基于北斗时空信息的城市燃气工业互联网平台

贾婧媛 李 宁 杨梦馨 王 博

1 北京理工大学自动化学院 北京 100081

2 北京讯腾智慧科技股份有限公司 北京 100029

3 北京工业大学机电学院 北京 100124

引言

当前，制造业成为全球经济发展的焦点，传统产业转型升级需求迫切。同时，新一代信息技术飞速发展，积极向制造业渗透，驱动产业变革。制造业转型升级的迫切需求与信息技术向制造领域加速渗透的趋势相互交织融合，催生了工业互联网平台。以数字化、网络化、智能化为本质特征的第四次工业革命正在兴起。工业互联网作为新一代信息技术与制造业深度融合的产物，通过对人、机、物的全面互联，构建起全要素、全产业链、全价值链、全面连接的新型生产制造和服务体系，是数字化转型的实现途径，是实现新旧动能转换的关键力量[1]。为抢抓新一轮科技革命和产业变革的重大历史机遇，世界主要国家和地区加强制造业数字化转型和工业互联网战略布局，全球领先企业积极行动，产业发展新格局正孕育形成[2]。

党中央、国务院高度重视工业互联网发展。习近平总书记连续四年对推动工业互联网发展做出重要指示。2021年2月21日，中央政治局会议再次强调，要推动工业互联网加快发展。3月4日，中央政治局常委会作出加快新型基础设施建设进度的重要部署[3]。

然而，工业互联网平台在数据、算力、模型及应用等方面还有很多问题需要突破和解决。从5G、大数据、人工智能到工业互联网，环环相扣，构成了数据采集、传输、计算、分析、应用的数据闭环，工业互联网平台建设的关键是要实现这些技术的群体性突破和协同性创新。

纵观燃气行业信息化的发展进程，经历1.0信息化发展(实现实物资产、运行状态、业务流程可视化)、2.0自动化发展(结合大量数据采集分析结果实现远程调控)、3.0智能化发展(实现智能分析和预判，设备自动调控，故障预诊断)、4.0智慧化发展(实现自感知、自学习、自决策、自执行、自适应)等阶段，正在由3.0时代向4.0时代的跨越时期。

在这一时期燃气行业要实现更透彻的感知、更互联的通讯、更集成的数据、更精准的调控、更科学的运营、更智慧的决策、更便捷的服务[4]。

1 燃气行业业务概述

城市输配系统是指从接收长输管道供气的门站到用户的整个系统，主要包括门站、输配管网、储气站、气化站、调压站及用户端。

1)门站。门站的任务是接收天然气长输管道来气，并根据需要进行净化、调压、计量、加臭后，向城市燃气输配管网或储配站输送商品燃气。

2)输配管网。输配管网的任务是接收门站的燃气，并将其输送和分配给城市内的各类用户，并保证沿途输气安全可靠。

3)储气站。储气站的任务是储存天然气，用来调节城市昼夜用气的不均衡性。其站内的主要设备是各种不同类型的储气罐。配气站是输气管的终点，又是城市配气的起点和总枢纽。其任务是接收干线输气管的来气，并将天然气除尘、计量、调压后，根据用户的要求输入城市配气管网。当储气站与配气站合并时，就称为储配站。

4)气化站。气化站的任务是接收液化天然气，将液化天然气气化。如果液化天然气只是用作补充时，则用来调节城市季节用气的不均衡性。

5)调压站。调压站设于城市配气管网系统中的不同压力级别管道之间，或设于某些专门用户之前。根据用户对压力的要求，使配气管网中的天然气保持必要的压力。

6)用户端。燃气用户按照使用性质通常分为居民住宅、商业和工业企业三类用户。

由于城市燃气的快速发展，燃气管网规模不断扩大，威胁燃气管网安全运行的因素越来越多，鉴于燃气具有易燃易爆的特性，保证燃气管网的安全运行，成为所有燃气企业共同关注的重点。同时，随着市场开发增速减缓，燃气两端价格刚性，从运营要效益，也成了各燃气企业未来的大趋势。特别是2020年全球新冠疫情的爆发，使得燃气行业信息化的诉求更多的向可持续运营、可视化、远程运营转变，如表1所示。

表1 疫情前后燃气行业信息化诉求转变

对于很多中小规模的燃气企业(30～50万用户)来说，采购大型管理软件的能力较弱(如SCADA系统、物联网采集平台、EAM、ERP、数据仓库、BI分析等)，迫切需要一种无需企业部署和维护可直接应用服务的“即买即用”的服务应用形式。

