——記中巖科技國家大儀項目科研團隊

隨著國家基礎設施建設的發展,不同類型的橋梁、隧道、高塔、起重機械等大型設施不斷涌現。而無錫10·10事故、昆明地鐵施工塔吊側翻事故......每一起事故都在向我們發出警告,大型設施的安全性和健康問題已然成為與國家安全、人民安全息息相關的難題。而解決這一難題,“變形測量”是必要的一環,傳統的測量方式耗時耗力且效果并不理想,國外對攝影測量技術的研究工作開展比較早,已經形成商業化模式,但在國內,由于起步較晚、技術封鎖等原因,尚處于實驗室探索研究階段,在大型基礎設施工程領域的應用研究更少。如何構建自主技術,打破國外技術壟斷成了一個緊迫的問題。

“十三五”國家科技創新規劃高度關注顛覆性技術替代傳統產業,提出要構建自主可控技術體系,推動產業邁向高端發展,把握國際競爭力和主動權。為提升重點領域和重大智能成套裝備自主創新研發能力,國家重點研發計劃“重大科學儀器設備開發”重點專項應運而生。

2018年,項目正式啟動。鑒于項目意義大、技術難度高、科研周期緊等特點,中巖科技組建了一支具有豐富研發經驗、富有戰斗力的科研團隊,團隊平均年齡35歲。正是這樣一支年輕而富有朝氣的隊伍,迎難而上,率先開啟遠距離、大視場、非接觸三維視頻撓度儀的研究,堅決打贏關鍵核心技術攻堅戰。

創新的路注定不會平坦

大型設施撓度非接觸測量儀的自主研發并非易事,項目研究團隊也遇到了重重挑戰。現有的三維光學測量系統一般需要借助輔助標定設備,僅適用于室內近距離小范圍高精度測量。對于大型設施的實際檢測需求,如何實現“遠距離、無標靶”狀態下“大視場、多點動態、高精度”測量,成為解決難題的關鍵。“就好比在500m距離下找到跨度500m橋梁上的50個M5的螺栓,并同時跟蹤這50個螺栓振動軌跡。”團隊負責人楊永波博士這樣形容道。為了解決實際應用中自然紋理表面的測量目標點的跟蹤問題,克服傳統相關算法在自然特征整像素搜索時容易丟失的缺點,研究團隊開發了圖像質量評價和增強功能,提出了結合高斯的遞歸-迭代圖像相關算法,有效提高低質量或者自然紋理表面上的目標點跟蹤的可靠性。為了提高三維變形測量精度,在相機自標定方面,研究團隊提出了無人機輔助和角度傳感器輔助等多項大視場立體視覺標定方法,建立了標定、三維點和姿態的聯合優化框架,首次提出了外參實時矯正理論和算法,極大提高了標定精度和效率;在三維重建方面,提出了條件三維重構理論,解決三維測量中從圖像域到三維空間的端到端重構難題,填補該研究領域空白,提高了測量精度和魯棒性。

項目研發期間經歷了中美貿易摩擦,由于技術方案中采用了部分進口部件,供貨周期及質量無法得到保證,為了真正實現自主可控,實現關鍵技術突破,導致整個方案幾乎推倒重來。歷經無數次的嘗試,屢屢受挫,卻一次次挺過難關,最終在2020年實現完全國產化技術方案,保障研究成果的完全自主可控。

行就行,不行就再想想辦法

2020年初爆發疫情,正值現場聯調和外場測試的關鍵時期,研發團隊成員被隔離在家中,各項目工作均無法開展,進度嚴重滯后。“現在是項目中期的重點節點,沒有條件也要創造條件,不行就再想想辦法。”楊永波博士鼓勵團隊成員。團隊成員克服種種困難,利用網絡賦能,各種視頻會議,動態調整項目進度計劃,積極創造復工復產條件,在中科院和武昌區領導的支持下,研發團隊提前復工,在中科院園區內單獨設立了專門的研發場地。

