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項目成果/簡介:5G智慧急救協(xié)同平臺既可滿足市縣級地區(qū)本地社區(qū)120急救、本地二級醫(yī)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(xiàn)有120急救指揮調度中心系統(tǒng)，利用5G實現(xiàn)急救車與院內專科中心互聯(lián)互通，支撐急救現(xiàn)場、基層醫(yī)院、院前急救、院內急診、重癥監(jiān)護和專科救治等多方緊密協(xié)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(wǎng)絡的核心，已形成較為完善的院前急救和院內急救網(wǎng)絡，以此為基礎構建快速、高效、全覆蓋的急危重癥醫(yī)療救治體系，實現(xiàn)五大中心信息化平臺建設。平臺的區(qū)域急救協(xié)作過程，分別通過急救轉運時間軸和急救醫(yī)療時間軸進行服務監(jiān)管和持續(xù)改進，從患者現(xiàn)場呼救第一時間開始，通過急救轉運時間軸，監(jiān)控多部門協(xié)作的資源調度和急救轉運效率。從患者首次醫(yī)療接觸時間開始，通過急診急救醫(yī)療時間軸，監(jiān)控急診急救醫(yī)聯(lián)體的多學科協(xié)作環(huán)境下，急危重癥醫(yī)療業(yè)務協(xié)同效率和臨床服務質量。平臺對接各國家專科上報系統(tǒng)，實現(xiàn)質控數(shù)據(jù)自動上報。平臺整體拓撲如下圖所示：利用5G技術連結成網(wǎng)，以醫(yī)院為中心，實現(xiàn)院前急救與醫(yī)院內搶救無縫銜接、分級救治和協(xié)同救治并舉，創(chuàng)建國內領先的區(qū)域急危重癥智慧化急救平臺，建立涵蓋胸痛、卒中、創(chuàng)傷、高危孕產婦、新生兒救治和醫(yī)院急診重癥的急救網(wǎng)絡。實現(xiàn)各級醫(yī)療機構在同一平臺上急救信息共享，開展協(xié)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(qū)域智慧急救信息化云平臺、數(shù)據(jù)庫和信息系統(tǒng)；由我院牽頭，建設胸痛中心、卒中中心、創(chuàng)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(qū)域各救治醫(yī)院信息化水平、信息共享和業(yè)務協(xié)同能力；將優(yōu)勢醫(yī)療資源下沉到基層和急救第一現(xiàn)場，改善和優(yōu)化醫(yī)療資源配置；實現(xiàn)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(guī)范急救流程；建立實時質控體系，升級改造救護車，實現(xiàn)急救中心、急救車輛、救治醫(yī)院和救治中心以及衛(wèi)健委信息互聯(lián)互通和業(yè)務協(xié)同；建設急救電子地圖，并利用新一代無線寬帶通信（5G）、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術，實現(xiàn)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(tǒng)、移動協(xié)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(xié)同救治并舉，實現(xiàn)如下目標：1、區(qū)域急救醫(yī)療資源統(tǒng)一應用在院內急診規(guī)范化預檢分診和院前急救轉運全過程監(jiān)控的基礎上，建立覆蓋每臺急救車、每個網(wǎng)絡醫(yī)院的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通和實時上報機制，形成急診急救資源動態(tài)電子地圖，提高急救醫(yī)療服務體系運行的透明度，實現(xiàn)醫(yī)療資源最優(yōu)配置和患者轉運治療方案最佳選擇。2、院前急救戰(zhàn)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(jiān)護和實時音視頻遠程指導、院內醫(yī)護端移動協(xié)同應用等方式，實現(xiàn)院內專科救治戰(zhàn)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(qū)精細化和規(guī)范化管理通過規(guī)范化的預檢分診，實現(xiàn)急診患者分級分區(qū)有序管理，最大程度減少搶救、留觀區(qū)患者與家屬的無效移動；通過智慧急救平臺，實現(xiàn)紅黃綠區(qū)快速流轉和統(tǒng)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(huán)管理。通過優(yōu)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(xiàn)多學科高效協(xié)作與綠色通道，壓縮搶救時間根據(jù)規(guī)范化的急救路徑自動采集診療過程數(shù)據(jù)，進行綠色通道醫(yī)療行為監(jiān)控，通過觸發(fā)關鍵環(huán)節(jié)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(xié)作，自動統(tǒng)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(xù)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(guī)則，在對醫(yī)護人員正常工作最小干預的前提下進行實時數(shù)據(jù)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(xù)改進和急救醫(yī)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(huán)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(lián)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(lián)網(wǎng)和遠程音視頻技術，開展急救醫(yī)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?zhèn)洹⑷駞⑴c的“大急救”。8、采用微服務架構，適用區(qū)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(yè)務數(shù)據(jù)集中存儲，充分利用云端的優(yōu)勢，隨數(shù)據(jù)量和業(yè)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(yè)務集成網(wǎng)關，便捷、靈活的對接各醫(yī)療設備和物聯(lián)網(wǎng)設備、周邊相關業(yè)務信息系統(tǒng)，既能使平臺閉環(huán)有效運轉，又能讓平臺順暢融入整個醫(yī)院信息化環(huán)境，避免信息孤島與煙囪式應用，充分體現(xiàn)“端”+“云”的應用架構優(yōu)勢。