南方財經(jīng)全媒體記者 袁思杰 香港報道

在湘西的青山綠水間，鳳凰磁浮革命性的磁浮在線監(jiān)測平臺堪稱磁浮交通的數(shù)字神經(jīng)系統(tǒng)，持續(xù)"把脈"軌道健康狀況，精準調(diào)平保障磁浮列車平穩(wěn)運行，讓乘客感受到"如履平地"的體驗。而在廣州，超級神經(jīng)系統(tǒng)讓600米的廣州塔在云端得以舒展"小蠻腰"，700個精密傳感器捕捉到塔身每一次細微的"呼吸"。

在香港，青馬大橋的自適應(yīng)概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)精準捕捉大橋"心跳"的細微異常。即使環(huán)境噪聲完全掩蓋了損傷本身的微弱信號，依然能實現(xiàn)85%以上的精準定位，就像在暴雨夜的喧鬧中清晰分辨出一片落葉墜地的聲響。

磁浮列車劃破長空，高鐵網(wǎng)絡(luò)縱橫馳騁，摩天大樓直插云霄，跨海大橋飛架天塹：而默默守護這些標志性項目結(jié)構(gòu)安全的核心技術(shù)，源自香港理工大學(xué)土木及環(huán)境工程學(xué)系智能結(jié)構(gòu)與軌道交通講座教授倪一清在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的一系列開創(chuàng)性科研成果。

“對于任何一個運動系統(tǒng)，我們都希望能夠?qū)崿F(xiàn)對其的有效控制。”倪一清對記者說。

倪一清表示，過去數(shù)十年，團隊依托大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)開發(fā)了一系列分析算法，使系統(tǒng)能快速診斷結(jié)構(gòu)性能問題，如裂縫形成、局部可靠度下降等關(guān)鍵指標，實現(xiàn)實時計算反饋。

倪一清是國際著名結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測專家，連續(xù)5年在土木工程領(lǐng)域位列全球前2%高被引科學(xué)家，曾獲國家科技進步獎二等獎和日內(nèi)瓦國際發(fā)明展金獎及特別大獎。自1990年代起，他主導(dǎo)了香港青馬大橋、廣州塔、深圳證券交易所等地標工程的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)，為建筑物進行全壽命期的健康監(jiān)測。

基建項目的"隱形衛(wèi)士"

在浙江大學(xué)求學(xué)期間，倪一清受總是乘坐火車來杭州的外省同學(xué)影響，產(chǎn)生了對火車和軌道交通的向往，總盼望有機會坐一次火車?！按髮W(xué)畢業(yè)后，我特地去坐了一趟從杭州到寧波的火車，圓了自己的火車夢。”

自此，對結(jié)構(gòu)動力學(xué)的熱情就深深埋在了倪一清的心中，直到后來對其主要的研究方向和科研成果產(chǎn)生了重要影響。倪一清認為，火車等軌道交通本身就是一個動力系統(tǒng)，而任何一個動力系統(tǒng)，都需要被有效地控制。

畢業(yè)后，他從事傳感器相關(guān)工作，主要將其應(yīng)用于土木結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測領(lǐng)域。

在1990年代研究生畢業(yè)后，由于浙江大學(xué)在當時還未設(shè)立結(jié)構(gòu)動力學(xué)相關(guān)的博士點，倪一清選擇遠赴香港理工大學(xué)攻讀博士學(xué)位，擔任研究員，并開始參與政府主導(dǎo)的橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測項目，包括為1995年開始建設(shè)的香港青馬大橋安裝傳感器。

“香港在大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位。當時，這些大橋已經(jīng)開始建設(shè)長期、永久性的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。我們將監(jiān)測系統(tǒng)永久性地安裝在大橋上，實現(xiàn)實時監(jiān)測和預(yù)警，而國外多以一座橋梁為對象，進行一至兩個月的臨時監(jiān)測，二者的概念存在明顯區(qū)別。”倪一清指出。

正因此，倪一清雖前往美國進行博士后研究，后來還是選擇回國，先后參與了一系列新建橋梁的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測工作：“從汲水門大橋、汀九大橋，到后來的昂船洲大橋、深圳灣公路大橋（西部通道大橋），直至港珠澳大橋，我均有幸參與了這些大橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)。”

