北京燃氣北斗系統(tǒng)的應用探索與創(chuàng)新融合

● 文|北京市燃氣集團有限責任公司 高順利 楊金梅 王一君

一、引言

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（簡稱北斗系統(tǒng)）是我國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要，自主建設、獨立運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要空間基礎設施。目前北斗系統(tǒng)已進入全球組網(wǎng)時代，北斗正致力于以嶄新姿態(tài)、更強能力、更好服務推廣成為世界的北斗，服務全球。

2011年，北京市燃氣集團有限責任公司（簡稱北京燃氣）從高敏感、高風險、高保密性的燃氣管網(wǎng)入手，以燃氣行業(yè)共性技術研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應用為重點，加強“北斗+燃氣”集成創(chuàng)新與應用模式創(chuàng)新，開創(chuàng)了北斗系統(tǒng)在市政行業(yè)應用的先河。

二、北斗系統(tǒng)在智慧燃氣建設中的應用探索

市政管網(wǎng)是城市的生命線，事關人民生命財產(chǎn)安全、能源供給安全乃至國家安全。據(jù)中國城市規(guī)劃協(xié)會統(tǒng)計，全國僅公開報道的地下管線事故平均每天五六起，每年造成直接經(jīng)濟損失數(shù)十億元，我國管網(wǎng)事故正從潛伏期進入爆發(fā)期。[1]《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020）》將“市政基礎設施、防災減災等綜合功能提升技術”列為優(yōu)先主題，市政管網(wǎng)作為城市的重要基礎，安全穩(wěn)定運行是確保公共安全的首要條件。近年來，隨著城市發(fā)展，多種市政管線縱橫交錯、服役時間長、位置信息不準確甚至缺失，使管網(wǎng)事故進入高發(fā)期，市政管網(wǎng)建設運營管理中暴露出諸多問題。

北京燃氣以管網(wǎng)安全為出發(fā)點，率先將北斗精準位置、精準時間以及短報文通信服務與燃氣管網(wǎng)運營管理深度融合，積極開展雙創(chuàng)活動，經(jīng)過歷時7年的技術攻關及成果轉(zhuǎn)化，打造北斗在燃氣行業(yè)全空間、全生命周期、全業(yè)務鏈的完整閉環(huán)式應用體系，大幅提高燃氣管網(wǎng)施工質(zhì)量、風險管控水平及管理效率，走出一條市政領域應用北斗的探索之路。

1.建立北斗系統(tǒng)“三網(wǎng)融合”技術

北京燃氣依托自有場站建設了14座覆蓋北京地區(qū)的北斗連續(xù)運行參考站（CORS），形成厘米級高精度北斗服務網(wǎng)，構成了國家北斗精準服務網(wǎng)的雛形，通過基站，可以大幅提升管線定位精度，實現(xiàn)管網(wǎng)數(shù)據(jù)連通。

在此基礎上，北京燃氣創(chuàng)造性地提出將北斗精準服務網(wǎng)、面向地下復雜市政管網(wǎng)的立體化監(jiān)測網(wǎng)與市政管網(wǎng)這三張“網(wǎng)”相結合，建立起“三網(wǎng)融合，天地一體化”的管網(wǎng)風險應用管控體系，如圖1所示，形成一套可復制、推廣、落地的“北燃經(jīng)驗”，為北斗系統(tǒng)在市政行業(yè)的應用奠定基礎。

圖1 “三網(wǎng)融合，天地一體化”管網(wǎng)風險應用管控體系示意圖

2.基于北斗的燃氣專業(yè)設備研發(fā)、改造及國產(chǎn)化

北京燃氣結合北斗技術對燃氣專業(yè)設備、傳感器等進行二次研發(fā)并國產(chǎn)化，打破了國外技術及設備的雙重壟斷，同時對管網(wǎng)運行狀態(tài)、環(huán)境等綜合數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時高效采集，確保數(shù)據(jù)精確、信息精準、管理精細，為管線的全生命周期管理奠定基礎，實現(xiàn)管網(wǎng)信息“現(xiàn)場可定位，事后可追溯”。

