短，不影響交通，後期維護成本低且非常便捷，監測數據準確，軟體應用起來也非常方便。」
5年來，楊華中和他的團隊在包括河南鄭州劉江黃河大橋、四川瀘州長江大橋、泰安長江大橋、無錫開源大橋、山東淄博樵嶺前大橋、德州衛運河大橋、南通新江海河橋、如泰運河大橋等數十座橋梁上實現了基於無線傳感網的橋梁結構監測系統，做過眾多的橋梁專項檢測、監測項目，並率先被應用於「一帶一路」項目——剛果(布)布拉柴維爾沿河大道斜拉橋的監測中。
2015—2017年，該項目研發的無線智能索力傳感器產品連續3年被應用於交通運輸部發起的「國家幹線路網監測項目-重點橋梁監測」項目。業主單位中交公路規劃設計院評價說：「使用無線智能索力傳感器，使我們獲得了較之以往更為準確、充分、可靠的數據採集樣本，極大地提高了工作效率、降低了上橋工作的勞動強度，給我們傳統的工作方式帶來了新的突破。」
楊華中說，作為中國公路學會本次獲獎的第二完成單位——北京源清慧虹信息科技有限公司已與清華大學攜手一起走過了4個年頭，該技術目前已經順利完成A輪融資，公司估值過億元。
近年來，楊華中團隊的相關無線智能傳感器、傳感雲服務等技術已經實現產業化，應用領域也早已從橋梁拓寬至軌道交通、隧道、邊坡、水庫大壩、古建築物等基礎設施領域。
作者： 李傑 [責任編輯: 李浩]