北京燃气北斗系统的应用探索与创新融合

● 文|北京市燃气集团有限责任公司 高顺利 杨金梅 王一君

一、引言

北斗卫星导航系统（简称北斗系统）是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。目前北斗系统已进入全球组网时代，北斗正致力于以崭新姿态、更强能力、更好服务推广成为世界的北斗，服务全球。

2011年，北京市燃气集团有限责任公司（简称北京燃气）从高敏感、高风险、高保密性的燃气管网入手，以燃气行业共性技术研发与产业化应用为重点，加强“北斗+燃气”集成创新与应用模式创新，开创了北斗系统在市政行业应用的先河。

二、北斗系统在智慧燃气建设中的应用探索

市政管网是城市的生命线，事关人民生命财产安全、能源供给安全乃至国家安全。据中国城市规划协会统计，全国仅公开报道的地下管线事故平均每天五六起，每年造成直接经济损失数十亿元，我国管网事故正从潜伏期进入爆发期。[1]《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020）》将“市政基础设施、防灾减灾等综合功能提升技术”列为优先主题，市政管网作为城市的重要基础，安全稳定运行是确保公共安全的首要条件。近年来，随着城市发展，多种市政管线纵横交错、服役时间长、位置信息不准确甚至缺失，使管网事故进入高发期，市政管网建设运营管理中暴露出诸多问题。

北京燃气以管网安全为出发点，率先将北斗精准位置、精准时间以及短报文通信服务与燃气管网运营管理深度融合，积极开展双创活动，经过历时7年的技术攻关及成果转化，打造北斗在燃气行业全空间、全生命周期、全业务链的完整闭环式应用体系，大幅提高燃气管网施工质量、风险管控水平及管理效率，走出一条市政领域应用北斗的探索之路。

1.建立北斗系统“三网融合”技术

北京燃气依托自有场站建设了14座覆盖北京地区的北斗连续运行参考站（CORS），形成厘米级高精度北斗服务网，构成了国家北斗精准服务网的雏形，通过基站，可以大幅提升管线定位精度，实现管网数据连通。

在此基础上，北京燃气创造性地提出将北斗精准服务网、面向地下复杂市政管网的立体化监测网与市政管网这三张“网”相结合，建立起“三网融合，天地一体化”的管网风险应用管控体系，如图1所示，形成一套可复制、推广、落地的“北燃经验”，为北斗系统在市政行业的应用奠定基础。

图1 “三网融合，天地一体化”管网风险应用管控体系示意图

2.基于北斗的燃气专业设备研发、改造及国产化

北京燃气结合北斗技术对燃气专业设备、传感器等进行二次研发并国产化，打破了国外技术及设备的双重垄断，同时对管网运行状态、环境等综合数据实现实时高效采集，确保数据精确、信息精准、管理精细，为管线的全生命周期管理奠定基础，实现管网信息“现场可定位，事后可追溯”。

北京燃气首次在现有的传感器上增加北斗精准时空标签，突破了供水、燃气、热力等管线传输介质泄漏点高精准定位测量、运行状态及在线自身状态的精确检测和监控技术等多项关键技术，打破国外的技术垄断，形成适应我国地下市政管线运行特点的系列感知产品。

腐蚀问题是管网事故的主要诱因。北京燃气自主开发的基于北斗高精度定位与管网腐蚀控制检测设备及智能监测装置，可取得精准的管网腐蚀数据，为市政管网牺牲阳极有效性判据和寿命预测、腐蚀控制优化设计的准确性提供数据支撑。目前已经在北京市1万千米燃气管道上全面应用，可有效降低管道腐蚀泄漏频率，提高燃气管网安全性，延长管道使用寿命。

北京燃气自主研发了一套集北斗监测终端、声表面波传感器、温度传感器于一体的燃气管道变形事故监测装置，可实现对管网形变及管网周围环境沉降的实时监测和预警功能，避免由于管道变形、地质灾害等所引发的燃气管道事故，对调压站设施及管网的安全运行具有重要意义。

