一、产品优势 课前、课中、课后、学情分析全覆盖 打造包含课前、课中、课后的一站式的数字化教学环境，互动数据和云班课数据自动留存和统计，能够开展不同形式的教学活动，不局限于教室，老师和学生随时随地开展教学和学习。 满足BYOD需求 支持BYOD（Bring Your Own Device），师生可以自带手机、平板电脑、笔记本等设备参与到教学互动，支持Windows、Android、iOS等主流操作系统和微信小程序等。 多屏互动智慧教室 教师和学生均可使用平板与讲台大屏和小组大屏互动，教师可使用平板发起评测，将平板电脑画面同步投屏到大屏，还可将平板上的课件、音视频文件、图片和文档等分享到大屏，高效无线网络传输引擎，全面打通讲台大屏和师生手持设备之间的边界。 纯软件方案 系统采用纯软件方式实现包括投屏在内的所有教学功能，不依赖额外的专有硬件，大大提高系统灵活性和可扩展能力，通用硬件设备价格透明，有效避免资源浪费，降低整体建设成本。 完整的教学数据采集分析 数据自动留存沉淀，自动生成学情分析报告，方便教学和教务管理。 二、课前功能 课程体系管理 三、课中功能 极低的网络要求 为了数据采集，仅需要讲台大屏电脑能连上互联网即可使用，学生可以使用4G手机移动网络即可。支持微信小程序和app方式进行登录 课中签到 签到可根据GPS定位或无线网络SSID进行校验，学生满足校验条件才能签到，防止学生作弊，教师可对签到结果进行手动修改，支持一键设置签到状态，签到数据自动计入学生个人得分，可设置考勤数据得分权重。 评测（支持选择题、判断题、主观题、抢答和写作题） 学生可通过APP或微信小程序参与课堂评测，评测数据自动上传到云班课平台，生成评测记录供教室和学生回顾课堂内容，评测题型支持选择题、判断题、主观题、抢答题等多种题型，学生评测情况自动计入学生个人得分，可设置评测得分的权重。 弹幕互动 课堂上，学生可通过弹幕功能发表自己的观点，系统实时显示学生的弹幕信息。 随机选人 系统自动滚动显示所有学生的姓名，系统随机选取一名学生。 对比讲解 教师使用平板电脑拍照或选择2-4张图片，一键投到大屏上，进行对比讲解； 支持发起投票，让学生选择自己支持的图片，增强参与感； 支持板书工具，随时书写和批注，在大屏和平板都可以进行批注和书写。 多屏互动 多人投屏、共同标注、示范 研讨型小组讨论 教师可设置讨论主题，将小组讨论主题显示在小组屏上 小组讨论 小组讨论模式下，可开启录制功能，录制屏幕画面+摄像头画面，自动保存到课件库中供学生下载学习 课堂板书 教师在大屏授课时，可一键上传板书内容到云班课平台，学生和教师都可以通过云班课APP及小程序查看板书内容，方便复习巩固课堂知识点。 四、课后 评测统计 教师可通过云班课评测记录功能，系统自动统计教师发起题型次数，教师也可通过题型进行选择学生作答的题型，并了解学生对于知识的掌握情况 学情统计 系统自动实时生成云班课学情分析报告，分析报告包括首页数据总览，资源报告、活动报告及学情分析，从资源学习、课堂活动和数据曲线等多个维度展现学生学习状态，方便教师及时调整教学计划，提升教学效率。 五、物联集控系统 物联集控系统概述 通过物联集控系统将教室的多媒体设备（电脑、投影、大屏、展台、音响等设备）有效的串联起来，进行集中管理。教室所有的用电设备进行统一管理杜绝用电隐患，通过与中科卓软云班课平台对接可实现教师微信扫码联动上下课，同时高度集成的设备带来如下的好处: 更高的稳定性和可靠性 采用嵌入式构架，不受病毒的侵害，实现免维护长期稳定运行； 更高的集成度 集成课堂互动控制、设备管理、电源管理、传感器检测等实用型的功能。有效的提高课堂的教学效率和效果。 简单易用，扩展灵活 操作简单易用，无需培训，功能扩展根据用户不同的需求进行灵活定制。 教师只需微信扫码即可开始上课，系统自动联动多媒体设备开启，进入上课状态，同时自动关联云班课账号登录，极大提高课堂效率。 