十年磨一剑，看光纤传感网络怎么帮这个小研究所拿到科技进步奖

在山科院，每一项优秀成果都不是孤立的存在。只有以"解剖麻雀"式的研究方法剖析三个具体成果，在国家需求的纵轴与现实应用的横轴组成的价值坐标系中找到其位置和分量，才能体会到优秀成果的"含金量"。

（一）
"基于光纤传感网络的煤矿安全综合监控系统"是什么？
一句话理解项目：
将高、精、尖航天技术引入煤矿安全监控，神奇的"头发丝"——光纤可监测煤矿火灾，"千里之外"感知井下瓦斯、CO浓度，预防90%以上火灾。

专家看法：
英国智能传感器系统（ISS）公司运营总经理、英国城市大学客座教授宁雅农：煤矿需要防爆，而光纤传感器是可以防爆不带电的，优势和需求结合，这是最巧妙的配合，刘统玉博士的的确确做得很好。

兖矿集团：光纤技术的研究及应用给煤矿安全生产带来了新的变化，在矿井灾害预防预警、应急救援、安全监测等方面提供了有力保障。

走近成果：神奇的"头发丝"如何防火？
一根直径不过0.125毫米、如发丝般粗细的玻璃纤维——光纤，从地面深入到几百米的煤矿矿井之下，即可监测瓦斯浓度、温度、微震、矿压等关键数据的变化。得益于光纤传感只传光、不带任何电能的"本质安全"，它为煤矿装上"听诊器"，为安全诊脉。

回国"蛰伏"创业12年，山东省科学院激光所首席专家、光纤传感工程技术研究泰山学者岗位特聘教授刘统玉博士一直在尝试将以往国外应用于航空、航天、军工、国防等高端领域的光纤新技术引入国内并应用。

现在，他成功了。

矿井火灾是煤矿的主要灾害之一，我国56%的煤矿存在自然发火灾害，其中采空区自然发火占比例最高。"如何将高、精、尖的航天技术引入煤矿安全监测领域？"2004年，原本从事基础研究的刘统玉决定回到国内，着手组建山东省光纤传感技术重点实验室和山东省光纤传感工程技术研究中心，进行这一技术的应用探索。刘统玉说，看起来很高端的光纤传感，其实质就是对人触觉、嗅觉等的拓展，具有通用性，其"本质安全"的特质使其应用具有很大的想象空间。

这一关键方向的确定及探索，最终使刘统玉带领团队成功开创了光纤传感网络在矿山安全综合监测预警应用的研究及产业化。

"煤矿安全监测，传统做法是采用传统的电子类传感器，在危险或密闭区域布设困难，易造成安全监控盲区；电源中断时，应急通信和对灾情信息的数据采集和传输系统会陷入瘫痪。此外，传感器可靠性差、寿命短、维护工作量大、监控系统在信号采集及传输线路中受电磁场干扰严重。更重要的是，利用电能传导，其本身也是‘安全隐患’。"刘统玉认为，光纤传感改变了这一切。

光纤是一种透明的玻璃纤维丝，基本成分是石英。传感以光波为信息载体，只传光，不导电，不受电磁场的作用，对电磁干扰、工业干扰也有很强的抵御能力。此外，光纤传感绝缘、耐高温、耐腐蚀，特别适合在易燃易爆、高温、高压、潮湿、强电磁场、强腐蚀性等极端恶劣条件下应用。光纤传感器还比传统的传感器在组网和传输距离方面更具优势，特别是可以在一根光纤上串联多个相同或不同类型的传感器，实现多点监测，很容易实现整个矿山的传感分布，实现较大空间范围的连续监测。

但把一些非凡的创意变成现实，向来是一件难事。好在在归国之前的十几年时间里，刘统玉在光纤传感技术的发源地——英国积累了良好的技术基础，山科院的平台为其实现理想提供了必要的人、财、物，产学研政的模式加速推动研发尽快的转入实际应用，最重要的国内石油、电力、煤矿等为新技术提供了巨大的应用市场。

从2007年开始投向应用后，产品逐渐定型、熟化，现已形成面向矿山安全应用环境的光纤传感器系列、井下光纤监测综合分站以及矿山安全综合监控和应急信息系统，建立了面向矿山和能源领域的安全生产光纤传感物联网技术体系。

2013年1月初，这项革命性的项目迎来"大考"。在国家安监总局委托的鉴定中，专家认为这项成果达到国际领先水平。虽然光纤传感投资成本要较传统方式高出近半，但仍具很强的市场竞争力：

