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摘 要：上海市原水管道总长度435.64km，已经形成一个较大的原水输水系统，承担着向上海市区和部分郊区自来水厂供应优质原水的重任，智慧水务建设是时代发展的要求。采用物联网技术对原水管线进行智能监测，自动采集阀门井结构沉降、管线温度变化和管线接头变形数据，通过数据模型、有限元模型建立管道结构安全评估方法，形成一份可供原水管道安全监测的安全评估方案，实现长输管道结构安全自动检测、监视、控制和管理，促进原水治理能力现代化新模式的发展。

关键词：原水管道；物联网；安全监测；安全评估

中图分类号：TN974    文献标识码：A    国家标准学科分类代码：510.40

0 引言

上海市原水输水管渠是上海市的生命线，由黄浦江系统、长江系统和青草沙系统组成，形成了“两江并举、多源互补”的饮用水水源供应战略格局，承担着向上海市区和部分郊区自来水厂供应优质原水的重任。随着管道使用年龄的增长、安装时施工存在的问题、管道自然腐蚀老化以及第三方破坏等因素的影响[1]，原水管道的安全运营面临严峻挑战，依据对全国500多个城市供水企业的调查[2]，2022年我国城市公共供水总量为6354506万立方米，漏损水量为819053万立方米，占供水总量的12.89％，有些省份漏损率甚至超过了23％，使得我国水资源短的困境雪上加霜。

目前上海市原水管道总长度435.64km，新建西环线工程原水管工作已经展开，至 2025 年，长江、黄浦江原水系统连通成环届时上海市原水管渠总长度将增加至480.6 km。上海市原水输水系统呈现点多、线长、面广的特点。拥有大型取水、输水和增压泵站14座，30余座桥管、90个透气孔、附属设施设备主要包括分支井、阀门、流量仪、透气孔（阀）、补压塔等约六百余座各类井室分布各区县。建设管道安全监测与预警系统可为提升原水管网日常管理水平提供重要技术手段。随着管网规模的扩大，管道运行状态的远程监测与分析智能系统势在必行。物联网技术的不断发展，实现了广域范围的知识集成和共享，将其应用在城市输水管网的运行过程中，可以向用户提供管道全生命周期内的维护服务[3]，包括基本信息管理，设备健康状况的跟踪监视以及设备的及时维护等多个方面，以此降低故障发生概率和运行维护成本，增加运行效益，提高原水管道运行的安全性、可靠性[4-5]。

随着服役时间增加，原水管道常会因为法兰接口处密封性降低影响整体的使用性能，从而对管道使用产生一定的影响。同时，软土地层上的阀门井等井室结构也可能存在长期沉降的问题，由此引起埋地管道的不均匀沉降，因此需要对原水管道及井室实施安全监测。通过布置传感器监测管道应力，应变，温度和倾角等参数，尤其需要对法兰接口处的倾角数据进行监测，获得管道在正常使用时性能的变化，从而为管道安全评价积累数据，为管道安全监测提供数据支持。

1 管道安全监测系统总体设计

原水管道安全监测系统包含数据传感层、数据采集与传输层以及数据应用层。数据传感层主要通过各类传感器进行原始数据的传感工作；数据采集与传输层主要包括数据采集模块、传输模块以及数据库，用来对原始数据进行采集和运输；数据应用层主要进行原始数据的分析与处理，通过数据模型、有限元模型建立管道结构安全评估方法，形成一份可供原水管道安全监测的安全评估方案。整个安全评估方案流程如图1所示。

2 技术路线说明

技术路线如图2所示。

（1） 原水管道安全监测系统设计与布设

原水管道主要失效模式是法兰接口处失去密封性导致结构漏水，失去使用功能。故监测系统基于该失效模型进行设计。

根据原水管道漏损的特性，主要考虑使用无线倾角传感器对于法兰接口的相对转角进行监测，并与多种传感器相结合，充分考虑温度作用、内压作用等因素产生的法兰接口处的附加应力，最终设计出一套适合原水管道安全监测的传感器系统和布置方案。

