北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在長輸管線中的應(yīng)用與展望

文 | 何學良 董秦龍 周永濤 祖越 趙祉雯 余博堯 劉雨晴 王艷艷

1.國家管網(wǎng)集團北京管道有限公司 2.北京訊騰智慧科技股份有限公司 3.中國衛(wèi)星導航定位協(xié)會

一、前言

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（以下簡稱北斗系統(tǒng)）作為國家安全與社會經(jīng)濟發(fā)展需要的重要時空基礎(chǔ)設(shè)施，是我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要一步。2021年3月發(fā)布的《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》也指出“面向服務(wù)國家重大戰(zhàn)略，實施川藏鐵路、西部陸海新通道、國家水網(wǎng)、雅魯藏布江下游水電開發(fā)、星際探測、北斗產(chǎn)業(yè)化等重大工程，推進重大科研設(shè)施、重大生態(tài)系統(tǒng)保護修復、公共衛(wèi)生應(yīng)急保障、重大引調(diào)水、防洪減災(zāi)、送電輸氣、沿邊沿江沿海交通等一批強基礎(chǔ)、增功能、利長遠的重大項目建設(shè)”。國家按計劃部署推進實施“十四五”規(guī)劃綱要確定的重大工程項目。

盡管北斗系統(tǒng)應(yīng)用的行業(yè)已從各個“點”“線”全面發(fā)展起來，但相較于電力、鐵路等線性特征明顯的行業(yè)，長輸管線對北斗系統(tǒng)的應(yīng)用才剛剛開始，可借助其他行業(yè)的經(jīng)驗，進一步將“長輸管線+北斗”用盡、用好。

二、北斗系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

2020年，我國衛(wèi)星導航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)總體產(chǎn)值達到4033億元，標志著北斗系統(tǒng)已經(jīng)全面進入規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化、國際化發(fā)展新階段。市場發(fā)展方面，衛(wèi)星導航與位置服務(wù)市場需求總量基本保持穩(wěn)定，呈現(xiàn)出三個特點：一是高精度應(yīng)用發(fā)展迅速，高精度基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)快速推進，高精度器件和終端產(chǎn)品銷售規(guī)模加速增長；二是“+北斗”發(fā)展更加活躍，“行業(yè)+北斗”新生業(yè)態(tài)對市場規(guī)模和應(yīng)用場景擴展產(chǎn)生巨大影響；三是隨著衛(wèi)星導航與其他技術(shù)和產(chǎn)業(yè)深度融合發(fā)展，衛(wèi)星導航與位置服務(wù)正在向綜合PNT與時空服務(wù)方向邁進，行業(yè)市場和大眾市場需求正在發(fā)生深刻變化。

目前北斗系統(tǒng)已經(jīng)廣泛運用于農(nóng)業(yè)、交通運輸、海洋漁業(yè)、防災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域。智慧城市、安全監(jiān)控、健康監(jiān)測等專業(yè)領(lǐng)域?qū)πl(wèi)星導航定位需求加大；高精度應(yīng)用逐步向位置服務(wù)、汽車導航、智能交通、船舶導航等大眾領(lǐng)域滲透。高精度衛(wèi)星導航定位應(yīng)用的范圍持續(xù)拓寬，與其他產(chǎn)業(yè)的融合不斷深化。

2020年，隨著衛(wèi)星導航與其他技術(shù)和產(chǎn)業(yè)深度融合發(fā)展，衛(wèi)星導航與位置服務(wù)正在向綜合PNT與時空服務(wù)方向邁進，行業(yè)市場和大眾市場需求瞄向了更加精準、泛在、融合、安全和智能的目標，并發(fā)生著深刻變化。

三、長輸管道建設(shè)北斗系統(tǒng)需求分析

我國油氣資源分布不均，長輸管道可用于滿足各地對石油、天然氣等多種能源的需求，并且具有效率高且損耗低的特點。目前，我國管道運輸系統(tǒng)已基本成熟和完善，主要建成了四個國家基干天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)，分別是西氣東輸管道系統(tǒng)、陜京天然氣管道系統(tǒng)、川氣東送天然氣管道系統(tǒng)和聯(lián)絡(luò)天然氣管道。筆者以陜京管道為例，來分析長輸管道建設(shè)現(xiàn)狀及需求。

1.站場巡檢任務(wù)重

陜京管道系統(tǒng)共計有各類站場、閥室304座，其中壓氣站10座、分輸站71座、閥室223座。壓縮機共計43臺，總功率611.3兆瓦。陜西管理處位于管線源頭，站場管理任務(wù)重，日常巡檢耗費時間長，需投入較大人力。