多媒体设备集控管理 通过多媒体设备集中管理，可实现对教室内所有多媒体设备（电脑、大屏、投影、音响等）统一控制，并可实现一键联动控制，例如一键上课，自动开启教室电脑、投影灯，快速进入上课状态。 智能物联管理 基于物联网+互联网多网合一平台设计，对教室灯光、空调、风扇、电动窗帘等设备进行智能管控。实现智能检测教室温度、湿度等环境数据；可实现智能联动教室灯、风扇、空调、窗帘等设备的自动开关与调节。打造科学、智能、方便、舒适、节能的教学环境。通过融合的智能物联管理系统可以带来一下好处： 1. 简单易用：支持不同上课场景设置，可轻松实现一键开关机联动物联设备组合使用。 2. 高拓展：兼容第三方厂家设备接入，实现统一控制管理，可根据实际需求进行二次开发，使教学管理高效便捷。 课堂互动系统融合 融合课堂互动系统，可一键切换教学模式，实现教学互动软件+多媒体+物联设备统一融合控制，例如只需一键开启研讨模式，教学互动软件自动开启小组讨论功能，同时教室内大屏联动全开，并可自定义联动控制空调、窗帘等设备，营造出适合研讨教学的教室整体环境； 视频直播 支持将当前教室画面直播到其他所有教室或指定教室；支持使用手机控制和查看直播。 IP对讲 通过IP对讲功能，教师可一键呼叫运维中心，运维中心管理人员可远程监看教室内情况，与教师对讲，协助教师使用教学设备等。 录播控制 可对录播系统进行统一控制，便于使用。

项目成果/简介:5G智慧急救协同平台既可满足市县级地区本地社区120急救、本地二级医院120转运以及外地市120急救转运的急救需求，又具备充分扩展性，下一步面向全省。平台可对接现有120急救指挥调度中心系统，利用5G实现急救车与院内专科中心互联互通，支撑急救现场、基层医院、院前急救、院内急诊、重症监护和专科救治等多方紧密协作，应用模式如下图所示。胸痛中心作为省急性心肌梗死救治网络的核心，已形成较为完善的院前急救和院内急救网络，以此为基础构建快速、高效、全覆盖的急危重症医疗救治体系，实现五大中心信息化平台建设。平台的区域急救协作过程，分别通过急救转运时间轴和急救医疗时间轴进行服务监管和持续改进，从患者现场呼救第一时间开始，通过急救转运时间轴，监控多部门协作的资源调度和急救转运效率。从患者首次医疗接触时间开始，通过急诊急救医疗时间轴，监控急诊急救医联体的多学科协作环境下，急危重症医疗业务协同效率和临床服务质量。平台对接各国家专科上报系统，实现质控数据自动上报。平台整体拓扑如下图所示：利用5G技术连结成网，以医院为中心，实现院前急救与医院内抢救无缝衔接、分级救治和协同救治并举，创建国内领先的区域急危重症智慧化急救平台，建立涵盖胸痛、卒中、创伤、高危孕产妇、新生儿救治和医院急诊重症的急救网络。实现各级医疗机构在同一平台上急救信息共享，开展协同救治、实时质控，提高急救的效率、质量、救治效果。逐步建成本区域智慧急救信息化云平台、数据库和信息系统；由我院牵头，建设胸痛中心、卒中中心、创伤救治中心、逐步覆盖危重孕产妇救治中心、新生儿救治中心；提升甘肃省区域各救治医院信息化水平、信息共享和业务协同能力；将优势医疗资源下沉到基层和急救第一现场，改善和优化医疗资源配置；实现院前急救和院内抢救无缝衔接，合理配置和利用急救资源，规范急救流程；建立实时质控体系，升级改造救护车，实现急救中心、急救车辆、救治医院和救治中心以及卫健委信息互联互通和业务协同；建设急救电子地图，并利用新一代无线宽带通信（5G）、大数据、人工智能等技术，实现远程急救与应急指导，院内外信息的无缝对接；建立音视频会诊系统、移动协同应用，以急病要急、慢病要准为指导思想，提高患者救治成功率。通过院前急救、院内抢救、院后随访无缝衔接、分级救治和协同救治并举，实现如下目标：1、区域急救医疗资源统一应用在院内急诊规范化预检分诊和院前急救转运全过程监控的基础上，建立覆盖每台急救车、每个网络医院的数据互联互通和实时上报机制，形成急诊急救资源动态电子地图，提高急救医疗服务体系运行的透明度，实现医疗资源最优配置和患者转运治疗方案最佳选择。