成 程，雷 雨

(1.陜西建工集團(tuán)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(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)利用射頻信號(hào)空間的電磁或電感耦合來識(shí)別跟蹤特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)非接觸式自動(dòng)識(shí)別[1].與傳統(tǒng)識(shí)別技術(shù)相比，該技術(shù)基于抗干擾能力強(qiáng)、識(shí)別速度快、讀取距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)可更新可加密以及存儲(chǔ)容量大等諸多優(yōu)勢(shì)，贏得了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度認(rèn)可.早期國(guó)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(jì)[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(cāng)儲(chǔ)、交通、身份識(shí)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(shí)別系統(tǒng)，被認(rèn)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(shí)時(shí)感知并收集建筑數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、壓力和振動(dòng)等諸多關(guān)鍵信息.歐進(jìn)萍院士研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功應(yīng)用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)檢測(cè)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(duì)施工過程中人、材、機(jī)的安全管理等實(shí)際工程中.同時(shí)，基于RFID技術(shù)建立施工進(jìn)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用采集的進(jìn)度數(shù)據(jù)確保施工的進(jìn)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(jī)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(shí)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(jì)和社會(huì)效益.

1 射頻識(shí)別技術(shù)的工作原理

射頻識(shí)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(gè)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(chǔ)并標(biāo)識(shí)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(jìn)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(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)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(hào)，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(hào)以電感耦合或電磁反向散射耦合的兩種方式實(shí)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(chǎng)實(shí)現(xiàn)耦合，適合于中低頻的近距離識(shí)別系統(tǒng)；而電磁反向散射耦合依據(jù)雷達(dá)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(yuǎn)距離識(shí)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳感作用.因此，天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)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(jì)中顯得格外重要，只有當(dāng)輸入阻抗與饋線達(dá)成良好的匹配時(shí)，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(jì)應(yīng)根據(jù)不同射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作原理和應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)必要的性能，如良好的方向性、魯棒性、較長(zhǎng)的讀取距離、或標(biāo)簽芯片共軛匹配等.具備上述的設(shè)計(jì)要求有利于實(shí)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(shí)別技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

2.1 混凝土溫度/濕度監(jiān)測(cè)

混凝土固化和成熟期間的溫度/濕度值會(huì)對(duì)其強(qiáng)度、收縮、徐變等性能產(chǎn)生重要影響，特別是對(duì)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(jì)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(guó)科學(xué)院利用模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)了RFID溫度/濕度傳感功能，為無源RFID檢測(cè)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(shí)應(yīng)用效果，并給標(biāo)簽加裝保護(hù)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(yàn)表明，該標(biāo)簽傳感器可以達(dá)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(cè)溫性能對(duì)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R(shí)FID檢測(cè)裝置中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)混凝土溫度和濕度的自動(dòng)檢測(cè)及遠(yuǎn)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(shì).同時(shí)，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(diǎn).

2.2 應(yīng)變監(jiān)測(cè)

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(diǎn).為了突破它們?cè)趯?shí)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(shí)現(xiàn)非接觸式應(yīng)變檢測(cè)，如圖3所示.

圖3 RFID應(yīng)變傳感器的兩種設(shè)計(jì)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(huì)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(shí)現(xiàn)應(yīng)變傳感監(jiān)測(cè).這類傳感器的設(shè)計(jì)主要采用天線的諧振頻率作為應(yīng)變測(cè)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(shí)現(xiàn)高精度的定量應(yīng)變監(jiān)測(cè).當(dāng)研究目標(biāo)表面開裂引起天線變形時(shí)，電磁諧波頻率會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)漂移，以此來檢測(cè)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(jì)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(hào)輸出單元，并將傳統(tǒng)應(yīng)變計(jì)與標(biāo)簽集成傳感系統(tǒng).實(shí)際工程中，將有線傳感器獲得的應(yīng)變值傳遞并儲(chǔ)存在標(biāo)簽中，再讀寫目標(biāo)的實(shí)時(shí)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(jì)，將固定在待測(cè)鋼筋上的有線應(yīng)變計(jì)測(cè)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(shí)時(shí)應(yīng)變數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)鋼混結(jié)構(gòu)中縱筋應(yīng)變的有效監(jiān)測(cè).此外，美國(guó)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(hào)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(cè)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(shì)，有望取代復(fù)雜昂貴的傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)變監(jiān)測(cè).

2.3 腐蝕和裂縫檢測(cè)

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(cè)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(cè)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(jì)算出腐蝕響應(yīng)參數(shù)，以此實(shí)現(xiàn)RFID技術(shù)在鋼材腐蝕檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)，通過分析復(fù)阻抗的實(shí)部和虛部來平衡傳感器的定位，實(shí)現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)腐蝕行為的在線監(jiān)測(cè)和表征.由此可見，RFID技術(shù)在結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測(cè)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(shì)，為未來土木工程結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展指明了方向.

