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一、方案背景

    作為“城市生命線”涉及的大型原水管線輸水配水工程，在保障供水安全層面至關(guān)重要，近年來(lái)我國(guó)興建了大量的長(zhǎng)距離供水工程，使用的是PCCP管道，而預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，PCCP）因口徑大、壓力高，常見(jiàn)的故障是滲漏、泄露和爆管，原因主要包括供水壓力過(guò)高或突變、管道老化、阻塞、磨損、斷裂等，不僅損壞泵設(shè)備，而且管道破裂會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p害整個(gè)調(diào)水工程，嚴(yán)重影響一個(gè)城市的基礎(chǔ)供水保障，進(jìn)而影響城市的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生活。

    該輸水管線目前已經(jīng)投入使用，在運(yùn)行過(guò)程中也存在一些潛在安全問(wèn)題，如管道上方地面動(dòng)土作業(yè)對(duì)管道的影響問(wèn)題、管道的滲漏問(wèn)題、PCCP管道內(nèi)部腐蝕問(wèn)題等。上述問(wèn)題均可能對(duì)管道的安全運(yùn)行產(chǎn)生較大的影響，嚴(yán)重危害管道的正常供水運(yùn)行。為保障管線安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行，需要一套綜合、系統(tǒng)、可靠的大口徑pccp管道泄漏監(jiān)測(cè)解決方案，對(duì)管線進(jìn)行實(shí)時(shí)在線、全生命周期的健康監(jiān)測(cè)。

二、方案設(shè)計(jì)

（1）斷絲檢測(cè)：

    針對(duì)大口徑pccp管我們重點(diǎn)對(duì)管道斷絲做實(shí)時(shí)健康檢測(cè)，如果PCCP管道的同一部位出現(xiàn)多股斷絲，管道強(qiáng)度將顯著降低，并zui終導(dǎo)致爆管。我們采用分布式光纖傳感技術(shù)，該技術(shù)作為一種新型的傳感技術(shù)，應(yīng)用在管道斷絲監(jiān)測(cè)領(lǐng)域已經(jīng)成熟，該技術(shù)可實(shí)時(shí)在線對(duì)管道的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，它不僅具有普通光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)，還具有對(duì)光纖沿線各點(diǎn)振動(dòng)和聲音的分布式傳感能力，光纖即是傳輸信息的導(dǎo)體，又是分布式測(cè)量的傳感器。它能夠連續(xù)測(cè)量光纖沿線所在處的振動(dòng)和聲音，可對(duì)測(cè)量距離在50公里的范圍，空間定位精度達(dá)到2米的數(shù)量級(jí)，進(jìn)行不間斷的自動(dòng)測(cè)量，特別適用于需要大范圍多點(diǎn)測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)合。

    該P(yáng)CCP斷絲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（pccp斷絲檢測(cè)儀）兼具防開(kāi)挖功能，在管道鋪設(shè)的一定范圍內(nèi)人員施工、挖掘開(kāi)挖等行為作出識(shí)別。

（2）水錘泄漏監(jiān)測(cè)

    管道的水錘效應(yīng)破壞性也是非常大，也是我們監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)內(nèi)容之一。具體采用管線水錘與泄露監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解決方案，該方案在pccp管泄漏/爆管子系統(tǒng)運(yùn)用分段濾波技術(shù)將傳感器接收的振動(dòng)信號(hào)控制在20KHz這一有效反應(yīng)水管泄漏聲音的頻段內(nèi)，并且可在該頻段內(nèi)組合成不同寬度的頻段范圍，以適應(yīng)不同管道泄漏檢測(cè)場(chǎng)景。

    在確定排氣閥位置上安裝一體式傳感器，必須包括高頻壓力傳感器和水聽(tīng)器，同時(shí)傳感器套件接觸到管道內(nèi)的水。安裝傳感器的間距為500-1000 米，現(xiàn)場(chǎng)條件在此間距范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)整位置。傳感器通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集通信裝置 RTU，3G/4G/5G 無(wú)線方式或者光纖通信，將采集到數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸{(diào)度控制中心分析平臺(tái)對(duì)管道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析。

