【封面人物】杨华中：桥隧监测，他改变了什么？

岁末年初，北京源清慧虹信息科技有限公司捷报频传。继其研发成果“基于无线传感网的桥隧结构智能监测系统”成功入选交通运输部 2020 年度交通运输重大科技创新成果库(科技成果推广项目)后，该项目还荣获第十届中国技术市场协会金桥奖、第二十四届全国发明展览会“发明创业奖·项目奖”金奖。此前，作为基础设施智能化行业领军者，源清慧虹还曾收获中国教育部科学技术一等奖、中国公路学会一等奖、纽伦堡国际发明金奖等多项荣誉。

这一切成就的达成，都离不开其核心技术的缔造者和引领者——清华大学电子工程系教授、博导，教育部“长江学者奖励计划”特聘教授，源清慧虹创始人兼首席科学家杨华中。

初心：垮桥频发怀殷忧

2011 年 7 月，短短 5 天内，江苏盐城、福建武夷山、浙江杭州三座建成通车仅十余年的桥梁发生坍塌事故，垮桥原因均指向久治不愈的“超载”，引发了社会各界对桥梁安全状况的担忧。 

摄影/王宇

“近二十年，我国迎来桥梁建设高峰，短时间内修建了大量桥梁。然而，伴随经济高速增长和桥梁服役年限增加，在环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应等灾害因素共同作用下，将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减。若后期养护管理跟不上，极有可能引发灾难性突发事故。”杨华中教授告诉《交通建设与管理》杂志记者。

在清华大学象牙塔里埋头苦研的杨华中已经敏锐地察觉到，为保障桥隧结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，新建和已经建成使用的桥隧结构亟需采用有效的手段监测和评定其安全状况，修复和控制损伤。

彼时，杨华中正从事低能耗智能无线传感网技术的研究工作。在自研领域向外看，他注意到，其时国内虽已有大型桥梁监测系统的应用尝试，却主要是有线监测系统。“桥梁的设计寿命多在百年以上，传统监测手段却只能服务两年左右，此后则无法再及时提供准确数据，曾令桥梁养护决策者们苦不堪言。”

基于低能耗智能无线传感网技术进行桥梁监测，应当可以使得监测系统寿命大大延长，同时准确、及时、长期为养护单位提供准确的桥梁结构物实时数据。灵光乍现，成了杨华中团队研究“基于无线传感网的桥隧结构智能监测 系统”的初心。

然而，进击的道路并不平坦。2012 年前后，我国通信运营业刚刚迎来宽带普及和 3G 快速增长的机遇期，中国移动宣布削减移动网转投传输网，联通则强调移动网络扩容与传输网建设并重，一切呈欣欣向荣之势，然彼时的网络覆盖面和速率却难以满足无线传感网技术所需。

为解决数据的网络传输难题，杨华中开始尝试在无线智能传感器的前端采用智能技术。“利用智能信息提取，提前把监测到的数据变成信息，同时根据周围环境和工况做出判定，进而将综合分析得出的结论传回服务平台，减少了数据传输量，最终使得我们在 2G 时代也能实时完成桥梁监测，及时传输监测数据以助于做出科学决策。”杨华中告诉记者。

前期模型建立方面，杨华中采取了传统手段与前沿方式并行的双渠道。

一方面，通过工程师与设计组通力合作，根据监测对象的结构特点，基于桥隧自建设至运营的所有状态数据，建立桥隧结构安全健康模型，以预测参数的合理范围。

另一方面，针对现有传统方式在监测数据分析上比较复杂或薄弱的情况，联合实际印证下的参数调整，同时应用真实专家研判监测数据的大样本库和桥梁异常事件库，开发基于统计识别和统计学习等理论的深度学习神经网络算法及其应用软件。