3.依托北斗改进传统工作方式

所建立的北斗市政管网精准时空信息通用化获取技术，使市政管网信息可以通过三维自动上图，将依赖工人凭经验绘图找管的原始工作方法转型，实现“人人都是活地图”的高效工作模式，效率提高10倍以上。

运行人员可结合北斗手持终端，准确记录巡线轨迹，建立“轨迹网”与“管网”两张网巡检覆盖率的矩阵计算模型，提高了燃气管网巡检到位率；通过实时动态（RTK）设备，为施工配合工作提供精准管线定位，有效减少第三方破坏事件的发生。通过北斗精准位置服务与各类管线巡检业务流程的高效结合，构建了北京燃气全空间、多维度、自适应巡检运营管理体系，可应用于管网巡视、检测、施工配合、应急抢险等业务，实现燃气全产业链的精准管理。如图2所示为基于北斗的管线巡检业务。

图2 基于北斗的管线巡检业务

4.通过北斗实现高精准运营

通过将北斗精准定位终端与各类泄漏检测设备结合，使管网精准坐标与检测数据同步读取并上传至云端，构建北斗精准位置与云端数据融合的燃气泄漏检测及管网安全监测体系，在北京市2.3万千米的管线示范应用结果显示，泄漏事件被动接警率从22.4%降低到4.7%，实现事后处置变为事前预警预测，为应急抢险赢得“黄金半小时”。如图3所示为北斗精准泄漏检测设备。

图3 北斗精准泄漏检测设备

5.借助北斗实现高效应急调度

通过将北斗与调度应急管理深度结合，把液化天然气（LNG）和压缩天然气（CNG）运输槽车、激光甲烷检测车等车辆的实时信息，以及燃气专业设备的位置信息集成到生产调度管理平台，为监测预警、应急处置、资源调度、安全监控和防灾抗灾提供支撑。应用技术成果在“一带一路”高峰论坛、中国共产党第十九次全国代表大会等大型活动和会议期间，共排查出燃气管网事故隐患400余起，有效维护了首都公共安全和社会稳定。

6.形成北斗标准化管理模式

北京燃气率先将北斗写入主编的燃气行业标准中，并形成系列企业标准、技术规范，进一步健全北斗在燃气生产运营各环节管理机制。

三、打造基于北斗系统的自主产品及服务体系

打造具有自主知识产权的核心技术产品，加速科技成果向现实生产力转化，是加快北斗系统在市政领域产业化应用的关键环节，也是北京燃气全面推广应用北斗技术的重要基础。北京燃气通过自主创新和集成创新，形成一批技术含量高、可复制、可推广的重要技术产品和管理体系，用实际行动支持孙家栋院士提出的“天上好用，地上用好”的重要理念。

1.产学研用，建立基于北斗的自主产品

北京燃气积极与高校及市政企业合作，搭建产学研一体化平台，通过产学研结合，形成一批基于北斗的具有自主知识产权的科研产品。

一是打造基于北斗的燃气监/检测专用设备。在国内首次为地下管网各类传感装置增加了精准时空标签，结合管网建设、防灾、检测、调度作业设备和传感器改造，突破了立体化感知监/检测技术，开发的3大类21种地下管网监测产品，部分性能超越了国际同期同类产品。

二是研发北斗+VR/AR管网巡检设备。通过结合VR/AR技术，研发北斗手持终端，建立三维虚拟与现场环境紧密结合的全空间、自适应的管网运行管理模式，实现实时精准采集管网位置、巡检数据、泄漏情况等信息，完善管网数据库，确保市政管网安全运行。如图4所示为应用北斗+VR/AR管网巡检设备巡检。

图4 应用北斗+VR/AR管网巡检设备巡检

三是研发基于北斗与物联网技术的市政一体化芯片模组，如图5所示为北京燃气研发的市政一体化芯片模组。研发并试点应用适用于多种市政专用设备、传感设备的市政一体化芯片模组，有效减少其他市政企业的研发周期和成本，可用于燃气、水务、热力等多个市政领域，实现市政数据终端大规模精准获取，为市政行业运营管理、资源调度、安全监控和防灾抗灾、智能决策奠定基础。