2、院前急救战线前移与院内救治的无缝衔接改变原有的院前转运和院内交接串行的衔接模式，通过院前病情评估分诊和预报、远程心电诊断、远程影像诊断、转运过程中的远程监护和实时音视频远程指导、院内医护端移动协同应用等方式，实现院内专科救治战线向院前前移，最大程度压缩急救时间延迟。3、院内急诊多病区精细化和规范化管理通过规范化的预检分诊，实现急诊患者分级分区有序管理，最大程度减少抢救、留观区患者与家属的无效移动；通过智慧急救平台，实现红黄绿区快速流转和统一管理，支撑以急危重症患者为中心进行急救的全程跟踪和闭环管理。通过优化收费模式，科学核算服务成本，引导公众合理急救需求。4、实现多学科高效协作与绿色通道，压缩抢救时间根据规范化的急救路径自动采集诊疗过程数据，进行绿色通道医疗行为监控，通过触发关键环节上的预报提醒和会诊通知，将串行步骤并行化，并加强多学科信息共享和团队协作，自动统计绿色通道运营指标，不断提高绿色通道运行效率，缩短患者救治时间。5、急危重症临床决策支持与服务质量持续改进通过可扩展的、全程覆盖完整危重救治链的质控平台，将多种病种的临床急救指南固化为标准的程序和规则，在对医护人员正常工作最小干预的前提下进行实时数据采集，将临床质量控制与临床决策支持高度融合，支撑流程的持续改进和急救医学服务的均质化。6、心脑血管等急危重症的分级诊疗和综合防治将急诊急救与慢病管理相结合，打通高危人群筛查、健康管理、院前急救、院内急诊、专科救治和院后康复的闭环流程，以胸痛、卒中高危人群为重点，建立健全基层首诊、双向转诊、急慢分治、上下联动的分级诊疗体系。7、急诊急救远程教育和公众急救知识普及通过移动互联网和远程音视频技术，开展急救医护人员和志愿者的技术培训，开展公众急危重症预防与急救知识的普及和教育，提升全民公共安全意识和自救互救能力，推动社会化和标准化兼备、全民参与的“大急救”。8、采用微服务架构，适用区域智慧急救模式，践行“时间即生命”平台采用微服务架构，既提供基于PC的WEB应用，又提供移动APP应用，业务数据集中存储，充分利用云端的优势，随数据量和业务量的增长可横向扩充。B/S架构保证了平台部署快捷方便，低运维成本。平台还利用业务集成网关，便捷、灵活的对接各医疗设备和物联网设备、周边相关业务信息系统，既能使平台闭环有效运转，又能让平台顺畅融入整个医院信息化环境，避免信息孤岛与烟囱式应用，充分体现“端”+“云”的应用架构优势。利用平台，可有效缩短急诊胸痛、卒中、创伤等患者的救治时间，体现了“时间即生命”的救治理念。院前由随车医生及远程会诊专家与患者家属交代病情及可能的治疗方案，使患者及家属有一个心理承受过程，在需要行急诊PCI时签署知情同意书所需时间也相应缩短。将所有可能造成急救时间窗延误的情况降到最低，从而提高了胸痛患者的抢救成功率，并提高了患者家属的满意度，获得良好的社会效果。9、患者精准定位，时间自动采集，确保质控时间点真实性项目采用超宽带（UltraWideBand，UWB）技术、替代传统手工填写的方式，自动无感地记录五大中心时间管理表所要求的救治环节及时间、时长。监控急救病人的流向、到达/离开关键节点的时间、可视化的全流程时间轴、历史轨迹查询和回放，使急诊绿色通道患者得到及时、规范、高效的救治服务。时间节点明细表准确记录采集每一位急诊患者信息、入院方式、到院时间、到达急诊时间、离开急诊时间、到达手术室时间、离开手术室时间等明细内容。并生成时间节点明细表。改变记录不及时、时间不准确、急诊数据信服力不足、浪费人力、不便管理等情况。平台采用的超宽带（UltraWideBand，UWB）技术是一种无线载波通信技术，采用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，该技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，截获能力低，定位精度高等优点。 知识产权类型:发明专利 、 软件著作权技术成熟度:正在研发技术先进程度:达到国内先进水平成果获得方式:与企业合作获得政府支持情况:无

