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一、背景
管道會因地質(zhì)沉降產(chǎn)生非均勻應(yīng)力集中效應(yīng)導(dǎo)致形變，進(jìn)而誘發(fā)周邊生態(tài)系統(tǒng)的漸進(jìn)式結(jié)構(gòu)損傷，嚴(yán)重情況下可能引發(fā)管道完整性管理失效風(fēng)險。傳統(tǒng)人工巡檢模式存在監(jiān)測盲區(qū)大、響應(yīng)滯后等缺陷，難以滿足現(xiàn)代管道全生命周期管理的需求。建立基于多源傳感物聯(lián)網(wǎng)的管道本體變形監(jiān)測，通過實時感知管道力學(xué)狀態(tài)演變，可以及時預(yù)警地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，實現(xiàn)管道的安全控制，減少因地質(zhì)災(zāi)害造成的管道破壞，為管道的運(yùn)行維護(hù)策略提供保證。
二、監(jiān)測方案概述
管道通過地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域的部分管線通常要承受增長的縱向應(yīng)變，因此獲取管道縱向應(yīng)變的變化是管道力學(xué)監(jiān)控的主要內(nèi)容。取得了管道的應(yīng)變變化數(shù)據(jù)，就可以利用材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系判別管道的力學(xué)狀態(tài)。
依據(jù)材料力學(xué)強(qiáng)度理論及彈塑性失效機(jī)理，管道結(jié)構(gòu)在外部載荷作用下，當(dāng)主應(yīng)力組合或等效塑性應(yīng)變達(dá)到材料屈服強(qiáng)度或極限應(yīng)變閾值時，即發(fā)生強(qiáng)度失效或屈曲失穩(wěn)。因此管道設(shè)計時根據(jù)管材和管道的幾何尺寸規(guī)定了管道的容許應(yīng)力或容許應(yīng)變。
通過監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠掌握管道在外力作用下的力學(xué)行為和變形趨勢，因此與操作條件下荷載（內(nèi)壓、溫差）引起的應(yīng)力或應(yīng)變和管道彈性敷設(shè)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力或應(yīng)變進(jìn)行組合，與容許應(yīng)力或容許應(yīng)變進(jìn)行比較，就可以對管道的力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行評價，通過將加速度轉(zhuǎn)換為信號的傳感器，測量空間加速度，就可以全面準(zhǔn)確地對管道本體變形趨勢進(jìn)行監(jiān)測，此外還可以利用位移傳感器測量管道的裂縫和位移量，對管道的裂縫進(jìn)行長期的相對位移變化監(jiān)測。
三、 合睿達(dá)管道位移自動化監(jiān)測方案介紹
（一）、監(jiān)測目標(biāo)
支墩穩(wěn)定性：實時監(jiān)測支墩位移、沉降、傾斜等形變參數(shù)。
應(yīng)力應(yīng)變：檢測支墩結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化，預(yù)防因荷載超限導(dǎo)致的破壞。
（二）、監(jiān)測技術(shù)選型
2.1感知層（傳感器）
| 監(jiān)測參數(shù) | 傳感器類型 | 技術(shù)特點 |
| 位移/沉降監(jiān)測 | 高精度GNSS定位 | 毫米級精度，適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境 |
| 傾斜角度、振動 | MEMS傾角傳感器 | 低功耗、實時響應(yīng) |
| 應(yīng)力應(yīng)變 | 振弦式應(yīng)變計 | 長壽命、分布式監(jiān)測 |
2.2設(shè)備參數(shù)
①GNSS監(jiān)測一體機(jī)
| 型號 | HRS-001 |
| 信號 | 北斗、GPS、GLONASS、Galileo |
| 精度 | 平面：±（2.5+0.5×10-6×D）mm 高程：±(5+0.5×10-6×D)mm |
| 功耗 | ≤2W |
