随着国家基础设施建设的发展,不同类型的桥梁、隧道、高塔、起重机械等大型设施不断涌现。然而，无锡10·10事故、昆明地铁施工塔吊侧翻事故......每一起事故的出现，也都在向人们发出警告：大型设施的安全性和健康问题已然成为与国家安全、人民安全息息相关的难题。
想要解决这一难题,“变形测量”是必要的一环。国外对摄影测量技术的研究工作开展比较早,已经形成商业化模式,但在国内,由于起步较晚、技术封锁等原因,尚处于实验室探索研究阶段,在大型基础设施工程领域的应用研究更少，而我国习惯使用的传统的测量方式耗时耗力且效果并不理想。
彼时，如何构建自主技术,打破国外技术垄断成了一个紧迫的问题。“十三五”国家科技创新规划高度关注颠覆性技术替代传统产业,提出要构建自主可控技术体系,推动产业迈向高端发展,把握国际竞争力和主动权。为提升重点领域和重大智能成套装备自主创新研发能力,国家重点研发计划“重大科学仪器设备开发”重点专项应运而生。
项目立项合影
在国家的号召下，为了该领域打破“卡脖子”的窘迫，中岩科技国家大仪项目于2018年正式启动，鉴于项目意义大、技术难度高、科研周期紧等特点，中岩科技组建了一支具有丰富研发经验、富有战斗力的科研团队,团队平均年龄35岁。正是这样一支年轻而富有朝气的队伍,迎难而上,率先开启远距离、大视场、非接触三维视频挠度仪的研究,坚决打赢关键核心技术攻坚战。
大型设施挠度非接触测量仪的自主研发并非易事,项目研究团队也遇到了重重挑战。现有的三维光学测量系统一般需要借助辅助标定设备,仅适用于室内近距离小范围高精度测量。对于大型设施的实际检测需求,如何实现“远距离、无标靶”状态下“大视场、多点动态、高精度”测量,成为解决难题的关键。“就好比在500m距离下找到跨度500m桥梁上的50个M5的螺栓,并同时跟踪这50个螺栓振动轨迹。”团队负责人杨永波博士这样形容道。
项目应用于重庆轨道交通4号线
为了解决实际应用中自然纹理表面的测量目标点的跟踪问题,克服传统相关算法在自然特征整像素搜索时容易丢失的缺点,研究团队开发了图像质量评价和增强功能,提出了结合高斯的递归-迭代图像相关算法,有效提高低质量或者自然纹理表面上的目标点跟踪的可靠性。为了提高三维变形测量精度,在相机自标定方面,研究团队提出了无人机辅助和角度传感器辅助等多项大视场立体视觉标定方法,建立了标定、三维点和姿态的联合优化框架,首次提出了外参实时矫正理论和算法,极大提高了标定精度和效率;在三维重建方面,提出了条件三维重构理论,解决三维测量中从图像域到三维空间的端到端重构难题,填补该研究领域空白,提高了测量精度和鲁棒性。
项目研发期间经历了中美贸易摩擦,由于技术方案中采用了部分进口部件,供货周期及质量无法得到保证,为了真正实现自主可控,实现关键技术突破,导致整个方案几乎推倒重来。历经无数次的尝试,屡屡受挫,却一次次挺过难关,最终在2020年实现完全国产化技术方案,保障研究成果的完全自主可控。
成功从来都伴随着重重压力。2020年初暴发疫情，正值现场联调和外场测试的关键时期,研发团队成员被隔离在家中,各项目工作均无法开展,进度严重滞后。“现在是项目中期的重点节点,没有条件也要创造条件,不行就再想想办法。”杨永波博士鼓励团队成员。团队成员克服种种困难,利用网络赋能,各种视频会议,动态调整项目进度计划,积极创造复工复产条件,在中科院和武昌区领导的支持下,研发团队提前复工,在中科院园区内单独设立了专门的研发场地。
项目另一大挑战——野外验证试验,由于全流程验证,方便更好模拟现场工况及无人机飞行,试验位置都比较偏僻,每次试验短则十几小时长则上数月。为了试验方便,研究团队一般选择就近驻扎,除了试验场地不能供电等条件受限,长时间的白天暴晒或晚间寒潮无疑对也是队员们身体和心理的巨大考验。
那段时间，“披星戴月”已成为工作常态,恶劣的气候条件、艰苦的试验环境,在一次次的挑战着大家的意志,但大家的心却越来越齐,干劲越来越足,朝着一个目标,奋勇攀登,对每一次的外场试验都进行详细的复盘、分析并制定相应实施方案,最终保证了精度测试的圆满成功!
研发历时三年多的时间,团队突破了三维图像获取、低质量图像高分辨分析、大视场相机自标定、图像快速匹配与三维快速定位算法、激光绝对测距调制信号降频鉴相方法等关键技术,实现了远距离、大视场、高精度的多点目标三维变形测量及安全性评估分析等总体技术目标。
武汉新河大桥夜晚测量工作
团队还研发出我国首台大视场三维挠度非接触测量仪,形成具有完全自主知识产权的的大型设施挠度非接触测量仪系列产品,使我国大视场三维挠度非接触测量高端装备迈向完全自主可控,我国三维变形非接触测量技术跻身国际先进水平,推动了工程检测技术的跨越式发展。
检测系统实现了大型设施多点动静态三维挠度实时非接触测量及安全性评估分析,显著提高既有或在建大型设施结构安全评估工作的效率和准确度,不仅能够降低人工的劳动成本和强度,而且能提供更准确的测量数据,有效提升重大结构安全事故防控技术水平,提升公共安全水平,减少经济损失和不利的社会影响,应用前景广阔。
目前,项目成果已成功应用于武汉长江隧道、南京扬子江隧道、鹦鹉洲长江大桥、晴川桥、武汉长江二桥、杨泗港长江大桥、起重机械、输电铁塔等重大工程,保障了设施的安全运营。应用单位武汉长江隧道有限公司评价“该项成果为近接工程施工影响和施工方案提供了建议;对隧道土建结构安全进行评价,为隧道提质增效和维修保养提供了建议,产生了巨大的社会效益”。应用单位中铁大桥科学研究所院有限公司评价“该项成果在晴川桥吊杆疲劳损伤检测与疲劳寿命预测的应用,为桥梁管养维护部门决策提供有益的支持,取得了显著的社会效益”。
基础设施建设行业的应用场景只是项目成果推广的第一个方向领域。后续,还将会在在工业制造、航天航空、风电、岩石煤矿、古文遗产等领域进行拓展应用,充分发挥该项目高精度大尺寸变形测量及安全评估技术优势,创造更大的经济效益和社会价值。
敢想敢拼，能打胜仗。来自中岩科技的这一支国家大仪项目科研团队，成员共计27人,荣获成果189项,其中国家重大科学仪器设备专项“大型设施挠度非接触测量仪”知识产权23项。项目成果一经推广就快速取得政府支持、行业许可、价值认定并形成产业化。
中岩科技始终铭记“为工程质量保驾护航”的使命,不断创新,突破技术瓶颈,2021年度在国家政策带领下,实现“专精特新”两连跳,成为湖北省级、国家级“专精特新”小巨人企业。“在日趋激烈的综合国力竞争中,我们没有更多选择,唯有坚持自主科技创新道路。”团队成员有着这样一致的理想信念。“国外技术垄断的例子不胜枚举,但只要中国人在核心技术上不低头,并迎头赶上,就能从无到有、从有到精、打破一个又一个技术壁垒,实现真正意义上的中国智造。”
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