2.特殊地區(qū)環(huán)境監(jiān)測

陜京管道沿線經(jīng)過沙漠、山區(qū)、平原等地貌，受到洪水沖刷、黃土濕陷、煤礦采空、滑坡、沙土流失及山體崩塌等地質(zhì)災(zāi)害影響，近年來發(fā)生多起管道降壓輸送甚至停輸事件，管道安全運行面臨較大的威脅。部分路段跨河、穿越隧道、途經(jīng)城市地下等，對地質(zhì)災(zāi)害實時監(jiān)測有明顯需求。

3.移動信號不穩(wěn)定

當前移動公共網(wǎng)絡(luò)信號受基站數(shù)量、環(huán)境遮擋等因素影響，管道修建部分地區(qū)信號接收不穩(wěn)定，致使部分線路路段數(shù)據(jù)回傳困難，人員巡檢聯(lián)絡(luò)困難。根據(jù)調(diào)查顯示，部分管理處采用衛(wèi)星電話解決無移動信號區(qū)域人員聯(lián)絡(luò)問題，但由于衛(wèi)星電話成本昂貴，配備數(shù)量有限，并不能完美解決移動信號不穩(wěn)定問題。

4.信息化建設(shè)需求

陜京管線共四條線，其中最早建成投產(chǎn)的陜京一線于1997年建成，陜京四線2017年建成投產(chǎn)，時間相距20年，在信息化建設(shè)管理中存在技術(shù)差距大、建設(shè)程度不一致等問題。

四、北斗應(yīng)用長輸管道典型場景分析

隨著北斗系統(tǒng)在不同行業(yè)的示范應(yīng)用落地，電力、鐵路等行業(yè)應(yīng)用日漸成熟，對照其他行業(yè)應(yīng)用形式和應(yīng)用場景，梳理長輸管線運營環(huán)節(jié)，將北斗在長輸管線運營環(huán)節(jié)中的應(yīng)用做了如下整理，詳見表1。

表1 北斗系統(tǒng)在長輸管線中的典型應(yīng)用場景

1.短報文陰保樁數(shù)據(jù)傳輸

目前，長輸管道以埋地金屬管道為主，由于其長期埋置于地下，受各種環(huán)境影響會出現(xiàn)不同程度的腐蝕，造成直接的經(jīng)濟損失。埋地管道的腐蝕、穿孔、泄漏不僅使運輸中斷，還會對生態(tài)環(huán)境造成影響，經(jīng)濟損失巨大。我國陰極保護的評測方法多為人工巡檢，多數(shù)地區(qū)數(shù)據(jù)回傳依賴于公共移動網(wǎng)絡(luò)（3G/4G）或是光纖傳輸，而對于偏遠地區(qū)，因信號無法覆蓋且無光纖敷設(shè)，則陰保樁數(shù)據(jù)傳輸成為問題。

通過北斗短報文通信技術(shù)，結(jié)合當前埋地管線陰保樁保護方法，有效解決陰保樁監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸問題。其安全監(jiān)測主要組成部分包括：陰極保護樁、裂縫計、北斗監(jiān)測站以及傳輸單元。陰極保護采集儀每小時采集1次陰極保護數(shù)據(jù)，為降低數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)單元功耗，延長電池使用壽命，采集的數(shù)據(jù)先緩存在陰極保護采集儀內(nèi)，定時集中遠傳。目前，民用北斗通信卡通信頻率為60s，單次報文長度為78bit。若以50km距離計算，單個北斗發(fā)射終端約需37min完成上一天的陰極保護數(shù)據(jù)遠傳工作。

2.無人化智能巡檢

巡檢是眾多行業(yè)領(lǐng)域中保障安全生產(chǎn)運營的重要環(huán)節(jié)，為重點行業(yè)正常生產(chǎn)建設(shè)提供重要保障。當前巡檢工作仍然存在一些問題，例如：工作無法量化考核，巡檢過程規(guī)范問題，人員到位管理問題，巡檢質(zhì)量控制問題，以及設(shè)備缺陷管理落后。

巡檢設(shè)備由最初的僅支持照明、安防等功能，在不斷更新?lián)Q代后發(fā)展成當下智能巡檢設(shè)備。包括用于日常巡檢的巡檢儀，配合相應(yīng)軟件使用，可以實現(xiàn)考勤打卡、故障上報、拍照記錄等多項功能，其中北斗系統(tǒng)為其提供了高精度的位置信息，可以同時對巡檢線路和巡檢人員進行雙重位置數(shù)據(jù)保障。針對特殊區(qū)域的智能巡檢產(chǎn)品也被接受與認可，包括有對門站、閥室、壓氣站等站場的巡檢機器人，山區(qū)、隧道等人員進入困難的無人機巡檢，通過不同形式的設(shè)備搭載監(jiān)測模塊，在北斗系統(tǒng)的定位與導航功能輔助下，實現(xiàn)巡檢無人化、巡檢智能化。