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至2010年，倪一清開始參與火車安全監(jiān)測項目，從此結(jié)下不解之緣，并扎根這一領(lǐng)域，將其在土木工程領(lǐng)域的科研成果，通過跨學(xué)科合作進行落地轉(zhuǎn)化。

從守護橋梁到軌道健康監(jiān)測

2015年10月，經(jīng)科學(xué)技術(shù)部批準，國家軌道交通電氣化與自動化工程技術(shù)研究中心香港分中心（下稱“研究中心”）在香港理工大學(xué)正式成立，主要聚焦應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域的先進傳感、智能振動控制、軌道交通噪聲控制、機器學(xué)習及大模型等先進技術(shù)研發(fā)。

迄今，倪一清團隊在研究和應(yīng)用領(lǐng)域碩果累累，代表性研究包括軌道交通智能運維系統(tǒng)、鐵路異物入侵監(jiān)測系統(tǒng)和光纖光柵傳感器等。

其中，光纖光柵傳感器是倪一清團隊在結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測方面最具代表性的科研成果之一。

這一智能傳感器，通過一條細細的光纖即可傳送信號。結(jié)合超聲導(dǎo)波等技術(shù)，光纖傳感器能夠精準捕捉裂縫、溫度及振動等細微信號。

對于光纖光柵傳感器的優(yōu)勢，倪一清認為，一方面，傳統(tǒng)的傳感器使用電信號會受到火車及鐵軌產(chǎn)生的電磁信號干擾，而光纖則不存在這個問題；另一方面，中心研發(fā)的傳感器質(zhì)量小，可直接安裝在高鐵和軌道上，可實現(xiàn)多點布設(shè)且無需額外供電，不影響列車正常運行。

該技術(shù)已護航全球多個標志性基建項目。在高鐵領(lǐng)域，京滬高鐵與蘭新鐵路率先部署傳感器網(wǎng)絡(luò)，實時追蹤車輪扁疤、軌道形變及動態(tài)荷載，提升安全運營水平。在2016年，該技術(shù)輸出到了新加坡地鐵，成為首例海外鐵路應(yīng)用。

同年，倪一清團隊利用這項技術(shù)，對在里約奧運會期間運行的地鐵4號線列車結(jié)構(gòu)部件展開全面監(jiān)測，范圍涵蓋動車及拖車轉(zhuǎn)向架、軸箱、齒輪箱、天線梁和電機，在4天時間內(nèi)累計監(jiān)測行車里程500公里。

除保障結(jié)構(gòu)安全外，如何減少高速行駛下的列車產(chǎn)生的噪聲也是研究中心的科研重點。資料顯示，軌道交通產(chǎn)生的直接噪聲主要來自火車車輪和軌道振動發(fā)出的滾動噪音，以行駛時速300公里/小時的列車為例，車內(nèi)噪聲可達75分貝，距軌道25米處可產(chǎn)生約70-80分貝的噪聲。而暴露在大于85分貝的環(huán)境超8小時，可致人的聽力損傷，90分貝以上則會引發(fā)神經(jīng)衰弱、血壓升高等癥狀。

為解決噪聲問題，研究中心團隊通過3D打印技術(shù)制作聲學(xué)超材料吸聲屏障，可實現(xiàn)寬頻高效吸聲。此外，團隊還研發(fā)了鐵路噪聲控制智能顆粒阻尼器，安裝后軌道近場噪聲可降低3-5分貝，遠場噪聲可降低1-3分貝。

目前，這兩項技術(shù)已經(jīng)在香港地鐵和深圳地鐵投入測試和使用。

倪一清指出：“我們不僅關(guān)注結(jié)構(gòu)安全性，更強調(diào)用戶體驗維度，例如在鐵路應(yīng)用中，我們會把乘客舒適性和噪音控制作為核心指標被納入監(jiān)測體系?！?/p>

人工智能“保駕護航”