基于北斗应用的燃气行业工业互联网平台是一款为智慧燃气建设提供基础支撑的云服务产品。它通过在云端集成管网基础档案、管线地图、拓扑关系等数据，为燃气企业实现人网合一的管网查询体系。通过与传感监测和物联网采集技术融合，借助大数据分析与人工智能形成设备设施与工艺流程精确可控的管网运维体系，提高管网运营安全和运营效率，大幅提升企业经济效益和综合竞争力，帮助企业跨越式进入互联网+燃气的时代。

2 基于北斗应用的工业互联网平台赋能燃气行业数字化转型

2.1 赋能要点

基于北斗应用的工业互联网平台赋能燃气行业数字化转型需要解决如下问题。

1)设备联网难

将物联网、北斗精准服务网和燃气管网三网融合，形成多网融合互联互通的智能感知体系，满足如下功能：支持海量接入；有机融合多种网络方式；提供芯片级终端解决方案。

5G技术的发展更加赋能人、机、物的互联。未来工厂里的移动机器人、自动运输车辆，以及AR眼镜等辅助工具，都得基于高性能的无线基础网络来实现人、机器和系统之间的高效通信。而5G不仅可以确保移动设备和无线传感器的高效联网，还将与边缘计算、AI等融合，可实现通过本地云实时控制机器人。

2)数据的安全顾虑

燃气行业的数据采集系统通常的做法是在燃气终端通过采集板采集各个传感器的数据，通过通信模块传输到前置机，然后对数据进行归类分析；其中数据是明文传输的，容易被截获和篡改。为了保证数据的可信和保密性，在通讯芯片中加装安全模块，通过安全模块的签名和加密等功能来保证数据来源的可追溯性和数据的安全性。加密算法支持国密算法SM2、SM9等。专为燃气行业定制北斗+NB+安全的芯片，提供高可信通讯的芯片解决方案。

3)多源异构数据存储复杂

基于北斗精准时空信息贯通了燃气行业全生命周期的多源异构数据的融合(设计/施工/验收/运行/维护/抢修)，全生命周期涉及多类数据，仅传感监测数据就存在多传感器数据和多源信息可能来自同一平台或多个平台，各数据源具有不同的数据类型和传感机理，数据源之间不能保持同步，所感知的目标、事件或者态势可能存在变化。基于附有北斗精准时空信息的燃气管网施工、生产运行、检测检验、阴极保护等业务数据和管道材料、自然环境、服役参数等基础数据，建立多源异步异构数据融合结构模型与数据量化融合处理方法，对多种来源的历史和实时数据进行结构化处理，实现多维数据的清洗、转换、集成，最终形成表述燃气行业全生命周期管线资产及设备设施资产的数据标准体系，为进一步的数据应用提供基础。

4)数据用不好

沿着燃气业务链条门站—管线—调压站/箱/井/桩—用户，基于如上的数据采集、传输和存储体系，融合地理信息技术、大数据、人工智能、云计算等在燃气业务链条的各个环节创新推出数字化、智慧化的各项应用。

2.2 门站

门站管理着重从无人、自主化智能监测，门站全局状态下安全风险实时感知方面进行。其主要应用技术为：5G(解决数据通讯)；AI(解决基于图像的风险状态识别，状态识别)；边缘计算(巡检机器人的智能避障、导航)；北斗高精准位置服务(巡检机器人导航精准定位，管线和设备设施资产的精准定位)。

2.2.1 移动式门站/场站状态监测——场站/门站智能巡检机器人

油气场站智能巡检机器人融合多种先进技术，包括北斗导航定位、人工智能、大数据分析、5G网络通讯、机器人技术、非接触检测技术、多传感器融合技术、图像识别技术及物联网通信技术等，进行面域/区域状态监测。机器人配置多种高精度传感器，实现数据采集分析和预警等功能，是解决有毒有害、高温高压等危险区域巡检，减少安全风险、降低劳动强度的重要手段。可应用于天然气净化厂、集气站、增压站、联合站等易燃易爆等场合，执行全天候不间断巡检任务。助力油气场站实现降本增效、提升巡检作业效率和精度，提升油气企业的本质安全水平。

1)基于时空信息的自主检测分析

油气场站智能巡检机器人融合多种检测分析技术，包括自然环境气体检测、高精准激光光谱气体检测、红外热成像分析、声谱识别分析、图像识别技术等，实现了对场站的全方位监测。不同检测指标的结果数据往往相对独立，精准时空信息使这些数据产生关联，进行大数据分析，能够更大地发挥检测数据的价值。此外，机器人在进行远程监测监理工作时，基于北斗的精准时空服务是实现高效指挥调度的技术基础。

