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防设施老朽】(一)多传感器自动监控掌握“健康”状态【日经BP社报道】 “我们希望整合收集到的数据，构筑起防患于未然的机制”（日本国土交通省）。 “应该把传感器安装到各种各样的建筑物上”（日本物质材料研究机构的研究人员）。 “要去掉传感器电源的有线布线，最好能连电池也不用更换”（NTT数据）。 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防设施老朽】(一)多传感器自动监控掌握“健康”状态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”（综合政策局工作人员）。 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”（知京）。 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”（山下）。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：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、温度传感器和水分传感器等。 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*等。 *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”。（摄影：NTT数据）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1m的位移。（未完待续，记者：久米秀尚、中道理，日经电子） 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。（图：日经电子根据飞岛建设的资料制作）【防设施老朽】(二)无线替代光纤【日经BP社报道】 上接本站报道：【防设施老朽】(一)多传感器自动监控掌握“健康”状态光纤传感器虽然具有可靠性高和精度高的特点，但因为是有线状态，铺设的人工和成本是一个问题。因此，“能够与无线结合，简单完成设置的传感器节点最近成了咨询的热门”（日立制作所信息通信系统公司无线信息统括本部统括本部长木下泰三）。 已将光纤投入商业化运营的NTT数据为了实现新一代系统，也在推进无线化（图4）。该公司首先试制出了3轴加速度传感器与无线通信相结合的系统，目前正在对其进行验证实验。“如果以在现有建筑物上安装传感器为前提，那么，无线模块在成本和工期等很多方面都具有优势”（NTT数据区域商业业务本部电子社区业务部国土安全担当部长林伦章）。 图4：争取替代光纤的加速度传感器利用光纤提供桥梁监控系统的NTT数据正在使用可以无线连接的加速度传感器开发监控系统。（摄影：NTT数据）在验证实验中，NTT数据分别在桥梁上安装无线型加速度传感器和光纤传感器，对二者进行了对比。获得的数据显示，“判断桥梁状态需要的固有频率的检测结果基本一致”（林伦章），这表明无线型加速度传感器可以替代光纤传感器。 不只是NTT数据，很多企业也都在致力于加速度传感器的利用。这是因为加速度传感器能够得到健康监控和本地监控等业务所需要的主要数据（表1）。 加速度传感器无需为社会基础设施监控专门开发，采用其他用途使用的通用产品即可。罗姆目前正与清华大学合作，在江苏省无锡市的桥梁上开展验证实验，实验使用的是该公司的全资子公司美国Kionix的智能手机用3轴加速度传感器（图5）。二者通过在桥梁上配置26个加速度传感器，构筑起了无线传感器网络，“准确收集到了桥梁的振动频率等数据”（罗姆）（注1）。 图5：使用加速度传感器监控中国的桥梁罗姆正在与中国的清华大学合作，在江苏省无锡市的桥梁上对无线传感器网络开展验证实验。安装26个加速度传感器检测振动。（摄影：罗姆）（注1）这种基于无线传感器网络的基础设施监控系统目前在欧洲也在开展验证实验，其中还融合了能量采集技术。例如，2010年4月2013年3月实施的“GENESI（green sensor network for structural monitoring）”在正在建设的桥梁和地铁设施上，使用通过光、振动、温差发电的元件来驱动传感器。GENESI工作人员推测说，欧洲基础设施的维护管理和更新的成本高达“至少1万亿欧元”，基于无线传感器网络的监控市场预计“将达数百亿欧元”。 村田制作所正在考虑把已经得到车载市场上的防侧滑（ESC）功能，以及飞机、建机、铁路等领域采用的加速度传感器应用到社会基础设施上（图6）。 图6：3D构造实现高精度村田制作所的“SCA103T系列”是单轴双输出类型的加速度传感器（a）。