自此，全部采用无线智能传感器，以无线传感网方式组成结构监测网络，并结合云平台进行数据分析，成为杨华中团队成功实现科技成果转化的制胜法宝。

在他看来，这代表了大型结构监测需求小型化、灵活部署、智能感知的先进方向，亦代表了需要易懂易用、贴近管养服务的数据分析处理趋势，不仅具备显著的建设和运维成本优势，更具有极为突出的建设速度优势，通过及时灾害预警，把问题消灭在萌芽状态。

转化：科技“变现”如何不难？

意识到无线传感网络与结构健康监测技术结合将在交通行业大有可为后，如何将研究触角探进交通基础设施建设和养护领域，尝试将科技成果转化、产业化，并最终发挥市场机制作用使技术“变现”，成了杨华中亟需解决的难题。

“早在千禧年伊始，我开始反思高校研究成果转化率低的困境和缘由，也试着寻找促科技成果转化提质增效的有效路径。”杨华中表示。

安装了源清慧虹桥梁监测系统的重庆荔枝乌江大桥

一层层抽丝剥茧地分析后，杨华中注意到，立项初期所拟定的科学研究目标一旦与实际需求脱节，并非社会需要的技术，研究项目必将无法快速成功产业化。“诚然，对于某些虽暂时‘与市场脱节’，但经过若干年后必将发挥大作用的极超前性科研项目仍应当允许其存在，这样的研究也是社会所需要的。”杨华中解释道。

而对于类似低能耗智能无线传感网技术在桥隧监测方面应用转化之类的项目，在杨华中的认知里，显然符合社会发展需求。“几十年来，我都告诫自己，也要求学生，从事研究必须能真正解决实际问题，能击破行业痛点。”他告诉记者。

实际上，从清华大学毕业至今，杨华中一直将主业定位于科研和教学，既保持创新实力和科研能力，亦抓好在清华的人才培养工作。“我常对学生们说，如何判定研究成果是否能真正解决行业难题，除了可以发表科技论文，将研究成果交由同行评议，更重要的还是社会评价，只有最终在市场表现优秀，为社会带来价值，才能在资本市场得到认可，真正把技术变现。”

在杨华中看来，要实现科技成果转化，就需要了解行业的真实需求，确定其产业化的可行性，再进入找投资、组团队的环节。“实验室的研究成果通常不够稳定、不够方便，成本也过高，这时候需要有企业家、专业的工程师，共同将实验室的创新成果变成稳定的产品，推向市场。”

“在确定研究成果确实是社会所需后，就应当快速组织起一个有足够强悍战斗力和创新速度的企业，快速将前沿技术推向市场和应用。”杨华中说。

摄影/王宇

不同于如今越来越多愿意到初创企业大展拳脚、专注技术创新的毕业生们，千禧年前后的中国，大部分人更倾向于毕业后去大型企业从事风险小的技术工作。“所幸的是，再没有人比我所教的学生更熟悉我的技术，这也是高校老师们的相对优势，将自己熟知的相关领域的优秀毕业生集结起来，将前沿技术产业化的路子就会顺畅很多。”

在致力于技术转化的过程中，杨华中也注意到，随着我国越来越重视技术创新，过去偏爱寻求以解决国内技术空白、赶上美国为研究目标的项目进行投资的“稳妥派”们，也逐渐有了愿意投入技术先进、“全球空白”的前瞻性市场“冒险”的精神。

终于，在与投资人、基础设施养护单位的合作里，杨华中携团队逐步将前期无线传感网的相关基础创新研究成果衍变成能满足基础设施监测的无线节点和稳定的云服务平台，最终实现产业化。

令杨华中感到兴奋的是，近年来，为加速推动科技成果转化与应用，鼓励科研人员坚定做科研的政策利好不断传来。继国务院明确“科研骨干可获超过 50% 成果转化收益”后，国资委亦强调“央企应把技术创新重大项目突破列入考核范围”，确保国家有足够的资源和资金投入技术创新工作。

“这是非常明确的信号，说明中国要建设创新型社会，更有利于创新成果的产业化，我们要更多注重科学技术创新。”杨华中认为。

小成：从端到云的智慧

2013 年，杨华中团队创立源清慧虹，聚集一批基础设施结构领域的行业专家，以从端到云的智慧能力为核心，提供物联网精细化基础设施管养解决方案，令简便易用、可规模化、成本经济、建设时间短的桥隧结构智能监测系统成为可能。

