楊華中橋隧監測，他改變了什么？

文/本刊記者 陳楠枰

清華大學電子工程系教授、博導，教育部“長江學者獎勵計劃”特聘教授，源清慧虹創始人兼首席科學家楊華中

歲末年初，北京源清慧虹信息科技有限公司捷報頻傳。繼其研發成果“基于無線傳感網的橋隧結構智能監測系統”成功入選交通運輸部2020 年度交通運輸重大科技創新成果庫（科技成果推廣項目）后，該項目還榮獲第十屆中國技術市場協會金橋獎、第二十四屆全國發明展覽會“發明創業獎·項目獎”金獎。此前，作為基礎設施智能化行業領軍者，源清慧虹還曾收獲中國教育部科學技術一等獎、中國公路學會一等獎、紐倫堡國際發明金獎等多項榮譽。

這一切成就的達成，都離不開其核心技術的締造者和引領者——清華大學電子工程系教授、博導，教育部“長江學者獎勵計劃”特聘教授，源清慧虹創始人兼首席科學家楊華中。

初心：垮橋頻發懷殷憂

2011 年7 月，短短5 天內，江蘇鹽城、福建武夷山、浙江杭州三座建成通車僅十余年的橋梁發生坍塌事故，垮橋原因均指向久治不愈的“超載”，引發了社會各界對橋梁安全狀況的擔憂。

“近二十年，我國迎來橋梁建設高峰，短時間內修建了大量橋梁。然而，伴隨經濟高速增長和橋梁服役年限增加，在環境侵蝕、材料老化和荷載的長期效應、疲勞效應等災害因素共同作用下，將不可避免地導致結構和系統的損傷積累和抗力衰減。若后期養護管理跟不上，極有可能引發災難性突發事故。”楊華中教授告訴《交通建設與管理》雜志記者。

在清華大學象牙塔里埋頭苦研的楊華中已經敏銳地察覺到，為保障橋隧結構的安全性、完整性、適用性與耐久性，新建和已經建成使用的橋隧結構急需采用有效的手段監測和評定其安全狀況，修復和控制損傷。

彼時，楊華中正從事低能耗智能無線傳感網技術的研究工作。在自研領域向外看，他注意到，其時國內雖已有大型橋梁監測系統的應用嘗試，卻主要是有線監測系統。“橋梁的設計壽命多在百年以上，傳統監測手段卻只能服務兩年左右，此后則無法再及時提供準確數據，曾令橋梁養護決策者們苦不堪言。”

基于低能耗智能無線傳感網技術進行橋梁監測，應當可以使得監測系統壽命大大延長，同時準確、及時、長期為養護單位提供準確的橋梁結構物實時數據。靈光乍現，成了楊華中團隊研究“基于無線傳感網的橋隧結構智能監測系統”的初心。

誠然，進擊的道路并不平坦。2012年前后，我國通信運營業剛剛迎來寬帶普及和3G 快速增長的機遇期，中國移動宣布削減移動網轉投傳輸網，聯通則強調移動網絡擴容與傳輸網建設并重，一切呈欣欣向榮之勢，然彼時的網絡覆蓋面和速率卻難以滿足無線傳感網技術所需。

為解決數據的網絡傳輸難題，楊華中開始嘗試在無線智能傳感器的前端采用智能技術。“利用智能信息提取，提前把監測到的數據變成信息，同時根據周圍環境和工況做出判定，進而將綜合分析得出的結論傳回服務平臺，減少了數據傳輸量，最終使得我們在2G 時代也能實時完成橋梁監測，及時傳輸監測數據以助于做出科學決策。”楊華中告訴記者。

前期模型建立方面，楊華中采取了傳統手段與前沿方式并行的雙渠道。

一方面，通過工程師與設計組通力合作，根據監測對象的結構特點，基于橋隧自建設至運營的所有狀態數據，建立橋隧結構安全健康模型，以預測參數的合理范圍。

另一方面，針對現有傳統方式在監測數據分析上比較復雜或薄弱的情況，聯合實際印證下的參數調整，同時應用真實專家研判監測數據的大樣本庫和橋梁異常事件庫，開發基于統計識別和統計學習等理論的深度學習神經網絡算法及其應用軟件。