利用平臺，可有效縮短急診胸痛、卒中、創(chuàng)傷等患者的救治時間，體現(xiàn)了“時間即生命”的救治理念。院前由隨車醫(yī)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(tǒng)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(huán)節(jié)及時間、時長。監(jiān)控急救病人的流向、到達/離開關鍵節(jié)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(guī)范、高效的救治服務。時間節(jié)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(jié)點明細表。改變記錄不及時、時間不準確、急診數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，該技術具有系統(tǒng)復雜度低，發(fā)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(yōu)點。 知識產權類型:發(fā)明專利 、 軟件著作權技術成熟度:正在研發(fā)技術先進程度:達到國內先進水平成果獲得方式:與企業(yè)合作獲得政府支持情況:無

5G智慧急救協(xié)同平臺既可滿足市縣級地區(qū)本地社區(qū)120急救、本地二級醫(yī)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(xiàn)有120急救指揮調度中心系統(tǒng)，利用5G實現(xiàn)急救車與院內專科中心互聯(lián)互通，支撐急救現(xiàn)場、基層醫(yī)院、院前急救、院內急診、重癥監(jiān)護和專科救治等多方緊密協(xié)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(wǎng)絡的核心，已形成較為完善的院前急救和院內急救網(wǎng)絡，以此為基礎構建快速、高效、全覆蓋的急危重癥醫(yī)療救治體系，實現(xiàn)五大中心信息化平臺建設。平臺的區(qū)域急救協(xié)作過程，分別通過急救轉運時間軸和急救醫(yī)療時間軸進行服務監(jiān)管和持續(xù)改進，從患者現(xiàn)場呼救第一時間開始，通過急救轉運時間軸，監(jiān)控多部門協(xié)作的資源調度和急救轉運效率。從患者首次醫(yī)療接觸時間開始，通過急診急救醫(yī)療時間軸，監(jiān)控急診急救醫(yī)聯(lián)體的多學科協(xié)作環(huán)境下，急危重癥醫(yī)療業(yè)務協(xié)同效率和臨床服務質量。平臺對接各國家專科上報系統(tǒng)，實現(xiàn)質控數(shù)據(jù)自動上報。 平臺整體拓撲如下圖所示： 利用5G技術連結成網(wǎng)，以醫(yī)院為中心，實現(xiàn)院前急救與醫(yī)院內搶救無縫銜接、分級救治和協(xié)同救治并舉，創(chuàng)建國內領先的區(qū)域急危重癥智慧化急救平臺，建立涵蓋胸痛、卒中、創(chuàng)傷、高危孕產婦、新生兒救治和醫(yī)院急診重癥的急救網(wǎng)絡。實現(xiàn)各級醫(yī)療機構在同一平臺上急救信息共享，開展協(xié)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(qū)域智慧急救信息化云平臺、數(shù)據(jù)庫和信息系統(tǒng)；由我院牽頭，建設胸痛中心、卒中中心、創(chuàng)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(qū)域各救治醫(yī)院信息化水平、信息共享和業(yè)務協(xié)同能力；將優(yōu)勢醫(yī)療資源下沉到基層和急救第一現(xiàn)場，改善和優(yōu)化醫(yī)療資源配置；實現(xiàn)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(guī)范急救流程；建立實時質控體系，升級改造救護車，實現(xiàn)急救中心、急救車輛、救治醫(yī)院和救治中心以及衛(wèi)健委信息互聯(lián)互通和業(yè)務協(xié)同；建設急救電子地圖，并利用新一代無線寬帶通信（5G）、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術，實現(xiàn)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(tǒng)、移動協(xié)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(xié)同救治并舉，實現(xiàn)如下目標： 1、區(qū)域急救醫(yī)療資源統(tǒng)一應用 在院內急診規(guī)范化預檢分診和院前急救轉運全過程監(jiān)控的基礎上，建立覆蓋每臺急救車、每個網(wǎng)絡醫(yī)院的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通和實時上報機制，形成急診急救資源動態(tài)電子地圖，提高急救醫(yī)療服務體系運行的透明度，實現(xiàn)醫(yī)療資源最優(yōu)配置和患者轉運治療方案最佳選擇。 2、院前急救戰(zhàn)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(jiān)護和實時音視頻遠程指導、院內醫(yī)護端移動協(xié)同應用等方式，實現(xiàn)院內專科救治戰(zhàn)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(qū)精細化和規(guī)范化管理 通過規(guī)范化的預檢分診，實現(xiàn)急診患者分級分區(qū)有序管理，最大程度減少搶救、留觀區(qū)患者與家屬的無效移動；通過智慧急救平臺，實現(xiàn)紅黃綠區(qū)快速流轉和統(tǒng)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(huán)管理。 通過優(yōu)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(xiàn)多學科高效協(xié)作與綠色通道，壓縮搶救時間 根據(jù)規(guī)范化的急救路徑自動采集診療過程數(shù)據(jù)，進行綠色通道醫(yī)療行為監(jiān)控，通過觸發(fā)關鍵環(huán)節(jié)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(xié)作，自動統(tǒng)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(xù)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(guī)則，在對醫(yī)護人員正常工作最小干預的前提下進行實時數(shù)據(jù)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(xù)改進和急救醫(yī)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(huán)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(lián)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(lián)網(wǎng)和遠程音視頻技術，開展急救醫(yī)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?zhèn)洹⑷駞⑴c的“大急救”。 