一、需求分析

      输水管线工程建设中管道是工程的核心之一，管道的健康直接影响输水或者供水覆盖区域的用水安全及输水工程沿线的财产和生命安全。由于整个项目施工方式多样，根据实际场景采用多种方式复合施工，包括明渠开挖、非开挖顶管段（沉井）等。在这样复杂输水工程情况下一旦发生管道泄漏或者爆管事故，因事件响应和处置的后置性，将会造成经济损失和社会影响都是巨大的。那我们建立一套能实时监测管线健康的系统，既能够省去大量人工排查工作又能体现水利工程进行数字化、网络化、智能化程度，是当前我国深入落实创新驱动发展战略，大力发展水利新质生产力相吻合的。

二、系统组成

      输水管线健康管理系统是根据过往建成的输水工程实际运营经验，主要威胁管线健康的事件而建立的，主要又两个子系统，1、分布式光纤管道健康监测系统

通过在压力管道外壁或者内壁敷设的传感光缆，在站点安装系统的控制及监测主机，系统将实时监测包括PCCP管道断丝、管道泄漏、第三方入侵、管道焊口/承插口位移沉降及管道爆管在内的管道安全事件，实时将事件的信息及事件发生的位置通知管道运营管理方，协作管道运营管理方采取及时有效的应对方法，将管道健康的风险和可能造成的损失降到ZUI低。

2、管线泄漏及水锤监测系统

      通过在压力管道的关键排气阀井部位布设传感阵列（主要是高频压力传感器和水听器），并在站点安装系统的控制及监测主机。系统监测的管道健康事件包括水锤、漏损、爆管，同时该系统借助AI人工智能等多种算法能够自动监测管道健康运行状况，可建立管道停留时间的平均周期，辅以统计分析技术，明确判断管道是否发生泄漏。

三、技术原理

1、分布式光纤管道健康监测系统

      该系统利用各类光纤传感技术，可对长距离输水管线发生的管道安全事件进行在线监测。当管道发生泄漏、第三方施工挖掘、人为入侵破坏、管道承插口环焊缝沉降、PCCP断丝等有害事件发生时，系统可在及时进行报警和定位，帮助运营单位快速锁定隐患位置，排除危险因素，避免生命财产损失和环境次生灾害。

     该技术采用与管道贴壁敷设的伴行传感光缆作为传感器，来感知管道沿线威胁管道安全事件所形成的扰动。对于输水管道，依据实际敷设方式选用特殊定制光缆，在保证传感灵敏度的同时确保光缆可长期耐受环境而不发生损坏。

     该技术利用传感光缆中传输的光信号，不断采集管道沿线长达数十公里的振动、声音和应变数据，并对这些数据进行实时、在线分析，捕捉海量数据中的异常信号。分布式光纤管道健康监测系统用一根传感光缆不仅代替了成千上万个线性排列的传感器，还省去了传统点式传感器大规模复用时复杂、繁冗的布线、供电、防腐、电磁屏蔽等工作，具有极低的施工和维护成本。同时，由于光纤本身的无源、灵活、稳定等特点，基于分布式光纤传感技术的监测预警系统具有天然的抗化学腐蚀、抗电磁干扰、无需供电、敷设简单等优点，是长距离线性空间连续监测的较好选择之一。

     该分布式光纤传感技术可监测的事件类型包括：

（1）管道泄漏：当管道因材质腐蚀老化产生腐蚀孔，或其他外力作用产生裂纹时，管道内外的压力差使管内流体向外泄漏。管内水通过腐蚀孔或裂纹向外喷射，与管道相互作用，将产生持续的振动/声信号。分布式光纤传感技术可捕获混杂在管道内水流动的形成的背景噪声中的泄漏声信号，经系统分析，确认泄漏的发生和泄漏的位置。

（2）管道爆管：可造成管道爆管的原因有很多，其实质是由于管体结构无法承载管内的压力时，瞬间超过极限，由量变到质变的一个引发瞬间管道毁损的过程。由于管内压力的瞬间释放，同时伴随着管道解构的整体破坏，其产生的扰动是极其巨大的。系统可以通过捕获并提取该事件的特征，判别爆管事件大发生，及时通知管道运营单位。

（3）防开挖（施工）：施工具破坏性，机械挖掘，重型载荷车辆通过等都可能造成管道不可逆转的损坏。分布式光纤传感技术可以监测施工产生的振动，并通过信号的形态学特征等区分事件的类型，定位事件发生的位置，从而及时制止威胁管道健康的作业行为。

（4）断丝监测：由于PCCP管道发生断丝时会产生瞬间高能声波，沿PCCP管道内壁敷设传感光缆，断丝瞬间产生的高能声波可以被分布式光纤管道健康监测系统捕捉，从而帮助运营人员掌握PCCP管道各处发生断丝的情况，实现整条管道钢丝断裂事件的在线监测和信息收集，为管道完整性评估提供重要的数据支持。