5G智慧急救协同平台既可满足市县级地区本地社区120急救、本地二级医院120转运以及外地市120急救转运的急救需求，又具备充分扩展性，下一步面向全省。平台可对接现有120急救指挥调度中心系统，利用5G实现急救车与院内专科中心互联互通，支撑急救现场、基层医院、院前急救、院内急诊、重症监护和专科救治等多方紧密协作，应用模式如下图所示。   胸痛中心作为省急性心肌梗死救治网络的核心，已形成较为完善的院前急救和院内急救网络，以此为基础构建快速、高效、全覆盖的急危重症医疗救治体系，实现五大中心信息化平台建设。平台的区域急救协作过程，分别通过急救转运时间轴和急救医疗时间轴进行服务监管和持续改进，从患者现场呼救第一时间开始，通过急救转运时间轴，监控多部门协作的资源调度和急救转运效率。从患者首次医疗接触时间开始，通过急诊急救医疗时间轴，监控急诊急救医联体的多学科协作环境下，急危重症医疗业务协同效率和临床服务质量。平台对接各国家专科上报系统，实现质控数据自动上报。 平台整体拓扑如下图所示： 利用5G技术连结成网，以医院为中心，实现院前急救与医院内抢救无缝衔接、分级救治和协同救治并举，创建国内领先的区域急危重症智慧化急救平台，建立涵盖胸痛、卒中、创伤、高危孕产妇、新生儿救治和医院急诊重症的急救网络。实现各级医疗机构在同一平台上急救信息共享，开展协同救治、实时质控，提高急救的效率、质量、救治效果。 逐步建成本区域智慧急救信息化云平台、数据库和信息系统；由我院牵头，建设胸痛中心、卒中中心、创伤救治中心、逐步覆盖危重孕产妇救治中心、新生儿救治中心；提升甘肃省区域各救治医院信息化水平、信息共享和业务协同能力；将优势医疗资源下沉到基层和急救第一现场，改善和优化医疗资源配置；实现院前急救和院内抢救无缝衔接，合理配置和利用急救资源，规范急救流程；建立实时质控体系，升级改造救护车，实现急救中心、急救车辆、救治医院和救治中心以及卫健委信息互联互通和业务协同；建设急救电子地图，并利用新一代无线宽带通信（5G）、大数据、人工智能等技术，实现远程急救与应急指导，院内外信息的无缝对接；建立音视频会诊系统、移动协同应用，以急病要急、慢病要准为指导思想，提高患者救治成功率。 通过院前急救、院内抢救、院后随访无缝衔接、分级救治和协同救治并举，实现如下目标： 1、区域急救医疗资源统一应用 在院内急诊规范化预检分诊和院前急救转运全过程监控的基础上，建立覆盖每台急救车、每个网络医院的数据互联互通和实时上报机制，形成急诊急救资源动态电子地图，提高急救医疗服务体系运行的透明度，实现医疗资源最优配置和患者转运治疗方案最佳选择。 2、院前急救战线前移与院内救治的无缝衔接 改变原有的院前转运和院内交接串行的衔接模式，通过院前病情评估分诊和预报、远程心电诊断、远程影像诊断、转运过程中的远程监护和实时音视频远程指导、院内医护端移动协同应用等方式，实现院内专科救治战线向院前前移，最大程度压缩急救时间延迟。 3、院内急诊多病区精细化和规范化管理 通过规范化的预检分诊，实现急诊患者分级分区有序管理，最大程度减少抢救、留观区患者与家属的无效移动；通过智慧急救平台，实现红黄绿区快速流转和统一管理，支撑以急危重症患者为中心进行急救的全程跟踪和闭环管理。 通过优化收费模式，科学核算服务成本，引导公众合理急救需求。 4、实现多学科高效协作与绿色通道，压缩抢救时间 根据规范化的急救路径自动采集诊疗过程数据，进行绿色通道医疗行为监控，通过触发关键环节上的预报提醒和会诊通知，将串行步骤并行化，并加强多学科信息共享和团队协作，自动统计绿色通道运营指标，不断提高绿色通道运行效率，缩短患者救治时间。 