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本項目提出了將時間維度與空間維度相結合的多尺度綜合能源需求分析與預測模型，設計并實現了一種面向智慧城市的綜合能源需求分析與預測的方法，提升能源供應規劃和營銷策略的優化與決策支持。

成果描述：擁有獨立的自主知識產權，采用磷鐵在水溶液中電解制備高純度FePO4，以水中的氧為產物提供氧源，可以實現原位除雜，不受磷鐵的原料來源限制；采用價廉的磷鐵和空氣中的氧為原料，通過與鋰鹽和補充磷源或鐵源在可控氣氛下反應制備粒度和碳含量可控的LiFePO4，避開了目前合成方法中的專利技術壁壘問題，不存在知識產權糾紛，將廢物循環利用與能源材料耦合起來，節能環保，從源頭上降低了磷酸鐵和磷酸鐵鋰的生產成本。 所采用的原料均為大宗化工產品，磷鐵副產物中的雜質可以通過反應工藝控制進行無害化處理，在原料的供應和價格方面都非常穩定；通過工藝控制和反應原料的組合，可以將反應產生的CO2等副產物循環利用，實現零排放的綠色清潔工藝；將添加劑與磷鐵和鋰源及補充的鐵源或磷源充分混合，添加劑在后續的反應中既可以起保護作用，又能形成對磷酸鐵鋰顆粒的原位包覆及控制晶粒生長作用，能夠極大提高正極材料的導電性能；采用的工藝路線容易控制，工藝穩定性好，容易實現大批量生產。市場前景分析：本項目產品專門提供給各種電動車（包括自行車、公交車、汽車、混合動力車等）、電動工具、手機、筆記本電腦、藍牙器件、UPS不間斷電源、攝像機、播放器、游戲機、電動玩具、清潔器和極端氣候環境下的武器裝備等產品所需的鋰離子電池和超級電容器電極材料，特別在電動車領域具有非常大的市場前景。作為電動車電源，磷酸亞鐵鋰動力電池具有熱穩定性好、安全性高、壽命長、倍率性能好、耐高溫、綠色環保等特點，備受關注。與以往的鋰離子電池正極材料LiCoO2、LiMn2O4、LiNiMO2等相比，磷酸亞鐵鋰的安全性能與循環壽命是其它材料所無法相比的，這些也正是動力電池最重要的技術指標，而且循環穩定性好，1C充放循環壽命達2000次。單節電池過充電壓30V不燃燒、不爆炸，穿刺不爆炸。在未來幾年內，磷酸鐵鋰地市場需求量將達5萬噸以上，尤其是在動力型電池應用方面對磷酸鐵鋰地需求將大幅增加。與同類成果相比的優勢分析：1．FePO4基本參數：純度≥97%，粒度≤1μm，而且根據需要可以進行調控 2. LiFePO4基本參數： Li =~4.4%, Fe=35.4%, P=19.6%, C=2-6% 3. 物理參數： 松裝密度 ≥0.5 g/cm3 振實密度 ≥1.2 g/cm3, 中位粒徑 ~4 μm 4. 涂片參數： LiFePO4: C : PVDF=90:3:7 極片壓實密度：2.1-2.4 g/cm3 5. 電化學性能： 克容量>130mAh/g 測試條件：1C, 全電池。 克容量>140mAh/g 測試條件：紐扣0.1C, 電壓4.2-2.5V

成果描述：擁有獨立的自主知識產權，采用磷鐵在水溶液中電解制備高純度FePO4，以水中的氧為產物提供氧源，可以實現原位除雜，不受磷鐵的原料來源限制；采用價廉的磷鐵和空氣中的氧為原料，通過與鋰鹽和補充磷源或鐵源在可控氣氛下反應制備粒度和碳含量可控的LiFePO4，避開了目前合成方法中的專利技術壁壘問題，不存在知識產權糾紛，將廢物循環利用與能源材料耦合起來，節能環保，從源頭上降低了磷酸鐵和磷酸鐵鋰的生產成本。 所采用的原料均為大宗化工產品，磷鐵副產物中的雜質可以通過反應工藝控制進行無害化處理，在原料的供應和價格方面都非常穩定；通過工藝控制和反應原料的組合，可以將反應產生的CO2等副產物循環利用，實現零排放的綠色清潔工藝；將添加劑與磷鐵和鋰源及補充的鐵源或磷源充分混合，添加劑在后續的反應中既可以起保護作用，又能形成對磷酸鐵鋰顆粒的原位包覆及控制晶粒生長作用，能夠極大提高正極材料的導電性能；采用的工藝路線容易控制，工藝穩定性好，容易實現大批量生產。