从成立之年即建成世界上首座基于无线传感网的桥梁长期监测系统——无锡蓉湖大桥监测系统，到 2015 完成世界首座基于无线传感网的特大型桥梁监测系统——刘江黄河大桥监测系统，再到 2018 年建成国内首个基于无线传感网的桥隧群监测系统——智慧城市之泸州桥隧群监测系统......过去 7 年中，按一座桥梁配备一套监测系统计算，这项技术已在近千座桥隧基础设施上得到使用印证，成效喜人。

这一切，也佐证了多年前杨华中对市场需求的判断。“实践表明，基于低能耗智能无线传感网技术进行桥隧状况监测，不仅可以解决异常气候条件下的人工巡视困难，实现全天候无休监测，还能确保更快捷、更准确、更及时地向桥隧养护单位传输更完整、更丰富的桥隧数据参数，以供决策参考。”他告诉 记者。

多年来，在现有技术应用、推广之余，杨华中仍坚持携技术团队不断改进低能耗、长寿命的智能交通基础设施传感系统，在网络同步、网络化数据压缩、网络化传感器校准等方面持续深入研究基础设施监测网络技术，完善基础设施云服务平台，并结合不同需求，研发智慧化的管养软件，使得工程巡检管养更加高效。

2019 年，宜宾地震时，正为泸州提供桥梁实时监测服务的源清慧虹团队，震后及时将桥梁结构健康状况反馈给泸州市交通运输局，以准确数据支撑当地政府做好桥梁安全通行决策。翌年，我国南方多地水患严重，正于重庆服役的桥梁监测系统，亦及时自云端传回了水灾之于桥梁运营影响的全部结构数据。

“这足以证明，这项技术能够为桥隧管养决策者提供基础设施在运营过程中的长期健康状况信息，不仅可以预测意外，还能在意外发生后，借助长期历史数据的积累，对桥隧异常情况的准确诊断提供支持。”杨华中说。

安装了源清慧虹桥梁监测系统的四川泸州国窖大桥

2020 年 7 月，交通运输部与科学技术部签署《关于科技创新驱动加快建设交通强国的合作协议》提出，要突破全天候监测、智能化检测、自动化预警、无人化养护、快速化处置等技术与装备。不久后，交通运输部出台《关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》，明确推进交通基础设施长期性能观测网建设，试点开展长期性能观测，加强基础设施运行状态监测和运行规律分析，支撑一流设施建设与维护。“这与我们近十年来坚持的研究方向是不谋而合的！”杨华中很激动。

在他看来，就算是最顶级的专家，在缺乏全面、长期、准确的监测数据支持时，也很难判定基础设施出现问题的根源所在。“令监测系统具备专家级监测水平，一方面可以提升各基础设施管养单位的监测水平，尽可能避免人工巡检或存在的工作能力及监测水平参差不齐等状况，另一方面还将实现自动化预警功能，最终实现快速处置和科学管养。”杨华中认为，“这就是智能化监测的意义。”

“从经济和可用性来看，采用无线传感网络以后，由于监测系统部署灵活、系统稳定、寿命更长，也使得监测时花的代价要比传统方案小。实操显示，可减少 75% 左右的系统搭建时间。”

令杨华中印象深刻的，不得不提这套监测系统在嘉绍大桥上的精彩表现。据介绍，为准确判断嘉绍大桥是否会发生风雨振，往年每到夏季，专家们总要花费近一个月的时间上桥布设传感器，监测一周后再将设备搬回实验室，传统监测所得数据的分析效果总不尽如人意。“最终采用低能耗智能无线传感网技术，技术人员仅用一两天布置好传感器，持续监测三个月，终于一次搞定，所得数据明确证明该桥确实存在风雨振现象，用更换斜拉索的方式解决了问题。”

