倪一清，香港理工大学：为高铁磁浮装上“感知神经”

在香港，青马大桥的自适应概率神经网络准确捕捉了大桥“心跳”的微小异常。即使环境噪声完全掩盖了损害自身的微弱信号，它仍然可以实现 85% 上述精确定位，就像在暴雨夜的喧嚣中清晰地分辨出一片落叶落地的声音。

香港理工大学土木工程与环境工程系智能结构与轨道交通讲座教授倪一清在结构健康监测领域的一系列开创性研究成果，默默守护着这一代表性项目结构安全的关键技术。

"对任何运动系统，我们都希望能有效地控制它。"倪一清对记者说。

倪一清表示，在过去的几十年里，他的团队依靠大数据和人工智能技术开发了一系列分析算法，使系统能够快速诊断关键指标，如缝隙形成、局部可靠性下降等结构性能问题，实现实时计算反馈。

倪一清是世界著名的结构健康监测专家， 5 在土木工程领域，年度位居世界前列。 2% 曾获国家科技进步奖二等奖、日内瓦国际发明展金奖及特别奖的高被引科学家。自己获得 1990 自20世纪90年代以来，他主导了香港青马大桥、广州塔、深圳证券交易所等地标项目的结构监测系统研发，监测建筑物的全寿命健康。

倪一清。资料图

“隐形护卫”基础设施项目

1990 浙江大学研究生毕业后，倪一清选择去香港理工大学攻读博士学位，担任研究员，并开始参与政府主导的桥梁结构安全监测项目，因为当时浙江大学还没有开设结构动力学相关的博士项目，包括 1995 香港青马大桥2008年开始安装传感器。

“香港在桥梁结构健康监测领域处于世界领先地位。当时，这些桥梁已经开始构建长期和长期的结构健康监测系统。我们将永久安装在桥梁上的监测系统，以实现实时监测和预警。在国外，一至两个月的临时监测大多以一座桥为对象，两者的概念明显不同。”倪一清指出。

倪一清先后参与了一系列新建桥梁的结构安全监测工作。

2010 2000年，倪一清开始参与列车安全监测项目，结下不解之缘，扎根这一领域，通过跨学科合作，转化其在土木工程领域的研究成果。

2015 年 10 经科技部批准，中国轨道交通电气化与自动化工程技术研究中心香港分中心(以下简称“研究所”)在香港理工大学正式成立，主要专注于先进的传感、智能振动控制、轨道交通噪声控制、机器学习和大型模型等先进技术的研发。

到目前为止，倪一清团队在研究和应用领域取得了巨大的成就，其代表性研究包括轨道交通智能运行维护系统、铁路异物入侵监测系统和光纤光栅传感器。

在这些研究中，光纤光栅传感器是倪一清团队在结构安全监测方面的代表性研究成果之一。

这种智能传感器可以通过细光纤传输信号。光纤传感器结合超声波导波等技术，可以准确捕捉缝隙、温度、振动等微小信号。

该技术已经护航了世界上许多代表性基础设施项目。在高铁领域，京沪高铁和兰信铁路率先部署传感器网络，实时跟踪和提高安全运行水平。在 2016 2008年，该技术向新加坡地铁输出，成为第一个海外铁路应用。

同一年，倪一清团队运用这项技术，对于在里约奥运会期间运行的地铁 4 对号线列车结构部件进行全面监控， 4 每天累计监测行车里程。 500 公里。

除了保证结构安全，如何降低高速列车产生的噪音也是研究中心的研究重点。为了解决噪声问题，研究中心团队通过 3D 印刷技术可以制作超材料的声学吸声屏障，实现宽频高效吸声。此外，该团队还开发了智能颗粒阻尼器，用于控制铁路噪声。安装后，轨道近场噪声可以降低 3-5 分贝，远场噪音可以降低分贝， 1-3 分贝。

现在，这两种技术已投入到香港地铁和深圳地铁的测试和应用中。

倪一清指出:“我们不仅注重结构安全，还注重客户体验水平。例如，在铁路应用中，我们将将乘客舒适度和噪声控制作为监控系统的核心指标。”

