射頻識別技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用研究

成 程，雷 雨

(1.陜西建工集團股份有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000)

射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)利用射頻信號空間的電磁或電感耦合來識別跟蹤特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)非接觸式自動識別[1].與傳統(tǒng)識別技術(shù)相比，該技術(shù)基于抗干擾能力強、識別速度快、讀取距離遠、數(shù)據(jù)可更新可加密以及存儲容量大等諸多優(yōu)勢，贏得了國內(nèi)外學(xué)者的高度認可.早期國內(nèi)外學(xué)者致力于突破技術(shù)的瓶頸問題，包括芯片設(shè)計[2]、標(biāo)簽封裝、天線制造[3]、讀寫器設(shè)備生產(chǎn)和應(yīng)用軟件集成等環(huán)節(jié).近年來，得益于RFID技術(shù)理論基礎(chǔ)的顯著突破，它已經(jīng)得到更廣范圍和規(guī)模的應(yīng)用嘗試，其相關(guān)產(chǎn)品也滲入人們生活和工作中，主要集中在物流倉儲、交通、身份識別及設(shè)備管理等諸多領(lǐng)域[4].

目前，RFID技術(shù)在建筑業(yè)中的研究主要涉及基礎(chǔ)理論和推廣應(yīng)用兩方面.將RFID標(biāo)簽與傳感器相結(jié)合集成射頻識別系統(tǒng)，被認為是最有潛力的室內(nèi)位置傳感技術(shù).因此，RFID在建筑業(yè)中擁有了很大的應(yīng)用空間，能夠用以實時感知并收集建筑數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、壓力和振動等諸多關(guān)鍵信息.歐進萍院士研究團隊已經(jīng)成功應(yīng)用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)檢測建筑物及數(shù)座橋梁的日常健康狀況.另外，RFID技術(shù)可以應(yīng)用于混凝土的加工處理以及對施工過程中人、材、機的安全管理等實際工程中.同時，基于RFID技術(shù)建立施工進度監(jiān)測系統(tǒng)，利用采集的進度數(shù)據(jù)確保施工的進度和質(zhì)量.如今，新基建興起為智慧城市的建設(shè)帶來前所未有的發(fā)展機遇，以RFID為核心的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為創(chuàng)建新型智慧城市奠定了良好的物質(zhì)基礎(chǔ).未來幾年，以RFID技術(shù)為代表的新一代信息技術(shù)將使城市的基礎(chǔ)設(shè)施得以智能化管理，包括智慧交通、智慧醫(yī)療、智慧家居及智慧建造等方方面面，實現(xiàn)傳統(tǒng)建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟和社會效益.

1 射頻識別技術(shù)的工作原理

射頻識別系統(tǒng)主要由讀寫器和應(yīng)答器(標(biāo)簽)組成(如圖1所示)，RFID標(biāo)簽包括電子芯片和接收天線.每個芯片都具有唯一的電子編碼，將芯片附著在物體上用來存儲并標(biāo)識目標(biāo)的相關(guān)信息.目前，標(biāo)簽依據(jù)能否通過自身攜帶的電池進行供電可分為無源和有源標(biāo)簽.其中，無源標(biāo)簽產(chǎn)品因結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟實用在智能建筑中獲得了更為廣泛的應(yīng)用.接收天線是用于標(biāo)簽和讀寫器間傳遞射頻信號，也為芯片讀寫數(shù)據(jù)及傳輸數(shù)據(jù)提供能量.

圖1 RFID系統(tǒng)的組成Fig.1 Composition of RFID system

讀寫器利用射頻信號以電感耦合或電磁反向散射耦合的兩種方式實現(xiàn)與標(biāo)簽信息的無接觸傳遞.電感耦合是基于變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合，適合于中低頻的近距離識別系統(tǒng)；而電磁反向散射耦合依據(jù)雷達原理，利用發(fā)射電磁波的目標(biāo)反射回波讀取目標(biāo)信息，適合于高頻的遠距離識別系統(tǒng)[5].