8、采用微服務架構，適用區(qū)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(yè)務數(shù)據(jù)集中存儲，充分利用云端的優(yōu)勢，隨數(shù)據(jù)量和業(yè)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(yè)務集成網(wǎng)關，便捷、靈活的對接各醫(yī)療設備和物聯(lián)網(wǎng)設備、周邊相關業(yè)務信息系統(tǒng)，既能使平臺閉環(huán)有效運轉，又能讓平臺順暢融入整個醫(yī)院信息化環(huán)境，避免信息孤島與煙囪式應用，充分體現(xiàn)“端”+“云”的應用架構優(yōu)勢。 利用平臺，可有效縮短急診胸痛、卒中、創(chuàng)傷等患者的救治時間，體現(xiàn)了“時間即生命”的救治理念。院前由隨車醫(yī)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(tǒng)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(huán)節(jié)及時間、時長。監(jiān)控急救病人的流向、到達/離開關鍵節(jié)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(guī)范、高效的救治服務。 時間節(jié)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(jié)點明細表。改變記錄不及時、時間不準確、急診數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，該技術具有系統(tǒng)復雜度低，發(fā)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(yōu)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(jīng)濟的發(fā)展和穩(wěn)定至關重要，被稱為國民經(jīng)濟的“生命線”。我國壓力管道發(fā)展迅猛，應用規(guī)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(fā)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(wǎng)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(wěn)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(wǎng)和城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)的管道長度已達到數(shù)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(jīng)實施了多項跨流域、跨地區(qū)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(yè)用水6.4×1010m3，農業(yè)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(yōu)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(fā)的未來管道發(fā)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(fā)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(zhèn)供水管道90%采用塑料管，逐漸占據(jù)主導地位。目前，多數(shù)國家已經(jīng)在燃氣和給水領域選擇聚乙烯管逐漸替代金屬管道，實現(xiàn)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(jīng)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(jīng)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(jīng)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(tǒng)，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(yōu)勢，許多現(xiàn)有核電站冷卻水管道系統(tǒng)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(tǒng)管道更換為200mm，DR9的聚乙烯管道。 1.2 管道系統(tǒng)安全性的要求日益迫切 隨著聚乙烯管道系統(tǒng)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(jù)中國城市規(guī)劃協(xié)會地下管線專業(yè)委員會的統(tǒng)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(jīng)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(xù)發(fā)生可燃氣體外泄，并引發(fā)多次大爆炸，造成32人死亡，321人受傷，經(jīng)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(huán)境和人身安全的威脅。 隨著聚乙烯管道系統(tǒng)在燃氣、供水等領域的應用日益廣泛，全社會對管道系統(tǒng)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(tǒng)可靠性的關鍵 當我們追溯這些事故的源頭，會發(fā)現(xiàn)有53%的聚乙烯管道系統(tǒng)故障發(fā)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(shù)據(jù)庫委員會PPDC）。