項目另一大挑戰——野外驗證試驗,由于全流程驗證,方便更好模擬現場工況及無人機飛行,試驗位置都比較偏僻,每次試驗短則十幾小時長則上數月。為了試驗方便,研究團隊一般選擇就近駐扎,除了試驗場地不能供電等條件受限,長時間的白天暴曬或晚間寒潮無疑對也是隊員們身體和心理的巨大考驗。那段時間“披星戴月”已成為工作常態,惡劣的氣候條件、艱苦的試驗環境,在一次次的挑戰著大家的意志,但大家的心卻越來越齊,干勁越來越足,朝著一個目標,奮勇攀登,對每一次的外場試驗都進行詳細的復盤、分析并制定相應實施方案,最終保證了精度測試的圓滿成功!

圖1 研究團隊外場測試

堅持,譜寫勝利的華章

研發歷時三年多的時間,團隊突破了三維圖像獲取、低質量圖像高分辨分析、大視場相機自標定、圖像快速匹配與三維快速定位算法、激光絕對測距調制信號降頻鑒相方法等關鍵技術,實現了遠距離、大視場、高精度的多點目標三維變形測量及安全性評估分析等總體技術目標。研發出我國首臺大視場三維撓度非接觸測量儀,形成具有完全自主知識產權的的大型設施撓度非接觸測量儀系列產品,使我國大視場三維撓度非接觸測量高端裝備邁向完全自主可控,我國三維變形非接觸測量技術躋身國際先進水平,推動了工程檢測技術的跨越式發展。

團隊成員共計27人,榮獲成果189項,其中國家重大科學儀器設備專項“大型設施撓度非接觸測量儀”知識產權23項。項目成果一經推廣就快速取得政府支持、行業許可、價值認定并形成產業化。

助力智慧城市, 為工程質量保駕護航

該檢測系統實現了大型設施多點動靜態三維撓度實時非接觸測量及安全性評估分析,顯著提高既有或在建大型設施結構安全評估工作的效率和準確度,不僅能夠降低人工的勞動成本和強度,而且能提供更準確的測量數據,有效提升重大結構安全事故防控技術水平,提升公共安全水平,減少經濟損失和不利的社會影響,應用前景廣闊。目前,項目成果已成功應用于武漢長江隧道、南京揚子江隧道、鸚鵡洲長江大橋、晴川橋、武漢長江二橋、楊泗港長江大橋、起重機械、輸電鐵塔等重大工程,保障了設施的安全運營。應用單位武漢長江隧道有限公司評價“該項成果為近接工程施工影響和施工方案提供了建議;對隧道土建結構安全進行評價,為隧道提質增效和維修保養提供了建議,產生了巨大的社會效益”。應用單位中鐵大橋科學研究所院有限公司評價“該項成果在晴川橋吊桿疲勞損傷檢測與疲勞壽命預測的應用,為橋梁管養維護部門決策提供有益的支持,取得了顯著的社會效益”。

圖2 武漢長江隧道應用

基礎設施建設行業的應用場景只是項目成果推廣的第一個方向領域。后續,還將會在在工業制造、航天航空、風電、巖石煤礦、古文遺產等領域進行拓展應用,充分發揮該項目高精度大尺寸變形測量及安全評估技術優勢,創造更大的經濟效益和社會價值。

中巖科技作為巖土工程檢測監測設備領域的排頭兵,始終銘記“為工程質量保駕護航”的使命,不斷創新,突破技術瓶頸,2021年度在國家政策帶領下,實現“專精特新”兩連跳,成為湖北省級、國家級“專精特新”小巨人企業。在日趨激烈的綜合國力競爭中,我們沒有更多選擇,唯有堅持自主科技創新道路。國外技術壟斷的例子不勝枚舉,但只要中國人在核心技術上不低頭,并迎頭趕上,就能從無到有、從有到精、打破一個又一個技術壁壘,實現真正意義上的中國智造。