人工智能“保驾护航”

倪一清作为中国轨道交通电气化与自动化工程技术研究中心香港分中心主任，正在积极推进铁路领域人工智能结构健康监测技术的研究和应用。

AI 发展为结构健康监测注入“先知直觉”。倪一清基于图像和激光雷达系统建立了异物监测系统，即使一个晾衣架掉到轨道上，也能准确识别。“这个系统完全是通过深度学习算法建立起来的，一般算法无法快速识别。”倪一清说。

现在，新加坡地铁、香港地铁、内地高速铁路等轨道交通场景的智能监测云平台已经得到了很好的应用。

倪一清建议，学习土木工程的学生不仅要学习专业知识，还要接触与人工智能、材料科学和信息系统相关的先进技术。“人工智能将在未来的各个领域得到广泛应用，大学生现在应该开始学习相关课程。”

研究中心团队在土木工程材料创新方面也在积极推进智能材料和 AI 自感应混凝土的深度融合，能使铁路轨枕具有即时感知荷载的能力，目前正在与上海铁路局进行应用测试。

人工智能赋能远不仅能保护轨道交通安全，还能应对复杂城市环境面临极端飓风带来的危险。

2023 2000年，倪一清领导小组获得研究资助局拨款。 5000 在万港元的支持下，发展起来" INTACT: 沿海城市智能热带风暴减灾系统。该系统以激光雷达测风技术为核心，构建了世界上第一个面向高层建筑的实时台风风险预警原型。

倪一清表示，该系统突破了传统气象监测的局限性，利用卫星遥感、路面传感、历史灾害库等多源数据训练，通过韧性评估模型和台风路径模拟深度藕合，动态更新算法，完成了台风对关键建筑潜在破坏力的定量预测。

推动动力学研究的“火车梦”之路

《21 世纪》：能否分享一下你是如何一步一步走向结构动力学专业的研究之路的？

倪一清:火车动力学是我大学的研究方向，我的本科论文也和动力学有关。在浙江大学攻读硕士学位期间，我也从事振动控制的研究。

我一直对控制很感兴趣，火车的运行过程本质上是动力系统的运行过程。对于任何运动系统，我们都希望实现有效的控制。

《21 世纪》：为什么你没有留在美国，而是回到香港发展？

倪一清:香港在桥梁结构健康监测领域处于世界领先地位。当时，这些桥梁已经开始构建长期和长期的结构健康监测系统。

我们在桥上永久安装监控系统，实现实时监控和预警。在国外，一至两个月的临时监控大多以一座桥为对象，两者的概念明显不同。

除了青马大桥，还有吸水门大桥、丁丁九大桥、后来的昂船洲大桥、深圳湾公路大桥(西部通道大桥)。直到港珠澳大桥，我才有幸参与了这些桥梁结构监测系统的建设。当时我也意识到未来会有更多的新桥建设，所以真的希望回国继续参与这些桥梁结构健康监测的相关研究。

世界领先的中国高铁技术领先世界

《21 世纪》：作为中国轨道交通发展的守护者，你如何看待中国在轨道交通领域的技术实力和国际竞争力，尤其是高铁、地铁、磁悬浮列车？

倪一清：近十年来，我国在轨道交通领域取得了长足的进步。现在，我国轨道交通技术已经达到了世界先进水平。比如高铁，我们国家的运营里程居世界第一。尽管出于安全考虑，一些线路还是保持列车的速度。 300 至 350 公里，但是近几年如京沪高铁等线路，有些列车的速度已经提高到了一定程度 400 至 450 公里，速度已经达到世界领先水平。

然而，在管理和运营方面，一些领域仍有改进的空间。过去我们更注重技术水平，而在世界范围内，我们更注重乘客舒适度、高铁站人流规划等软科学方面。

就磁悬浮而言，我国已经具备了时速。 600 公里磁悬浮列车，但目前还需要建设一条可以实际操作的高速磁悬浮试验线。只有建成这样的试验线，中国的高速磁悬浮技术才能真正实现客运运营。