（3）結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)

3.1、管道徑向、縱向位移監(jiān)測(cè)

    管道鋪設(shè)過(guò)程中由于施工等人為因素導(dǎo)致的形變或者地震等引起的地殼運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生沉降位移，日積月累會(huì)滲漏及爆管，所以對(duì)管道健康檢測(cè)還是有必要的。另外，pccp管道徑向、縱向位移監(jiān)測(cè)在覆土壓力等豎向荷載作用下，管道容易在地基條件發(fā)生變化或基礎(chǔ)設(shè)施與管道相接部位產(chǎn)生不均勻徑向位移。pccp管道主要推力由管道內(nèi)水壓力產(chǎn)生的靜水推力和由水的動(dòng)量改變而發(fā)生的動(dòng)水離心推力組成，在管道推力的作用下管道會(huì)在接頭處產(chǎn)生平行于管軸線的縱向位移。管道的徑向位移和縱向位移是反映管道運(yùn)行情況的重要指標(biāo)，因此對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。為掌握pccp管道運(yùn)行期間的變形情況，重點(diǎn)關(guān)注在沿線管道：下穿交通道路、高挖方高填方、地基變化、基礎(chǔ)設(shè)施與管道相接等部位為主要監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行管道變形監(jiān)測(cè)。管道徑向及縱向位移監(jiān)測(cè)采用直線位移傳感器。

3.2、周邊土壓力監(jiān)測(cè)

    為掌握pccp管道頂部填土的覆土壓力和側(cè)向填土的側(cè)向土壓力，重點(diǎn)選擇在在沿線管道選取下穿交通道路和高挖方高填方監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行管道覆土壓力及基底應(yīng)力監(jiān)測(cè)。土壓監(jiān)測(cè)采用土壓力計(jì)監(jiān)測(cè)。土壓計(jì)是一種埋入式壓力傳感器，主要用于測(cè)量土石壩、土提、邊坡、路基、擋土墻和隧道等結(jié)構(gòu)物內(nèi)部土體的應(yīng)力，適合長(zhǎng)期自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。傳感器主要部件均用特殊鋼材制造，可在惡劣環(huán)境使用。其性能優(yōu)異，具有良好的精度和靈敏度、較好的防水性能、耐腐蝕性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性等。在完善電纜保護(hù)措施后，可直接埋設(shè)在對(duì)儀器要求較高的碾壓土中。

3.3、滲壓監(jiān)測(cè)

    pccp管道全線有壓。由于內(nèi)水壓力的作用、承插接頭銹蝕、連接橡膠圈圈老化以及不平衡推力產(chǎn)生的接頭過(guò)大位移等原因，管道接頭處存在滲漏的可能。為掌握管道接頭密封效果以及監(jiān)測(cè)管道接頭的滲漏情況，重點(diǎn)選?。汗ぷ鲏毫^大、地基變化、埋置深度深的典型斷面布設(shè)滲壓計(jì)和測(cè)壓管，用以監(jiān)測(cè)管道接頭滲漏情況。滲壓監(jiān)測(cè)使用滲壓計(jì)，是一種用于測(cè)量孔隙水壓力或滲透壓力的傳感器，廣泛應(yīng)運(yùn)于大壩、尾礦庫(kù)、隧道、路基、邊坡等工程中的地基深層水壓力的測(cè)量，從預(yù)鉆孔壓入至設(shè)計(jì)層面待測(cè)點(diǎn)。

（4）智慧水利信息管理系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)：

    大口徑pccp管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)系統(tǒng)；采用分層 B/S 體系結(jié)構(gòu)，以.NET 為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、流程規(guī)范、數(shù)據(jù)管理、角色管理、用戶登陸、界面風(fēng)格，構(gòu)成一個(gè)開(kāi)放統(tǒng)一的平臺(tái)，構(gòu)建分層的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