5、急危重症临床决策支持与服务质量持续改进 通过可扩展的、全程覆盖完整危重救治链的质控平台，将多种病种的临床急救指南固化为标准的程序和规则，在对医护人员正常工作最小干预的前提下进行实时数据采集，将临床质量控制与临床决策支持高度融合，支撑流程的持续改进和急救医学服务的均质化。 6、心脑血管等急危重症的分级诊疗和综合防治 将急诊急救与慢病管理相结合，打通高危人群筛查、健康管理、院前急救、院内急诊、专科救治和院后康复的闭环流程，以胸痛、卒中高危人群为重点，建立健全基层首诊、双向转诊、急慢分治、上下联动的分级诊疗体系。 7、急诊急救远程教育和公众急救知识普及 通过移动互联网和远程音视频技术，开展急救医护人员和志愿者的技术培训，开展公众急危重症预防与急救知识的普及和教育，提升全民公共安全意识和自救互救能力，推动社会化和标准化兼备、全民参与的“大急救”。 8、采用微服务架构，适用区域智慧急救模式，践行“时间即生命” 平台采用微服务架构，既提供基于PC的WEB应用，又提供移动APP应用，业务数据集中存储，充分利用云端的优势，随数据量和业务量的增长可横向扩充。B/S架构保证了平台部署快捷方便，低运维成本。平台还利用业务集成网关，便捷、灵活的对接各医疗设备和物联网设备、周边相关业务信息系统，既能使平台闭环有效运转，又能让平台顺畅融入整个医院信息化环境，避免信息孤岛与烟囱式应用，充分体现“端”+“云”的应用架构优势。 利用平台，可有效缩短急诊胸痛、卒中、创伤等患者的救治时间，体现了“时间即生命”的救治理念。院前由随车医生及远程会诊专家与患者家属交代病情及可能的治疗方案，使患者及家属有一个心理承受过程，在需要行急诊PCI时签署知情同意书所需时间也相应缩短。将所有可能造成急救时间窗延误的情况降到最低，从而提高了胸痛患者的抢救成功率，并提高了患者家属的满意度，获得良好的社会效果。 9、患者精准定位，时间自动采集，确保质控时间点真实性 项目采用超宽带（UltraWideBand，UWB）技术、替代传统手工填写的方式，自动无感地记录五大中心时间管理表所要求的救治环节及时间、时长。监控急救病人的流向、到达/离开关键节点的时间、可视化的全流程时间轴、历史轨迹查询和回放，使急诊绿色通道患者得到及时、规范、高效的救治服务。 时间节点明细表准确记录采集每一位急诊患者信息、入院方式、到院时间、到达急诊时间、离开急诊时间、到达手术室时间、离开手术室时间等明细内容。并生成时间节点明细表。改变记录不及时、时间不准确、急诊数据信服力不足、浪费人力、不便管理等情况。 平台采用的超宽带（UltraWideBand，UWB）技术是一种无线载波通信技术，采用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，该技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，截获能力低，定位精度高等优点。  

成果与项目的背景及主要用途： 我国智能电网建设中电力传输应对突发灾难导致大面积停电的手段匮乏，高 压输电线路常常由于洪水冲刷、线路覆冰、线路周围建筑施工等各种因素遭受不 同程度的影响和破坏，带来了巨大的经济损失。在长期无线网络研究的基础上根 据高压输电线路的布局和监测参数的特点，设计了一种层次型异构无线传感器网 络，克服了传统的基于移动通信网络监控系统带宽低、代价高、可扩展性差等缺 点，实现了全参数高压输电线路在线监测网络系统。该系统可广泛应用于高压输 电线路的在线监控中，对应对突发灾难、重要线路实时监控、智能电网等应用需 求提供有效手段，对提高电网智能化程度，保障电网稳定运行具有重大意义。尤 其适合中国穿越偏远地区的高压输电线路的在线监测。 