市場前景分析：本項目產品專門提供給各種電動車（包括自行車、公交車、汽車、混合動力車等）、電動工具、手機、筆記本電腦、藍牙器件、UPS不間斷電源、攝像機、播放器、游戲機、電動玩具、清潔器和極端氣候環境下的武器裝備等產品所需的鋰離子電池和超級電容器電極材料，特別在電動車領域具有非常大的市場前景。作為電動車電源，磷酸亞鐵鋰動力電池具有熱穩定性好、安全性高、壽命長、倍率性能好、耐高溫、綠色環保等特點，備受關注。與以往的鋰離子電池正極材料LiCoO2、LiMn2O4、LiNiMO2等相比，磷酸亞鐵鋰的安全性能與循環壽命是其它材料所無法相比的，這些也正是動力電池最重要的技術指標，而且循環穩定性好，1C充放循環壽命達2000次。單節電池過充電壓30V不燃燒、不爆炸，穿刺不爆炸。在未來幾年內，磷酸鐵鋰地市場需求量將達5萬噸以上，尤其是在動力型電池應用方面對磷酸鐵鋰地需求將大幅增加。目前全球磷酸鐵鋰生產能力小于2000噸/年，投資磷酸鐵鋰項目風險小，回報快。與同類成果相比的優勢分析：1．FePO4基本參數：純度≥97%，粒度≤1μm，而且根據需要可以進行調控 2. LiFePO4基本參數： Li =~4.4%, Fe=35.4%, P=19.6%, C=2-6% 3. 物理參數： 松裝密度 ≥0.5 g/cm3 振實密度 ≥1.2 g/cm3, 中位粒徑 ~4 μm 4. 涂片參數： LiFePO4: C : PVDF=90:3:7 極片壓實密度：2.1-2.4 g/cm3 5. 電化學性能： 克容量>130mAh/g 測試條件：1C, 全電池。 克容量>140mAh/g 測試條件：紐扣0.1C, 電壓4.2-2.5V

一、項目進展 創意計劃階段 二、負責人及成員 姓名 學院/所學專業 入學/畢業時間 學號 高春林 克勞斯塔爾大學 2019 / 三、指導教師 姓名 學院/所學專業 職務/職稱 研究方向 李茜 電信院/電氣工程 副教授 能源系統智能感知 四、項目簡介 深海生命線衛士—復合能源管道健康管理系統是集能源管道實時監測、狀態評估、故障預警、三維立體顯示、創新健康管理、用戶檢修策略等多功能為一體的能源管道在線監測系統。該系統代替了傳統的人工巡檢和巡邏船巡檢的故障監測模式，將大幅度減少綜合成本。該系統改進了市面上監測系統功能單一、顯示界面陳舊等問題，率先提出創新性健康管理功能，使用戶全面了解能源管道的生命周期及整體健康情況，為用戶提供高效狀態檢修策略。該系統定位是做能源管道健康管理系統先驅，守衛深海生命線安全。

本項目提出了將時間維度與空間維度相結合的多尺度綜合能源需求分析與預測模型，設計并實現了一種面向智慧城市的綜合能源需求分析與預測的方法，提升能源供應規劃和營銷策略的優化與決策支持。 項目特色： ? 面向綜合能源時空數據的需求分析和預測可以根據歷史數據，結合地理區域的相互關系來預測給定時間范圍和空間位置的能源需求。 ? 針對綜合能源的特性，項目提出了聯合學習和遷移學習的思想對模型進行訓練。同時優化不同區域中多種類型能源的聯合預測模型，將已有模型的結果遷移到訓練集數據不足的模型中，提高能源用量預測的準確率。 ? 面向智慧城市的綜合能源信息應用服務場景，并利用 GIS 技術實現配電網分析和用戶用電特性分析的可視化。