RFID技術(shù)是指將標(biāo)簽天線因周圍環(huán)境變化而引起的天線參數(shù)改變，通過讀寫器接受并反饋，從而實現(xiàn)遠距離傳感作用.因此，天線結(jié)構(gòu)設(shè)計在傳感器中是最重要的環(huán)節(jié)之一，它的類型和大小直接決定著讀寫器與標(biāo)簽的通信能力，從而影響整個系統(tǒng)性能.可以通過改善天線的主要參數(shù)(天線效率、增益系數(shù)和輸入阻抗等)來實現(xiàn)天線的優(yōu)異性能.其中，天線的輸入阻抗Zin可以決定天線與后端傳輸或波導(dǎo)的匹配特性，其值由公式(1)決定.

(1)

Rin為輸入電阻；Xin為輸入電抗；Vin和Iin為饋電端口處輸入電壓和電流；Pin為天線的輸入復(fù)功率.阻抗匹配調(diào)節(jié)在天線設(shè)計中顯得格外重要，只有當(dāng)輸入阻抗與饋線達成良好的匹配時，天線才能獲得最大輻射功率.天線的輸入阻抗由電壓駐波比(VSWR)和反射系數(shù)Γ決定，它們可以反映天線的匹配能力，如公式(2)所示.駐波比的值處于1到無窮大之間，1代表天線完全匹配，而無窮大表示完全失配.

(2)

標(biāo)簽天線的設(shè)計應(yīng)根據(jù)不同射頻識別系統(tǒng)的工作原理和應(yīng)用場景，實現(xiàn)必要的性能，如良好的方向性、魯棒性、較長的讀取距離、或標(biāo)簽芯片共軛匹配等.具備上述的設(shè)計要求有利于實現(xiàn)RFID標(biāo)簽傳感器在土木工程背景下的推廣應(yīng)用.

2 射頻識別技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 混凝土溫度/濕度監(jiān)測

混凝土固化和成熟期間的溫度/濕度值會對其強度、收縮、徐變等性能產(chǎn)生重要影響，特別是對于大體積混凝土澆筑.基于超高頻RFID傳感技術(shù)不僅可以迅速定位指標(biāo)異常的混凝土，還大大降低系統(tǒng)成本.天津大學(xué)戰(zhàn)金雷[6]設(shè)計了低功耗無源RFID溫度標(biāo)簽芯片，并將溫度偏差控制在0.4℃以內(nèi).另外，復(fù)旦大學(xué)和中國科學(xué)院利用模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)了RFID溫度/濕度傳感功能，為無源RFID檢測技術(shù)的發(fā)展奠定了良好的理論和物質(zhì)基礎(chǔ).此后，諸多學(xué)者[7]開始研究RFID傳感器在混凝土環(huán)境中的真實應(yīng)用效果，并給標(biāo)簽加裝保護裝置，避免傳感器在粗糙的施工環(huán)境中受到損傷.后期試驗表明，該標(biāo)簽傳感器可以達到與傳統(tǒng)熱電偶一樣的精確度，如圖2所示.

圖2 RFID傳感器與熱電偶測溫性能對比[7]Fig.2 Comparison of temperature measurement performance between RFID sensor and thermocouple

學(xué)者霍靈瑜[8]將溫度與濕度標(biāo)簽集成于一套RFID檢測裝置中，同時實現(xiàn)混凝土溫度和濕度的自動檢測及遠程監(jiān)控.由此可見，多功能RFID系統(tǒng)的集成是未來RFID傳感技術(shù)的發(fā)展趨勢.同時，從降低混凝土材料的介電常數(shù)、電導(dǎo)率和厚度等角度出發(fā)，減小電磁波穿透混凝土?xí)r產(chǎn)生的損耗，提高讀寫器與標(biāo)簽之間無線通信的可靠性，也是未來RFID系統(tǒng)的研究熱點.

2.2 應(yīng)變監(jiān)測

傳統(tǒng)的應(yīng)變傳感器如電阻應(yīng)變片等具有設(shè)備引線過多、作業(yè)復(fù)雜且成本過高及需要持續(xù)供電等缺點.為了突破它們在實際工程中有源有線的局限性，無源無線的RFID應(yīng)變傳感器通過兩種方式來實現(xiàn)非接觸式應(yīng)變檢測，如圖3所示.