根據(jù)國家鐵路局發(fā)布《2024年鐵道統(tǒng)計公報》，我國鐵路營業(yè)里程達到16.2萬公里，其中高速鐵路4.8萬公里，位居世界第一，超越了世界上其他國家高鐵營業(yè)里程的總和。全國鐵路路網(wǎng)密度達168.5公里/萬平方公里，年旅客發(fā)送量和周轉(zhuǎn)量穩(wěn)居世界第一，貨運量世界第一。

作為國家軌道交通電氣化與自動化工程技術(shù)研究中心香港分中心主任，倪一清如今正積極引領(lǐng)人工智能在鐵路領(lǐng)域結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的研究與應(yīng)用。

AI的發(fā)展為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測注入“先知直覺”?；趫D像以及激光雷達系統(tǒng)，倪一清建立了異物監(jiān)測系統(tǒng)，即使是一根晾衣架掉到鐵軌上也能精準識別。“這個系統(tǒng)是完全采用深度學(xué)習算法建立起來的，一般的算法做不到這樣快速的識別。”倪一清表示。

過去，不具備實時監(jiān)測的列車只能依靠固定時間段的檢修來搜集數(shù)據(jù)，效率低下。而借助研究團隊開發(fā)的AI智能監(jiān)測云平臺，檢修員可以通過傳感器技術(shù)，實時監(jiān)測列車運行數(shù)據(jù)，從而在安全性、可靠度、舒適度等各細節(jié)上完善目前的中樞控制系統(tǒng)。目前，智能監(jiān)測云平臺已經(jīng)在新加坡地鐵、香港地鐵和內(nèi)地高速鐵路等軌道交通場景安裝使用，反響良好。

倪一清建議，攻讀土木工程專業(yè)的學(xué)生，不能只學(xué)專業(yè)知識，更重要的是接觸人工智能、材料科學(xué)和信息系統(tǒng)等方面相關(guān)的先進技術(shù)，“人工智能將來會在每個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，大學(xué)生現(xiàn)在就應(yīng)該開始修讀相關(guān)課程。”

在土木工程材料革新方面，研究中心團隊也在積極推動智能材料與AI的深度融合，其研發(fā)的自感應(yīng)混凝土可以使鐵路軌枕具備實時感知荷載能力，目前正與上海鐵路局開展應(yīng)用測試。

人工智能的賦能遠不僅可以守護軌道交通安全，還可以應(yīng)對復(fù)雜城市環(huán)境面對極端風暴帶來的風險。

2023年，倪一清領(lǐng)導(dǎo)的團隊獲得研究資助局撥款近5000萬港元支持，開發(fā)了“INTACT: 沿海城市智能式熱帶風暴減災(zāi)系統(tǒng)”。這項系統(tǒng)以激光雷達測風技術(shù)為核心，構(gòu)建了全球首個面向高層建筑群的實時臺風風險預(yù)警原型。

倪一清表示，該系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)氣象監(jiān)測局限，通過韌性評估模型與臺風路徑模擬深度耦合——利用衛(wèi)星遙感、地面?zhèn)鞲?、歷史災(zāi)損庫等多源數(shù)據(jù)訓(xùn)練，動態(tài)更新算法，實現(xiàn)了臺風對關(guān)鍵建筑的潛在破壞力定量預(yù)測。

“火車夢”引領(lǐng)動力學(xué)研究之路

《21世紀》：你曾提到從小對火車就有著莫名的向往?？煞穹窒硪幌率侨绾我徊讲阶呦蚪Y(jié)構(gòu)動力學(xué)專業(yè)研究之路的？

倪一清：我的家鄉(xiāng)位于浙江省的一個縣城，當時尚未通火車。大學(xué)四年期間，往返家鄉(xiāng)與杭州，我一直乘坐長途汽車。班級中有許多來自北方的同學(xué)，他們通常乘坐火車往返甘肅、蘭州等地，經(jīng)常向我們分享旅途中的見聞和故事，我對此非常向往。正因如此，大學(xué)畢業(yè)后，我特地乘火車從杭州前往寧波，再從寧波返回家鄉(xiāng)，這也是我人生中首次乘坐火車。

