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扬州大学“学生团”研制地铁隧道“体检仪”

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发表于 2021-04-07 19:07 | 显示全部楼层 |阅读模式

张雅欣(左)和吴传昊正在开展模拟测量。

来自中国城市轨道交通协会的消息显示,2020年,我国内地累计有41个城市开通城轨交通线路7141.55公里。地铁已经成为城市日常出行必不可少的交通工具,但在地铁隧道中也会出现各种“病害”,威胁着人们的出行安全。

“当前,我国地铁隧道检测主要依赖人工检测和少量进口自动化设备,效率低、成本高,无法满足庞大的里程检测需求。”扬州大学信息工程学院(人工智能学院)副教授徐永安在接受《中国科学报》采访时表示。

如何高效、准确、经济地检测出地铁隧道“病害”?在“科创导师”制的“牵线搭桥”下,扬州大学信息工程学院(人工智能学院)学生张雅欣等组建了大学生科技创新团队。由导师徐永安指导,团队研发了地铁隧道三维激光检测系统。“该系统检测速度可达国外同类设备的5倍以上。”张雅欣告诉《中国科学报》。

将宝贝搬出实验室

在初中时期,受家人的影响,张雅欣萌生了创业的想法。2019年,正在上大二的她加入徐永安课题组,并组建了自己的大学生科技创新团队,选择了地铁隧道检测研究。

对张雅欣而言,导师不仅是科研路上的护航人,更是自己创业的榜样。记者获悉,在科技创新和科研成果转化路上,徐永安已经坚持了20多年。

1997年,在北京举办的中国国际机床展览会上,一个摆放着国外光学测量仪的展台被观众围得水泄不通,正在攻读博士学位的徐永安也是围观者之一。

从展会回来后,研制光学测量仪的想法一直萦绕在徐永安的脑海里。他随之改变了自己的研究方向,历经两年攻关,终于研制出国产光学测量仪。但在当时,他对科研成果转化还没有深刻的意识,便将这一宝贝成果“藏”在自己的实验室里。

“国外的设备那么贵,你有这么好的仪器,为什么不推向市场呢?”这样的声音越来越多,终于说服徐永安将宝贝搬出实验室。2011年,徐永安参与创办了一家公司,并将自主研发的光学测量仪设备推向市场。

当然,教书育人才是徐永安的本职工作。如何让学生在学习课本知识之外,学会创新思考,尝试自主研发技术并推动成果落地转化?20世纪90年代,扬州大学开启了“科创导师”制的探索之路,让学生在导师的指导下参与科技创新工作。

徐永安告诉《中国科学报》:“过去,学生与导师的关系,主要是学生在导师的实验室开展科研,导师对学生的毕业设计进行指导。现在,导师不但要在科研上指导学生,还要带领学生开展科创工作。”

深入隧道后改变方法

谈及为什么选择地铁隧道检测研究,张雅欣告诉记者,目前,国内外地铁隧道自动化检测系统大多采用1个激光点绕隧道旋转的测量技术,检测速度慢。“好比一个电动机带着一个手电筒旋转,手电筒每次照射在物体表面时只能出现一个亮斑。这意味着每次只能采集一个点,效率太低。”

如何实现快速检测呢?经过一年多的攻关,以张雅欣为首的大学生科技创新团队研发出6条激光线扫描技术,360°环形激光线投射在隧道表面,8部每秒500帧高速数码相机实时采集隧道表面的激光线图像,并换算为隧道表面形状坐标。张雅欣解释道:“6条激光线同时工作,地铁隧道检测效率得到显著提高。”

然而,研发过程并非一帆风顺。在徐永安的指导下,张雅欣带领团队先后前往青岛、兰州、佛山等城市的地铁公司,深入地铁隧道,开展实践调研。团队在调研中发现,地铁公司对隧道快速检测系统有着迫切的需求。

在精准了解地铁隧道检测痛点后,张雅欣团队开始了与时间“赛跑”的测量工作。“我们只能在夜间12点到凌晨4点进入现场开展检测工作,因为这段时间地铁处于停运状态。另外,每天进入现场前的安检过程就要耗费半个多小时,实际的测量时间非常有限。”

经过近3个月的测量,张雅欣团队发现进展缓慢,于是做出了改变测量方法的决定,希望提高检测效率。经过徐永安的点拨,团队在实验室里自建了模拟隧道。“在模拟隧道里开展实验,不但提高了实验效率,缩短了研发周期,还解决了后期新冠疫情期间实地检测的困难。”张雅欣介绍说。

在解决了测量环境问题后,团队又遇到了由振动引起的测量误差问题。“测量车在轨道上运行会产生轻微振动,这种振动会带来一些误差。”张雅欣团队成员吴传昊告诉记者。为此,团队采用了基于特征面的方法对隧道测量数据进行纠偏,“这种方法可以大幅降低测量车振动对测量精度的影响,降低动态测量误差。”

“该系统检测速度最高可达每小时17.1公里,是国外同类设备的5倍以上,动态精度为±1.6毫米,检测密度小于2毫米,而价格只有国外设备的70%左右。”张雅欣表示,系统还可以根据用户需求制定检测速度、密度、精度。

徐永安透露,目前,该系统申请发明专利4项、登记软件著作权4项,通过了江苏省产品质量监督检验研究院质检,符合CMA中国计量认证标准。

大学生创业还需多磨砺

来自用户的消息显示,张雅欣团队研发的这套系统已在投入运营的地铁隧道进行了实地检测,在检测速度、精度以及密度方面均满足实际应用要求。目前,已有多家轨道交通公司与团队达成初步合作意向。

张雅欣表示,下一步团队将继续对产品进行优化设计,并计划注册成立公司。“地铁里程数较大的城市,可直接购买检测系统;地铁里程数小的城市,可购买检测服务。”

在张雅欣看来,虽然研发过程非常艰辛,但非常有意义。“一方面培养了我们解决问题的能力,另一方面还培养了我们团队建设、组织和管理的能力,对未来的创业起了铺垫作用。”

她感叹道:“大学生参与科创,要有顽强的毅力和勤奋刻苦的精神,对团队中不同的意见要善于倾听,脚踏实地攻克每一个难关。”

徐永安也指出,对于刚毕业的学生而言,如果没有成熟的技术积累和市场认知,可以先进入企业积累几年经验,对市场形成一定认知后再进行创业。

在他看来,高校“孵化器”应该实现良性循环,当政府和高校投入资金等支持后,若能实现良好的产出,投入的积极性也将越来越大,反之则可能陷入不良循环。“政府和高校还应进一步研究如何解决这一矛盾。”

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/4/455626.shtm

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