北斗卫星导航系统在油气管道监控中的应用

万青霖(中海油信息科技有限公司北京分公司北京100027)

北斗卫星导航系统在油气管道监控中的应用

万青霖
(中海油信息科技有限公司北京分公司，北京100027)

为了确保油气运输管线的安全运行，全方位进行测量和监控并保证监控数据的有效传输是非常重要的一种措施。随着国内油气运输管道数量的增多、管龄年限的增长，以及人为破坏和自然灾害等因素的发生，油气运输管道存在巨大的安全风险隐患。基于我国自行研制开发的北斗卫星导航系统，使用北斗短报文、定位和授时等服务功能，结合现有的管线检测和巡检技术，设计提供一套更安全、可靠的管道测量监控及数据传输系统，有效保障国内油气管道的正常运行。

卫星导航；管道监控；数据传输

0 引言

油气运输管道可以分为输油管道和输气管道。输油管道由油管及其附件组成，并按照工艺流程的需要，配备相应的油泵机组。输油管道的管材一般为钢管，使用焊接和法兰等连接装置连接成长距离管道，并使用阀门进行开闭控制和流量调节，如图1所示。一套完整的输油管道系统，用以完成油料接卸及输转任务，是原油和石油产品最主要的输送设备。

输气管道是将天然气(包括油田生产的伴生气)从开采地或处理厂输送到城市配气中心或工业企业用户的管道，是陆地上大量输送天然气的唯一方式，如图2所示。输气管道是由单根钢管经电焊逐根连接组装起来，在世界管道总长中，天然气管道约占一半。

1 油气管道运行现状

随着油气运输管道运营年限的增长，不可避免地存在自然灾害(如地震、滑坡、河流冲击等)、管道腐蚀穿孔漏油、外部机械撞击和人为破坏管道窃取石油资源等情况发生，严重威胁着输油管线的安全，致使油气管道事故频发，随时有石油泄漏的可能。

据统计，全球50%的石油管网已运行30年以上，国内相当比例的原油管道老化程度十分严重(如东北输油管道已运行30多年)。仅1978年～1994年我国输油管线就发生各种泄漏事故116起，其中5次泄漏量达3550t。1995年～2013年，全国共发生各类管道安全事故1000多起，1000km泄漏事故率年均高达4次，远高于欧美国家。

可见要想确保油气管线的安全运行，就必须对其进行有效的监控并及时获取监控数据。目前油气管线监控多采用基于现代分析和控制方法的管道检测技术，包括管道的泄漏检测、管道参数检测、防盗防破坏报警及管道加热等相关技术。

2 油气管道监控技术

目前，国内外管道泄漏检测方法可分为直接法和间接法两大类，如图3所示。直接检测是通过泄漏到环境中的输送介质或检测管道状态定位泄漏，如热成像、漏磁检测、中子衍射成像、以及超声检测等。直接检测实时性不好，检测成本高，仅适用于管道的维护与保养。间接法是通过检测泄漏造成的管道输送介质流量、压力、波动、温度等参数的变化判别泄漏，目前应用最广泛的是负压波法，如图4所示。

负压波法是目前管线监控系统使用较多的检测方法，它能实现在线实时监控并可以准确定位。当管道发生泄漏时，管内外压差使流体迅速流失，泄漏部位的物质损失使临近部位流体密度减小，压力降低，并且以类似于声波向上下游扩散，在管道两端安装的压力传感器能捕捉到这种信号，就可以检测泄漏的发生，进而根据负压波传到管道两端的时间差以及负压波速进行泄漏定位。

同时，为了克服管道噪声等因素的干扰，采用小波变换和相关分析负压波的传播规律、管道内的噪声和水击波等变换特点，并结合管道管壁的弹性和液体的物理参数、物理特性进行分析、处理和计算。对于一般输送原油的钢质管道而言，负压波传播速度约为1.0km／s～1.2km／s。

3 油气管道监控系统

3.1 北斗卫星导航系统在管道监控中的应用设计方案

目前在油气运输管道监控系统中，采用的数据传输方式主要分有线和无线两种。有线传输方式主要有公用电话网、电力载波、直达线、同轴电缆和光纤通信等，无线传输方式主要有数据电台、微波通信、卫星通信和移动蜂窝网络等。如今很多油气管线位于远离城市的郊区及偏远地带，有线数据传输方式在这些地区施工难度大、成本高，推广应用难度大。而在无线数据传输方式中，因移动蜂窝网络在偏远地区覆盖较差、数传电台等建设成本较高且通信距离有限，都不是最优的传输方式。使用北斗系统的短报文、定位和授时服务功能为油气管道监控系统提供数据传输相关服务，可以有效解决上述问题。