自此，全部采用無線智能傳感器，以無線傳感網方式組成結構監測網絡，并結合云平臺進行數據分析，成為楊華中團隊成功實現科技成果轉化的制勝法寶。

在他看來，這代表了大型結構監測需求小型化、靈活部署、智能感知的先進方向，亦代表了需要易懂易用、貼近管養服務的數據分析處理趨勢，不僅具備顯著的建設和運維成本優勢，更具有極為突出的建設速度優勢，通過及時災害預警，把問題消滅在萌芽狀態。

安裝了源清慧虹橋梁監測系統的重慶荔枝烏江大橋

轉化：科技“變現”如何不難？

意識到無線傳感網絡與結構健康監測技術結合將在交通行業大有可為后，如何將研究觸角探進交通基礎設施建設和養護領域，嘗試將科技成果轉化、產業化，并最終發揮市場機制作用使技術“變現”，成了楊華中亟需解決的難題。

“早在千禧年伊始，我開始反思高校研究成果轉化率低的困境和緣由，也試著尋找促科技成果轉化提質增效的有效路徑。”楊華中表示。

一層層抽絲剝繭地分析后，楊華中注意到，立項初期所擬定的科學研究目標一旦與實際需求脫節，并非社會需要的技術，研究項目必將無法快速成功產業化。“誠然，對于某些雖暫時‘與市場脫節’，但經過若干年后必將發揮大作用的極超前性科研項目仍應當允許其存在，這樣的研究也是社會所需要的。”楊華中解釋道。

而對于類似低能耗智能無線傳感網技術在橋隧監測方面應用轉化之類的項目，在楊華中的認知里，顯然符合社會發展需求。“幾十年來，我都告誡自己，也要求學生，從事研究必須能真正解決實際問題，能擊破行業痛點。”他告訴記者。

實際上，從清華大學畢業至今，楊華中一直將主業定位于科研和教學，既保持創新實力和科研能力，亦抓好在清華的人才培養工作。“我常對學生們說，如何判定研究成果是否能真正解決行業難題，除了可以發表科技論文，將研究成果交由同行評議，更重要的還是社會評價，只有最終在市場表現優秀，為社會帶來價值，才能在資本市場得到認可，真正把技術變現。”

在楊華中看來，要實現科技成果轉化，就需要了解行業的真實需求，確定其產業化的可行性，再進入找投資、組團隊的環節。“實驗室的研究成果通常不夠穩定、不夠方便，成本也過高，這時候需要有企業家、專業的工程師，共同將實驗室的創新成果變成穩定的產品，推向市場。”

“在確定研究成果確實是社會所需后，就應當快速組織起一個有足夠強悍戰斗力和創新速度的企業，快速將前沿技術推向市場和應用。”楊華中說。

不同于如今越來越多愿意到初創企業大展拳腳、專注技術創新的畢業生們，千禧年前后的中國，大部分人更傾向于畢業后去大型企業從事風險小的技術工作。“所幸的是，再沒有人比我所教的學生更熟悉我的技術，這也是高校老師們的相對優勢，將自己熟知的相關領域的優秀畢業生集結起來，將前沿技術產業化的路子就會順暢很多。”

在致力于技術轉化的過程中，楊華中也注意到，隨著我國越來越重視技術創新，過去偏愛尋求以解決國內技術空白、趕上美國為研究目標的項目進行投資的“穩妥派”們，也逐漸有了愿意投入技術先進、“全球空白”的前瞻性市場“冒險”的精神。

終于，在與投資人、基礎設施養護單位的合作里，楊華中攜團隊逐步將前期無線傳感網的相關基礎創新研究成果衍變成能滿足基礎設施監測的無線節點和穩定的云服務平臺，最終實現產業化。

令楊華中感到興奮的是，近年來，為加速推動科技成果轉化與應用，鼓勵科研人員堅定做科研的政策利好不斷傳來。繼國務院明確“科研骨干可獲超過50%成果轉化收益”后，國資委亦強調“央企應把技術創新重大項目突破列入考核范圍”，確保國家有足夠的資源和資金投入技術創新工作。