2)多技术融合的自主行驶

油气场站内，重要设备设施众多，工艺复杂、易燃易爆。机器人在进行无人化巡检时需要准确导航、平稳行驶，能够对路线上出现的障碍物等异常情况进行快速识别判断，并重新规划路线。自主行驶能力是实现机器人自主智能巡检的基础。油气场站智能巡检机器人融合磁导航、SLAM自主定位导航、北斗精准定位导航等多种导航技术，满足多种导航需求。自主行驶是当前机器人运行的主要模式，在场站巡检工作中可实现全程自主巡检，无需人工参与。为了能保障机器人自主安全运行，机器人通过安装在车体前后和两侧的激光避障雷达，确保了机器人在任何情况下都不会发生碰撞，并且在行驶过程中，能够实现对障碍物的检测，当接近障碍物后，可进行停下或避障处理。

3)人工智能+5G+北斗

场站内环境，人工智能快速识别现场人员、烟雾、火焰等危险因素，读取各类仪表数据、判断设备状态。基于5G通讯技术，极大提高数据识别、传输速度，降低网络延迟、使指令传达更加迅速、指挥操作更加精准。基于北斗的精准位置服务，为场站内给设备设施之间形成物联网提供时空信息基础。

场站外作业环境，北斗精准服务为机器人实现远程遥控驾驶提供导航基础，人工智能对调度过程中的环境进行识别分析，快速判断危险因素，保证调度过程顺利进行；5G网络通讯以其高带宽、低延迟的特性，使人工智能、北斗精准服务、自主行驶等技术能够发挥更大作用。

2.2.2 固定式门站/场站状态监测—“燃视通”激光甲烷可视监测系统

固定式监测系统能满足面域/区域状态监测，解决有毒有害、高温高压等危险区域巡检，减少安全风险，降低劳动强度，实现无人值守。系统可应用于天然气净化厂、集气站、增压站、联合站等易燃易爆等场合，执行全天候不间断巡检任务，如场站区域的安全状态监测，区域内的可燃气体浓度、视频安防、周界安全等。

“燃视通”通过激光探头、摄像头及云台的组合，构建出可视化气体泄漏监测设备，实现对30米距离范围内的甲烷气体浓度进行长期、自动、可视化、远距离、精准监控，并对监控所得的浓度数据进行存储与分析，具有自标定、声光报警灯功能，并具有安全加密技术保障用户数据传输安全。

2.3 管线

管线的管理要实现基于北斗高精准时空信息的资产全生命周期可视化，以达到管网资产精准定位“一目了然”，危险感知精准定位“火眼金睛”，应急处置精准定位“有的放矢”。其应用技术主要有：北斗高精准位置服务(管线地图、管网设备设施资产、风险隐患、应急处置导航、抢修服务等精准定位，服务于燃气管线全生命周期应用)；AR(基于北斗精准定位技术，使得地下管网以虚拟场景在真实环境直接可视)。AR可视化与日常巡线终端、泄漏检测终端(HS660、X3110等点检终端)、防腐检测终端等联合应用，提升巡检精准度；PPB级激光泄漏检测技术；大数据风险评估技术(区域泄漏风险评估)；施工—日常巡检—检测维护—应急安全。

2.3.1 管网位置采集终端+管网数据采集系统

1)采集终端

管网采集终端需完成在施管道管线数据采集，针对燃气管道施工、修复、切改等过程中的数据采集、设备设施(阀门、套管、调压站/箱等)定位。以地理信息系统为基础，融合北斗精准定位和信息化技术，实现新建、改造工程施工档案管理、数据采集、成图入库、数据共享服务等功能。其产品组成包括：北斗RTK、庭院采集套件、数据平板等。

2)管网数据采集系统

管网数据采集系统针对管网测绘数据、管网复测数据、新建、修复、切改等过程中的数据采集入库成图分析，以特定的数据模型输入、组织、存储和管理(包括更新)地理数据，用户可根据地理空间位置访问数据，或根据专题属性访问数据，以地图的形式表示地理数据，如图1所示。以空间数据分析和关联分析结果的地理图形形式进行展示，可以准确地把生产现场的管道、设备运行状态、巡检人员的工作状况等信息以各种矢量图形和分析图表、文字报表等基于地理一张图进行管理。

图1 管网数据采集系统

2.3.2 管网日常巡线/巡检移动端

基于精准位置的地下管网开展日常巡线或者基于经验标准轨迹开展日常巡检是管网管理的重要一环。全面基于北斗精准定位进行巡线，针对巡线任务进行人员巡线范围、频次、周期、必经点等的分配；终端可实现以表单、照片、语音和视频等多种记录形式进行记录上报或异常上报；后台分析巡检轨迹，自动发现巡线盲区，主动提醒管理者；可辅助开展巡检到位率计算。同时结合“互联网+”的思维方式，形成巡检任务“抢单”，员工资质评级的日常运维管理机制，形成“主动工作、多劳多得、优质特权”的工作氛围。