圖3 RFID應(yīng)變傳感器的兩種設(shè)計思路Fig.3 Two design ideas of RFID strain sensors

第一種是利用天線部分來感知應(yīng)變，天線經(jīng)歷形變會使其電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生變化，通過讀寫器收集電學(xué)性質(zhì)的改變量，由此實現(xiàn)應(yīng)變傳感監(jiān)測.這類傳感器的設(shè)計主要采用天線的諧振頻率作為應(yīng)變測量指標(biāo)，其主要原因是該電學(xué)參數(shù)非常穩(wěn)定，并在小應(yīng)變狀態(tài)下與應(yīng)變表現(xiàn)為線性關(guān)系.為了提高天線感知外界應(yīng)變的能力，Yi[9]等人開發(fā)了片狀天線結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)高精度的定量應(yīng)變監(jiān)測.當(dāng)研究目標(biāo)表面開裂引起天線變形時，電磁諧波頻率會產(chǎn)生相應(yīng)漂移，以此來檢測材料應(yīng)變量.另外，Occhiuzzi[10]利用應(yīng)變導(dǎo)致偶極子天線金屬絲夾角變化的原理，設(shè)計了基于折疊偶極子天線的標(biāo)簽傳感器，為利用天線感知外界應(yīng)變的RFID傳感技術(shù)提供了新方向.

第二種RFID應(yīng)變傳感器是將標(biāo)簽作為信號輸出單元，并將傳統(tǒng)應(yīng)變計與標(biāo)簽集成傳感系統(tǒng).實際工程中，將有線傳感器獲得的應(yīng)變值傳遞并儲存在標(biāo)簽中，再讀寫目標(biāo)的實時應(yīng)變數(shù)據(jù).據(jù)此原理，日本Taiheyo公司[11]開發(fā)了RFID應(yīng)變計，將固定在待測鋼筋上的有線應(yīng)變計測得的應(yīng)變值傳遞到RFID標(biāo)簽中，再讀寫到目標(biāo)鋼筋的實時應(yīng)變數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)鋼混結(jié)構(gòu)中縱筋應(yīng)變的有效監(jiān)測.此外，美國Phase IV公司[12]利用惠世通電橋?qū)?yīng)變片電阻值的改變量轉(zhuǎn)換為電壓信號傳遞至RFID標(biāo)簽中，形成了特高頻RFID應(yīng)變系統(tǒng)，并且成功監(jiān)測到墻體與混凝土中的應(yīng)變狀況.

基于上述事例，可以說明RFID傳感器技術(shù)由于超低成本、安全可靠、可大規(guī)模部署等優(yōu)勢，有望取代復(fù)雜昂貴的傳感系統(tǒng)實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)變監(jiān)測.

2.3 腐蝕和裂縫檢測

目前，學(xué)者們正在嘗試?yán)肦FID技術(shù)解決結(jié)構(gòu)裂縫和腐蝕程度檢測等土木工程界關(guān)注的重大問題.為了突破傳統(tǒng)腐蝕檢測技術(shù)的局限性，紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)[13]采用低頻RFID傳感器來表征鋼材的海洋大氣腐蝕，并利用選擇性瞬態(tài)功能提取腐蝕特征，根據(jù)相應(yīng)公式計算出腐蝕響應(yīng)參數(shù)，以此實現(xiàn)RFID技術(shù)在鋼材腐蝕檢測領(lǐng)域的應(yīng)用.后來，Lee[14]和Hong Zhang[15]等人研發(fā)了基于高頻標(biāo)簽的腐蝕檢測系統(tǒng)，通過分析復(fù)阻抗的實部和虛部來平衡傳感器的定位，實現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)腐蝕行為的在線監(jiān)測和表征.由此可見，RFID技術(shù)在結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用研究雖然才剛開始，但是它具有的本征優(yōu)勢，為未來土木工程結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展指明了方向.