采用静电电容检测方式，能够通过MEMS技术，获取高感度、高精度的数据（b）。（图：（b）为日经电子根据村田制作所的资料制作）一般加速度传感器大多是两个梳齿状振子相对咬合，在加速度发生变化时，振子间距将会改变，其间出现的静电电容的变化将作为信号输出。而村田制作所的传感器则是通过平板状的悬臂梁与相对的壁面之间的静电电容的变化，来检测悬臂梁在加速度作用下的倾斜程度。因为构造简单，成本低，而且十分坚固，所以具备可靠性高、寿命长的特点。村田制作所的传感器开发人员表示，“在检测桥梁的倾斜时，精度需要达到小数点之后12位数，我们的传感器具备0.001度（10Hz，模拟信号）的分辨率，可以满足需求”。 使用摄像头拍摄“应力发光体” 使用摄像头拍摄“应力发光体”除了加速度传感器之外，图像处理相关的研究也在进展之中。产综研生产测量技术研究中心利用在力学刺激下发光的“应力发光体”，开发出了令肉眼看不到的混凝土应变和裂缝可视化的监控系统（图7）。该系统的作用是呈现裂缝的形状分布和裂缝的进展程度，可以应用于桥梁等建筑的保养检查和维护管理。 图7：让看不到的裂缝发光日本产业技术综合研究所开发出受力发光的应力发光体，准备将其应用于构造物的监控。能够发现目测看不到的裂缝。（摄影：日本产业技术综合研究所）应力发光体是把力学能量转换成光能的物质。是含有粉末状陶瓷微粒的涂料。当涂抹在混凝土构造物的表面后，应力集中部位的微粒将会发光。产综研开发的系统是由应力发光体、监控发光强度分布的摄像头、根据发光强度诊断构造物的数据库，以及整合以上元素的网络系统等组成。 通过在落成约50年的桥梁的主梁上涂抹应力发光体，监控系统的有用性和有效性已经得到了证实。应力发光图像成功呈现出了目测难以发现的微小裂缝和混凝土内部的应变。目前，日本产综研正在与大型建筑公司鹿岛建设合作，在山岳地带的隧道内对应力发光体的应用开展验证实验。产综研领导应力发光体研究的徐超男（该中心应力发光技术组组长）在介绍成果时表示，“隧道现场目测检查的精度得到了提升”。 至于今后的课题，徐超男认为是如何建立评价方法，这是因为“发光强度和裂缝的大小与建筑物致命性损伤的关系很难定量判断。每栋建筑物使用的零部件和架构各异，汇总评价方法并非易事。为此，产综研徐超男表示正“准备与知识丰富的土木及建筑类企业和研究机构合作推动实用化”。（未完待续，记者：久米秀尚、中道理，日经电子） 【防设施老朽】(三)自动提取传感器之间的关联性检测异常能量采集：掌握好传感器与无线的平衡，首先将振动发电投入实用 【日经BP社报道】 解析：自动提取传感器之间的关联性检测异常 一般来说，使用传感器的基础设施监控会设定阈值。当加速度传感器检测到的数值超过阈值时，传感器发出警报。如果传感器数量增多，采用这种方法实施监控就会相当麻烦。工作人员必须监测所有传感器的数据，并分别为其设置最佳阈值。 NEC开发出了对大量的传感器监控实施简化的新方法“不变量分析技术（SIAT：system invariant analysis technology）”，2013年度将面向基础设施系统投入使用（图8）。SIAT是在输入多个时间序列的传感器数据之后，自动学习传感器数据之间的相关性的系统。通过自动判断A传感器的数值与B传感器的数值的比例关系，在关联性遭到严重破坏时，做出“情况异常”的判断。 防设施老朽】(完)能量采集：振动发电首先实用能量采集：掌握好传感器与无线的平衡，首先将振动发电投入实用 对于面向基础设施的无线传感器网络，最后的一个组成部分是能量采集。也就是把平常弃之不用的微弱能量转换成电力加以利用的技术。就基础设施监控用途而言，振动发电和小型光伏发电的应用尤其受到期待。 利用能量采集技术必不可少的前提条件，是掌握传感器和无线通信模块的功耗（图11）。例如，3轴加速度传感器消耗的电流约为100A。鉴于能量采集得到的电能微弱，如果不足以直接驱动传感器，就需要先将其存储到充电电池和电容器之中，然后再加以利用。幸运的是，包括无线模块、MCU、存储器在内，待机电流低于1A的产品已经非常之多。在实际运用无线传感器网络之时，驱动传感器发送数据的间隔只要延长到几分钟几小时，或是1天1次即可。 图11：明确需要的发电量在结合传感器与能量采集的时候，事先需要掌握传感器功耗与能量采集发电量之间的关系。（图：日经电子根据罗姆的资料制作）关注振动发电和太阳能电池在使用建筑物的发电方式之中，把振动转化为电能的振动发电元件成为了探讨的对象。发电量与振动频率和振子的振幅成正比。振动频率以桥梁为例，大约在数Hz30Hz，具体数字因每座桥梁的规模、材质而异。因此，如何扩大振子的振幅将是竞争的焦点。“与小型化相比，（面向基础设施的发电元件）应更侧重于增加发电量”（日本某建筑公司的工作人员）。 除此之