“這是非常明確的信號，說明中國要建設創新型社會，更有利于創新成果的產業化，我們要更多注重科學技術創新。”楊華中認為。

石寶林和交科院副院長王先進、陳濟丁、方海與創新團隊代表合影

小成：從端到云的智慧

2013 年，楊華中團隊創立源清慧虹，聚集一批基礎設施結構領域的行業專家，以從端到云的智慧能力為核心，提供物聯網精細化基礎設施管養解決方案，令簡便易用、可規模化、成本經濟、建設時間短的橋隧結構智能監測系統成為可能。

從成立之年即建成世界上首座基于無線傳感網的橋梁長期監測系統——無錫蓉湖大橋監測系統，到2015 完成世界首座基于無線傳感網的特大型橋梁監測系統——劉江黃河大橋監測系統，再到2018 年建成國內首個基于無線傳感網的橋隧群監測系統——智慧城市之瀘州橋隧群監測系統……過去7 年中，按一座橋梁配備一套監測系統計算，這項技術已在近千座橋隧基礎設施上得到使用印證，成效喜人。

這一切，也佐證了多年前楊華中對市場需求的判斷。“實踐表明，基于低能耗智能無線傳感網技術進行橋隧狀況監測，不僅可以解決異常氣候條件下的人工巡視困難，實現全天候無休監測，還能確保更快捷、更準確、更及時地向橋隧養護單位傳輸更完整、更豐富的橋隧數據參數，以供決策參考。”他告訴記者。

多年來，在現有技術應用、推廣之余，楊華中仍堅持攜技術團隊不斷改進低能耗、長壽命的智能交通基礎設施傳感系統，在網絡同步、網絡化數據壓縮、網絡化傳感器校準等方面持續深入研究基礎設施監測網絡技術，完善基礎設施云服務平臺，并結合不同需求，研發智慧化的管養軟件，使得工程巡檢管養更加高效。

2019 年，宜賓地震時，正為瀘州提供橋梁實時監測服務的源清慧虹團隊，震后及時將橋梁結構健康狀況反饋給瀘州市交通運輸局，以準確數據支撐當地政府做好橋梁安全通行決策。翌年，我國南方多地水患嚴重，正于重慶服役的橋梁監測系統，亦及時自云端傳回了水災之于橋梁運營影響的全部結構數據。

“這足以證明，這項技術能夠為橋隧管養決策者提供基礎設施在運營過程中的長期健康狀況信息，不僅可以預測意外，還能在意外發生后，借助長期歷史數據的積累，對橋隧異常情況的準確診斷提供支持。”楊華中說。

2020 年7 月，交通運輸部與科學技術部簽署《關于科技創新驅動加快建設交通強國的合作協議》提出，要突破全天候監測、智能化檢測、自動化預警、無人化養護、快速化處置等技術與裝備。不久后，交通運輸部出臺《關于推動交通運輸領域新型基礎設施建設的指導意見》，明確推進交通基礎設施長期性能觀測網建設，試點開展長期性能觀測，加強基礎設施運行狀態監測和運行規律分析，支撐一流設施建設與維護。“這與我們近十年來堅持的研究方向是不謀而合的！”楊華中很激動。

在他看來，就算是最頂級的專家，在缺乏全面、長期、準確的監測數據支持時，也很難判定基礎設施出現問題的根源所在。“令監測系統具備專家級監測水平，一方面可以提升各基礎設施管養單位的監測水平，盡可能避免人工巡檢或存在的工作能力及監測水平參差不齊等狀況，另一方面還將實現自動化預警功能，最終實現快速處置和科學管養。”楊華中認為，“這就是智能化監測的意義。”

“從經濟和可用性來看，采用無線傳感網絡以后，由于監測系統部署靈活、系統穩定、壽命更長，也使得監測時花的代價要比傳統方案小。實操顯示，可減少75%左右的系統搭建時間。”

令楊華中印象深刻的，不得不提這套監測系統在嘉紹大橋上的精彩表現。據介紹，為準確判斷嘉紹大橋是否會發生風雨振，往年每到夏季，專家們總要花費近一個月的時間上橋布設傳感器，監測一周后再將設備搬回實驗室，傳統監測所得數據的分析效果總不盡如人意。“最終采用低能耗智能無線傳感網技術，技術人員僅用一兩天布置好傳感器，持續監測三個月，終于一次搞定，所得數據明確證明該橋確實存在風雨振現象，用更換斜拉索的方式解決了問題。”