北京燃氣首次在現(xiàn)有的傳感器上增加北斗精準時空標簽，突破了供水、燃氣、熱力等管線傳輸介質(zhì)泄漏點高精準定位測量、運行狀態(tài)及在線自身狀態(tài)的精確檢測和監(jiān)控技術等多項關鍵技術，打破國外的技術壟斷，形成適應我國地下市政管線運行特點的系列感知產(chǎn)品。

腐蝕問題是管網(wǎng)事故的主要誘因。北京燃氣自主開發(fā)的基于北斗高精度定位與管網(wǎng)腐蝕控制檢測設備及智能監(jiān)測裝置，可取得精準的管網(wǎng)腐蝕數(shù)據(jù)，為市政管網(wǎng)犧牲陽極有效性判據(jù)和壽命預測、腐蝕控制優(yōu)化設計的準確性提供數(shù)據(jù)支撐。目前已經(jīng)在北京市1萬千米燃氣管道上全面應用，可有效降低管道腐蝕泄漏頻率，提高燃氣管網(wǎng)安全性，延長管道使用壽命。

北京燃氣自主研發(fā)了一套集北斗監(jiān)測終端、聲表面波傳感器、溫度傳感器于一體的燃氣管道變形事故監(jiān)測裝置，可實現(xiàn)對管網(wǎng)形變及管網(wǎng)周圍環(huán)境沉降的實時監(jiān)測和預警功能，避免由于管道變形、地質(zhì)災害等所引發(fā)的燃氣管道事故，對調(diào)壓站設施及管網(wǎng)的安全運行具有重要意義。

3.依托北斗改進傳統(tǒng)工作方式

所建立的北斗市政管網(wǎng)精準時空信息通用化獲取技術，使市政管網(wǎng)信息可以通過三維自動上圖，將依賴工人憑經(jīng)驗繪圖找管的原始工作方法轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)“人人都是活地圖”的高效工作模式，效率提高10倍以上。

運行人員可結合北斗手持終端，準確記錄巡線軌跡，建立“軌跡網(wǎng)”與“管網(wǎng)”兩張網(wǎng)巡檢覆蓋率的矩陣計算模型，提高了燃氣管網(wǎng)巡檢到位率；通過實時動態(tài)（RTK）設備，為施工配合工作提供精準管線定位，有效減少第三方破壞事件的發(fā)生。通過北斗精準位置服務與各類管線巡檢業(yè)務流程的高效結合，構建了北京燃氣全空間、多維度、自適應巡檢運營管理體系，可應用于管網(wǎng)巡視、檢測、施工配合、應急搶險等業(yè)務，實現(xiàn)燃氣全產(chǎn)業(yè)鏈的精準管理。如圖2所示為基于北斗的管線巡檢業(yè)務。

圖2 基于北斗的管線巡檢業(yè)務

4.通過北斗實現(xiàn)高精準運營

通過將北斗精準定位終端與各類泄漏檢測設備結合，使管網(wǎng)精準坐標與檢測數(shù)據(jù)同步讀取并上傳至云端，構建北斗精準位置與云端數(shù)據(jù)融合的燃氣泄漏檢測及管網(wǎng)安全監(jiān)測體系，在北京市2.3萬千米的管線示范應用結果顯示，泄漏事件被動接警率從22.4%降低到4.7%，實現(xiàn)事后處置變?yōu)槭虑邦A警預測，為應急搶險贏得“黃金半小時”。如圖3所示為北斗精準泄漏檢測設備。

圖3 北斗精準泄漏檢測設備

5.借助北斗實現(xiàn)高效應急調(diào)度

通過將北斗與調(diào)度應急管理深度結合，把液化天然氣（LNG）和壓縮天然氣（CNG）運輸槽車、激光甲烷檢測車等車輛的實時信息，以及燃氣專業(yè)設備的位置信息集成到生產(chǎn)調(diào)度管理平臺，為監(jiān)測預警、應急處置、資源調(diào)度、安全監(jiān)控和防災抗災提供支撐。應用技術成果在“一帶一路”高峰論壇、中國共產(chǎn)黨第十九次全國代表大會等大型活動和會議期間，共排查出燃氣管網(wǎng)事故隱患400余起，有效維護了首都公共安全和社會穩(wěn)定。