項目成果/簡介:5G智慧急救協同平臺既可滿足市縣級地區本地社區120急救、本地二級醫院120轉運以及外地市120急救轉運的急救需求，又具備充分擴展性，下一步面向全省。平臺可對接現有120急救指揮調度中心系統，利用5G實現急救車與院內專科中心互聯互通，支撐急救現場、基層醫院、院前急救、院內急診、重癥監護和專科救治等多方緊密協作，應用模式如下圖所示。胸痛中心作為省急性心肌梗死救治網絡的核心，已形成較為完善的院前急救和院內急救網絡，以此為基礎構建快速、高效、全覆蓋的急危重癥醫療救治體系，實現五大中心信息化平臺建設。平臺的區域急救協作過程，分別通過急救轉運時間軸和急救醫療時間軸進行服務監管和持續改進，從患者現場呼救第一時間開始，通過急救轉運時間軸，監控多部門協作的資源調度和急救轉運效率。從患者首次醫療接觸時間開始，通過急診急救醫療時間軸，監控急診急救醫聯體的多學科協作環境下，急危重癥醫療業務協同效率和臨床服務質量。平臺對接各國家專科上報系統，實現質控數據自動上報。平臺整體拓撲如下圖所示：利用5G技術連結成網，以醫院為中心，實現院前急救與醫院內搶救無縫銜接、分級救治和協同救治并舉，創建國內領先的區域急危重癥智慧化急救平臺，建立涵蓋胸痛、卒中、創傷、高危孕產婦、新生兒救治和醫院急診重癥的急救網絡。實現各級醫療機構在同一平臺上急救信息共享，開展協同救治、實時質控，提高急救的效率、質量、救治效果。逐步建成本區域智慧急救信息化云平臺、數據庫和信息系統；由我院牽頭，建設胸痛中心、卒中中心、創傷救治中心、逐步覆蓋危重孕產婦救治中心、新生兒救治中心；提升甘肅省區域各救治醫院信息化水平、信息共享和業務協同能力；將優勢醫療資源下沉到基層和急救第一現場，改善和優化醫療資源配置；實現院前急救和院內搶救無縫銜接，合理配置和利用急救資源，規范急救流程；建立實時質控體系，升級改造救護車，實現急救中心、急救車輛、救治醫院和救治中心以及衛健委信息互聯互通和業務協同；建設急救電子地圖，并利用新一代無線寬帶通信（5G）、大數據、人工智能等技術，實現遠程急救與應急指導，院內外信息的無縫對接；建立音視頻會診系統、移動協同應用，以急病要急、慢病要準為指導思想，提高患者救治成功率。通過院前急救、院內搶救、院后隨訪無縫銜接、分級救治和協同救治并舉，實現如下目標：1、區域急救醫療資源統一應用在院內急診規范化預檢分診和院前急救轉運全過程監控的基礎上，建立覆蓋每臺急救車、每個網絡醫院的數據互聯互通和實時上報機制，形成急診急救資源動態電子地圖，提高急救醫療服務體系運行的透明度，實現醫療資源最優配置和患者轉運治療方案最佳選擇。2、院前急救戰線前移與院內救治的無縫銜接改變原有的院前轉運和院內交接串行的銜接模式，通過院前病情評估分診和預報、遠程心電診斷、遠程影像診斷、轉運過程中的遠程監護和實時音視頻遠程指導、院內醫護端移動協同應用等方式，實現院內專科救治戰線向院前前移，最大程度壓縮急救時間延遲。3、院內急診多病區精細化和規范化管理通過規范化的預檢分診，實現急診患者分級分區有序管理，最大程度減少搶救、留觀區患者與家屬的無效移動；通過智慧急救平臺，實現紅黃綠區快速流轉和統一管理，支撐以急危重癥患者為中心進行急救的全程跟蹤和閉環管理。通過優化收費模式，科學核算服務成本，引導公眾合理急救需求。4、實現多學科高效協作與綠色通道，壓縮搶救時間根據規范化的急救路徑自動采集診療過程數據，進行綠色通道醫療行為監控，通過觸發關鍵環節上的預報提醒和會診通知，將串行步驟并行化，并加強多學科信息共享和團隊協作，自動統計綠色通道運營指標，不斷提高綠色通道運行效率，縮短患者救治時間。5、急危重癥臨床決策支持與服務質量持續改進通過可擴展的、全程覆蓋完整危重救治鏈的質控平臺，將多種病種的臨床急救指南固化為標準的程序和規則，在對醫護人員正常工作最小干預的前提下進行實時數據采集，將臨床質量控制與臨床決策支持高度融合，支撐流程的持續改進和急救醫學服務的均質化。6、心腦血管等急危重癥的分級診療和綜合防治將急診急救與慢病管理相結合，打通高危人群篩查、健康管理、院前急救、院內急診、專科救治和院后康復的閉環流程，以胸痛、卒中高危人群為重點，建立健全基層首診、雙向轉診、急慢分治、上下聯動的分級診療體系。