技术原理与工艺流程简介：天津大学科技成果选编 98 该系统在国际上首次将异构无线传感器网络成功应用到高压输电线路在线 监控中，开创了无线传感器网络新的应用领域，该技术方案直接影响了国家电网 高压输电线路在线监测相关标准的制定。该系统已经在天津市某 220KV 高压输 电线路上得到示范应用。 本网络系统采用两层架构，底层是基于 IEEE 802.15.4 的 Zigbee 网络，负 责图像和标量数据的采集；骨干网为基于 IEEE 802.11 的多跳自组织网络，负责 数据的远距离可靠传输。具有可靠性高、可扩展性强、运行费用低等特点。技术 优势： (1) 抗毁性强。不依赖于任何预先部署的移动通信网络，完全依靠自身的自 组织功能。某个（几个）杆塔的倒塌不影响其它杆塔的数据采集。 (2) 多参数、全方位监控，可扩展性强。可随时增加和扩充各种类型的监测设备， 包括图片和视频。 (3) 监控网络通信带宽高，可支持实时视频和高清晰图片传输。 (4) 使用清洁能源（太阳能，电磁能）供电，解决了野外通信设备的供电问题。 (5) 一次性投资，安装方便，维护量小，并且没有高额通信费用。 应用领域：高压输电线路 技术转化条件：技术改造。整套系统费用为 120 万。 合作方式及条件：根据具体情况面议

1 研究背景 1.1 高压力、大直径和高可靠性的非金属压力管道需求迫切 管道作为五大运输方式之一，是输送石油、天然气、饮用水等重要能源和资源的主要手段，对国民经济的发展和稳定至关重要，被称为国民经济的“生命线”。我国压力管道发展迅猛，应用规模不断增大，在石油、天然气和饮用水输送等重大工程建设中发挥了不可替代的作用。在油气领域，国内油气管道已形成纵横东西、贯通南北、连接海外的管道输送网络。目前我国的原油管道1.9×104km，成品油管道2×104km，天然气干线管道4.8×104km，油气管道的总长度稳居全球前五名。以西气东输三线为例，其西起新疆霍尔果斯，东至福建省福州市，全长5220km，设计年输量3×1010m3。此外，油田集输管网和城镇燃气管网的管道长度已达到数十万公里，且仍在不断增长，成为油气管道重要组成部分。在水资源输送领域，为解决我国的水资源时空分布不均问题，我国已经实施了多项跨流域、跨地区的长距离管道输水工程，如南水北调工程、广东省的“东深引水工程”和“西江引水工程”、天津的“引滦入津工程”和山东的“引黄济青工程”。以南水北调中线工程为例，年均输送生活、工业用水6.4×1010m3，农业用水3×1010m3，供水范围内总面积15.5万平方千米，惠及沿线6000万人口。 以聚乙烯及其增强复合管为代表的非金压力属管道具有耐腐蚀、抗震、柔性好、寿命长等优势，在越来越多的应用领域替代金属管道，成为世界各国竞先研发的未来管道发展方向。全球非金属管道的年均增速约5.9%，我国聚乙烯管道年平均增速更是达15%。 随着聚乙烯及其增强复合管的不断发展，其在燃气和输水等领域应用不断扩展。在燃气领域，在燃气领域，美国、英国、丹麦等的城市燃气管道中聚乙烯管应用比例均接近100%，而我国新铺设的中低压城市燃气管90%以上采用聚乙烯管材。在输水领域，我国城市建筑排水管道85%采用塑料管，城市排水管道的塑料管使用量达到50%，城市供水管道（DN400mm以下）80%采用塑料管，村镇供水管道90%采用塑料管，逐渐占据主导地位。目前，多数国家已经在燃气和给水领域选择聚乙烯管逐渐替代金属管道，实现以塑代钢。 近年来，非金属压力管道逐渐在更高压力、更大直径和更高安全性要求的油气集输、核电冷却水输送等领域广泛应用。如在油田的油气集输及开采领域，用于油气田注水的非金属压力管道（直径50-75mm），工作压力已经达到32MPa；用于油田站内给水的非金属压力管道（直径315mm），工作压力已经达到2MPa；用于油田集输管的非金属压力管道（直径50-75mm），工作压力已经达到4MPa，平均工作温度高达60℃。