北斗数传系统由北斗输出终端单元、传感器单元、指挥机单元以及指挥监控系统单元组成。不更改现存油气管线监控的传感单元，只对数据传输系统进行替换和升级，通过相应的数据传输接口将传感单元监控到的数据经北斗数传终端发回到油气管道监控中心，实时对油气管线进行有效的监控，如图5所示。相比其他集中数传方式，北斗数传系统具备成本低、传输距离远、安装使用方便、功耗低、数据安全性高等特点。

1)成本低：北斗数传系统与数据电台和微波通信相比，不再需要外接授时设备进行时间同步，系统自身具备数传、授时和定位功能，如图5所示，省去了外接设备的费用，并且对供电要求也比较低。此外，相比于传统的卫星通信(如海事卫星、美国休斯公司等提供的卫星通信系统)，北斗数传系统的硬件成本和通信费用都要远远低于前者。

2)传输距离远：数传电台及微波扩频通信等传输距离有限，接收站需在数据发送点附近数十千米内，而北斗数传系统的传输距离则能够覆盖全国，因此在部署数据接收站时能够更加灵活地选择位置。

3)安装使用方便：北斗数传终端采用一体化设计，天线和内部控制单元结合在一起，体积小，安装方便，大大降低了安装和施工难度。北斗数传终端的供电选择范围大，9V～36V的直流输入电压都可以正常工作，可用蓄电池、太阳能方式供电。

4)功耗低：北斗数传终端平均功耗在 3W～4W，而采用数传电台、微波通信等则需要达到10W以上功耗，在采用同样蓄电池方案时，北斗系统的工作时间要远远大于二者。

5)数据安全：油气管道运行数据属于石油公司的重要机密数据，甚至关乎国家安全，北斗系统是我国自行研制开发的卫星系统，具有极高的数据安全性，可以有效保障一些敏感数据的传输。

3.2 北斗卫星导航系统应用设计方案的合理性分析

推广利用北斗数传系统需要从两个方面分析合理性，一是传输数据量，二是系统响应时间。

(1)传输数据量估算

目前，实时检测系统多采用负压波法及物质平衡法等多种方法融合进行。其中，负压波法监控实时性要求高，监控数据量最大，适用于检测人为造成的泄漏检测，因此需要对传输数据量进行估算。

采用负压波法的系统监测点间距为1km～2km，对于一般输送原油的钢质管道而言，负压波传播速度约为1.0km／s～1.2km／s。根据压力波响应的时间差、管道长度、压力传播速度，建立基本的数学理论模型，根据管道物理参数、被输介质的理化性质以及温度衰减等因素，对压力波的传递速度造成的衰减变化进行必要的补偿和修正，再计算出相应的泄漏位置。采用负压波法检测需要传输的数据有：压力、流量、时间、温度，如图6所示。负压波发生时间约在1s～10s，如图7所示。通过每个检测点自身的数据处理，上传的压力值数据能压缩在10个左右，而流量数据每次上传3个左右，按照数据标志位占用5字节，数据占用1字节，数据校验位占用1字节。每次上传的数据量计算公式为：

传输数据量(Byte)＝[时间标签(1Byte)＋压力值(1Byte)]×10＋[时间标签(1Byte)＋流量(1Byte)]×3＋[时间标签(1Byte)＋温度(1Byte)]×3＋数据标志(1Byte)＋长度(1Byte)＋用户地址(3Byte)＋校验和(1Byte)＝38Byte。