7、急診急救遠程教育和公眾急救知識普及通過移動互聯網和遠程音視頻技術，開展急救醫護人員和志愿者的技術培訓，開展公眾急危重癥預防與急救知識的普及和教育，提升全民公共安全意識和自救互救能力，推動社會化和標準化兼備、全民參與的“大急救”。8、采用微服務架構，適用區域智慧急救模式，踐行“時間即生命”平臺采用微服務架構，既提供基于PC的WEB應用，又提供移動APP應用，業務數據集中存儲，充分利用云端的優勢，隨數據量和業務量的增長可橫向擴充。B/S架構保證了平臺部署快捷方便，低運維成本。平臺還利用業務集成網關，便捷、靈活的對接各醫療設備和物聯網設備、周邊相關業務信息系統，既能使平臺閉環有效運轉，又能讓平臺順暢融入整個醫院信息化環境，避免信息孤島與煙囪式應用，充分體現“端”+“云”的應用架構優勢。利用平臺，可有效縮短急診胸痛、卒中、創傷等患者的救治時間，體現了“時間即生命”的救治理念。院前由隨車醫生及遠程會診專家與患者家屬交代病情及可能的治療方案，使患者及家屬有一個心理承受過程，在需要行急診PCI時簽署知情同意書所需時間也相應縮短。將所有可能造成急救時間窗延誤的情況降到最低，從而提高了胸痛患者的搶救成功率，并提高了患者家屬的滿意度，獲得良好的社會效果。9、患者精準定位，時間自動采集，確保質控時間點真實性項目采用超寬帶（UltraWideBand，UWB）技術、替代傳統手工填寫的方式，自動無感地記錄五大中心時間管理表所要求的救治環節及時間、時長。監控急救病人的流向、到達/離開關鍵節點的時間、可視化的全流程時間軸、歷史軌跡查詢和回放，使急診綠色通道患者得到及時、規范、高效的救治服務。時間節點明細表準確記錄采集每一位急診患者信息、入院方式、到院時間、到達急診時間、離開急診時間、到達手術室時間、離開手術室時間等明細內容。并生成時間節點明細表。改變記錄不及時、時間不準確、急診數據信服力不足、浪費人力、不便管理等情況。平臺采用的超寬帶（UltraWideBand，UWB）技術是一種無線載波通信技術，采用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據，該技術具有系統復雜度低，發射信號功率譜密度低，對信道衰落不敏感，截獲能力低，定位精度高等優點。 知識產權類型:發明專利 、 軟件著作權技術成熟度:正在研發技術先進程度:達到國內先進水平成果獲得方式:與企業合作獲得政府支持情況:無

5G智慧急救協同平臺既可滿足市縣級地區本地社區120急救、本地二級醫院120轉運以及外地市120急救轉運的急救需求，又具備充分擴展性，下一步面向全省。平臺可對接現有120急救指揮調度中心系統，利用5G實現急救車與院內專科中心互聯互通，支撐急救現場、基層醫院、院前急救、院內急診、重癥監護和專科救治等多方緊密協作，應用模式如下圖所示。   胸痛中心作為省急性心肌梗死救治網絡的核心，已形成較為完善的院前急救和院內急救網絡，以此為基礎構建快速、高效、全覆蓋的急危重癥醫療救治體系，實現五大中心信息化平臺建設。平臺的區域急救協作過程，分別通過急救轉運時間軸和急救醫療時間軸進行服務監管和持續改進，從患者現場呼救第一時間開始，通過急救轉運時間軸，監控多部門協作的資源調度和急救轉運效率。從患者首次醫療接觸時間開始，通過急診急救醫療時間軸，監控急診急救醫聯體的多學科協作環境下，急危重癥醫療業務協同效率和臨床服務質量。平臺對接各國家專科上報系統，實現質控數據自動上報。 平臺整體拓撲如下圖所示： 利用5G技術連結成網，以醫院為中心，實現院前急救與醫院內搶救無縫銜接、分級救治和協同救治并舉，創建國內領先的區域急危重癥智慧化急救平臺，建立涵蓋胸痛、卒中、創傷、高危孕產婦、新生兒救治和醫院急診重癥的急救網絡。實現各級醫療機構在同一平臺上急救信息共享，開展協同救治、實時質控，提高急救的效率、質量、救治效果。 