最好的消息是该成果已在兖矿、神华、中煤、山能、同煤、焦煤、开滦、龙煤等二十余个能源集团和主要产煤地区，100多个重点煤矿成功推广应用，产生直接经济效益数十亿元，推动了煤炭行业整体科技进步。

（二）
"高性能光纤器件及传感网在油气领域的应用研究及产业化"是什么？
 一句话理解项目：
得益于"院士+千人计划学者"的宏观把握，王昌带领"80后"团队研发出一条超级"章鱼"，他们将章鱼的"触角"延伸至地下四五千米深处，并使其"触角"耐高温、耐压力、耐腐蚀……最终，"章鱼"准确地"发现"油气所在地。

专家看法：
中国工程院院士姜德生：项目组解决了光纤传感技术在井下高温、高压、井深等恶劣环境下应用的难题，达到国际先进水平。

中海石油公司：上海分公司一口天然气开发评价/调整井完井后，完全具备自喷生产能力，从井下3600多米处的永久式光纤温度压力传感系统传来地层压力为29MPa，井下温度为130℃。该系统具有自主知识产权，填补了国内空白。

走近成果："中国章鱼"如何打破欧美垄断？
"我们把一根发丝般粗细的光纤延伸到四五千米深的地下，上面串着的多个传感器仿佛‘章鱼的触角’，准确地读取地下温度、压力、流量、含水率等关键信息，这是油气井提高采收率的关键。"

当山东省科学院激光所书记王昌说这番话的时候，这项达到"国际先进水平"的项目已经装备到了陆上的胜利油田、辽河油田和海上的中海油，并得到了"表现甚好"的评价。

十年磨一剑，表面上看似简单的装备其实并不简单。
"目前全球平均原油采收率35%，老油田剩余储量依然相当可观。"中石油经研院《2014年国外石油科技发展报告》显示，"如果全球采收率提高1％，就会增加可采储量50多亿吨，相当于全球两年的石油消费量。"正因为此，国家正编制的《油气行业"十三五"规划》中，"推进科技创新不断提高油田采油率"将作为"十三五"油气行业发展的一个重点。

粗不过成人胳膊的油井，深入到地下数千米，井下温度高、压力大，并且井中可能含有硫化氢、二氧化碳等腐蚀性介质。极端恶劣的环境考验着下探测油气的电子设备。长期以来，石油人不得不忍受频频更换"一次性"常规电子测试设备的麻烦，这成为中国石油人的"心头之痛"。

"我们急需研制一种体积小、耐高温、耐腐蚀、长期稳定、能实时显示井下多种参数监测系统。"中石油经研院的呼唤代表着中国石油界的心声。

"对我们来说，不仅仅要干好科学家的任务，做出实验室样品，更要抗住工程师的活，将样品打造成工程化应用的产品。"在王昌心目中，样机通向井下是最难的，"第一，粗不过成人胳膊的油井要求，你必须把设备做小，做大容易做小难，我们做成了‘擀面杖’大小的设备；第二就是‘细如发丝’的光纤如何深入地下四五千米？你必须要有一定机械强度，用坚硬的外壳套住光纤，保护住它，并往下走；第三，穿越地下或者高温，或者腐蚀的地层，你必须把外壳之间的焊点密封好了，因为一旦进入液体就会前功尽弃。"

用专业的人干专业的事情。在解决了传感器和解调仪检测终端的核心技术问题之后，课题组选择将配套工作交给伙伴——国内做光缆的"老大"长飞光纤光缆公司和做特种缆的中电八所。这种术业有专攻的科研方式为项目的成功起到了重要作用。

2010年4月7日注定与往常不同。这天，新华社刊发一条通稿，"中国研制成功首个可在高温高压油井下使用的光纤压力传感器"，标志着中国光纤测井技术已经打破欧美国家的技术垄断。经姜德生、苏义脑、方家熊三位院士评估，项目首次采用多种光纤传感技术应用于井下实时监测，在应用于油气领域的光纤传感研究方面有突出创新，整体达到国际先进水平。

历史是什么？创造历史的人最有发言权。在长达六年的时间里，课题组在国内首次自主研制出了可在温度220°C和压力100MPa下长期使用的固定式高精度光纤压力传感器，解决了常规电子传感器和光纤压力传感器存在的温度干扰问题，并成功解决了传感器及光缆的密封技术，在光纤敏感元件的耐高温高压和耐腐蚀的封装与保护技术方面取得了一系列创新成果。

成功应用比技术的突破更振奋人心：项目先后在胜利、东海、克拉玛依、辽河等多个油田落地，提高了油气采收率5%—10%以上。近三年来，累计增产油气当量10.49万吨，新增经济效益3.24亿元。