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一、前言

      隨著我國在大型水利項目上的投資建設，前后推出了“172項節水供水重大水利工程”、“150項重大水利工程”，2024年一季度，全國完成水利建設投資1933億元，創歷史同期ZUI高紀錄。

伴隨水利項目的推進，數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，光纖傳感技術在大型水利工程上的運用較為顯著，分布式光纖傳感系統（分布式光纖監測系統、分布式光纖管道泄漏監測系統）具有傳感精度高、抗干擾能力強、可連續監測、傳感端無需供電、傳輸距離遠等特點，逐漸被廣泛運用到長距離、大規模的重大水利工程項目上。

云南省滇中引水工程航拍圖

內蒙古引綽濟遼工程施工現場圖

二、分布式光纖傳感-大型水利工程的“神經網絡”

1、分布式光纖聲波振動傳感技術

      該技術主要利用瑞利散射原理可以實現振動信號的實時監測，當振動信號產生時，把這個振動信號傳遞到振動傳感光纜，“神經網絡”-振動傳感光纜感知到這個振動信號，就可探測到聲波的變化，從而監測到振動事件。進而對明渠提防、水庫大壩、輸水管道隧道施工等大型水利工程健康監測、長距離供水管路監測（主要是防開挖、防外破、管道泄漏滲漏監測、PCCP管斷絲監測）、大范圍地域周界安防等領域可廣泛運用。

分布式光纖管道泄漏監測系統整體框架示意圖

2、分布式光纖應變溫度傳感技術

      該技術主要利用布里淵散射原理實現對大型水利工程輸水管線結構健康監測，進行全線應變、溫度、損傷識別、全線異常報警。

憑借其高精度、連續監測以及長距離傳輸等優勢，已在長距離、大規模、線性水利工程結構監測領域得到廣泛應用。例如，在引水隧洞襯砌結構、大壩混凝土結構、引水管道等水利工程結構中，光纜應變感測技術能夠監測結構變形損傷或表面開裂情況，溫度感測技術則可監測水分滲漏和管道泄漏情況。通過此項技術，能夠精準監測滲漏或者泄漏點及結構損傷部位，大大提升了大型水利工程災害預警預報能力。

三、分布式光纖解調儀和傳輸-構建大型水利工程的“中樞系統”

      如果光纖傳感光纜比作人體的“神經系統”，那么光纖解調儀及傳輸可以看作人體的“中樞系統”，光纖解調儀是分布式光纖傳感系統（分布式光纖管道泄漏監測系統）的重要部件，是大型水利工程系統的核心，可對水利工程監測應變、溫度、振動、聲波信號等物理量的解調，進而分析出工程人員所關心的這些物理量的變化。

在數據采集和傳輸方面，光纖解調儀內置數據自動采集系統采用分布式智能節點控制全網絡結構，使得系統網絡具有較強的組網靈活性和安全性。配備了2個通道的光纖輸出，2個RJ45（網口）、2個USB、3路RS485以及2個電接口，接口位于主機背板，后面板為FC/APC光纖接口、USB接口、網絡接口、繼電器接口、電源接口等。如下圖所示： 

分布式光纖解調儀后面板示意圖

四、智慧水利信息化平臺-打造大型水利工程的“智慧大腦”

      分布式光纖傳感技術運用打造的智慧水利信息化平臺采用模塊化設計，核心技術融合了小波分析、人工智能、神經網絡、數據挖掘、邊緣計算、大數據分析、機器學習等多種現代化數據處理方法。智慧水利信息化平臺設置功能包括系統模式切換模塊、采集模式設置模塊、遠程上報模塊；監測曲線回放功能包括長時監測模塊、三維監測模塊、應變差值對比模塊、歷史曲線回放模塊、當前曲線監測模塊；數據處理功能包括平滑去噪模塊、均一化處理模塊、奇異點修正模塊、數據倒轉模塊；項目管理功能包括基本信息模塊、區域管理模塊、歷史采集記錄模塊等。如下圖所示：

智慧水利信息化平臺功能結構示意圖

智慧水利信息化平臺三維監測模塊圖

      該平臺通過數據融合理論表征結構變形與損傷、溫度變化、振動事件等特征信息對物體進行健康檢測和安全評估，并且出具圖文并茂的結構健康診斷報告。同時，平臺還引入了地理位置信息系統（GIS），將光纖探測信息和地理信息相對應，實現事故事件的快速查找、對比與替換，可視化等功能。

五、結語

      光纖傳感技術-分布式光纖傳感系統是大型水利工程智慧化、智能化、自動化的“助推器”，是全面覆蓋大型水利業務應用，大大提升推動新階段水利高質量發展能力和水平的體現。

      我們將繼續深化光纖傳感技術在水利工程中的應用，推動大型水利工程的安全運行和可持續發展。一方面，將進一步優化光纖傳感技術的研究，提升其監測精度和穩定性，以滿足大型水利工程日益增長的安全需求。另一方面，將積極推動光纖傳感技術在水利工程中的普及應用，提升水利工程的整體建設水平。

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