逐步建成本區域智慧急救信息化云平臺、數據庫和信息系統；由我院牽頭，建設胸痛中心、卒中中心、創傷救治中心、逐步覆蓋危重孕產婦救治中心、新生兒救治中心；提升甘肅省區域各救治醫院信息化水平、信息共享和業務協同能力；將優勢醫療資源下沉到基層和急救第一現場，改善和優化醫療資源配置；實現院前急救和院內搶救無縫銜接，合理配置和利用急救資源，規范急救流程；建立實時質控體系，升級改造救護車，實現急救中心、急救車輛、救治醫院和救治中心以及衛健委信息互聯互通和業務協同；建設急救電子地圖，并利用新一代無線寬帶通信（5G）、大數據、人工智能等技術，實現遠程急救與應急指導，院內外信息的無縫對接；建立音視頻會診系統、移動協同應用，以急病要急、慢病要準為指導思想，提高患者救治成功率。 通過院前急救、院內搶救、院后隨訪無縫銜接、分級救治和協同救治并舉，實現如下目標： 1、區域急救醫療資源統一應用 在院內急診規范化預檢分診和院前急救轉運全過程監控的基礎上，建立覆蓋每臺急救車、每個網絡醫院的數據互聯互通和實時上報機制，形成急診急救資源動態電子地圖，提高急救醫療服務體系運行的透明度，實現醫療資源最優配置和患者轉運治療方案最佳選擇。 2、院前急救戰線前移與院內救治的無縫銜接 改變原有的院前轉運和院內交接串行的銜接模式，通過院前病情評估分診和預報、遠程心電診斷、遠程影像診斷、轉運過程中的遠程監護和實時音視頻遠程指導、院內醫護端移動協同應用等方式，實現院內專科救治戰線向院前前移，最大程度壓縮急救時間延遲。 3、院內急診多病區精細化和規范化管理 通過規范化的預檢分診，實現急診患者分級分區有序管理，最大程度減少搶救、留觀區患者與家屬的無效移動；通過智慧急救平臺，實現紅黃綠區快速流轉和統一管理，支撐以急危重癥患者為中心進行急救的全程跟蹤和閉環管理。 通過優化收費模式，科學核算服務成本，引導公眾合理急救需求。 4、實現多學科高效協作與綠色通道，壓縮搶救時間 根據規范化的急救路徑自動采集診療過程數據，進行綠色通道醫療行為監控，通過觸發關鍵環節上的預報提醒和會診通知，將串行步驟并行化，并加強多學科信息共享和團隊協作，自動統計綠色通道運營指標，不斷提高綠色通道運行效率，縮短患者救治時間。 5、急危重癥臨床決策支持與服務質量持續改進 通過可擴展的、全程覆蓋完整危重救治鏈的質控平臺，將多種病種的臨床急救指南固化為標準的程序和規則，在對醫護人員正常工作最小干預的前提下進行實時數據采集，將臨床質量控制與臨床決策支持高度融合，支撐流程的持續改進和急救醫學服務的均質化。 6、心腦血管等急危重癥的分級診療和綜合防治 將急診急救與慢病管理相結合，打通高危人群篩查、健康管理、院前急救、院內急診、專科救治和院后康復的閉環流程，以胸痛、卒中高危人群為重點，建立健全基層首診、雙向轉診、急慢分治、上下聯動的分級診療體系。 7、急診急救遠程教育和公眾急救知識普及 通過移動互聯網和遠程音視頻技術，開展急救醫護人員和志愿者的技術培訓，開展公眾急危重癥預防與急救知識的普及和教育，提升全民公共安全意識和自救互救能力，推動社會化和標準化兼備、全民參與的“大急救”。 8、采用微服務架構，適用區域智慧急救模式，踐行“時間即生命” 平臺采用微服務架構，既提供基于PC的WEB應用，又提供移動APP應用，業務數據集中存儲，充分利用云端的優勢，隨數據量和業務量的增長可橫向擴充。B/S架構保證了平臺部署快捷方便，低運維成本。平臺還利用業務集成網關，便捷、靈活的對接各醫療設備和物聯網設備、周邊相關業務信息系統，既能使平臺閉環有效運轉，又能讓平臺順暢融入整個醫院信息化環境，避免信息孤島與煙囪式應用，充分體現“端”+“云”的應用架構優勢。 利用平臺，可有效縮短急診胸痛、卒中、創傷等患者的救治時間，體現了“時間即生命”的救治理念。院前由隨車醫生及遠程會診專家與患者家屬交代病情及可能的治療方案，使患者及家屬有一個心理承受過程，在需要行急診PCI時簽署知情同意書所需時間也相應縮短。