接頭作為管道系統(tǒng)中質量最薄弱的環(huán)節(jié)，其焊接質量影響到整個管道系統(tǒng)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(shù)，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(fā)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(xiàn)象；內部溫度不足則會導致熔合區(qū)深度和界面強度不足，產生冷焊現(xiàn)象。冷焊缺陷很難從外觀上或通過常規(guī)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(fā)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(tài)監(jiān)測是保障管道系統(tǒng)安全運行的關鍵 接頭是管道系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。美國塑料管研究所（PPI）技術總監(jiān)Sarah Patterson在2016年美國機械工程師協(xié)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(jiān)測研究是今后塑料管道技術發(fā)展應用的重要課題。 在接頭安全監(jiān)測方面，管道的服役過程安全監(jiān)測研究主要有以下四種：（1）基于應變的監(jiān)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(xù)碳纖維復合材料自監(jiān)測技術：如內嵌連續(xù)碳纖維的復合材料，可以實時提供結構應變信息。采用連續(xù)碳纖維自監(jiān)測的應變靈敏度系數(shù)小于傳統(tǒng)應變片，且應變檢測范圍很小。（3）基于埋入傳感器的監(jiān)測技術：如利用嵌入式光纖光柵的管道應變場監(jiān)測。光纖檢測集成度高、精度高，已經(jīng)在管道、橋梁等結構的智能監(jiān)測中得到廣泛應用。（4）基于導電填充材料的監(jiān)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(wǎng)絡，當材料產生變形或局部損傷時，導電網(wǎng)絡相應地產生導通節(jié)點數(shù)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(jiān)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(jiān)測對象本身工作特性的同時，有效地提取監(jiān)測對象的服役狀態(tài)和結構損傷信息。開展結構安全監(jiān)測技術研究，智能監(jiān)測感知壓力容器與管道結構失效特征參量，實現(xiàn)損傷失效的預警和運行的自主優(yōu)化，是未來壓力容器行業(yè)重要的研究方向。 2 智慧管件系統(tǒng)解決方案 非金屬管道的智慧管件系統(tǒng)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(jiān)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(qū)溫度在時間和空間上的變化很大程度上體現(xiàn)出焊接過程的發(fā)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(qū)復合溫度場理論模型。該模型能夠根據(jù)采集到的實際電壓電流數(shù)據(jù)，小成本、高精度地實時推演焊接過程的發(fā)展。不同于傳統(tǒng)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(qū)溫度場的方式在線監(jiān)測焊接過程，使得參數(shù)的調節(jié)和設計有堅實的理論依據(jù)。 在溫度場模型的基礎上，本作品能實現(xiàn)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(yè)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(qū)深度與焊接界面強度的關聯(lián)。 基于上述理論研究和多次實踐，對聚乙烯最高溫度和熔區(qū)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(qū)邊界，讓最高溫度在不超過270℃，熔區(qū)深度控制在2～3mm。為使焊接效率最高，通過由調整次數(shù)、焊接時長、最高溫度等指標組成的代價函數(shù)對不同調整策略進行評價，從而獲得最優(yōu)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(tài)自監(jiān)測 為了實現(xiàn)管道系統(tǒng)服役過程的安全狀態(tài)自監(jiān)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(wǎng)絡，如圖3所示。PE-SCF復合材料內部SCF導電網(wǎng)絡的破壞與重組賦予了該材料壓阻效應，能夠用于監(jiān)測PE-SCF復合材料承受的載荷。圖4為循環(huán)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(jiān)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(jiān)測電阻對應變變化的響應具有很好的穩(wěn)定性。PE-SCF復合材料在拉伸力作用下發(fā)生變形，部分短碳纖維導電網(wǎng)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(tài)，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(lián)機制，初步論證采用PE-SCF復合材料制備具有自監(jiān)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(jiān)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(wǎng)絡仍然完整，因此電阻不會產生很大變化。當壓力繼續(xù)增加時，材料內部形成微裂紋，導致局部導電網(wǎng)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(jiān)測PE-SCF電熔接頭的內壓載荷及結構損傷狀態(tài)具有可行性。 圖6顯示了峰值內壓為5MPa時的循環(huán)加載實驗期間，電熔接頭上監(jiān)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(wěn)定。基于電阻測量的內壓監(jiān)測靈敏度系數(shù)約為29.56%/MPa。實驗結果表明，載荷和監(jiān)測到的電阻信號存在較為穩(wěn)定的關聯(lián)關系，因而用電阻變化監(jiān)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(xiàn)基于電阻測量的管道系統(tǒng)在服役過程中的內壓及安全狀態(tài)實時監(jiān)測，提升了管道系統(tǒng)的服役安全性。