6.形成北斗標準化管理模式

北京燃氣率先將北斗寫入主編的燃氣行業(yè)標準中，并形成系列企業(yè)標準、技術規(guī)范，進一步健全北斗在燃氣生產(chǎn)運營各環(huán)節(jié)管理機制。

三、打造基于北斗系統(tǒng)的自主產(chǎn)品及服務體系

打造具有自主知識產(chǎn)權的核心技術產(chǎn)品，加速科技成果向現(xiàn)實生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化，是加快北斗系統(tǒng)在市政領域產(chǎn)業(yè)化應用的關鍵環(huán)節(jié)，也是北京燃氣全面推廣應用北斗技術的重要基礎。北京燃氣通過自主創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，形成一批技術含量高、可復制、可推廣的重要技術產(chǎn)品和管理體系，用實際行動支持孫家棟院士提出的“天上好用，地上用好”的重要理念。

1.產(chǎn)學研用，建立基于北斗的自主產(chǎn)品

北京燃氣積極與高校及市政企業(yè)合作，搭建產(chǎn)學研一體化平臺，通過產(chǎn)學研結合，形成一批基于北斗的具有自主知識產(chǎn)權的科研產(chǎn)品。

一是打造基于北斗的燃氣監(jiān)/檢測專用設備。在國內(nèi)首次為地下管網(wǎng)各類傳感裝置增加了精準時空標簽，結合管網(wǎng)建設、防災、檢測、調(diào)度作業(yè)設備和傳感器改造，突破了立體化感知監(jiān)/檢測技術，開發(fā)的3大類21種地下管網(wǎng)監(jiān)測產(chǎn)品，部分性能超越了國際同期同類產(chǎn)品。

二是研發(fā)北斗+VR/AR管網(wǎng)巡檢設備。通過結合VR/AR技術，研發(fā)北斗手持終端，建立三維虛擬與現(xiàn)場環(huán)境緊密結合的全空間、自適應的管網(wǎng)運行管理模式，實現(xiàn)實時精準采集管網(wǎng)位置、巡檢數(shù)據(jù)、泄漏情況等信息，完善管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，確保市政管網(wǎng)安全運行。如圖4所示為應用北斗+VR/AR管網(wǎng)巡檢設備巡檢。

圖4 應用北斗+VR/AR管網(wǎng)巡檢設備巡檢

三是研發(fā)基于北斗與物聯(lián)網(wǎng)技術的市政一體化芯片模組，如圖5所示為北京燃氣研發(fā)的市政一體化芯片模組。研發(fā)并試點應用適用于多種市政專用設備、傳感設備的市政一體化芯片模組，有效減少其他市政企業(yè)的研發(fā)周期和成本，可用于燃氣、水務、熱力等多個市政領域，實現(xiàn)市政數(shù)據(jù)終端大規(guī)模精準獲取，為市政行業(yè)運營管理、資源調(diào)度、安全監(jiān)控和防災抗災、智能決策奠定基礎。

圖5 北京燃氣研發(fā)的市政一體化芯片模組

四是構建“三網(wǎng)一體”市政管網(wǎng)風險管控體系。依托市政云平臺構建大數(shù)據(jù)分析預警決策系統(tǒng)，形成一套基于北斗的全天候、全天時、高精度系統(tǒng)性的市政管網(wǎng)風險管控體系，實現(xiàn)各類市政管網(wǎng)風險和隱患的識別、監(jiān)控、預警全過程動態(tài)管理。北京排水集團應用該成果，對全市139座下凹式立交橋等重要設施進行試點，在特大暴雨事件時無一例人員傷亡，幫助北京安全度汛。