將所有可能造成急救時間窗延誤的情況降到最低，從而提高了胸痛患者的搶救成功率，并提高了患者家屬的滿意度，獲得良好的社會效果。 9、患者精準定位，時間自動采集，確保質控時間點真實性 項目采用超寬帶（UltraWideBand，UWB）技術、替代傳統手工填寫的方式，自動無感地記錄五大中心時間管理表所要求的救治環節及時間、時長。監控急救病人的流向、到達/離開關鍵節點的時間、可視化的全流程時間軸、歷史軌跡查詢和回放，使急診綠色通道患者得到及時、規范、高效的救治服務。 時間節點明細表準確記錄采集每一位急診患者信息、入院方式、到院時間、到達急診時間、離開急診時間、到達手術室時間、離開手術室時間等明細內容。并生成時間節點明細表。改變記錄不及時、時間不準確、急診數據信服力不足、浪費人力、不便管理等情況。 平臺采用的超寬帶（UltraWideBand，UWB）技術是一種無線載波通信技術，采用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據，該技術具有系統復雜度低，發射信號功率譜密度低，對信道衰落不敏感，截獲能力低，定位精度高等優點。  

1 研究背景 1.1 高壓力、大直徑和高可靠性的非金屬壓力管道需求迫切 管道作為五大運輸方式之一，是輸送石油、天然氣、飲用水等重要能源和資源的主要手段，對國民經濟的發展和穩定至關重要，被稱為國民經濟的“生命線”。我國壓力管道發展迅猛，應用規模不斷增大，在石油、天然氣和飲用水輸送等重大工程建設中發揮了不可替代的作用。在油氣領域，國內油氣管道已形成縱橫東西、貫通南北、連接海外的管道輸送網絡。目前我國的原油管道1.9×104km，成品油管道2×104km，天然氣干線管道4.8×104km，油氣管道的總長度穩居全球前五名。以西氣東輸三線為例，其西起新疆霍爾果斯，東至福建省福州市，全長5220km，設計年輸量3×1010m3。此外，油田集輸管網和城鎮燃氣管網的管道長度已達到數十萬公里，且仍在不斷增長，成為油氣管道重要組成部分。在水資源輸送領域，為解決我國的水資源時空分布不均問題，我國已經實施了多項跨流域、跨地區的長距離管道輸水工程，如南水北調工程、廣東省的“東深引水工程”和“西江引水工程”、天津的“引灤入津工程”和山東的“引黃濟青工程”。以南水北調中線工程為例，年均輸送生活、工業用水6.4×1010m3，農業用水3×1010m3，供水范圍內總面積15.5萬平方千米，惠及沿線6000萬人口。 以聚乙烯及其增強復合管為代表的非金壓力屬管道具有耐腐蝕、抗震、柔性好、壽命長等優勢，在越來越多的應用領域替代金屬管道，成為世界各國競先研發的未來管道發展方向。全球非金屬管道的年均增速約5.9%，我國聚乙烯管道年平均增速更是達15%。 隨著聚乙烯及其增強復合管的不斷發展，其在燃氣和輸水等領域應用不斷擴展。在燃氣領域，在燃氣領域，美國、英國、丹麥等的城市燃氣管道中聚乙烯管應用比例均接近100%，而我國新鋪設的中低壓城市燃氣管90%以上采用聚乙烯管材。在輸水領域，我國城市建筑排水管道85%采用塑料管，城市排水管道的塑料管使用量達到50%，城市供水管道（DN400mm以下）80%采用塑料管，村鎮供水管道90%采用塑料管，逐漸占據主導地位。目前，多數國家已經在燃氣和給水領域選擇聚乙烯管逐漸替代金屬管道，實現以塑代鋼。 近年來，非金屬壓力管道逐漸在更高壓力、更大直徑和更高安全性要求的油氣集輸、核電冷卻水輸送等領域廣泛應用。如在油田的油氣集輸及開采領域，用于油氣田注水的非金屬壓力管道（直徑50-75mm），工作壓力已經達到32MPa；用于油田站內給水的非金屬壓力管道（直徑315mm），工作壓力已經達到2MPa；用于油田集輸管的非金屬壓力管道（直徑50-75mm），工作壓力已經達到4MPa，平均工作溫度高達60℃。