一、前言

      随着我国在大型水利项目上的投资建设，前后推出了“172项节水供水重大水利工程”、“150项重大水利工程”，2024年一季度，全国完成水利建设投资1933亿元，创历史同期ZUI高纪录。

伴随水利项目的推进，数字孪生水利也在不断地深入，各式各样的传感器也在大大地拓宽它的用武之地。其中，光纤传感技术在大型水利工程上的运用较为显著，分布式光纤传感系统（分布式光纤监测系统、分布式光纤管道泄漏监测系统）具有传感精度高、抗干扰能力强、可连续监测、传感端无需供电、传输距离远等特点，逐渐被广泛运用到长距离、大规模的重大水利工程项目上。

云南省滇中引水工程航拍图

内蒙古引绰济辽工程施工现场图

二、分布式光纤传感-大型水利工程的“神经网络”

1、分布式光纤声波振动传感技术

      该技术主要利用瑞利散射原理可以实现振动信号的实时监测，当振动信号产生时，把这个振动信号传递到振动传感光缆，“神经网络”-振动传感光缆感知到这个振动信号，就可探测到声波的变化，从而监测到振动事件。进而对明渠提防、水库大坝、输水管道隧道施工等大型水利工程健康监测、长距离供水管路监测（主要是防开挖、防外破、管道泄漏渗漏监测、PCCP管断丝监测）、大范围地域周界安防等领域可广泛运用。

分布式光纤管道泄漏监测系统整体框架示意图

2、分布式光纤应变温度传感技术

      该技术主要利用布里渊散射原理实现对大型水利工程输水管线结构健康监测，进行全线应变、温度、损伤识别、全线异常报警。

凭借其高精度、连续监测以及长距离传输等优势，已在长距离、大规模、线性水利工程结构监测领域得到广泛应用。例如，在引水隧洞衬砌结构、大坝混凝土结构、引水管道等水利工程结构中，光缆应变感测技术能够监测结构变形损伤或表面开裂情况，温度感测技术则可监测水分渗漏和管道泄漏情况。通过此项技术，能够精准监测渗漏或者泄漏点及结构损伤部位，大大提升了大型水利工程灾害预警预报能力。

三、分布式光纤解调仪和传输-构建大型水利工程的“中枢系统”

      如果光纤传感光缆比作人体的“神经系统”，那么光纤解调仪及传输可以看作人体的“中枢系统”，光纤解调仪是分布式光纤传感系统（分布式光纤管道泄漏监测系统）的重要部件，是大型水利工程系统的核心，可对水利工程监测应变、温度、振动、声波信号等物理量的解调，进而分析出工程人员所关心的这些物理量的变化。

在数据采集和传输方面，光纤解调仪内置数据自动采集系统采用分布式智能节点控制全网络结构，使得系统网络具有较强的组网灵活性和安全性。配备了2个通道的光纤输出，2个RJ45（网口）、2个USB、3路RS485以及2个电接口，接口位于主机背板，后面板为FC/APC光纤接口、USB接口、网络接口、继电器接口、电源接口等。如下图所示： 

分布式光纤解调仪后面板示意图

四、智慧水利信息化平台-打造大型水利工程的“智慧大脑”

      分布式光纤传感技术运用打造的智慧水利信息化平台采用模块化设计，核心技术融合了小波分析、人工智能、神经网络、数据挖掘、边缘计算、大数据分析、机器学习等多种现代化数据处理方法。智慧水利信息化平台设置功能包括系统模式切换模块、采集模式设置模块、远程上报模块；监测曲线回放功能包括长时监测模块、三维监测模块、应变差值对比模块、历史曲线回放模块、当前曲线监测模块；数据处理功能包括平滑去噪模块、均一化处理模块、奇异点修正模块、数据倒转模块；项目管理功能包括基本信息模块、区域管理模块、历史采集记录模块等。如下图所示：

智慧水利信息化平台功能结构示意图

智慧水利信息化平台三维监测模块图

      该平台通过数据融合理论表征结构变形与损伤、温度变化、振动事件等特征信息对物体进行健康检测和安全评估，并且出具图文并茂的结构健康诊断报告。同时，平台还引入了地理位置信息系统（GIS），将光纤探测信息和地理信息相对应，实现事故事件的快速查找、对比与替换，可视化等功能。

五、结语

      光纤传感技术-分布式光纤传感系统是大型水利工程智慧化、智能化、自动化的“助推器”，是全面覆盖大型水利业务应用，大大提升推动新阶段水利高质量发展能力和水平的体现。

      我们将继续深化光纤传感技术在水利工程中的应用，推动大型水利工程的安全运行和可持续发展。一方面，将进一步优化光纤传感技术的研究，提升其监测精度和稳定性，以满足大型水利工程日益增长的安全需求。另一方面，将积极推动光纤传感技术在水利工程中的普及应用，提升水利工程的整体建设水平。

      另外杭州迈煌科技有限公司还推出了供水管道泄漏监测系统的重要子系统-管线水锤及泄漏监测系统（采用压电水听器和高频压力传感器套件方案）和光纤水听器管道泄漏监测系统等重点产品，广泛运用在大型水利工程输水管道的健康检测。