北京燃氣北斗系統的應用探索與創新融合

● 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

北斗衛星導航系統（簡稱北斗系統）是我國著眼于國家安全和經濟社會發展需要，自主建設、獨立運行的衛星導航系統，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。目前北斗系統已進入全球組網時代，北斗正致力于以嶄新姿態、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入手，以燃氣行業共性技術研發與產業化應用為重點，加強“北斗+燃氣”集成創新與應用模式創新，開創了北斗系統在市政行業應用的先河。

二、北斗系統在智慧燃氣建設中的應用探索

市政管網是城市的生命線，事關人民生命財產安全、能源供給安全乃至國家安全。據中國城市規劃協會統計，全國僅公開報道的地下管線事故平均每天五六起，每年造成直接經濟損失數十億元，我國管網事故正從潛伏期進入爆發期。[1]《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006－2020）》將“市政基礎設施、防災減災等綜合功能提升技術”列為優先主題，市政管網作為城市的重要基礎，安全穩定運行是確保公共安全的首要條件。近年來，隨著城市發展，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，使管網事故進入高發期，市政管網建設運營管理中暴露出諸多問題。

北京燃氣以管網安全為出發點，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運營管理深度融合，積極開展雙創活動，經過歷時7年的技術攻關及成果轉化，打造北斗在燃氣行業全空間、全生命周期、全業務鏈的完整閉環式應用體系，大幅提高燃氣管網施工質量、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“三網融合”技術

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

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

圖1 “三網融合，天地一體化”管網風險應用管控體系示意圖

2.基于北斗的燃氣專業設備研發、改造及國產化

北京燃氣結合北斗技術對燃氣專業設備、傳感器等進行二次研發并國產化，打破了國外技術及設備的雙重壟斷，同時對管網運行狀態、環境等綜合數據實現實時高效采集，確保數據精確、信息精準、管理精細，為管線的全生命周期管理奠定基礎，實現管網信息“現場可定位，事后可追溯”。

北京燃氣首次在現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泄漏點高精準定位測量、運行狀態及在線自身狀態的精確檢測和監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品。

腐蝕問題是管網事故的主要誘因。北京燃氣自主開發的基于北斗高精度定位與管網腐蝕控制檢測設備及智能監測裝置，可取得精準的管網腐蝕數據，為市政管網犧牲陽極有效性判據和壽命預測、腐蝕控制優化設計的準確性提供數據支撐。目前已經在北京市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，提高燃氣管網安全性，延長管道使用壽命。

北京燃氣自主研發了一套集北斗監測終端、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測裝置，可實現對管網形變及管網周圍環境沉降的實時監測和預警功能，避免由于管道變形、地質災害等所引發的燃氣管道事故，對調壓站設施及管網的安全運行具有重要意義。

3.依托北斗改進傳統工作方式

所建立的北斗市政管網精準時空信息通用化獲取技術，使市政管網信息可以通過三維自動上圖，將依賴工人憑經驗繪圖找管的原始工作方法轉型，實現“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”與“管網”兩張網巡檢覆蓋率的矩陣計算模型，提高了燃氣管網巡檢到位率；通過實時動態（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生。通過北斗精準位置服務與各類管線巡檢業務流程的高效結合，構建了北京燃氣全空間、多維度、自適應巡檢運營管理體系，可應用于管網巡視、檢測、施工配合、應急搶險等業務，實現燃氣全產業鏈的精準管理。如圖2所示為基于北斗的管線巡檢業務。

圖2 基于北斗的管線巡檢業務

4.通過北斗實現高精準運營

通過將北斗精準定位終端與各類泄漏檢測設備結合，使管網精準坐標與檢測數據同步讀取并上傳至云端，構建北斗精準位置與云端數據融合的燃氣泄漏檢測及管網安全監測體系，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%，實現事后處置變為事前預警預測，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.借助北斗實現高效應急調度