在核電站冷卻水輸送領域，美國的Callaway核電站率先鋪設聚乙烯管道的外圍冷卻水系統，我國新建的AP1000核電站（浙江三門核電、山東海陽核電）外圍冷卻水輸送均采用聚乙烯管道（直徑752mm，徑厚比DR9）。由于聚乙烯管道具有耐海水及微生物腐蝕、抗震等優勢，許多現有核電站冷卻水管道系統也逐漸更換為聚乙烯管道，如2017年大亞灣核電站成功將其核安全相關的反沖洗系統管道更換為200mm，DR9的聚乙烯管道。 1.2 管道系統安全性的要求日益迫切 隨著聚乙烯管道系統在燃氣、供水等領域的應用日益廣泛，其安全問題受到越來越多的關注。根據中國城市規劃協會地下管線專業委員會的統計報告，2009年至2013年中國城市管線典型事故共計75起，而其中導致人員死傷的27起。南京“7.28”管道泄漏爆炸事故共造成22人死亡，120人住院治療，爆燃點周邊部分建筑物受損，直接經濟損失4784萬元。臺灣“8.1”燃氣泄漏爆炸事故中多條街道陸續發生可燃氣體外泄，并引發多次大爆炸，造成32人死亡，321人受傷，經濟損失高達1.4億元。類似的管道泄漏導致爆燃的事故給全社會帶來了重大的公共環境和人身安全的威脅。 隨著聚乙烯管道系統在燃氣、供水等領域的應用日益廣泛，全社會對管道系統安全性的要求也日益迫切。 1.3 焊接過程的溫度控制是提升管道系統可靠性的關鍵 當我們追溯這些事故的源頭，會發現有53%的聚乙烯管道系統故障發生在管道的接頭處——即管材與管材焊接的部位（來自塑料管道數據庫委員會PPDC）。接頭作為管道系統中質量最薄弱的環節，其焊接質量影響到整個管道系統的安全運行。 電熔焊接是目前聚乙烯管道最常用的連接方式之一。它通過預埋在電熔套筒內部的電阻絲加熱電熔套筒的內表面及管材的外表面，使二者吸收熱量并熔融，而后固定、冷卻。 在電熔焊接過程中，溫度是最重要的參數，也是造成接頭失效最本質的原因。不合理的焊接工藝導致的焊接過程的溫度控制不當，引發冷焊和過焊等缺陷。內部溫度過高會使得金屬絲周圍的聚乙烯材料因溫度過高而裂解，從而導致接頭強度不足，產生過焊現象；內部溫度不足則會導致熔合區深度和界面強度不足，產生冷焊現象。冷焊缺陷很難從外觀上或通過常規液壓試驗分辨，但其可能導致焊接接頭在服役過程中沿熔合面發生貫穿裂紋擴展失效，具有很大的安全隱患。 1.4 應用過程的安全狀態監測是保障管道系統安全運行的關鍵 接頭是管道系統的薄弱環節。美國塑料管研究所（PPI）技術總監Sarah Patterson在2016年美國機械工程師協會（ASME）壓力容器與管道（PVP）50周年會的大會報告上指出，非金屬管道的無損檢測與安全監測研究是今后塑料管道技術發展應用的重要課題。 在接頭安全監測方面，管道的服役過程安全監測研究主要有以下四種：（1）基于應變的監測技術：主要采用應變片等傳感器測量管道應變。該方法技術成熟，但測點多、電路復雜，且僅能獲得材料表層局部的應變信息。（2）連續碳纖維復合材料自監測技術：如內嵌連續碳纖維的復合材料，可以實時提供結構應變信息。采用連續碳纖維自監測的應變靈敏度系數小于傳統應變片，且應變檢測范圍很小。（3）基于埋入傳感器的監測技術：如利用嵌入式光纖光柵的管道應變場監測。光纖檢測集成度高、精度高，已經在管道、橋梁等結構的智能監測中得到廣泛應用。（4）基于導電填充材料的監測技術：在不導電的聚乙烯或其他非金屬基體樹脂中摻入少量導電纖維或顆粒，從而在材料中建立導電傳感網絡，當材料產生變形或局部損傷時，導電網絡相應地產生導通節點數變化或局部斷開，通過測量材料宏觀電阻變化可以獲得材料應變或局部損傷等信息。 基于導電填充材料的智能監測技術一直是混凝土結構與生物傳感器領域的前沿與熱點。其關鍵問題是如何通過合理的傳感器設計，在不影響監測對象本身工作特性的同時，有效地提取監測對象的服役狀態和結構損傷信息。開展結構安全監測技術研究，智能監測感知壓力容器與管道結構失效特征參量，實現損傷失效的預警和運行的自主優化，是未來壓力容器行業重要的研究方向。 