（2） 原水管道结构力学性能分析

分析原水管道的力学性能，探究影响管道正常使用功能的主要荷载作用，并对这些荷载作用在管道以及法兰接口处产生的附加应力进行分析。

基于上述分析建立管法兰接口有限元模型，初步探究管法兰接口转角位移与垫片压应力的关系，为后续确定法兰接口转角阈值奠定理论基础。

（3） 数据分析与处理

根据安全监测系统返回的监测数据完善有限元模型，计算管法兰接口保持正常工作的转角阈值与位移阈值。并结合监测数据与有限元模型建立原水管道安全性能评估与监测方案。

3 变形监测系统的搭建

原水管道安全监测系统共分为两部分：电源部分和设备部分。电源部分由太阳能电池板、控制器以及电池组成，系统供电以太阳能供电为主，当由于天气等原因导致太阳能无法正常供电时，系统采用蓄电池进行供电。蓄电池部分采用12V-120A大功率防水蓄电池，一次充电可保证为监测系统正常供电一周以上。设备部分则由一个DTU，一个温湿度传感器、四个倾角传感器和四个应变传感器组成。所有测试元件布设在阀门井内。

3.1 应变传感器

采用电阻式三轴免焊应变花，布设方案如图3。

3.2 温度传感器

温敏电阻传感器直接贴装于管道壁上。忽略管道上下温差导致的管道应变不均匀的情况，每个管道布置一个即可。

图4 温敏电阻布置图

3.3 倾角传感器

管法兰接口主要的失效模式是由于接口两侧发生较大的相对倾角而使结构使用性能失效。相对倾角的产生主要是由于管道内压、温度应力和不均匀沉降这三方面原因所造成。其中，由管道内压、温度应力产生的倾角可通过压力、温度数据计算得到，不均匀沉降可通过在井壁布置倾角传感器进行监测。故倾角传感器的布置分为两部分：1）布置于井壁监测地基不均匀沉降，如图5；2）布置于法兰接口两侧监测接口两侧相对倾角，如图6。每套监测系统包含四个倾角传感器。

4 数据采集与传输系统

整个监测系统的最后一环就是传感器所得数据的有效传输，需要通过DTU中的3G/4G模块或NB-IoT进行。为了保证数据的可靠传输，DTU应该布置在井的上层，并把DTU的天线布置井室外面，并采用4G模块进行数据传输，数据上传到在线数据库中以进一步处理。

5 原水管道井室安全监测与评估软件

基于上海市原水管道上所采集的数据进行受力变形分析，并与相关规范给出可供工程使用的原水管道安全预警阈值进行对比，在管道力学性能以及使用性能发生锐减时给予一定的安全预警，从而保证原水管道在服役期内具有更好的工作性能。

综合上述研究成果开发了监测数据及评估结果展示平台，集项目概况、数据查询、安全评估、安全预警等功能于一体，实现了原水管道及井室的安全监测及评估。

系统分为五个页面，首页（见图7）展示了项目概况，描述了系统架构、设备安装位置、井下剖面图，并综合展示了监测数据分析与评估结果。

结论

智慧水务是应用云计算、物联网、大数据、移动互联网和人工智能等新一代信息技术，随着上海市原水输水管渠规模的扩大，管道运行状态的远程监测与分析智能系统势在必行。本文基于物联网技术，设计并建立一套基于监测数据的原水管道及井室安全监测与评估系统，实现长输管道结构安全自动检测、监视、控制和管理，即可提高日常管理效率又降低了运行维护成本，有效保障了原水管道运行的安全性、可靠性。

参考文献

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赵军锋， 谭秋荀， 黎富繁， et al. 城市供水管网阀门综合管理探讨[J]. 技术与市场， 2013（8）： 240- 241.

董绍华， 张河苇. 基于大数据的全生命周期智能管网解决方案[J]. 油气储运， 2016（9）： 28-36.

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汤瑞， 任聪，沈晓东. 基于物联网信息的油气安全预警检测[J]．石油化工安全环保技术， 2024，40（1）： 16-21+76.