同時，楊華中提到，在不降低傳感精度、監測點規模和數據準確性等前提下，該監測系統還可綜合降低50%以上的建設及運維成本，并延長200%-300%的傳感器壽命。“這對于我國公路、橋梁、隧道等基礎設施結構智能監測系統建設、運維無疑有重要且直接的意義。”

未來：強國建設 智慧物聯

即便取得成績，在推動交通基礎設施建設和養護的智慧化轉型中，楊華中并沒有停滯不前。據介紹，近年來，除了致力于全面推動交通運輸行業相關基礎設施的低能耗智能無線傳感網監測養護技術普及外，楊華中和團隊還將研究視角分散到了軌道交通運營監測及基礎設施的施工期建設環節。

“我們希望可以利用新技術手段令軌道交通因故障停休停檢的時間大大縮短，從而提升運營效率，也期待能以技術為提升基礎設施行業生產力賦能，在施工期建設中，用實時監測等智能化手段幫助施工單位快速、準確了解基礎設施結構狀態，從而促使施工過程中的一部分工藝更高效地銜接起來，提高生產效率。”楊華中說。

邁入2021 年，楊華中已經開始帶領團隊在新的細分領域起航。“通過多年來積累的大量數據，我們正在針對每一種類型的橋梁建立模型，包括性能劣化、撓度變化等，借助大數據訓練模型，使其實現自主學習，可以令我們的算法和模型都更加可靠。”

楊華中解釋，即便以相對統一并通用的神經網絡為基礎設施建模，也需要考慮不同類型的結構特征，加入與監測對象相適應的訓練參數結構模型反應其退化情況，從而使得該模型既準確，計算復雜度又很低。

“如果完全以通用模型處理所有設施的所有狀況，神經網絡的訓練效果要么很差，要么則會令網絡規模變得異常龐大，計算需要訓練的數據量也會大大增加，進而使得工程變得不可實現。”楊華中認為。

自黨的十九大以來，國家對交通強國戰略的重視程度持續加深，創新發展的步伐加快。正如“一千個讀者眼中會有一千個哈姆雷特”般，關于交通強國建設，楊華中心中也有自己的向往。

在他看來，近年來，中國“基建狂魔”的名號響徹世界，無論是基礎設施建設數量、規模乃至速度均令人稱道，“在交通基建方面，我個人認為已經算是交通強國了。”然而，楊華中亦認為，“這還不夠。”

如何才算實現了真正的交通強國？楊華中表示：“在保持并加速現有建設能力的基礎上，交通基礎設施首先應當能夠長期、穩定地為人類服務，其次要能夠實現智能化服務，可以通過運用先進信息技術使得基礎設施的管理、養護和應用服務更加智能化、人性化，這才是《交通強國建設綱要》里，‘讓人民享有更便捷的交通運輸，獲得更公平、有效率的交通服務’的應有之義。”

在這個過程中，作為源清慧虹的創始人和首席科學家，楊華中期待著，低能耗智能無線傳感網絡技術能為已建成的交通基礎設施持續提供更好保障，提升中國基建的安全性和智能化服務水平。“我們不太可能把已建成的基礎設施推倒重來，只希望技術能確保提前預警，不至于給人類生活帶來大災難。”

“我希望源清慧虹能在兩到三年內上市。”楊華中告訴記者。在他看來，這不單純是為一起創業奮斗的小伙伴們實現更豐厚的經濟回報，更重要的，是希望嚴酷的資本市場能反過來鞭策創新型企業，“必須時刻警醒，令技術、硬件、產品滿足市場需求”，從而實現更有意義的人生價值。

楊華中表示，從芯片、軟件和基礎設施智能化監測檢測方法著手，為交通強國作出更基礎、技術更前沿的貢獻，是源清慧虹的近期目標。“從遠期來說，我們希望能把交通領域做好，能令我們研發的新技術在更多基礎設施領域發揮作用，這是大家更期待看到的。畢竟，論及初衷，我一直希望能持續通過信息技術創新，為基礎設施行業提供新的手段。”楊華中眼眸中透出堅毅而明亮的目光。

安裝了源清慧虹橋梁監測系統的四川瀘州國窖大橋