火車動力學(xué)是我大學(xué)時期的研究方向，我的本科畢業(yè)論文也是和動力學(xué)相關(guān)。在浙江大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間，我亦從事振動控制方向的研究。

我一直對控制非常感興趣，而火車的運行過程本質(zhì)上就是動力系統(tǒng)的運行過程。對于任何一個運動系統(tǒng)，我們都希望能夠?qū)崿F(xiàn)對其的有效控制。

《21世紀》：博士后階段結(jié)束后，你為何沒有選擇留在美國，而是選擇到香港發(fā)展？

倪一清：香港在大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位。當時，這些大橋已經(jīng)開始建設(shè)長期、永久性的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。

我們將監(jiān)測系統(tǒng)永久性地安裝在大橋上，實現(xiàn)實時監(jiān)測和預(yù)警，而國外多以一座橋梁為對象，進行一至兩個月的臨時監(jiān)測，兩者的概念存在明顯區(qū)別。

除青馬大橋外，還有汲水門大橋、汀九大橋、后來的昂船洲大橋、深圳灣公路大橋（西部通道大橋），直至港珠澳大橋，我均有幸參與了這些大橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)。彼時我也意識到，未來還會有更多新橋的建設(shè)，因此我非常希望能夠回國，繼續(xù)參與這些大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的相關(guān)研究工作。

中國高鐵技術(shù)世界領(lǐng)先

《21世紀》：作為我國軌道交通發(fā)展的見證者，你如何看待我國在軌道交通領(lǐng)域，特別是高鐵、地鐵、磁懸浮列車等方面的技術(shù)實力及其國際競爭力？

倪一清：過去十年間，我國在軌道交通領(lǐng)域取得了巨大的技術(shù)進步。目前，我國軌道交通技術(shù)已處于世界先進水平。比如高鐵，我國的運營里程居世界首位。盡管出于安全考慮，部分線路將列車時速控制在300至350公里每小時，但近年來如京滬高鐵等線路，部分列車時速已提升至400至450公里每小時，車速已達到世界領(lǐng)先水平。

但在管理和運營方面，部分領(lǐng)域仍有提升空間。以往我們更側(cè)重于技術(shù)層面，而國際上則更加注重乘客舒適度、高鐵車站人流規(guī)劃等軟科學(xué)方面，研究起步更早，經(jīng)驗更為豐富。

在磁懸浮方面，我國已具備時速600公里的磁懸浮列車，但目前尚需建設(shè)一條能實際運營的高速磁懸浮試驗線。只有建成此類試驗線，我國高速磁懸浮技術(shù)才能真正實現(xiàn)客運運營。

《21世紀》：從你的研究領(lǐng)域出發(fā)，實現(xiàn)上述目標還存在哪些關(guān)鍵技術(shù)難題亟待攻克？

倪一清：就車速而言，我認為已不存在重大技術(shù)障礙。但在提升舒適度等方面，如噪聲控制，仍是亟需解決的挑戰(zhàn)。如何進一步降低噪聲對乘客及沿線居民的影響，是當前面臨的重大課題。

有觀點認為，由于磁懸浮列車消除了輪軌摩擦，噪聲問題將大為緩解。然而，空氣動力噪聲依然存在。以時速600公里為例，這相當于飛機起飛時的速度。眾所周知，飛機起飛時的噪聲非常大。因此，如何在如此高的速度下有效降低空氣動力噪聲，是磁懸浮技術(shù)面臨的重要挑戰(zhàn)之一。

我所在的國家工程技術(shù)研究中心的主要研究領(lǐng)域之一，就是利用先進技術(shù)降低噪聲。例如，采用智能材料，如石墨烯、碳納米管，通過3D打印技術(shù)制造具有優(yōu)異吸聲性能的非天然材料，即聲學(xué)超材料，以實現(xiàn)噪聲的有效控制。此類技術(shù)不僅適用于高鐵和磁懸浮列車，也可推廣用于高速公路的噪聲治理。

