2025年11月1日至3日，在德国纽伦堡国际展览中心的聚光灯下，第77届纽伦堡国际发明展的颁奖仪式定格了中国科研的亮眼瞬间。来自清华大学精密仪器系的张建伟团队与西派特(北京)科技有限公司联合研发的“基于近红外分子光谱的煤炭在线分析系统”技术，从全球21个国家和地区的540项前沿成果中脱颖而出，摘得银奖。该项目基于近红外光谱结合多元分析技术，成功攻克了煤质在线检测过程中煤样颗粒不均匀、吸光严重、现场测量环境恶劣等一系列技术难题，实现了对煤质水分、热值、灰分、固定碳等多项成分的实时在线精确检测，检测速度快、精度高，且对不同检测场景适应性强，无放射源，安全环保，有效解决了产煤、用煤企业传统化验室检测方法时效滞后、劳动力成本高等行业痛点，已在多家煤化工厂、热电厂、焦化厂广泛应用，产业应用效果显著。
站在领奖台上的张建伟，目光中透着科研人特有的专注与沉稳。这位深耕精密检测领域十余年的学者，在精密光谱、量子精密测量等领域深耕多年，取得了丰硕成果。他凭借深厚的学术造诣和创新精神，带领团队在科研道路上不断探索前行，与西派特(北京)科技有限公司深度合作，此次获奖的“基于近红外光谱的实时检测系统及应用”项目，正是高校与产业智慧碰撞的又一实践成果。
光谱探煤技术攻坚 突破煤质检测壁垒
煤炭作为我国能源体系的重要支柱，其品质直接关系到发电效率、化工产品质量与环保排放指标。长期以来，煤质检测依赖传统化验室分析：工作人员从传送带上取样、粉碎、烘干，经过数小时的复杂流程才能得出数据。这种滞后性检测往往导致生产被动——热电厂因入炉煤热值波动燃烧参数调整不及时，焦化厂常因煤质不稳定影响焦炭质量，而人工取样的随机性又可能引发供需双方的质量争议。更棘手的是，部分检测方法使用放射源，既存在安全隐患，又增加了环保处理成本。
“让检测跟上煤炭流动的速度”，这是张建伟团队与西派特(北京)科技有限公司合作的初衷。联合攻关团队将目光投向了近红外光谱技术，这一技术凭借分析快、无损伤、操作简的优势，已在食品、农业领域广泛应用，但在煤质在线检测中却面临“水土不服”。团队通过实地调研发现，工业现场的复杂环境是最大障碍：传送带上的煤炭颗粒大小不一、煤层高低起伏，粉尘、振动、温度变化等因素，都让光谱采集失去稳定基准;更特殊的是，煤炭颜色深、吸光强，近红外信号微弱，其复杂的成分组成还会导致光谱信号相互干扰，常规分析模型根本无法精准匹配。
针对此些难题，团队构建了“硬件优化+算法创新”的完整技术体系。在检测原理上，系统利用近红外光与煤炭分子的相互作用特性——不同成分的分子会吸收特定波长的光线，通过测量反射光的光谱变化，就能反推成分含量。为了让这一原理在车间环境中落地，团队首先攻克了光谱采集的“稳定性难题”：自主设计大光斑高精密光学探头，采用高反射比二次曲面反光镜与大口径非球面收集系统，将照射范围扩大至传统探头的3倍，即使煤层表面起伏，也能捕捉到具有代表性的光谱信息;针对粉尘与振动问题，他们为探头加装了防尘抗震外壳，内置温湿度补偿模块，确保在-20℃至60℃的极端环境下稳定工作。
在信号处理环节，团队创新性地引入“有效波段增强法”。传统数字微镜光谱仪的编码方式中，无效波段信号会干扰有效数据，导致检测精度下降。团队通过改进阿达玛变换编码模板，减小无效波段的信号强度，结合多重降噪算法，将光谱仪的信噪比提升了40%以上。随后，他们将处理后的光谱数据代入自主研发的定量分析模型，通过漫反射光谱测量、标准方法处理、指标计算三个步骤，最终输出水分、灰分、固定碳、热值等关键指标，并实时传输至企业的DCS控制系统，实现了“检测-调控”的无缝衔接。