2 智慧管件系統解決方案 非金屬管道的智慧管件系統包含管件焊接過程的溫度場智能調控和管件使用過程的損傷自監測兩個功能，如圖1所示。 2.1 焊接過程溫度場調控 電熔焊接過程從本質上是電阻絲通電生熱、聚乙烯材料相變熔合的過程，熔區溫度在時間和空間上的變化很大程度上體現出焊接過程的發展。如圖2所示，智能焊機的“智能”正是來源于我們所提出的熔區復合溫度場理論模型。該模型能夠根據采集到的實際電壓電流數據，小成本、高精度地實時推演焊接過程的發展。不同于傳統焊機對被控對象內部情況的“一無所知”，智能焊機首次采用基于熔區溫度場的方式在線監測焊接過程，使得參數的調節和設計有堅實的理論依據。 在溫度場模型的基礎上，本作品能實現對焊接過程的質量控制。在焊接接頭性能與加工條件的研究上，團隊通過熱重分析和凝膠滲透色譜分析研究PE100在不同溫度焊接后的熱降解行為，得出典型工業級PE100材料的允許焊接最高溫度在270℃的結論。同時，通過超聲檢測和梯度試驗的方法證實了管材熔區深度與焊接界面強度的關聯。 基于上述理論研究和多次實踐，對聚乙烯最高溫度和熔區拓展深度進行控制是應對過焊和冷焊缺陷的重要方式。智能焊機對質量進行控制的思路即通過實時溫度場計算聚乙烯最高溫度和熔區邊界，讓最高溫度在不超過270℃，熔區深度控制在2～3mm。為使焊接效率最高，通過由調整次數、焊接時長、最高溫度等指標組成的代價函數對不同調整策略進行評價，從而獲得最優的電壓調整策略。通過這種溫度主動控制的方式，管道焊接缺陷產生的概率下降超80%。 1.1 服役過程安全狀態自監測 為了實現管道系統服役過程的安全狀態自監測，采用短切碳纖維（SCF）增強聚乙烯復合材料（PE-SCF）制備電熔管件。由于碳纖維SCF具有良好的導電性，隨著纖維含量的不斷增加，填充在聚合物基體內部的短碳纖維能夠形成良好的導電網絡，如圖3所示。PE-SCF復合材料內部SCF導電網絡的破壞與重組賦予了該材料壓阻效應，能夠用于監測PE-SCF復合材料承受的載荷。圖4為循環拉伸載荷下PE-SCF的應變和電阻響應與時間的關系。可以看出，PE-SCF復合材料的監測電阻能夠及時反映材料承受的應變。隨著應變增加，材料的電阻值增加；應變降低，材料的電阻值也降低；并且監測電阻對應變變化的響應具有很好的穩定性。PE-SCF復合材料在拉伸力作用下發生變形，部分短碳纖維導電網絡斷開，導致材料的電阻率增加。隨著應變的降低，短碳纖維之間的接觸恢復到初始狀態，電阻值也隨之恢復。結果表明PE-SCF應變與電阻變化之間存在確定的關聯機制，初步論證采用PE-SCF復合材料制備具有自監測功能的電熔接頭具有可行性。 圖5顯示了爆破試驗過程中所監測到的PE-SCF電熔接頭的電阻和壓力變化曲線。結果表明，隨著內部壓力的升高，兩個電極之間的電阻會不斷增加，電阻變化率曲線的斜率也迅速增加。這是因為在加壓初始階段，電阻變化主要由基體的彈性變形引起，在這種情況下，材料內部的導電網絡仍然完整，因此電阻不會產生很大變化。當壓力繼續增加時，材料內部形成微裂紋，導致局部導電網絡的破壞，電阻變化率顯著增加。初步實驗表明，利用電阻變化率監測PE-SCF電熔接頭的內壓載荷及結構損傷狀態具有可行性。 圖6顯示了峰值內壓為5MPa時的循環加載實驗期間，電熔接頭上監測到的電阻變化曲線。可見電熔接頭表面電極之間的電阻變化趨勢與接頭內部的壓力變化趨勢一致，且每個周期的峰值電阻十分穩定。基于電阻測量的內壓監測靈敏度系數約為29.56%/MPa。實驗結果表明，載荷和監測到的電阻信號存在較為穩定的關聯關系，因而用電阻變化監測電熔接頭內部壓力的變化是可行的。 上述測試結果表明，采用PE-SCF復合材料制備電熔管件，利用PE-SCF材料的壓阻效應，能夠實現基于電阻測量的管道系統在服役過程中的內壓及安全狀態實時監測，提升了管道系統的服役安全性。