同时，杨华中提到，在不降低传感精度、监测点规模和数据准确性等前提下，该监测系统还可综合降低 50% 以上的建设及运维成本，并延长 200%-300% 的传感器寿命。“这对于我国公路、桥梁、隧道等基础设施结构智能监测系统建设、运维无疑有重要且直接的意义。”

未来：强国建设 智慧物联

即便取得成绩，在推动交通基础设施建设和养护的智慧化转型中，杨华中并没有停滞不前。据介绍，近年来，除了致力于全面推动交通运输行业相关基础设施的低能耗智能无线传感网监测养护技术普及外，杨华中和团队还将研究视角分散到了轨道交通运营监测及基础设施的施工期建设环节。

“我们希望可以利用新技术手段令轨道交通因故障停休停检的时间大大缩短，从而提升运营效率，也期待能以技术为提升基础设施行业生产力赋能，在施工期建设中，用实时监测等智能化手段帮助施工单位快速、准确了解基础设施结构状态，从而促使施工过程中的一部分工艺更高效地衔接起来，提高生产效率。”杨华中说。

摄影/王宇

迈入 2021 年，杨华中已经开始带领团队在新的细分领域启航。“通过多年来积累的大量数据，我们正在针对每一种类型的桥梁建立模型，包括性能劣化、挠度变化等，借助大数据训练模型，使其实现自主学习，可以令我们的算法和模型都更加可靠。”

杨华中解释，即便以相对统一并通用的神经网络为基础设施建模，也需要考虑不同类型的结构特征，加入与监测对象相适应的训练参数结构模型反应其退化情况，从而使得该模型既准确，计算复杂度又很低。

“如果完全以通用模型处理所有设施的所有状况，神经网络的训练效果要么很差，要么则会令网络规模变得异常庞大，计算需要训练的数据量也会大大增加，进而使得工程变得不可实现。”杨华中认为。

自党的十九大以来，国家对交通强国战略的重视程度持续加深，创新发展的步伐加快。正如“一千个读者眼中会有一千个哈姆雷特”般，关于交通强国建设，杨华中心中也有自己的向往。

在他看来，近年来，中国“基建狂魔”的名号响彻世界，无论是基础设施建设数量、规模乃至速度均令人称道，“在交通基建方面，我个人认为已经算是交通强国了。”然而，杨华中亦认为，“这还不够。”

如何才算实现了真正的交通强国？杨华中表示:“在保持并加速现有建设能力的基础上，交通基础设施首先应当能够长期、稳定地为人类服务，其次要能够实现智能化服务，可以通过运用先进信息技术使得基础设施的管理、养护和应用服务更加智能化、人性化，这才是《交通强国建设纲要》里，‘让人民享有更便捷的交通运输，获得更公平、 有效率的交通服务’的应有之义。”

在这个过程中，作为源清慧虹的创始人和首席科学家，杨华中期待着，低能耗智能无线传感网络技术能为已建成的交通基础设施持续提供更好保障，提升中国基建的安全性和智能化服务水平。“我们不太可能把已建成的基础设施推倒重来，只希望技术能确保提前预警，不至于给人类生活带来大灾难。”

“我希望源清慧虹能在两到三年内上市。”杨华中告诉记者。在他看来，这不单纯是为一起创业奋斗的小伙伴们实现更丰厚的经济回报，更重要的，是希望严酷的资本市场能反过来鞭策创新型企业，“必须时刻警醒，令技术、硬件、产品满足市场需求”，从而实现更有意义的人生价值。

杨华中表示，从芯片、软件和基础设施智能化监测检测方法着手，为交通强国作出更基础、技术更前沿的贡献，是源清慧虹的近期目标。“从远期来说，我们希望能把交通领域做好，能令我们研发的新技术在更多基础设施领域发挥作用，这是大家更期待看到的。毕竟，论及初衷，我一直希望能持续通过信息技术创新，为基础设施行业提供新的手段。”杨华中眼眸中透出坚毅而明亮的目光。