这套系统的工作流程如同给煤炭做“光谱体检”：当煤炭在传送带上流动时，光学探头自动对准煤层发射近红外光，光谱信号经光纤传输至分析主机，0.5秒内即可完成一次检测，每小时生成120组数据，而传统方法每批次检测至少需要4小时。更重要的是，系统无需人工干预，检测误差控制在2%以内，完全满足工业生产要求。
创新赋能产业应用 开启煤质检测新篇
如果说精准检测是技术核心，那么一系列创新突破则是系统落地的“通行证”。联合攻关团队在项目中形成的六项核心创新点，如同六把钥匙，打开了近红外技术应用于煤质检测的大门。其中，“基于角度度量的多变量分析方法”堪称点睛之笔——传统分析方法难以处理煤炭成分的非线性关系，团队将样本光谱强度转化为“角度度量值”，通过计算样本与目标组分的“光谱角度”来建立回归模型，成功解决了成分干扰问题，让热值等复杂指标的预测精度提升了30%。
另一项获得国家专利的创新技术，是“S-G一阶导数与角向量结合的光谱预处理算法”。针对煤层起伏导致的光程变化问题，该算法能像“过滤器”一样，精准剔除与化学组成无关的噪声信号，只保留反映煤质本质的光谱信息。张建伟解释：“这就像给光谱数据做减法，去掉干扰项，让有效信息更突出。”配合硬件上的大光斑照射系统，即使煤炭颗粒分布不均，也能保证检测数据的一致性。
在软件层面，团队采用C/S+B/S混合架构，开发了集信号传输、算法处理、模型校验于一体的在线分析软件。企业技术人员既能通过车间终端实时查看数据，也能通过云端系统远程监控设备运行状态，系统还可根据煤种变化自动更新校准模型，适应不同矿区的煤炭特性。这种硬件+软件的一体化设计，让系统具备了极强的场景适应性，无论是热电厂的入炉煤检测，还是煤化工厂的原料分析，都能快速适配。
产学研的深度融合，让技术创新迅速转化为产业价值。西派特(北京)科技有限公司将项目核心技术集成至HF-2100系列产品中，推出了针对入厂煤、入炉煤等不同场景的专用型号。国家能源集团某电厂采用了该系统，其负责人反馈：“系统投用后，入炉煤热值检测滞后问题彻底解决，锅炉燃烧效率大大提升，综合节约的经济效益也十分喜人。”在国建能源集团某煤化工企业，HF-2100A型号设备精准控制煤质指标，使化工产品合格率极大提升，减少了因原料波动造成的浪费。
截至目前，已有10余家大型煤电、化工企业引入该系统，所有设备均顺利通过验收，创造巨大的经济效益和社会效益。项目的技术价值也获得业内高度认可，先后斩获“中国发明协会发明创业奖一等奖”、“第二十八届全国发明展览会金奖”等多项荣誉。这些成绩的背后，是清华大学与西派特(北京)科技有限公司联合攻关团队在核心基础技术、算法研发上的精益求精，也是企业在工程化、市场化方面的实力支撑，双方建立的“实验室研发-中试优化-现场应用”合作机制，为科研成果转化提供了高效路径，为煤质在线检测行业的产业化发展树立了标杆。
张建伟团队的创新成果，诠释了“科技为民”的初心，这款煤炭在线分析系统，不仅解决了行业痛点，更在能源绿色转型中发挥着重要作用：精准的煤质数据帮助企业优化用煤方案，减少污染物排放;无放射源设计消除了安全隐患，符合环保要求;实时检测则为煤炭的高效利用提供了数据支撑，助力“双碳”目标实现。
“苟日新，日日新，又日新”，在清华园的实验室里，在企业的生产线上，这种“从需求中来，到应用中去”的科研精神，正不断催生出更多创新成果。如今，研发团队已将近红外光谱在线检测技术拓展至化肥、高分子材料、矿石等领域。未来，随着技术不断优化和产品体系拓展，近红外光谱在线检测技术有望打造一个覆盖石油、化工、电力、煤炭、制药等多个行业的流程工业关键物性数据采集数字平台，推动传统行业走向更绿色、更高效、更安全、更智能的发展。(文/王超)
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