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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，近年來我國興建了大量的長距離供水工程，使用的是PCCP管道，而預應力鋼筋混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，PCCP）因口徑大、壓力高，常見的故障是滲漏、泄露和爆管，原因主要包括供水壓力過高或突變、管道老化、阻塞、磨損、斷裂等，不僅損壞泵設備，而且管道破裂會導致嚴重損害整個調(diào)水工程，嚴重影響一個城市的基礎(chǔ)供水保障，進而影響城市的社會、經(jīng)濟、生活。

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

二、方案設計

（1）斷絲檢測：

    針對大口徑pccp管我們重點對管道斷絲做實時健康檢測，如果PCCP管道的同一部位出現(xiàn)多股斷絲，管道強度將顯著降低，并zui終導致爆管。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)，應用在管道斷絲監(jiān)測領(lǐng)域已經(jīng)成熟，該技術(shù)可實時在線對管道的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，它不僅具有普通光纖傳感器的優(yōu)點，還具有對光纖沿線各點振動和聲音的分布式傳感能力，光纖即是傳輸信息的導體，又是分布式測量的傳感器。它能夠連續(xù)測量光纖沿線所在處的振動和聲音，可對測量距離在50公里的范圍，空間定位精度達到2米的數(shù)量級，進行不間斷的自動測量，特別適用于需要大范圍多點測量的應用場合。

    該PCCP斷絲監(jiān)測系統(tǒng)（pccp斷絲檢測儀）兼具防開挖功能，在管道鋪設的一定范圍內(nèi)人員施工、挖掘開挖等行為作出識別。

（2）水錘泄漏監(jiān)測

    管道的水錘效應破壞性也是非常大，也是我們監(jiān)測的重點內(nèi)容之一。具體采用管線水錘與泄露監(jiān)測系統(tǒng)解決方案，該方案在pccp管泄漏/爆管子系統(tǒng)運用分段濾波技術(shù)將傳感器接收的振動信號控制在20KHz這一有效反應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，以適應不同管道泄漏檢測場景。

    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器，同時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)場條件在此間距范圍內(nèi)適當調(diào)整位置。傳感器通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集通信裝置 RTU，3G/4G/5G 無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對管道進行實時監(jiān)測和分析。

（3）結(jié)構(gòu)健康檢測

3.1、管道徑向、縱向位移監(jiān)測

    管道鋪設過程中由于施工等人為因素導致的形變或者地震等引起的地殼運動而產(chǎn)生沉降位移，日積月累會滲漏及爆管，所以對管道健康檢測還是有必要的。另外，pccp管道徑向、縱向位移監(jiān)測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量改變而發(fā)生的動水離心推力組成，在管道推力的作用下管道會在接頭處產(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行情況的重要指標，因此對其進行監(jiān)測顯得尤為重要。為掌握pccp管道運行期間的變形情況，重點關(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)設施與管道相接等部位為主要監(jiān)測斷面進行管道變形監(jiān)測。管道徑向及縱向位移監(jiān)測采用直線位移傳感器。

3.2、周邊土壓力監(jiān)測

    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)測斷面進行管道覆土壓力及基底應力監(jiān)測。土壓監(jiān)測采用土壓力計監(jiān)測。土壓計是一種埋入式壓力傳感器，主要用于測量土石壩、土提、邊坡、路基、擋土墻和隧道等結(jié)構(gòu)物內(nèi)部土體的應力，適合長期自動化監(jiān)測。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、耐腐蝕性和長期穩(wěn)定性等。在完善電纜保護措施后，可直接埋設在對儀器要求較高的碾壓土中。

3.3、滲壓監(jiān)測

    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)測管道接頭的滲漏情況，重點選取：工作壓力較大、地基變化、埋置深度深的典型斷面布設滲壓計和測壓管，用以監(jiān)測管道接頭滲漏情況。滲壓監(jiān)測使用滲壓計，是一種用于測量孔隙水壓力或滲透壓力的傳感器，廣泛應運于大壩、尾礦庫、隧道、路基、邊坡等工程中的地基深層水壓力的測量，從預鉆孔壓入至設計層面待測點。

（4）智慧水利信息管理系統(tǒng)軟件平臺設計：

    大口徑pccp管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)平臺系統(tǒng)；采用分層 B/S 體系結(jié)構(gòu)，以.NET 為開發(fā)平臺，統(tǒng)一技術(shù)標準、流程規(guī)范、數(shù)據(jù)管理、角色管理、用戶登陸、界面風格，構(gòu)成一個開放統(tǒng)一的平臺，構(gòu)建分層的在線監(jiān)測系統(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，可進行多站點采集數(shù)據(jù)的對比展示與查詢（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服務接入軟件分析平臺）現(xiàn)場監(jiān)測設備管理模塊；

實時告警包含實時告警推送、多方式告警通知(短信、郵件、聲光)可實現(xiàn)自定義推送策略(接收等級、方式、人員)、自動推送和手動發(fā)送告警；

對數(shù)據(jù)進行各類分析處理，主要有：數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析（極值、平均值、有效值、均方值、方差、標準差等）、系統(tǒng)參數(shù)識別、系統(tǒng)數(shù)據(jù)評估（趨勢分析、養(yǎng)護管理評定等）等功能。

監(jiān)測傳感器安裝位置周邊跑冒滴漏的現(xiàn)象，實現(xiàn) 120 升/分微小漏水監(jiān)測，系統(tǒng)通過頻譜分析功能實現(xiàn)報警；

管線異常事件管理，完整、準確掌握輸水系統(tǒng)運行狀態(tài)，通過高頻壓力和聲納數(shù)據(jù)實時監(jiān)測排氣閥工作狀態(tài)；

系統(tǒng)能夠機器自學習輸水模式，幫助用戶快速判斷給水系統(tǒng)問題，提高管線運行的可靠性、安全性，基于供水壓力實現(xiàn)供水調(diào)度，并及時自動發(fā)現(xiàn)運行異常，提高調(diào)度管理的效率和水平。

識別和展示管線壓力瞬變水錘事件（水泵開停、閥門開閉、施工、沖洗、排氣故障等），在線記錄顯示水錘壓力變化曲線，實現(xiàn)報警，并確定壓力瞬變源和定位；

基于管內(nèi) 3bar 運行壓力以上，實現(xiàn) 300 升/分以上的爆管實時監(jiān)測和報警，通過時鐘同步技術(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)場存在的壓力瞬變強度和數(shù)量，評估管道的爆管風險，并展示危險管線的區(qū)域；

三、方案總結(jié)

    該大口徑pccp管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)解決方案很好地展示了多維度多傳感設備相結(jié)合的方式建立管路監(jiān)測模型。通過AI模型能夠?qū)饫|所接收的聲學信息進行判斷和識別，并結(jié)合干涉儀的高頻信息過濾來實現(xiàn)斷絲信號的準確捕捉；在防開挖監(jiān)測系統(tǒng)方面系統(tǒng)具有人工智能和自學習功能，可在本身具有的振動信息庫中不斷累積與豐富，實現(xiàn)樣本庫的學習。

    通過該方案對大口徑、長距離輸水pccp管道有較好地了解其運行健康程度，充分運用新一代信息技術(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、科學性、精準性、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、設計、建設、運行全生命周期管理，實現(xiàn)與物理水網(wǎng)同步仿真運行、虛實交互、迭代優(yōu)化。對于構(gòu)建以數(shù)字孿生流域為核心的智慧水利系統(tǒng)具有重大意義。