2.自主創(chuàng)新，科技成果轉(zhuǎn)化與實踐應用

北京燃氣積極響應國家“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的號召，通過產(chǎn)學研和跨行業(yè)合作，推進跨界融合和成果轉(zhuǎn)化，取得多項基于北斗的原創(chuàng)性發(fā)明并產(chǎn)業(yè)化。目前，獲授權基于北斗的發(fā)明專利24項、發(fā)表論文28篇，出版專著4部，制定行業(yè)標準6部，多個專利、設備、技術填補了國內(nèi)及國際在該領域多項空白，處于國際領先水平，部分成果分別獲衛(wèi)星導航定位科技進步一等獎，衛(wèi)星導航定位優(yōu)秀工程和產(chǎn)品二等獎、三等獎。

2017年2月21日,孫家棟院士到訪考察北斗行業(yè)應用現(xiàn)狀，對北京燃氣全面應用北斗系統(tǒng)給予充分肯定，現(xiàn)場題詞“應用北斗，光彩北燃；精準市政，智慧生活”，如圖6所示，為北京燃氣深化北斗應用指明方向。

圖6 孫家棟院士為北京燃氣的題詞

3.以點帶面，推動北斗在市政行業(yè)的應用

在“北燃經(jīng)驗”的基礎上，北京燃氣所屬的北京控股集團有限公司從多個方面開展北斗在智慧城市建設中的應用，實現(xiàn)實時精準、安全高效、互通共享的立體化市政管網(wǎng)運營與風險管控。

一是實現(xiàn)安全監(jiān)管及風險管控。包括市政管網(wǎng)運行監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)災害監(jiān)測、建設施工監(jiān)測、設備設施/特種工程車輛監(jiān)控等全過程、多層級風險監(jiān)管，已在北京“三城一區(qū)”等地開展深入應用。

二是統(tǒng)籌資源調(diào)度。結合“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)等技術，已在貴陽、永州、寧波等地開展智慧景區(qū)、智慧水務的應用，同時已應用于冬奧會延慶賽區(qū)建設管理工作。

三是開展防災減災管理。應用北斗短報文及物聯(lián)網(wǎng)應急災備通信服務，實現(xiàn)災情上報、災害預警應急通信保障服務，已在城市燃氣4000個重點設施場站及長輸管線等應用。

四是協(xié)同公共治理?；凇氨倍?物聯(lián)網(wǎng)”的燃氣云平臺已上線運行，可強化區(qū)域北斗位置信息與市政基礎設施信息互聯(lián)互通，形成“市政管網(wǎng)一張圖”，實現(xiàn)公共安全有效保障，2018年年底將在其他市政領域應用。

五是提升市政服務水平。中國燃氣控股有限公司在華北地區(qū)5省62縣“煤改氣”中成功應用北斗技術，2018年可完成旗下200家城市燃氣企業(yè)的應用推廣，可大幅提升城市燃氣服務質(zhì)量。

在此基礎上，通過與中國城市燃氣協(xié)會、中國城鎮(zhèn)供熱協(xié)會及相關市政單位開展戰(zhàn)略合作，“北燃經(jīng)驗”已逐步推廣至全國市政領域，包括燃氣、熱力、排水等市政行業(yè)，部分成果已推廣應用于全國20個省（直轄市）、447個城鎮(zhèn)，取得了良好的社會效益與經(jīng)濟效益。

四、創(chuàng)新引領發(fā)展，助力新型智慧城市建設

“北斗+”的時代已經(jīng)到來。北京燃氣將在政府部門的指導下，結合區(qū)位優(yōu)勢，承擔社會責任，積極探索北斗系統(tǒng)在行業(yè)的深度融合及應用，將科技成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，使市政行業(yè)從勞動密集的粗放型行業(yè)改造為信息化、智能化、標準化的精準型行業(yè)；大力推動北斗民用化發(fā)展進程，推進北斗在行業(yè)領域更大范圍、更高層次、更深程度上的創(chuàng)新應用，實現(xiàn)位置精準、時間精確、安全高效、自主可控、互聯(lián)互通的智慧城市生態(tài)建設。

未來，北京燃氣將本著開發(fā)、開源、開放、共建、共享、共贏的合作理念，與其他市政單位、企業(yè)通力合作，合力推進軍民融合新跨越，攜手共建精準市政新局面，同心打造智慧城市新發(fā)展，為中國的北斗共享融通，為世界的北斗貢獻力量。