多传感器自动监控掌握“健康”状态
2013-06-06 16:21:50   来源：微迷   评论：0   点击：

日本国土交通省：“我们希望整合收集到的数据，构筑起防患于未然的机制”。

日本物质材料研究机构的研究人员：“应该把传感器安装到各种各样的建筑物上”。

NTT数据：“要去掉传感器电源的有线布线，最好能连电池也不用更换”。

为了保护老化的社会基础设施，多种监控措施正在日本全面展开，监控系统的理想形态也逐步明确。那就是“利用通过能量采集获得的电源来驱动传感器和无线模块，并由此收集数据。通过分析数据，准确把握建筑物的状态，做到防患于未然”（图1）。

图1 社会基础设施监控需要的四大要素

基础设施监控需要在人员难以进入的场所设置大量的传感器，在远程获取检测数据。因此，传感器节点需要在设置后长期无需更换电池。

日本国家开始灵活利用传感器

日本国土交通省在内部设立了跨部门的基础设施老化应对组织“社会资本老化对策委员会”。该委员会在紧急全面排查的同时，还在着手推进使用无线传感器的基础设施监控系统的实用化。负责这一任务的日本国土交通省综合政策局表示，“对策委员会刚一成立，‘需要哪些传感器’、‘验证实验何时开始’的咨询便纷至沓来”。

日本物质材料研究机构MANA纳米电子材料、MANA半导体器件材料团队的主管知京丰裕觉得，为桥梁、隧道、道路等基础设施安装大量传感器蕴藏着巨大的可能性，“如果能够在基础设施损坏之前就察觉变化并采取对策，就可以大幅减少维护的成本”。而且，如果能够远程全面监控基础设施，那么，在少子老龄化情况严重的日本，技术人员不足的问题也可以得到解决。

必须低成本化

知京说：“倘若构筑起汇集基础设施数据的传感器网络，新的业务模式就会诞生。”例如，根据传感器数据做出“这座桥安全”的判断后，就可以把这个信息标注在地图上作为附加值。在大地震爆发之时，还可以随时找出“可以通行的道路”。

为了使这些“梦想”成真，日本物质材料研究机构已经联合日本产业技术综合研究所（产综研）、日本信息通信研究机构、日本土木研究所等研究机构及企业，就合作开发传感器监控系统展开了探讨。日本物质材料研究机构表示，该机构目前正在开发使用半导体技术的廉价应力传感器。开发目标是“以1/100的价格，实现性能与目前价格在1万日元左右的应变计相同的传感器”。

对于结合了能量采集技术的无线传感器网络，曾在NTT数据担任代表董事社长至2012年6月的山下彻（现董事顾问）寄予了厚望。山下说：“在验证传感器网络效果的阶段，有线也无妨。但是，要想作为一项业务广泛推广，就必须实现无线化。”他还针对电源表示，“有线一旦断线，系统就会瘫痪，从防灾的角度考虑，独立电源具有巨大的价值”。而如果使用一次电池，更换将需要耗费大量的人工和成本。

为了实现理想的无线传感器网络，围绕（1）检测现场情况的“传感”、（2）对所得数据的“分析”、（3）连接传感器的“无线通信”、（4）产生驱动力的“能量采集”这4个要素，开发正日趋活跃。

传感：加速度传感器唱主角，力争使用通用产品

传感包括两种，一种是在基础设施的检查中使用，对持续性的劣化、损伤等实施长期监控的“健康监控”，另一种是对地震等灾害中受损部位的变化进行观察的“本地监控”。

健康监控有望成为定期检查中“目测”的补充及替代方法。这种方法可以看作是人体保健的定期测量体重和体温。使用的传感器估计包括检测振动的加速度传感器、温度传感器和湿度传感器等。

而本地监控更像是体检，主要目的是在短期内收集大量数据。除了加速度传感器之外，还需要使用检测位移的应变传感器，检测腐蚀程度的腐蚀传感器，检测破损的AE（acoustic emission）传感器^[1]等。

[1] AE（acoustic emission）传感器＝将材料变形时产生的声音作为弹性波检测的传感器。广泛应用于产品的测试和建筑物安全监控等。

目前还是光纤占主流

就建筑物传感领域而言，已经投入实用的是光纤传感器。在大型桥梁、隧道等交通枢纽的监控之中，已经有了采用的先例。

光纤传感器的作用是根据反射光相对于入射光的变化，测量光路上发生的应变和振动等。利用的是光纤发生变形时，反射光的强度、偏振面、光波长等随之变化的物理性质。因为传感器是玻璃质地，所以腐蚀带来的劣化较小，即使有水分干扰，电信号也不会发生变化，出现异常值的几率较低。

NTT数据正在推进使用光纤的桥梁监控系统“BRIMOS”（图2），目前已经得到了2012年2月开通的东京京门大桥（Tokyo Gate Bridge）、越南芹苴大桥等建筑的采用。

图2 实用化进展显著的光纤传感器

NTT数据推出了利用光在光纤内传播时发生散射的特性，获取桥梁的振动和变形等数据，借此判断劣化程度的监控系统“BRIMOS”。

飞岛建设公司在使用光纤传感器检测隧道施工过程中的应变、高架桥的劣化程度上拥有成功的先例（图3）。该公司使用的是“FBG（fiber bragggrating）”构造的光纤。这种光纤具有与半导体激光器相连的光纤核心，配置着多个衍射光栅，反射特定波长的光线。因为反射光的波长随FBG产生的应变而发生改变，所以，通过检测波长的变化量，就可以推测出应变的大小。其特点在于精度高，可以观测到1μm的位移。

图3 利用光纤调查隧道的劣化

飞岛建设使用光纤监控隧道，检测老化伴随的混凝土应变等数据。