3.高精度形變監(jiān)測

長輸管線作為油氣資源運輸?shù)闹匾緩?，因其具有線路長，途經(jīng)區(qū)域廣，且涉及自然環(huán)境復雜多變等特點，難以避免受到滑坡、泥石流、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害影響。災(zāi)害發(fā)生易使得管道形變、擠壓、破損斷裂，引起油氣泄漏，進而造成爆炸、火災(zāi)和周邊生態(tài)環(huán)境的破壞，對人員、環(huán)境都是極大的危害風險。隨著技術(shù)的發(fā)展，當前利用北斗微位移監(jiān)測設(shè)備可實現(xiàn)地表沉降毫米級監(jiān)測，做到高精度、實時、全天候監(jiān)測。

北斗微位移監(jiān)測模塊由北斗天線、北斗接收機、通信設(shè)備、避雷針、市電避雷器等組成，可用于采集、存儲及向數(shù)據(jù)平臺回傳衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)。監(jiān)測點實時獲取的三維累計形變量數(shù)據(jù)可讓監(jiān)測精度達毫米級。通過精確的形變數(shù)據(jù)判斷監(jiān)測點所處狀態(tài)，及時發(fā)出不同等級的預(yù)警信息，以保障該地區(qū)管道運營通暢。

五、北斗應(yīng)用長輸管道優(yōu)勢分析

基于前文對北斗系統(tǒng)特性、服務(wù)、應(yīng)用現(xiàn)狀的分析，以及對長輸管道整體的需求分析，從以下幾個主要方面來概括北斗系統(tǒng)應(yīng)用長輸管道的優(yōu)勢。

1.數(shù)據(jù)安全

長輸管道作為國家輸送能源的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，相當于人體內(nèi)的“血管”，其中心線坐標等測繪地理信息的國密屬性，真實坐標數(shù)據(jù)必須在具備國家認證的保密機房進行物理隔離，無法在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布使用。同時，這些數(shù)據(jù)涉及國家能源信息安全，在采集、獲取、存儲過程中任意環(huán)節(jié)都需要嚴格按照規(guī)范進行操作，確保數(shù)據(jù)安全。高度依賴其他衛(wèi)星系統(tǒng)不利于我國數(shù)據(jù)信息安全，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)作為我國完全自主可控的空間基礎(chǔ)設(shè)施，將從數(shù)據(jù)源頭進行信息安全保護，保障數(shù)據(jù)安全。

2.報文通信

我國疆域遼闊，長輸管線分布廣泛，部分管線途經(jīng)沙漠、山區(qū)等公共網(wǎng)絡(luò)覆蓋不佳地區(qū)，對于這部分沒有公網(wǎng)信號覆蓋、沒有光纖通信鏈路、部署專網(wǎng)成本過高的偏遠地區(qū)而言存在三類問題亟待解決：一是處于偏遠地區(qū)的陰保樁、傳感器等數(shù)據(jù)上傳、回傳難的問題；二是移動網(wǎng)絡(luò)信號不穩(wěn)定區(qū)域巡檢數(shù)據(jù)的上傳；三是人員、車輛位置信息確定與管理。北斗系統(tǒng)的短報文通信實時性高、覆蓋范圍廣、傳輸安全可靠的優(yōu)點，契合了各類數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，通過管線現(xiàn)場與控制中心的實時數(shù)據(jù)傳輸，可以為線路巡檢提供定位和導航，解決陰保樁等數(shù)據(jù)回傳，以及通過“北斗+定位終端”的方式對人員、車輛進行位置信息的確認與管理。

3.精準授時

統(tǒng)一系統(tǒng)時間是各行業(yè)統(tǒng)一管理的基礎(chǔ)，對長輸管線提供全網(wǎng)統(tǒng)一的時間基準是各級調(diào)度機構(gòu)、各站場、閥室、集控中心等能夠進行時間一致性的實時數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)。同時，統(tǒng)一的結(jié)算時間點，各類自動化系統(tǒng)時間基準，都需要自上而下的統(tǒng)一時間基準。北斗授時功能全球范圍內(nèi)可以優(yōu)于20ns，中國及周邊地區(qū)授時精度可以達到優(yōu)于10ns，完全可以滿足長輸管線中的授時需求精度。

4.數(shù)字化建設(shè)