在核电站冷却水输送领域，美国的Callaway核电站率先铺设聚乙烯管道的外围冷却水系统，我国新建的AP1000核电站（浙江三门核电、山东海阳核电）外围冷却水输送均采用聚乙烯管道（直径752mm，径厚比DR9）。由于聚乙烯管道具有耐海水及微生物腐蚀、抗震等优势，许多现有核电站冷却水管道系统也逐渐更换为聚乙烯管道，如2017年大亚湾核电站成功将其核安全相关的反冲洗系统管道更换为200mm，DR9的聚乙烯管道。 1.2 管道系统安全性的要求日益迫切 随着聚乙烯管道系统在燃气、供水等领域的应用日益广泛，其安全问题受到越来越多的关注。根据中国城市规划协会地下管线专业委员会的统计报告，2009年至2013年中国城市管线典型事故共计75起，而其中导致人员死伤的27起。南京“7.28”管道泄漏爆炸事故共造成22人死亡，120人住院治疗，爆燃点周边部分建筑物受损，直接经济损失4784万元。台湾“8.1”燃气泄漏爆炸事故中多条街道陆续发生可燃气体外泄，并引发多次大爆炸，造成32人死亡，321人受伤，经济损失高达1.4亿元。类似的管道泄漏导致爆燃的事故给全社会带来了重大的公共环境和人身安全的威胁。 随着聚乙烯管道系统在燃气、供水等领域的应用日益广泛，全社会对管道系统安全性的要求也日益迫切。 1.3 焊接过程的温度控制是提升管道系统可靠性的关键 当我们追溯这些事故的源头，会发现有53%的聚乙烯管道系统故障发生在管道的接头处——即管材与管材焊接的部位（来自塑料管道数据库委员会PPDC）。接头作为管道系统中质量最薄弱的环节，其焊接质量影响到整个管道系统的安全运行。 电熔焊接是目前聚乙烯管道最常用的连接方式之一。它通过预埋在电熔套筒内部的电阻丝加热电熔套筒的内表面及管材的外表面，使二者吸收热量并熔融，而后固定、冷却。 在电熔焊接过程中，温度是最重要的参数，也是造成接头失效最本质的原因。不合理的焊接工艺导致的焊接过程的温度控制不当，引发冷焊和过焊等缺陷。内部温度过高会使得金属丝周围的聚乙烯材料因温度过高而裂解，从而导致接头强度不足，产生过焊现象；内部温度不足则会导致熔合区深度和界面强度不足，产生冷焊现象。冷焊缺陷很难从外观上或通过常规液压试验分辨，但其可能导致焊接接头在服役过程中沿熔合面发生贯穿裂纹扩展失效，具有很大的安全隐患。 1.4 应用过程的安全状态监测是保障管道系统安全运行的关键 接头是管道系统的薄弱环节。美国塑料管研究所（PPI）技术总监Sarah Patterson在2016年美国机械工程师协会（ASME）压力容器与管道（PVP）50周年会的大会报告上指出，非金属管道的无损检测与安全监测研究是今后塑料管道技术发展应用的重要课题。 在接头安全监测方面，管道的服役过程安全监测研究主要有以下四种：（1）基于应变的监测技术：主要采用应变片等传感器测量管道应变。该方法技术成熟，但测点多、电路复杂，且仅能获得材料表层局部的应变信息。（2）连续碳纤维复合材料自监测技术：如内嵌连续碳纤维的复合材料，可以实时提供结构应变信息。采用连续碳纤维自监测的应变灵敏度系数小于传统应变片，且应变检测范围很小。（3）基于埋入传感器的监测技术：如利用嵌入式光纤光栅的管道应变场监测。光纤检测集成度高、精度高，已经在管道、桥梁等结构的智能监测中得到广泛应用。（4）基于导电填充材料的监测技术：在不导电的聚乙烯或其他非金属基体树脂中掺入少量导电纤维或颗粒，从而在材料中建立导电传感网络，当材料产生变形或局部损伤时，导电网络相应地产生导通节点数变化或局部断开，通过测量材料宏观电阻变化可以获得材料应变或局部损伤等信息。 基于导电填充材料的智能监测技术一直是混凝土结构与生物传感器领域的前沿与热点。其关键问题是如何通过合理的传感器设计，在不影响监测对象本身工作特性的同时，有效地提取监测对象的服役状态和结构损伤信息。开展结构安全监测技术研究，智能监测感知压力容器与管道结构失效特征参量，实现损伤失效的预警和运行的自主优化，是未来压力容器行业重要的研究方向。 