光纖變“神經(jīng)” 大地能感知

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(shù)十個科研課題和項目的負責人。曾任國際環(huán)境巖土工程協(xié)會副主席，現(xiàn)任國際智能基礎設施結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測學會理事、中國地質(zhì)學會工程地質(zhì)專業(yè)委員會副主任委員等職。長期從事地質(zhì)與巖土工程的監(jiān)測與評價研究，已獲得國家發(fā)明專利34項。

你能相信嗎?一根頭發(fā)絲粗細的光纖，根據(jù)不同地質(zhì)環(huán)境和多場監(jiān)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(jīng)”，使得大地一有災害異動，遠在千里之外的監(jiān)測系統(tǒng)就能立刻發(fā)現(xiàn)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(jīng)20年攻關(guān)，形成了完全自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和設備，創(chuàng)造性地建立了地質(zhì)工程分布式光纖監(jiān)測技術(shù)體系，并在地質(zhì)工程災害機理和理論判據(jù)方面取得新突破，獲得2018年國家科學技術(shù)進步獎一等獎。這也是中國科研團隊在地質(zhì)與巖土工程監(jiān)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(jīng)”，到底是怎樣煉成的呢?

光纖“神經(jīng)”

感知大地

我國是世界上地質(zhì)災害十分嚴重的國家。

據(jù)施斌介紹，地質(zhì)災害和各類巖土工程具有規(guī)模大、影響因素復雜、隱蔽性強、跨越區(qū)域多、環(huán)境惡劣、實時性監(jiān)測要求高、監(jiān)測周期長等特點。地質(zhì)工程監(jiān)測是防治地質(zhì)災害、確保地質(zhì)工程安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但傳統(tǒng)的點式、電測類監(jiān)測技術(shù)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(zhàn)。

過去20年間，施斌團隊在地質(zhì)與巖土工程多場多參量分布式傳感介質(zhì)、長距離解調(diào)設備、監(jiān)測方法與系統(tǒng)集成、地質(zhì)工程災害機理和理論判據(jù)等方面取得了10余個關(guān)鍵理論和技術(shù)問題的突破：創(chuàng)制了30余種地質(zhì)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(jiān)測復合傳感光纜等，為地質(zhì)工程監(jiān)測打造了堅韌而敏感的“神經(jīng)”;研制出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的商用化的分布式光纖應變單端解調(diào)設備，為地質(zhì)工程光纖監(jiān)測提供了精準而智能的“大腦”;創(chuàng)建了邊坡、地面沉降、樁基、隧道等多場分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)，為地質(zhì)災害和巖土工程光纖監(jiān)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(jīng)’，我們就能夠感知大地、減輕各類地質(zhì)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(jīng)’，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(shù)—硬件設備—系統(tǒng)集成—成果轉(zhuǎn)化—工程應用的全過程創(chuàng)新，形成了新的技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈，開創(chuàng)了地質(zhì)與巖土工程監(jiān)測新的技術(shù)領域，使地質(zhì)工程監(jiān)測技術(shù)從點式走向分布式，從電測時代走向了光感時代。

突破技術(shù)封鎖

形成自主產(chǎn)權(quán)

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(nóng)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(zhàn)術(shù)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(fā)一種分布式光纖測量技術(shù)，能夠長距離、分布式監(jiān)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(jiān)測。

“我當時十分興奮，因為這一技術(shù)十分適合像堤防這樣的地質(zhì)工程災害的監(jiān)測，決心將這一技術(shù)應用到地質(zhì)災害預警與巖土工程的安全監(jiān)測中?？墒?，當時國際上對中國進行相關(guān)技術(shù)封鎖，而且許多人認為，將這一技術(shù)應用于地質(zhì)體的監(jiān)測在技術(shù)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(fā)資金，開始了近20年的科技攻關(guān)。從實驗室建設到研發(fā)設備購買，從理論模型的建立到試驗模型的創(chuàng)立，從一次次的試驗失敗到一個個理論和技術(shù)問題的突破，從傳感光纜的設計到生產(chǎn)試制，從產(chǎn)品的中試再到工程應用，從產(chǎn)學研平臺搭建到企業(yè)平臺的成果轉(zhuǎn)化，從強強合作到技術(shù)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(diào)技術(shù)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(jīng)過數(shù)年攻關(guān)，終于研制出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的商用化的分布式光纖應變單端解調(diào)設備，在精度、重復性與測試速度等方面明顯優(yōu)于國外同類產(chǎn)品的技術(shù)指標，填補了國內(nèi)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(huán)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(zhì)系(即現(xiàn)在的地球科學系)水文地質(zhì)工程地質(zhì)專業(yè)。“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(yè)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(xiàn)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(zhàn)略，通過理科向工科延伸，實現(xiàn)文理工醫(yī)四大學科領域協(xié)調(diào)發(fā)展。施斌等一批教授在大力發(fā)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(fā)展產(chǎn)學研

形成產(chǎn)業(yè)鏈

施斌介紹，這項學術(shù)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(nèi)外試驗研究，解決地質(zhì)與巖土工程光纖監(jiān)測中的關(guān)鍵理論和技術(shù)問題。

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

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

目前，這項成果有40余種產(chǎn)品推向了國內(nèi)外市場，并在長三角和京津冀地面沉降區(qū)、南水北調(diào)、三峽庫區(qū)、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(guān)技術(shù)產(chǎn)品已出口到英國、美國、意大利、智利、馬來西亞等國，節(jié)省部分工程監(jiān)測費用70%—80%。近3年來，成果及其衍生產(chǎn)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(jié)合在一起，走出實驗室，在具體的工程實踐中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，創(chuàng)新技術(shù)、形成產(chǎn)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(jīng)驗的不斷積淀，也意味著學術(shù)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(shù)人員的辛勤付出，沒有這樣一個團結(jié)奮進、富有創(chuàng)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(yǎng)從來不放松。定期或不定期開研討會，是他長期在培養(yǎng)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(yōu)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(yǎng)出數(shù)位優(yōu)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(fā)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(guān)技術(shù)和產(chǎn)品，在光纖化學場監(jiān)測、地震波監(jiān)測等方面不斷開拓，在地質(zhì)與巖土工程領域繼續(xù)發(fā)揮引領者的作用。(姚雪青)

關(guān)鍵詞： 光纖 神經(jīng) 感知 大地