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一、背景描述：

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(Pre-stressed Concrete Cylinder Pipe, 簡稱PCCP)的強度取決于纏繞在管芯上的高強鋼絲，鋼絲在管芯上產(chǎn)生均勻的壓預(yù)應(yīng)力，能夠抵償由內(nèi)壓和外荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力。如果鋼絲發(fā)生斷裂，所在部位管道強度下降。如果同一部位出現(xiàn)多根斷絲，管道強度顯著降低，在某一時刻導(dǎo)致爆管。大口徑PCCP爆管具有突發(fā)性、災(zāi)難性。爆管發(fā)生后，不僅僅會造成管道供水中斷，還會引起交通、環(huán)境、衛(wèi)生等公共安全事故。因此大口徑PCCP斷絲監(jiān)測系統(tǒng)（pccp斷絲檢測儀）應(yīng)運而生，能夠迅速地判斷出應(yīng)力管斷絲的位置及數(shù)量，同時還能兼顧管道泄漏、爆管監(jiān)測和防開挖功能。

二、工作原理：

系統(tǒng)將光纜鋪設(shè)在PCCP管道內(nèi)，該光纜同時具備傳感器及傳輸信號的功能。PCCP發(fā)生斷絲時，能量釋放發(fā)出聲音。激光器發(fā)出激光沿光纖傳播，遇到另一端鏡面后反射回來。斷絲引起的聲音產(chǎn)生壓力波，作用在光纖線纜上，使光纖出現(xiàn)輕微變形，導(dǎo)致光反射。反射信號被測量，以此判斷是否出現(xiàn)斷絲。

PCCP斷絲數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲杉到y(tǒng)，系統(tǒng)識別出反映斷絲特征的信號，通過Internet傳輸?shù)街醒胩幚碓O(shè)備，經(jīng)過分析處理后，就能即時確定斷絲數(shù)量，定位斷絲位置。

根據(jù)國產(chǎn)大口徑PCCP斷絲監(jiān)測系統(tǒng)（pccp斷絲檢測儀）工作原理的描述，我們知道主要檢測PCCP管發(fā)生斷絲時產(chǎn)生的聲信號及傳遞過來的震動信號，所以該系統(tǒng)也稱為分布式光纖聲波振動傳感系統(tǒng)，屬于分布式光纖管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的其中一種運用場景。

三、系統(tǒng)組成：

PCCP斷絲監(jiān)測系統(tǒng)也稱PCCP斷絲傳感系統(tǒng)、pccp斷絲檢測儀或者大口徑PCCP斷絲安全監(jiān)測系統(tǒng)，主要由三部分組成：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAQ、傳感光纜、穿纜組件，另外光纖干涉儀是做選配的。該PCCP管道斷絲監(jiān)測系統(tǒng)一般可以和管線水錘及漏損監(jiān)測系統(tǒng)（電學式管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)）配合使用，能夠更加準確地判斷分析出PCCP管斷絲和泄漏情況，多重功能都可兼顧。

3.1、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAQ

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAQ（PCCP管道斷絲檢測儀）的主要組成單元包括聲音傳感單元（SSU）、位置傳感單元（RSU）、信號調(diào)節(jié)單元－觸發(fā)器單元（SCU－TR）、繼電器單元、看門狗單元、計算機、伊頓功率分配單元（ePDU）及光纖拉伸器。1臺PCCP管道斷絲檢測儀DAQ可監(jiān)測50km。該采集系統(tǒng)也可用于長距離管道泄漏（泄露）監(jiān)測，是分布式光纖管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的高配版本。

主要參數(shù)：

測量時間： ≤2s

誤報率： ≤5%

漏報率： ≤1%

定位精度： ±1m

操作系統(tǒng)： Windows2000以上中文版

通信協(xié)議： 提供標準接入?yún)f(xié)議，并按照相關(guān)規(guī)約傳輸給招標方要求的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