通過將北斗與調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，以及燃氣專業設備的位置信息集成到生產調度管理平臺，為監測預警、應急處置、資源調度、安全監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，共排查出燃氣管網事故隱患400余起，有效維護了首都公共安全和社會穩定。

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標準中，并形成系列企業標準、技術規范，進一步健全北斗在燃氣生產運營各環節管理機制。

三、打造基于北斗系統的自主產品及服務體系

打造具有自主知識產權的核心技術產品，加速科技成果向現實生產力轉化，是加快北斗系統在市政領域產業化應用的關鍵環節，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新和集成創新，形成一批技術含量高、可復制、可推廣的重要技術產品和管理體系，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.產學研用，建立基于北斗的自主產品

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

一是打造基于北斗的燃氣監/檢測專用設備。在國內首次為地下管網各類傳感裝置增加了精準時空標簽，結合管網建設、防災、檢測、調度作業設備和傳感器改造，突破了立體化感知監/檢測技術，開發的3大類21種地下管網監測產品，部分性能超越了國際同期同類產品。

二是研發北斗+VR/AR管網巡檢設備。通過結合VR/AR技術，研發北斗手持終端，建立三維虛擬與現場環境緊密結合的全空間、自適應的管網運行管理模式，實現實時精準采集管網位置、巡檢數據、泄漏情況等信息，完善管網數據庫，確保市政管網安全運行。如圖4所示為應用北斗+VR/AR管網巡檢設備巡檢。

圖4 應用北斗+VR/AR管網巡檢設備巡檢

三是研發基于北斗與物聯網技術的市政一體化芯片模組，如圖5所示為北京燃氣研發的市政一體化芯片模組。研發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的研發周期和成本，可用于燃氣、水務、熱力等多個市政領域，實現市政數據終端大規模精準獲取，為市政行業運營管理、資源調度、安全監控和防災抗災、智能決策奠定基礎。

圖5 北京燃氣研發的市政一體化芯片模組

四是構建“三網一體”市政管網風險管控體系。依托市政云平臺構建大數據分析預警決策系統，形成一套基于北斗的全天候、全天時、高精度系統性的市政管網風險管控體系，實現各類市政管網風險和隱患的識別、監控、預警全過程動態管理。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.自主創新，科技成果轉化與實踐應用

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

2017年2月21日,孫家棟院士到訪考察北斗行業應用現狀，對北京燃氣全面應用北斗系統給予充分肯定，現場題詞“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的應用

在“北燃經驗”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，實現實時精準、安全高效、互通共享的立體化市政管網運營與風險管控。

一是實現安全監管及風險管控。包括市政管網運行監測、環境監測、地質災害監測、建設施工監測、設備設施/特種工程車輛監控等全過程、多層級風險監管，已在北京“三城一區”等地開展深入應用。

二是統籌資源調度。結合“互聯網+”、大數據等技術，已在貴陽、永州、寧波等地開展智慧景區、智慧水務的應用，同時已應用于冬奧會延慶賽區建設管理工作。

三是開展防災減災管理。應用北斗短報文及物聯網應急災備通信服務，實現災情上報、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。

四是協同公共治理。基于“北斗+物聯網”的燃氣云平臺已上線運行，可強化區域北斗位置信息與市政基礎設施信息互聯互通，形成“市政管網一張圖”，實現公共安全有效保障，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家城市燃氣企業的應用推廣，可大幅提升城市燃氣服務質量。

在此基礎上，通過與中國城市燃氣協會、中國城鎮供熱協會及相關市政單位開展戰略合作，“北燃經驗”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，部分成果已推廣應用于全國20個省（直轄市）、447個城鎮，取得了良好的社會效益與經濟效益。

四、創新引領發展，助力新型智慧城市建設

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

未來，北京燃氣將本著開發、開源、開放、共建、共享、共贏的合作理念，與其他市政單位、企業通力合作，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展，為中國的北斗共享融通，為世界的北斗貢獻力量。