| 通訊 | 支持4G、5G全網(wǎng)通 |
MBT | 80000小時 |
防護(hù)等級 | IP69 |
②一體式智能采集儀
| 型號 | HRSZNJC |
| 傾角量程 | ±90°（三向） |
| 傾角精度 | ±0.1 |
加速度量程 | ±2g |
| 加速度精度 | ±1mg |
| 定位模式 | GPS+北斗 |
| 數(shù)據(jù)輸出 | 傾角數(shù)據(jù)、加速度數(shù)據(jù)、定位坐標(biāo)、信號強(qiáng)度 |
防護(hù)等級 | IP67 |
③振弦式應(yīng)變計
| 型號 | HRS-10 | HRS-15 | HRS-10M | HRS-15M | |
| 尺寸參數(shù) | 儀器標(biāo)距 | 100mm | 150mm | 100mm | 150mm |
有效直徑d | 20mm | 20mm | 23mm | 23mm | |
| 端部直徑D | 33mm | 33mm | 33mm | 33mm | |
性能參數(shù) | 測量范圍 | 3000με（拉伸1500με；壓縮1500με） | |||
| 分辨力 | 0.015%F.S | ||||
擬合/端基精度 | 0.1%F.S/0.5%F.S | ||||
| 測溫范圍 | -40℃～+80℃ | ||||
| 測溫靈敏度 | ±0.1℃ | ||||
測溫精度 | ±0.5℃ | ||||
| 溫度修正系數(shù) b | 13με/℃ | ||||
| 彈性模量 Eg | 150～800MPa | 800～1500MPa | |||
| 耐水壓 | 0.5MPa、1MPa | 2MPa | |||
| 絕緣電阻 | 50MΩ | ||||
3. 數(shù)據(jù)處理與分析
邊緣計算：在網(wǎng)關(guān)端進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理（濾波、異常值剔除）。
云平臺：各類傳感器數(shù)據(jù)整合分析，并進(jìn)行可視化顯示。
4. 通訊、供電方案
太陽能+鋰電池（適用于無電源場景）。
4.1.供電系統(tǒng)：
GNSS監(jiān)測主機(jī)與采集儀供電采用太陽能供電。主要設(shè)備有：100W太陽能板，100AH蓄電池，太陽能控制器，監(jiān)測主機(jī)。連接示意圖如下：
4.2.通訊系統(tǒng)：
普適型監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸采用4G 傳輸模塊，應(yīng)用 4G 網(wǎng)絡(luò)傳輸至部署在云平臺上的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，并通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器。
服務(wù)器通過解算軟件解析數(shù)據(jù)，輸出原始坐標(biāo)值，解算后數(shù)據(jù)傳輸至展示平臺，平臺展示累計位移量。
圖4.1數(shù)據(jù)傳輸物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)
（三）、系統(tǒng)架構(gòu)
感知層（傳感器） → 傳輸層（網(wǎng)關(guān)/通信模塊） → 數(shù)據(jù)處理層（邊緣計算+云平臺） → 應(yīng)用層（可視化、預(yù)警）
3.1設(shè)備安裝部署
位移監(jiān)測：安裝在支墩側(cè)邊表面或基礎(chǔ)連接處。
傾角傳感器：布設(shè)在支墩頂部及關(guān)鍵支撐點。
應(yīng)變計傳感器：嵌入支墩混凝土內(nèi)部，監(jiān)測應(yīng)力集中區(qū)域。
3.2數(shù)據(jù)分析場景
實時報警：位移超限（如>5mm）、傾角突變（>0.5°）觸發(fā)聲光報警。
長期趨勢：通過歷史數(shù)據(jù)預(yù)測支墩壽命，優(yōu)化檢修周期。
（四）、方案優(yōu)勢
優(yōu)勢：
實時性：分鐘級數(shù)據(jù)更新，快速響應(yīng)突發(fā)風(fēng)險。
可擴(kuò)展性：支持新增傳感器與算法模型迭代。
成本優(yōu)化：
減少人工巡檢頻率，降低維護(hù)成本。
（五）、預(yù)期效果
支墩失效預(yù)警時間提前≥72小時。
維護(hù)成本降低30%-50%。
延長管道系統(tǒng)使用壽命15%-20%。