《21 世纪》：从您的研究领域出发，实现上述目标还有哪些关键技术难题亟待解决？

倪一清:就速度而言，我认为不会有重大的技术障碍。然而，噪音控制等提高舒适度仍然是一个亟待解决的考验。如何进一步减少噪音对乘客和沿线居民的影响，是目前面临的一个重大问题。

有人认为，由于磁悬浮列车消除了轮轨摩擦，噪音问题将大大减少。然而，空气动力噪声仍然存在。以时速 600 以公里为例，相当于飞机起飞时的速度。众所周知，飞机起飞时的噪音特别大。因此，磁悬浮技术面临的重要挑战之一是如何在如此高的速度下有效降低空气动力噪声。

我国工程技术研究中心的主要研究领域之一是通过先进技术降低噪音。例如，选择石墨烯、碳纳米管等智能材料，通过 3D 印刷技术制造具有优异的吸声性能的非天然材料，即声学超材料，可以有效控制噪声。这种技术不仅适用于高铁和磁悬浮列车，也适用于高速公路的噪声控制。

AI 轨道交通安全赋能

《21 世纪》：您领导的高速铁路安全监控系统实现了从“轨道”到“轮子”的监控延伸，并计划扩展到管道磁悬浮。你能分享一下团队在轨道交通安全检测方面的研究成果吗？这些技术如何保证快速交通系统中的安全，提高稳定性？

倪一清：我们开发了一系列特殊的传感器。由于现有的光纤传感器，采样频率一般只能检查。 5000 HZ以内的信号，但在声发射或超声检测中，检测频率远高于此。

我们发现超声波检测在裂缝检测中极其有效。当超声波沿结构表面传播时，当遇到间隙时，会产生反射和折射，信号特征明显不同。

因此，我们开发了一种特殊的超声波光纤传感器。它的优点是:第一，传感器可以多点布置；其次，每个测点都不需要独立供电。因为高铁沿线(站台、道岔等部位除外)普遍没有电源，如果需要独立供电检测设备，会极其不方便，脱离实际。

《21 世纪》：目前，人工智能与各行各业深度融合是一个大趋势。在使用人工智能方面，您的研究团队有哪些最新实践？

倪一清：磁悬浮控制系统是我国工程技术研究中心的重点研究方向之一，包括研究和开发控制算法。目前，磁悬浮控制系统在常规环境下性能稳定，但在台风等极端气候下，浮动控制的鲁棒性(稳定性)仍面临挑战。我们引入了人工智能算法，以提高控制算法在不确定影响下的稳定性。例如，选择加强学习、迁移学习、图形神经网络等方法。，从而提高系统对不定性干扰的适应性和稳定性，从而保证恶劣天气下的良好控制。

另外一种情况是应对异物入侵，例如滑坡导致的石块、泥沙落入轨道，可能导致脱轨事故。在这方面，我们开发了基于人工智能的异物入侵监测系统。通过图像识别技术，该系统可以结合数码相机和激光雷达在动态环境下实现高铁隧道前方 1500 米范围内的实时监控可以准确识别异物、人或其他车辆进入，及时警告列车司机及时减速或停车，从而保证运行安全。这个系统完全依赖于人工智能算法，可以实现快速识别和即时响应，这是传统算法无法实现的。

《21 世纪》：近年来，中国轨道交通企业加快了出海步伐，特别是在“一带一路”共创国家市场的建设项目中。其中，香港可以扮演什么角色？

倪一清:香港可以在这个过程中扮演独特的角色。例如，在香港设立铁路领域的认证机构。香港已经与世界上100多个国家和地区签订了互认协议，即在香港完成的认证可以在这些国家和地区直接获得，无需再次认证。

目前，当我国高铁技术“出海”时，我们通常需要与当地政府签订协议，以确保系统按照中国标准生产和使用。然而，一些国家要求技术产品必须通过当地的相关规范和认证。在这种情况下，香港可以发挥其独特的优势。出海项目在香港完成技术认证后，该认证可以通过相互认可的协议直接得到相关国家的认可，无需在当地再次验证。

(见习顾欣宇、顾泯骏对报道也有贡献)

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