遠傳通訊接口：TCP/IP接口，100M以太網(wǎng)口

電源要求： 220VAC（±10%），50-60Hz

工作溫度：-5℃~45℃

工作濕度： 0~95%（無凝露）

3.2、傳感光纜

光纜中包含分布式光纖傳感器，既是接收斷絲信號的傳感器，又是將信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通道。采用光纖傳感器的優(yōu)點是管理成本低，精度高及可靠。全光纖傳感器鋪設(shè)在管道內(nèi)，與任一處鋼絲的距離不超過1倍管徑，斷絲定位誤差小于1倍管徑，因此探測靈敏度高。光纖傳感器沒有電學元件，壽命長、穩(wěn)定。

敷設(shè)在管道中的傳感光纜是針對供水管道使用而定制的，應(yīng)符合飲用水標準。標準光纜包含4根單模光纖，其中一根為聲光纖，一根為定位光纖，另兩根為備用光纖。由于監(jiān)測距離長，運行環(huán)境惡劣，光纜在光學、力學及耐久方面有特殊要求。

3.3、穿纜組件

主要包括防滲帽、維特利卡箍、防噴器（BOP）以及撓性管托架。穿纜組件對光纜起到以下作用：避免光纜過度移動造成磨損；進入管道時可以避免尖銳的邊緣對光纜造成損害；光纜穿出管道時不會出現(xiàn)急轉(zhuǎn)彎，從而影響光的傳播。

四、系統(tǒng)功能：

a）監(jiān)測斷絲的發(fā)展并及時預(yù)警

可以連續(xù)監(jiān)測斷絲，及時掌握斷絲數(shù)量。大口徑PCCP斷絲監(jiān)測系統(tǒng)使用有限元可計算得到管道失效的臨界斷絲數(shù)量，當某管節(jié)斷絲數(shù)量接近臨界值時，系統(tǒng)報警。安裝PCCP斷絲傳感系統(tǒng)，還可以了解斷絲速率，當某節(jié)管道的斷絲越來越頻繁，發(fā)展到每天都有斷絲或者一天內(nèi)有數(shù)根斷絲，這是管道瀕臨爆管的征兆，系統(tǒng)也會報警。

b）了解運行操作對管線的影響

管線充水、排水會導(dǎo)致斷絲數(shù)量增多。管線切換泵，非正常開啟或者關(guān)閉水泵，甚至因為損耗水泵造成壓力波動，都會在管線中產(chǎn)生壓力瞬變，造成斷絲數(shù)量增加。對于安裝了大口徑pccp斷絲檢測儀及斷絲監(jiān)測系統(tǒng)的工程，如果某特定時段斷絲數(shù)量顯著增加，可以查找是否有異常操作，運行參數(shù)是否有變化，據(jù)此查找并消除運行方面的問題。

c）及時發(fā)現(xiàn)管線附近的第三方施工。

大型輸水及調(diào)水工程管線長，工程沿線的保護范圍不足或者未劃出保護范圍，第三方施工有時會破壞管道。國內(nèi)PCCP工程已出現(xiàn)數(shù)例鉆機打穿管道的事故。雖然這些工程都安排了日常人工巡查，但是由于人力有限此類事故還是無法規(guī)避。PCCP斷絲監(jiān)測系統(tǒng)的分布式光纖雖然是安裝在管道內(nèi)部，但由于靈敏度較高，能夠監(jiān)測到管線附近的第三方施工，特別是工程鉆機及挖掘機的施工。

d）現(xiàn)場聲音測聽與還原

無論是PCCP斷絲信號還是第三方施工發(fā)出的振動聲音信號，大口徑pccp斷絲檢測儀都可以進行音頻音色還原，并多次播放以確認。報警聲音自動進行保存，存儲時間長達一年。

e) 邊緣計算AI子系統(tǒng)

PCCP斷絲監(jiān)測系統(tǒng)的邊緣計算AI子系統(tǒng)主要是指分布式光纖聲波傳感主機和分布式光纖干涉儀設(shè)備。分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)主機通過對取得的聲音信號進行判斷和識別，分布式干涉儀設(shè)備可以獲取振動信號的高頻信息，振動報警信息和分布式干涉儀設(shè)備探測信息一起通過網(wǎng)絡(luò)傳輸子系統(tǒng)傳輸給綜合信息處理子系統(tǒng)。