我國的長輸管道從1963年開始建設(shè)，由于受當時技術(shù)手段限制，信息建設(shè)存在一定缺失。北斗系統(tǒng)可以借助“物理-數(shù)字-物理”的反饋轉(zhuǎn)型模式，將時空數(shù)據(jù)在產(chǎn)業(yè)數(shù)字化中的閉環(huán)價值實現(xiàn)最大化呈現(xiàn)。依托可靠、高精度時空基準的空間坐標、時間尺度和事件序列構(gòu)成的完整時空認知框架，并延伸多元化產(chǎn)業(yè)智慧場景，并通過逼近現(xiàn)實精度、統(tǒng)一行動基準、主動的業(yè)務(wù)秩序重組，實現(xiàn)全時空觸發(fā)與感知。

5.助力雙碳

“十四五”時期作為全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家新征程的開啟節(jié)點，也是中國踐行2030年碳達峰、2060年碳中和的重要窗口時期。長輸管線以運輸石油、天然氣為主，在其生產(chǎn)運營過程中，對其中甲烷、氫氟碳化物、產(chǎn)生的二氧化碳進行統(tǒng)計、追蹤十分必要。以北斗系統(tǒng)時空信息為基礎(chǔ)，結(jié)合氣體檢測技術(shù)、氣體追蹤技術(shù)可以對管輸氣體進行有效的統(tǒng)籌管理，幫助企業(yè)完成環(huán)保管理，進一步實現(xiàn)碳達峰、碳中和。

六、北斗應(yīng)用長輸管道的展望

北斗系統(tǒng)的應(yīng)用還涉及到眾多其他因素，從客觀上也影響到其應(yīng)用的效果及波及范圍?；谝陨蠈Ρ倍窇?yīng)用長輸管道的分析，提出以下展望。

1.體系建設(shè)

第一，標準體系建設(shè)。近日，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《國家標準化發(fā)展綱要》，提出標準是經(jīng)濟活動和社會發(fā)展的技術(shù)支撐，強調(diào)只有高標準才有高質(zhì)量。北斗系統(tǒng)正在各行各業(yè)大范圍推廣應(yīng)用，其相關(guān)的標準體系也應(yīng)當積極制定，發(fā)揮標準化在推動高質(zhì)量發(fā)展、大范圍應(yīng)用的技術(shù)支撐作用。

第二，安全保障體系。北斗系統(tǒng)在管輸行業(yè)的應(yīng)用必須考慮安全因素。作為能源輸送的關(guān)鍵性行業(yè)，對時間錯誤、定位錯誤、通信限制和故障報錯率等問題都需要建立可靠的應(yīng)對預(yù)案，從事前預(yù)防、事中監(jiān)控到事后處置，乃至事后補缺改進，形成閉環(huán)的安全保障體系。建立可靠的安全保障體系是北斗系統(tǒng)在管輸行業(yè)廣泛應(yīng)用的前提。北斗系統(tǒng)的應(yīng)用必須符合管輸行業(yè)應(yīng)用安全管理規(guī)定，以網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星應(yīng)用的結(jié)合提供相互檢驗、相互支撐的保障。

2.技術(shù)支撐

第一，適配芯片普及。應(yīng)用北斗系統(tǒng)需要對設(shè)備/系統(tǒng)進行適配北斗系統(tǒng)的接口芯片進行配置，以便更好地使用時空信息服務(wù)，因此也會產(chǎn)生一定的成本費用。事實上，不同應(yīng)用對衛(wèi)星系統(tǒng)服務(wù)精度要求是有區(qū)別的，根據(jù)實際情況選擇適合精度的芯片設(shè)備，可以有效控制成本，同時可以考慮北斗信號的復用，以降低總成本。

第二，通信技術(shù)支撐。北斗系統(tǒng)的應(yīng)用不僅僅局限于接受衛(wèi)星信號，其真正價值在于以信息與通信技術(shù)（ICT）為基礎(chǔ)對衛(wèi)星信號的進一步處理與挖掘。同時，ICT支撐也是北斗信號的共享和復用的基礎(chǔ)。

七、結(jié)束語

北斗作為我國完全自主研發(fā)、運營的空間基礎(chǔ)設(shè)施，是重要的戰(zhàn)略性技術(shù)，從長遠看北斗系統(tǒng)所提供的時空信息服務(wù)會成為各行各業(yè)的重要基礎(chǔ)組件，實現(xiàn)北斗系統(tǒng)全面應(yīng)用是大勢所趨。當前長輸管線北斗應(yīng)用較電力、鐵路仍然缺乏，主要是因為相關(guān)應(yīng)用場景挖掘不足，在統(tǒng)一規(guī)劃時空信息服務(wù)支撐框架基礎(chǔ)上，恰當?shù)膽?yīng)用場景是北斗系統(tǒng)切實助力長輸管線發(fā)展的關(guān)鍵。