2 智慧管件系统解决方案 非金属管道的智慧管件系统包含管件焊接过程的温度场智能调控和管件使用过程的损伤自监测两个功能，如图1所示。 2.1 焊接过程温度场调控 电熔焊接过程从本质上是电阻丝通电生热、聚乙烯材料相变熔合的过程，熔区温度在时间和空间上的变化很大程度上体现出焊接过程的发展。如图2所示，智能焊机的“智能”正是来源于我们所提出的熔区复合温度场理论模型。该模型能够根据采集到的实际电压电流数据，小成本、高精度地实时推演焊接过程的发展。不同于传统焊机对被控对象内部情况的“一无所知”，智能焊机首次采用基于熔区温度场的方式在线监测焊接过程，使得参数的调节和设计有坚实的理论依据。 在温度场模型的基础上，本作品能实现对焊接过程的质量控制。在焊接接头性能与加工条件的研究上，团队通过热重分析和凝胶渗透色谱分析研究PE100在不同温度焊接后的热降解行为，得出典型工业级PE100材料的允许焊接最高温度在270℃的结论。同时，通过超声检测和梯度试验的方法证实了管材熔区深度与焊接界面强度的关联。 基于上述理论研究和多次实践，对聚乙烯最高温度和熔区拓展深度进行控制是应对过焊和冷焊缺陷的重要方式。智能焊机对质量进行控制的思路即通过实时温度场计算聚乙烯最高温度和熔区边界，让最高温度在不超过270℃，熔区深度控制在2～3mm。为使焊接效率最高，通过由调整次数、焊接时长、最高温度等指标组成的代价函数对不同调整策略进行评价，从而获得最优的电压调整策略。通过这种温度主动控制的方式，管道焊接缺陷产生的概率下降超80%。 1.1 服役过程安全状态自监测 为了实现管道系统服役过程的安全状态自监测，采用短切碳纤维（SCF）增强聚乙烯复合材料（PE-SCF）制备电熔管件。由于碳纤维SCF具有良好的导电性，随着纤维含量的不断增加，填充在聚合物基体内部的短碳纤维能够形成良好的导电网络，如图3所示。PE-SCF复合材料内部SCF导电网络的破坏与重组赋予了该材料压阻效应，能够用于监测PE-SCF复合材料承受的载荷。图4为循环拉伸载荷下PE-SCF的应变和电阻响应与时间的关系。可以看出，PE-SCF复合材料的监测电阻能够及时反映材料承受的应变。随着应变增加，材料的电阻值增加；应变降低，材料的电阻值也降低；并且监测电阻对应变变化的响应具有很好的稳定性。PE-SCF复合材料在拉伸力作用下发生变形，部分短碳纤维导电网络断开，导致材料的电阻率增加。随着应变的降低，短碳纤维之间的接触恢复到初始状态，电阻值也随之恢复。结果表明PE-SCF应变与电阻变化之间存在确定的关联机制，初步论证采用PE-SCF复合材料制备具有自监测功能的电熔接头具有可行性。 图5显示了爆破试验过程中所监测到的PE-SCF电熔接头的电阻和压力变化曲线。结果表明，随着内部压力的升高，两个电极之间的电阻会不断增加，电阻变化率曲线的斜率也迅速增加。这是因为在加压初始阶段，电阻变化主要由基体的弹性变形引起，在这种情况下，材料内部的导电网络仍然完整，因此电阻不会产生很大变化。当压力继续增加时，材料内部形成微裂纹，导致局部导电网络的破坏，电阻变化率显著增加。初步实验表明，利用电阻变化率监测PE-SCF电熔接头的内压载荷及结构损伤状态具有可行性。 图6显示了峰值内压为5MPa时的循环加载实验期间，电熔接头上监测到的电阻变化曲线。可见电熔接头表面电极之间的电阻变化趋势与接头内部的压力变化趋势一致，且每个周期的峰值电阻十分稳定。基于电阻测量的内压监测灵敏度系数约为29.56%/MPa。实验结果表明，载荷和监测到的电阻信号存在较为稳定的关联关系，因而用电阻变化监测电熔接头内部压力的变化是可行的。 上述测试结果表明，采用PE-SCF复合材料制备电熔管件，利用PE-SCF材料的压阻效应，能够实现基于电阻测量的管道系统在服役过程中的内压及安全状态实时监测，提升了管道系统的服役安全性。