AI賦能軌道交通安全

《21世紀》：你主導(dǎo)的高鐵安全監(jiān)測系統(tǒng)已實現(xiàn)從“軌道”到“輪子”的監(jiān)測延伸，并計劃拓展至管道磁懸浮。可否分享一下團隊在軌道交通安全檢測方面的研究成果？這些技術(shù)是如何在超高速交通系統(tǒng)中保障安全和提升穩(wěn)定性？

倪一清：我們研發(fā)了一系列特制傳感器。由于現(xiàn)有的光纖傳感器，其采樣頻率一般僅能檢測5000赫茲以內(nèi)的信號，而在聲發(fā)射或超聲波檢測中，檢測頻率遠高于此。

我們發(fā)現(xiàn)，超聲波檢測在裂縫檢測方面極為有效。超聲波沿結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鞑r，遇到裂縫會產(chǎn)生反射和折射，信號特征明顯不同。

因此，我們開發(fā)了專用的超聲波光纖傳感器。其優(yōu)點在于：首先，可在多點布設(shè)傳感器；其次，每個測點無需單獨供電。由于高鐵沿線（除站臺及道岔等位置外）普遍無電源，若需為檢測設(shè)備單獨供電，將極為不便且不切實際。

《21世紀》：人工智能和各行各業(yè)深度融入是現(xiàn)在的一大趨勢。你的研究團隊在應(yīng)用人工智能方面有哪些最新實踐？

倪一清：我所在的國家工程技術(shù)研究中心重點研究方向之一是磁懸浮控制系統(tǒng)，包括控制算法的研發(fā)。目前，磁懸浮控制系統(tǒng)在常規(guī)環(huán)境下運行穩(wěn)定，但在遭遇臺風等極端氣候時，懸浮控制的魯棒性（穩(wěn)健性）仍面臨挑戰(zhàn)。為提升控制算法在不確定干擾下的穩(wěn)定性，我們引入了人工智能算法。例如，采用加強學(xué)習、遷移學(xué)習、圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，提升系統(tǒng)對不定性干擾的適應(yīng)性和穩(wěn)健性，從而確保在極端天氣下也能實現(xiàn)良好控制。

另一個實例是應(yīng)對異物侵入，如滑坡導(dǎo)致的石塊、泥沙落入軌道，可能導(dǎo)致脫軌事故。對此，我們開發(fā)了基于人工智能的異物侵入監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合數(shù)碼相機和激光雷達，通過圖像識別技術(shù)，可在動態(tài)環(huán)境下實現(xiàn)高鐵隧道前方1500米范圍內(nèi)的實時監(jiān)測，能夠準確識別異物、人或其他車輛進入，并及時預(yù)警列車駕駛員，實現(xiàn)列車及時減速或停車，從而保障運行安全。該系統(tǒng)完全依賴人工智能算法，能夠?qū)崿F(xiàn)快速識別并即時響應(yīng)，是傳統(tǒng)算法無法實現(xiàn)的。

《21世紀》：近年來，我國軌道交通公司加快了出海步伐，特別是在“一帶一路”共建國家市場方面落地建設(shè)項目。這其中，香港可以扮演哪些重要角色，幫助我國高鐵、地鐵等軌道交通開拓國際市場？

倪一清：香港在這一過程中可以扮演獨一無二的角色。例如，在香港設(shè)立鐵路領(lǐng)域的認證中心。香港已與全球一百多個國家和地區(qū)簽署了互認協(xié)議，即在香港完成的認證，在這些國家和地區(qū)均可直接獲得認可，無需再次認證。

目前我國高鐵技術(shù)“出?！睍r，通常需要與當?shù)睾炇饏f(xié)議，確保系統(tǒng)按中國標準制造和使用。但部分國家要求技術(shù)產(chǎn)品必須通過本地相關(guān)規(guī)范和認證。在這種情況下，香港可發(fā)揮獨特優(yōu)勢。出海項目在香港完成技術(shù)認證后，憑借互認協(xié)議，該認證即可被相關(guān)國家直接認可，無需在當?shù)刂匦聶z驗認證。

（實習生顧欣宇、顧泯駿對報道亦有貢獻）

策劃：趙海建

記者：袁思杰

監(jiān)制：朱麗娜

編輯：李艷霞

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