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一、前言

      隨著我國(guó)在大型水利項(xiàng)目上的投資建設(shè)，前后推出了“172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程”、“150項(xiàng)重大水利工程”，2024年一季度，全國(guó)完成水利建設(shè)投資1933億元，創(chuàng)歷史同期ZUI高紀(jì)錄。

伴隨水利項(xiàng)目的推進(jìn)，數(shù)字孿生水利也在不斷地深入，各式各樣的傳感器也在大大地拓寬它的用武之地。其中，光纖傳感技術(shù)在大型水利工程上的運(yùn)用較為顯著，分布式光纖傳感系統(tǒng)（分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、分布式光纖管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）具有傳感精度高、抗干擾能力強(qiáng)、可連續(xù)監(jiān)測(cè)、傳感端無(wú)需供電、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，逐漸被廣泛運(yùn)用到長(zhǎng)距離、大規(guī)模的重大水利工程項(xiàng)目上。

云南省滇中引水工程航拍圖

內(nèi)蒙古引綽濟(jì)遼工程施工現(xiàn)場(chǎng)圖

二、分布式光纖傳感-大型水利工程的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”

1、分布式光纖聲波振動(dòng)傳感技術(shù)

      該技術(shù)主要利用瑞利散射原理可以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，把這個(gè)振動(dòng)信號(hào)傳遞到振動(dòng)傳感光纜，“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”-振動(dòng)傳感光纜感知到這個(gè)振動(dòng)信號(hào)，就可探測(cè)到聲波的變化，從而監(jiān)測(cè)到振動(dòng)事件。進(jìn)而對(duì)明渠提防、水庫(kù)大壩、輸水管道隧道施工等大型水利工程健康監(jiān)測(cè)、長(zhǎng)距離供水管路監(jiān)測(cè)（主要是防開(kāi)挖、防外破、管道泄漏滲漏監(jiān)測(cè)、PCCP管斷絲監(jiān)測(cè)）、大范圍地域周界安防等領(lǐng)域可廣泛運(yùn)用。

分布式光纖管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體框架示意圖

2、分布式光纖應(yīng)變溫度傳感技術(shù)

      該技術(shù)主要利用布里淵散射原理實(shí)現(xiàn)對(duì)大型水利工程輸水管線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，進(jìn)行全線應(yīng)變、溫度、損傷識(shí)別、全線異常報(bào)警。

憑借其高精度、連續(xù)監(jiān)測(cè)以及長(zhǎng)距離傳輸?shù)葍?yōu)勢(shì)，已在長(zhǎng)距離、大規(guī)模、線性水利工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如，在引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)、大壩混凝土結(jié)構(gòu)、引水管道等水利工程結(jié)構(gòu)中，光纜應(yīng)變感測(cè)技術(shù)能夠監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)變形損傷或表面開(kāi)裂情況，溫度感測(cè)技術(shù)則可監(jiān)測(cè)水分滲漏和管道泄漏情況。通過(guò)此項(xiàng)技術(shù)，能夠精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)滲漏或者泄漏點(diǎn)及結(jié)構(gòu)損傷部位，大大提升了大型水利工程災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)能力。

三、分布式光纖解調(diào)儀和傳輸-構(gòu)建大型水利工程的“中樞系統(tǒng)”

      如果光纖傳感光纜比作人體的“神經(jīng)系統(tǒng)”，那么光纖解調(diào)儀及傳輸可以看作人體的“中樞系統(tǒng)”，光纖解調(diào)儀是分布式光纖傳感系統(tǒng)（分布式光纖管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）的重要部件，是大型水利工程系統(tǒng)的核心，可對(duì)水利工程監(jiān)測(cè)應(yīng)變、溫度、振動(dòng)、聲波信號(hào)等物理量的解調(diào)，進(jìn)而分析出工程人員所關(guān)心的這些物理量的變化。

在數(shù)據(jù)采集和傳輸方面，光纖解調(diào)儀內(nèi)置數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)采用分布式智能節(jié)點(diǎn)控制全網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的組網(wǎng)靈活性和安全性。配備了2個(gè)通道的光纖輸出，2個(gè)RJ45（網(wǎng)口）、2個(gè)USB、3路RS485以及2個(gè)電接口，接口位于主機(jī)背板，后面板為FC/APC光纖接口、USB接口、網(wǎng)絡(luò)接口、繼電器接口、電源接口等。如下圖所示： 

分布式光纖解調(diào)儀后面板示意圖

四、智慧水利信息化平臺(tái)-打造大型水利工程的“智慧大腦”

      分布式光纖傳感技術(shù)運(yùn)用打造的智慧水利信息化平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，核心技術(shù)融合了小波分析、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)挖掘、邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等多種現(xiàn)代化數(shù)據(jù)處理方法。智慧水利信息化平臺(tái)設(shè)置功能包括系統(tǒng)模式切換模塊、采集模式設(shè)置模塊、遠(yuǎn)程上報(bào)模塊；監(jiān)測(cè)曲線回放功能包括長(zhǎng)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊、三維監(jiān)測(cè)模塊、應(yīng)變差值對(duì)比模塊、歷史曲線回放模塊、當(dāng)前曲線監(jiān)測(cè)模塊；數(shù)據(jù)處理功能包括平滑去噪模塊、均一化處理模塊、奇異點(diǎn)修正模塊、數(shù)據(jù)倒轉(zhuǎn)模塊；項(xiàng)目管理功能包括基本信息模塊、區(qū)域管理模塊、歷史采集記錄模塊等。如下圖所示：

智慧水利信息化平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)示意圖

智慧水利信息化平臺(tái)三維監(jiān)測(cè)模塊圖

      該平臺(tái)通過(guò)數(shù)據(jù)融合理論表征結(jié)構(gòu)變形與損傷、溫度變化、振動(dòng)事件等特征信息對(duì)物體進(jìn)行健康檢測(cè)和安全評(píng)估，并且出具圖文并茂的結(jié)構(gòu)健康診斷報(bào)告。同時(shí)，平臺(tái)還引入了地理位置信息系統(tǒng)（GIS），將光纖探測(cè)信息和地理信息相對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)事故事件的快速查找、對(duì)比與替換，可視化等功能。

五、結(jié)語(yǔ)

      光纖傳感技術(shù)-分布式光纖傳感系統(tǒng)是大型水利工程智慧化、智能化、自動(dòng)化的“助推器”，是全面覆蓋大型水利業(yè)務(wù)應(yīng)用，大大提升推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展能力和水平的體現(xiàn)。

      我們將繼續(xù)深化光纖傳感技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用，推動(dòng)大型水利工程的安全運(yùn)行和可持續(xù)發(fā)展。一方面，將進(jìn)一步優(yōu)化光纖傳感技術(shù)的研究，提升其監(jiān)測(cè)精度和穩(wěn)定性，以滿(mǎn)足大型水利工程日益增長(zhǎng)的安全需求。另一方面，將積極推動(dòng)光纖傳感技術(shù)在水利工程中的普及應(yīng)用，提升水利工程的整體建設(shè)水平。

      另外杭州邁煌科技有限公司還推出了供水管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要子系統(tǒng)-管線水錘及泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（采用壓電水聽(tīng)器和高頻壓力傳感器套件方案）和光纖水聽(tīng)器管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等重點(diǎn)產(chǎn)品，廣泛運(yùn)用在大型水利工程輸水管道的健康檢測(cè)。