針對結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)控這一亟待解決的技術(shù)難題，基于RFID原理的裂縫傳感器成為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂紋發(fā)展全過程監(jiān)測的最佳選擇之一.最早由德克薩斯大學(xué)Huang H團隊將RFID技術(shù)應(yīng)用于金屬結(jié)構(gòu)的裂紋測量，設(shè)計了靈敏度可達亞毫米級的矩形貼片天線傳感器[16]，并成功監(jiān)測到雙懸臂梁結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴展的不同階段[17].可見，用于缺陷檢測和表征的低成本RFID傳感器系統(tǒng)可以彌合無損檢測技術(shù)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的差距. 此后，寧波大學(xué)鄭俊飛[18]等人提出了一種安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉的新型無源RFID裂縫標(biāo)簽傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)7 m以上的遠距離報警.張軍[19]基于3D天線和核主成分分析提出了一款用于裂縫檢測的超高頻無源RFID傳感器系統(tǒng)，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的開放和封閉裂縫的評估.

目前RFID傳感器在結(jié)構(gòu)裂縫領(lǐng)域的應(yīng)用研究離實際工程仍具有很大的差距，需要加強RFID技術(shù)與各類天線傳感器的結(jié)合應(yīng)用，探究RFID裂縫傳感器在實際工程中的監(jiān)測規(guī)律.更重要的是需要更多學(xué)者和科研團隊在RFID傳感器的裂紋測量理論研究和性能優(yōu)化等方面不斷嘗試.

3 射頻識別技術(shù)在施工管理中的應(yīng)用

3.1 建筑施工過程中人/材/機的管理

項目施工過程中工人、建筑材料、機械設(shè)備的管理水平直接影響建筑質(zhì)量與工程造價，運用RFID技術(shù)實時監(jiān)控人/材/機的具體位置和使用狀況，可以保證建筑施工過程的安全性.將標(biāo)簽安裝在工人日常必備的安全裝置中，管理人員通過讀寫器準(zhǔn)確了解工人位置，實現(xiàn)遠程追蹤，提高了對整體工程的監(jiān)管效率.為此，肖劍鋒[20]等人利用該方法在每個振搗施工人員安全帽上放置了RFID標(biāo)簽，根據(jù)在立柱或墻壁表面安置的讀寫器接收到的信號強弱來判斷讀寫器與參考點間的距離，從而計算出振搗工人的移動節(jié)點位置，估測局部振搗程度，可以提前發(fā)現(xiàn)混凝土澆筑缺陷，有助于實現(xiàn)精細化施工和工程質(zhì)量的實時把控.

另外，從建筑材料的規(guī)劃設(shè)計、營造施工到運營維護，可以利用射頻識別技術(shù)為施工方和生產(chǎn)商建立遠程監(jiān)督系統(tǒng).該技術(shù)能夠依托建筑現(xiàn)場安裝的讀寫器讀取材料內(nèi)提前植入的RFID標(biāo)簽，全程跟蹤每批材料，并且根據(jù)實際施工進度靈活調(diào)整構(gòu)件的生產(chǎn)計劃，尤其適用于現(xiàn)今非常熱門的裝配式建筑[21].RFID技術(shù)與BIM在裝配式建筑全壽命周期管理中的結(jié)合應(yīng)用更是建筑業(yè)的研究熱點，眾多學(xué)者[22]通過搭建構(gòu)件生產(chǎn)質(zhì)量管理流程模型，實現(xiàn)了構(gòu)件生產(chǎn)過程中信息交流的精確性和構(gòu)件追蹤管理的高效性，同時為裝配式建筑構(gòu)件生產(chǎn)質(zhì)量管理體系的建立提供參考.當(dāng)發(fā)生建筑材料余量不足或偷換等異常問題時，傳感器還可以及時報警，避免工期延誤.

當(dāng)然，RFID技術(shù)不僅在裝配式建筑的制造和使用過程中具有非常明顯的優(yōu)勢，同時也成為大型智能建筑和智慧城市的重要內(nèi)容.在智能建筑的運營維護過程中，物業(yè)系統(tǒng)運用RFID技術(shù)能夠?qū)ㄖ飿?gòu)件運行狀況有更加直觀的了解，防止發(fā)生突發(fā)安全事故.