針對(duì)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(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂紋發(fā)展全過程監(jiān)測(cè)的最佳選擇之一.最早由德克薩斯大學(xué)Huang H團(tuán)隊(duì)將RFID技術(shù)應(yīng)用于金屬結(jié)構(gòu)的裂紋測(cè)量，設(shè)計(jì)了靈敏度可達(dá)亞毫米級(jí)的矩形貼片天線傳感器[16]，并成功監(jiān)測(cè)到雙懸臂梁結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展的不同階段[17].可見，用于缺陷檢測(cè)和表征的低成本RFID傳感器系統(tǒng)可以彌合無損檢測(cè)技術(shù)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(jiǎn)單、價(jià)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(yuǎn)距離報(bào)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(cè)的超高頻無源RFID傳感器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的開放和封閉裂縫的評(píng)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(shí)際工程仍具有很大的差距，需要加強(qiáng)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(shí)際工程中的監(jiān)測(cè)規(guī)律.更重要的是需要更多學(xué)者和科研團(tuán)隊(duì)在RFID傳感器的裂紋測(cè)量理論研究和性能優(yōu)化等方面不斷嘗試.

3 射頻識(shí)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(jī)的管理

項(xiàng)目施工過程中工人、建筑材料、機(jī)械設(shè)備的管理水平直接影響建筑質(zhì)量與工程造價(jià)，運(yùn)用RFID技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控人/材/機(jī)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程追蹤，提高了對(duì)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(gè)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(hào)強(qiáng)弱來判斷讀寫器與參考點(diǎn)間的距離，從而計(jì)算出振搗工人的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置，估測(cè)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(shí)現(xiàn)精細(xì)化施工和工程質(zhì)量的實(shí)時(shí)把控.

另外，從建筑材料的規(guī)劃設(shè)計(jì)、營(yíng)造施工到運(yùn)營(yíng)維護(hù)，可以利用射頻識(shí)別技術(shù)為施工方和生產(chǎn)商建立遠(yuǎn)程監(jiān)督系統(tǒng).該技術(shù)能夠依托建筑現(xiàn)場(chǎng)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(shí)際施工進(jìn)度靈活調(diào)整構(gòu)件的生產(chǎn)計(jì)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(diǎn)，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(shí)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(shí)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(shí)，傳感器還可以及時(shí)報(bào)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(shì)，同時(shí)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(yùn)營(yíng)維護(hù)過程中，物業(yè)系統(tǒng)運(yùn)用RFID技術(shù)能夠?qū)ㄖ飿?gòu)件運(yùn)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(duì)施工機(jī)械的問題，需要在混亂無序的大型建筑施工現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用RFID技術(shù)準(zhǔn)確記錄服役及閑置機(jī)械和車輛，可以幫助資源有效整合.同時(shí)可以根據(jù)標(biāo)簽信息，準(zhǔn)確掌握機(jī)械的損壞和維護(hù)情況.對(duì)于特殊工種的大型機(jī)械(如塔吊等)，可以實(shí)時(shí)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(jī)械設(shè)備和工人身上安置了特定標(biāo)簽，當(dāng)機(jī)械設(shè)備誤入非必要工作區(qū)域或者工人處于風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)區(qū)，RFID傳感器能夠及時(shí)報(bào)警，有效地預(yù)防安全事故.王志杰[24]成功將自主設(shè)計(jì)的RFID車輛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際施工工地車輛管理中，實(shí)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(jì)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(shí)費(fèi)力的檢測(cè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)它們的形變、位移等重要參數(shù)，有利于實(shí)時(shí)掌握建筑的運(yùn)營(yíng)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(shí)現(xiàn)混凝土和鋼筋的質(zhì)量檢測(cè)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(chǎng)到第三方檢測(cè)單位全過程進(jìn)行追蹤和動(dòng)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(shí)性，有利于促進(jìn)各個(gè)城市建筑質(zhì)量追蹤及動(dòng)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(cè)機(jī)構(gòu)，將來需要利用RFID技術(shù)與生產(chǎn)單位進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，從材料的生產(chǎn)開始進(jìn)行質(zhì)量追溯，實(shí)現(xiàn)包括生產(chǎn)、運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)、交易到施工完成及運(yùn)營(yíng)階段的整個(gè)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(gè)工程質(zhì)量產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(cè)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(duì)土木工程行業(yè)中不同應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)RFID傳感器進(jìn)行性能設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)開發(fā)，如無源應(yīng)變計(jì)與裂縫計(jì)、智能骨料等.考慮目前建筑工程中尚未應(yīng)用案例，需要進(jìn)一步增強(qiáng)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(chǎng)的安全監(jiān)控、構(gòu)件識(shí)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(yùn)營(yíng)的全過程應(yīng)用，到達(dá)實(shí)時(shí)可視化、信息自動(dòng)化、多方協(xié)同參與的高效監(jiān)控.