(2)系统响应时间估算

由于油气管线监控对于管道破裂的检测要求实时性最高，通过估算该情况下的系统响应时间来判断北斗数传系统是否能满足应用需求。

与数据量的估算相同，同样以最为常用的负压波法来估算响应时间，每隔1km～2km安装一个检测点。负压波法在一般输送原油的钢质管道中的传播速度约为1.0km／s～1.2km／s，负压波发生时间约在1s～10s之间，在100km的检测段上，需要安装50～100个检测点。负压波在包含泄漏信息时能传播数十千米。假设泄漏信息的有效检测距离为10km，检测点在检测到奇异信号进行一定处理之后向监控中心发送检测数据，检测点处理时间在5s～20s内，没有检测到奇异信号则定时向监控中心回传固定信息。在10km有效检测距离内有5～10个检测点能向主控中心发回数据，数据发送总时间间隔在10s左右。系统分析处理数据时间在1min左右(假设有检测点在北斗服务时间间隔内检测到奇异信号)，估算系统总响应时间计算公式如下：

系统响应时间＝负压波发生时间(1s～10s)＋检测点处理时间(5s～20s)＋监测点传输时间间隔(10s)＋系统处理时间(60s)＝76s～100s。

从计算数据估算可以分析，采用北斗数传系统完全可以满足油气管道监控的相关需求。

4 油气管道巡检系统

4.1 北斗卫星导航系统在管道巡检中的应用设计方案

油气管道的监控工作需要专门的巡检人员到现场进行相应的检测与维护。而油气管道由于线路较长，很多地方都位于远离城市和居住区的地方，存在大量传统移动通信信号盲区，因此利用具备北斗短报文通信功能的北斗数传系统能够为油气管线巡检人员提供通信保障。

北斗数传系统可以利用北斗手持通信终端与北斗终端监控系统进行数据对接，监控系统通过北斗通信指挥机实时监控北斗手持终端的状态，并通过北斗短报文通信功能与巡检人员进行通信。当巡检到相关故障时，北斗数传系统可以将对应的检测信息传送至监控中心，及时进行检测信息管理和处理。北斗终端监控系统集成了GIS管理系统，可以通过地图的方式实时显示北斗手持终端的位置信息，实现对巡检人员进行实时位置监控和查看，也可对巡检路径进行合理规划，如图8所示，可见北斗数传系统在油气管道巡检中具有广泛的应用前景。

4.2 北斗手持导航终端的应用设计功能

北斗手持通信终端在油气管道巡检过程中，能够实现以下功能：1)巡检人员实时位置监控；2)检测信息实时上传；3)紧急情况下向监控人员呼救；4)监控人员实时向巡检人员发送命令；5)实时导航信息推送；6)运油车辆实时位置监控和跟踪等。

此外，北斗手持通信终端在集成北斗相关功能的同时，也具备智能手机的各项功能。可以通过蓝牙功能与北斗终端监控系统进行通信，实现对检测点采集数据进行提取；还可以通过对系统进行参数设定，实现巡检现场摄录像、巡检轨迹记录与回放以及位置导航等功能。

5 结论

综上所述，北斗卫星定位系统的建设和投入使用，打破了国外卫星导航系统对国家安全和经济命脉的垄断，推动传统行业的升级改造，以及社会智能化水平的提升。可以预见，基于北斗卫星设计研发的油气管道测量监控数传系统在我国油气运输管道检测、巡检和数据传输中，必将发挥不可替代的重要作用。

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Application of Beidou Satellite Navigation System in the Monitoring of Oil and Gas Pipelines

WAN Qing⁃lin
(CNOOC Information Technology Co.，Ltd，Beijing Branch，Beijing 100027)

In order to ensure the safe operation of oil and gas transportation pipeline，it is very important to measure and monitor the whole range and ensure the effective transmission of monitoring data.With the increase of the number of domestic oil and gas transportation pipeline，the age of pipe age，and the occurrence of man⁃made damage and natural dis⁃asters，the oil and gas pipeline has a huge security risk.Based on Chinese invented and developed Beidou satellite naviga⁃tion system，using its short message，positioning and timing services，combined with existing pipeline detection and inspec⁃tion technology，and provides a more secure and reliable pipeline monitoring and data transmission system.Therefore，se⁃cured daily operation of domestic oil and gas pipelines is insured.

satellite navigation;pipeline monitoring;data transmission

U<666.1 文献标志码：A class="emphasis_bold">666.1 文献标志码：A 文章编号：1674⁃5558(2017)01⁃01277666.1 文献标志码：A

1674⁃5558(2017)01⁃01277

A 文章编号：1674⁃5558(2017)01⁃01277

10.3969／j.issn.1674⁃5558.2017.02.007

万青霖，男，本科，工程师，研究方向为工程测绘、卫星导航定位。

2016⁃05⁃26