    主要功能模塊包括：管道結(jié)構(gòu)健康信息展示、查詢模塊，可進(jìn)行多站點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的對(duì)比展示與查詢（含用戶所提供 GIS 數(shù)據(jù)的處理，或用戶所提供 GIS 數(shù)據(jù) WebService服務(wù)接入軟件分析平臺(tái)）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備管理模塊；

實(shí)時(shí)告警包含實(shí)時(shí)告警推送、多方式告警通知(短信、郵件、聲光)可實(shí)現(xiàn)自定義推送策略(接收等級(jí)、方式、人員)、自動(dòng)推送和手動(dòng)發(fā)送告警；

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各類分析處理，主要有：數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析（極值、平均值、有效值、均方值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差等）、系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別、系統(tǒng)數(shù)據(jù)評(píng)估（趨勢(shì)分析、養(yǎng)護(hù)管理評(píng)定等）等功能。

監(jiān)測(cè)傳感器安裝位置周邊跑冒滴漏的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn) 120 升/分微小漏水監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)通過(guò)頻譜分析功能實(shí)現(xiàn)報(bào)警；

管線異常事件管理，完整、準(zhǔn)確掌握輸水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)高頻壓力和聲納數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)排氣閥工作狀態(tài)；

系統(tǒng)能夠機(jī)器自學(xué)習(xí)輸水模式，幫助用戶快速判斷給水系統(tǒng)問(wèn)題，提高管線運(yùn)行的可靠性、安全性，基于供水壓力實(shí)現(xiàn)供水調(diào)度，并及時(shí)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行異常，提高調(diào)度管理的效率和水平。

識(shí)別和展示管線壓力瞬變水錘事件（水泵開(kāi)停、閥門開(kāi)閉、施工、沖洗、排氣故障等），在線記錄顯示水錘壓力變化曲線，實(shí)現(xiàn)報(bào)警，并確定壓力瞬變?cè)春投ㄎ唬?/p>

基于管內(nèi) 3bar 運(yùn)行壓力以上，實(shí)現(xiàn) 300 升/分以上的爆管實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警，通過(guò)時(shí)鐘同步技術(shù)確定爆管位置，精度±30 米范圍；

壓力瞬變（水錘）分析，結(jié)合供水帶壓管道（GIS）材質(zhì)、管齡、管徑等等參數(shù)，基于現(xiàn)場(chǎng)存在的壓力瞬變強(qiáng)度和數(shù)量，評(píng)估管道的爆管風(fēng)險(xiǎn)，并展示危險(xiǎn)管線的區(qū)域；

三、方案總結(jié)

    該大口徑pccp管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解決方案很好地展示了多維度多傳感設(shè)備相結(jié)合的方式建立管路監(jiān)測(cè)模型。通過(guò)AI模型能夠?qū)饫|所接收的聲學(xué)信息進(jìn)行判斷和識(shí)別，并結(jié)合干涉儀的高頻信息過(guò)濾來(lái)實(shí)現(xiàn)斷絲信號(hào)的準(zhǔn)確捕捉；在防開(kāi)挖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面系統(tǒng)具有人工智能和自學(xué)習(xí)功能，可在本身具有的振動(dòng)信息庫(kù)中不斷累積與豐富，實(shí)現(xiàn)樣本庫(kù)的學(xué)習(xí)。

    通過(guò)該方案對(duì)大口徑、長(zhǎng)距離輸水pccp管道有較好地了解其運(yùn)行健康程度，充分運(yùn)用新一代信息技術(shù)，系統(tǒng)構(gòu)建數(shù)字孿生水利體系，為水利決策管理提供前瞻性、科學(xué)性、精準(zhǔn)性、安全性支持。確保工程安全、供水安全、水質(zhì)安全，立足工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行全生命周期管理，實(shí)現(xiàn)與物理水網(wǎng)同步仿真運(yùn)行、虛實(shí)交互、迭代優(yōu)化。對(duì)于構(gòu)建以數(shù)字孿生流域?yàn)楹诵牡闹腔鬯到y(tǒng)具有重大意義。