（5）管道沉降：管道的沉降，其实质是管道发生相对位移，通过将传感光缆固定在管道焊口/承插口的两侧，当发生管道不均匀沉降后，焊口/承插口位置的相对位移会导致加载在传感光缆的上的应力的变化。利用布里渊BOTDA光纤传感技术，系统可灵敏的探测小到20微应变的应力变化，从而解算出承插口沉降带来的位移变化。系统采用定期测量和评估的方式，检测整条传感光缆各位置的应变，当某一位置的沉降量已接近极限、或者某位置变化速度过快时都会提示管道运营管理方，通过及时采取措施以遏制沉降的进一步加剧，避免承插口沉降带来的管道损坏。

2、管线泄漏及水锤监测系统

      系统可实时采集水声信息、压力等数据，现地监测站将信息直接传输至监控中心，由中心站实现数据显示、存储、漏损监测、水锤报警、处理预案建议等功能。管线泄漏及水锤监测系统可将检测数据及分析结果传入管道健康监测平台。

      现地监测站主要作用是通过远程终端单元(RTU)对监测传感器（主要是高频压力传感器和水听器）进行数据采集、存储，并将监测数据上传管理中心，并可接收管理中心的控制指令。监测站与管理中心的通讯采用4G/5G无线数据通信方式以及光缆或电缆等有线通信方式。监测站配备的主要硬件设备为传感器（高频压力传感器、水听器）、远程终端单元、通讯模块以及相应的信号及控制线路、防雷设备、供电系统（太阳能）等。管线泄漏及水锤监测系统能够有效监测管道泄漏、水锤压力异常以及爆管的问题。通过在输水管线上布设阵列传感单元，RTU获得实时管道信息将通过无线或有线传输的方式上报至中控系统中，系统通过综合各监测点的实时压力、水声信息，监测水锤、泄漏和爆管等事件。

（1）水锤监测：带压长输水管道在输水过程中，当水流发生急剧变化时引起管中压力的急剧变化，甚至形成水击，超过正常压力的几倍甚至几十倍，这种现象可以破坏管道、阀门，增加其未来发生故障的概率，甚至直接损坏管道、阀门或固定件。尤其针对输水管道随地形的起伏，其中剧烈变化的局部区域，由于排气阀等水锤防护装置不当，导致断流弥合水锤和二次水锤的破环产生。有效识别对管网、阀门等设备造成破坏力影响的压力瞬变，尽早采取措施，能消除压力（或压力瞬变）对管网的损坏，延长管网使用寿命。水锤水声监测技术在实现一般运营信息监控的同时，可结合管网运行水力模型，根据高频压力传感器采集到的压力信号，锁定水锤的发生，通过找到水锤发生原因，减轻甚至达成消减水锤事件的目标。

（2）泄漏（漏损）、爆管监测：长距离输水管道一般口径较大，压力相对较高，管线埋设地理位置人烟稀少，管线爆管具有突发性强的特点，一旦发生爆管，如若没有及时发现漏量将非常严重；另外封闭压力长输水管线，由于地形位移、管道腐蚀、管道承接口、阀门及排气阀质量或安装问题，都有可能产生爆管或漏损。     

       泄漏噪声的产生包括漏孔边缘摩擦声、喷流水头撞击声以及喷流和介质摩擦声。而管道接口处的泄漏也可能会因为未及时发现而导致泄漏扩大，由小漏演化为大漏量。泄漏噪声的传播不仅沿管道传播和向地面传播，还会在水中进行传播，而高灵敏度水听器可抓取在水中较远距离传播的漏损噪声。因此，有必要在管道上安装水听器实时监控管道的泄漏，及时发现，及时处理。管道泄漏监测技术是管道泄漏、爆管监测利器，利用负压波法和实时模型法，系统可有效捕获泄漏事件，当管线发生泄漏时，泄漏点的压力突然下降，压力波由泄漏处向上、下游传播。

       由于管壁的波导作用，压力波传播过程衰减较小，可以传播相当远的距离，传感器能检测出压力波的到达时刻。利用负压波通过上下游测量点的时间差以及负压波在管线中的传播速度，可以确定泄漏的发生和泄漏位置；综合实时模型对压力波传播速度进行校正，保证定位的准确性。同时该技术借助AI人工智能等算法能够自动监测管道健康运行状况，可建立管道停留时间的平均周期，辅以统计分析技术，明确判断管道是否发生泄漏。对于更为隐蔽的微小泄漏，其常发的位置管道的管阀连接处，而管线泄漏及水锤监测系统的水听器阵列单元也正布放在此，可以灵敏的捕获此类泄漏产生的微小声信号，确认泄漏的发生和其位置。