針對施工機械的問題，需要在混亂無序的大型建筑施工現(xiàn)場運用RFID技術(shù)準(zhǔn)確記錄服役及閑置機械和車輛，可以幫助資源有效整合.同時可以根據(jù)標(biāo)簽信息，準(zhǔn)確掌握機械的損壞和維護情況.對于特殊工種的大型機械(如塔吊等)，可以實時監(jiān)督它們的出入，借助安全監(jiān)控和預(yù)警模型，避免碰撞、甚至更大型事故的發(fā)生.例如，學(xué)者Chae S[23]利用此方法在施工機械設(shè)備和工人身上安置了特定標(biāo)簽，當(dāng)機械設(shè)備誤入非必要工作區(qū)域或者工人處于風(fēng)險作業(yè)區(qū)，RFID傳感器能夠及時報警，有效地預(yù)防安全事故.王志杰[24]成功將自主設(shè)計的RFID車輛監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于實際施工工地車輛管理中，實現(xiàn)了建筑工地車輛的高效化數(shù)字管理，極大提高了工作效率并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟利益.

3.2 建筑工程質(zhì)量控制

RFID技術(shù)在一些隱蔽性建筑工程質(zhì)量控制中起到了非常顯著的作用，可以取代傳統(tǒng)耗時費力的檢測方法.如在基礎(chǔ)、梁、柱等關(guān)鍵構(gòu)件中埋入RFID標(biāo)簽，通過讀寫器讀取數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測它們的形變、位移等重要參數(shù)，有利于實時掌握建筑的運營情況，為保證構(gòu)件安全提供數(shù)據(jù)參考.又如利用RFID技術(shù)實現(xiàn)混凝土和鋼筋的質(zhì)量檢測監(jiān)控，保證建筑物的最終質(zhì)量和安全性.在混凝土內(nèi)部和鋼筋表面植入RFID標(biāo)簽，從施工現(xiàn)場到第三方檢測單位全過程進行追蹤和動態(tài)監(jiān)管(如圖4所示)，以規(guī)范建筑材料質(zhì)量監(jiān)管過程中的公正性和真實性，有利于促進各個城市建筑質(zhì)量追蹤及動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)的推廣[25-26].然而，現(xiàn)存的質(zhì)量追蹤系統(tǒng)僅僅覆蓋了施工單位、監(jiān)理單位及第三方檢測機構(gòu)，將來需要利用RFID技術(shù)與生產(chǎn)單位進行聯(lián)動，從材料的生產(chǎn)開始進行質(zhì)量追溯，實現(xiàn)包括生產(chǎn)、運輸、倉儲、交易到施工完成及運營階段的整個供應(yīng)鏈的全程記錄，為存在紕漏的環(huán)節(jié)預(yù)警，為控制整個工程質(zhì)量產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益.

圖4 RFID混凝土質(zhì)量追蹤系統(tǒng)[27]Fig.4 RFID concrete quality tracking system

4 結(jié)論

(1)未來將從優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和提升精確度兩大方面展開RFID傳感系統(tǒng)的基礎(chǔ)研發(fā)，提高建筑科研技術(shù)，為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供新思路，為建立更好的施工管理秩序提供新方向.

(2)針對土木工程行業(yè)中不同應(yīng)用場景，對RFID傳感器進行性能設(shè)計和結(jié)構(gòu)開發(fā)，如無源應(yīng)變計與裂縫計、智能骨料等.考慮目前建筑工程中尚未應(yīng)用案例，需要進一步增強RFID技術(shù)的可用性和環(huán)境適應(yīng)性.

(3)RFID技術(shù)已經(jīng)初步應(yīng)用于施工現(xiàn)場的安全監(jiān)控、構(gòu)件識別和追蹤、智能建筑等，大大提高了施工質(zhì)量.此后，需要推廣RFID傳感器在建筑物從生產(chǎn)、施工到運營的全過程應(yīng)用，到達實時可視化、信息自動化、多方協(xié)同參與的高效監(jiān)控.