图5 北京燃气研发的市政一体化芯片模组

四是构建“三网一体”市政管网风险管控体系。依托市政云平台构建大数据分析预警决策系统，形成一套基于北斗的全天候、全天时、高精度系统性的市政管网风险管控体系，实现各类市政管网风险和隐患的识别、监控、预警全过程动态管理。北京排水集团应用该成果，对全市139座下凹式立交桥等重要设施进行试点，在特大暴雨事件时无一例人员伤亡，帮助北京安全度汛。

2.自主创新，科技成果转化与实践应用

北京燃气积极响应国家“大众创业、万众创新”的号召，通过产学研和跨行业合作，推进跨界融合和成果转化，取得多项基于北斗的原创性发明并产业化。目前，获授权基于北斗的发明专利24项、发表论文28篇，出版专著4部，制定行业标准6部，多个专利、设备、技术填补了国内及国际在该领域多项空白，处于国际领先水平，部分成果分别获卫星导航定位科技进步一等奖，卫星导航定位优秀工程和产品二等奖、三等奖。

2017年2月21日,孙家栋院士到访考察北斗行业应用现状，对北京燃气全面应用北斗系统给予充分肯定，现场题词“应用北斗，光彩北燃；精准市政，智慧生活”，如图6所示，为北京燃气深化北斗应用指明方向。

图6 孙家栋院士为北京燃气的题词

3.以点带面，推动北斗在市政行业的应用

在“北燃经验”的基础上，北京燃气所属的北京控股集团有限公司从多个方面开展北斗在智慧城市建设中的应用，实现实时精准、安全高效、互通共享的立体化市政管网运营与风险管控。

一是实现安全监管及风险管控。包括市政管网运行监测、环境监测、地质灾害监测、建设施工监测、设备设施/特种工程车辆监控等全过程、多层级风险监管，已在北京“三城一区”等地开展深入应用。

二是统筹资源调度。结合“互联网+”、大数据等技术，已在贵阳、永州、宁波等地开展智慧景区、智慧水务的应用，同时已应用于冬奥会延庆赛区建设管理工作。

三是开展防灾减灾管理。应用北斗短报文及物联网应急灾备通信服务，实现灾情上报、灾害预警应急通信保障服务，已在城市燃气4000个重点设施场站及长输管线等应用。

四是协同公共治理。基于“北斗+物联网”的燃气云平台已上线运行，可强化区域北斗位置信息与市政基础设施信息互联互通，形成“市政管网一张图”，实现公共安全有效保障，2018年年底将在其他市政领域应用。

五是提升市政服务水平。中国燃气控股有限公司在华北地区5省62县“煤改气”中成功应用北斗技术，2018年可完成旗下200家城市燃气企业的应用推广，可大幅提升城市燃气服务质量。

在此基础上，通过与中国城市燃气协会、中国城镇供热协会及相关市政单位开展战略合作，“北燃经验”已逐步推广至全国市政领域，包括燃气、热力、排水等市政行业，部分成果已推广应用于全国20个省（直辖市）、447个城镇，取得了良好的社会效益与经济效益。

四、创新引领发展，助力新型智慧城市建设

“北斗+”的时代已经到来。北京燃气将在政府部门的指导下，结合区位优势，承担社会责任，积极探索北斗系统在行业的深度融合及应用，将科技成果转化为生产力，使市政行业从劳动密集的粗放型行业改造为信息化、智能化、标准化的精准型行业；大力推动北斗民用化发展进程，推进北斗在行业领域更大范围、更高层次、更深程度上的创新应用，实现位置精准、时间精确、安全高效、自主可控、互联互通的智慧城市生态建设。

未来，北京燃气将本着开发、开源、开放、共建、共享、共赢的合作理念，与其他市政单位、企业通力合作，合力推进军民融合新跨越，携手共建精准市政新局面，同心打造智慧城市新发展，为中国的北斗共享融通，为世界的北斗贡献力量。