2.3.3 地下管网AR可视系统

基于北斗精准定位实现地下管线、闸井、调压箱、调压站等设备设施信息的可视化，工作人员可通过AR程序在现场看到地下管线走向、分布，所有虚拟模型在真实环境中进行拟合显示并可以通过点击方式来查看相关信息，还可以根据管线和设备设施的类别进行分类筛选。地下管网AR可视化系统可与日常巡线终端、泄漏检测终端(HS660、X3110等点检终端)、防腐检测终端等联合应用，可以获得更有效的检测结果。

2.3.4 PPB级高精准泄漏检测车+泄漏风险评估系统

高精准泄漏检测设备制备及风险评估系统的建设能够有效地解决区域范围内日常运营维护的快速泄漏风险检测、燃气泄漏监测、燃气管线常规巡检、管线建设规划和管理、管线隐患排查、应急抢修、大型活动及重要会议保障、恶劣天气或灾后快速巡查等。

1)高精准泄漏检测终端

系统组成部分如图2所示。

图2 PPB级高精准泄漏检测系统

2)泄漏风险云图分析系统

将原始检测数据导入数据分析平台，使用平台设定的模型参数，分别对检测区域甲烷及乙烷浓度分布情况进行数据分析，分析结果为平面(2D)和立体(3D)两种，可依据需求自由选择。泄漏风险分析用来分析检测区域泄漏点分布情况，泄漏点比较密集区域为高风险区域，为燃气企业提供宏观和微观各个层面、多角度的决策支持。

2.3.5 泄漏点检测装置(ABB检测背包)

高精准燃气泄漏与检测背包组成主要包括分析仪主机、高精准北斗定位模块和泄漏检测分析软件，泄漏点检测装置采用腔增强吸收光谱技术，可在现场实时区分沼气与天然气，快速测量甲烷含量，通过内置蓝牙及Wi-Fi模块，检测数据可实时传输至智能手机及平板电脑。

2.4 调压站/箱井/桩

调压站/箱井/桩的管理重点在工艺状态的远程监测与调控、预测性故障维检修、风险和安全隐患的及时告警等方面。应用的主要技术有：北斗高精准位置服务—管网设备设施资产的高精准定位；5G—低时延高可靠的数据通讯；北斗短报文—数据通讯应急灾备通道；数据通讯安全加密技术—数据加密芯片；大数据分析机理模型—调压箱故障自诊断模型。

2.4.1 智能监测终端

传感器是数据最底层的感知触手。针对已有的燃气设施，通过各类传感器和传输(NB-IoT)技术，将燃气专用设备与北斗精准定位、物联网通讯三位一体相结合，形成基于北斗定位系统的燃气管线及设备设施精准物联网监测。

2.4.2 调压箱自诊断

调压箱自诊断是通过采集中低压调压器进出口压力，利用经验模态分解法(EMD算法模型)对数据进行处理和分析，及时挖掘出状态异常数据，根据异常数据识别故障设备，再通过对故障设备的状态信息进行人工智能分析[5]，判断其故障形式、故障来源、严重程度及发展趋势，如图3所示。根据分析诊断结果在设备性能下降到一定程度或故障将要发生之前进行及时维修。

图3 调压器故障诊断系统

2.4.3 工艺监控

在工艺监控方面，通过工艺组态软件及设备接入协议配置，实现调压站/调压箱/场站内设备及工艺流程的三维立体化画面展示，同时在工艺流程图相应的位置上(例如管道)实时显示与之对应的压力、温度、流量、浓度等参数，以及设备的工作状态。如图4所示。

图4 管道工艺监控

2.5 用户

用户管理方面需重点关注整体供销差分析、偷盗气分析，局部用户资产明晰、计量准确、服务到位、行为分析等，如图5所示。用户管理主要的应用技术为：数据通讯安全加密技术—数据加密芯片；大数据分析模型—供销差分析、偷盗气分析、用户行为分析等。

图5 用户统计与分析

3 结语

在燃气行业信息化发展3.0时代向4.0时代的跨越时期，燃气行业在感知、通讯、运营等方面的智慧化需求增长，应用高精准的北斗定位技术、5G及物联网无线通讯技术、大数据、人工智能、安全加密技术、云应用等，研发基于高精准北斗应用的燃气行业工业互联网平台，提供人、机、物全面互联的服务体系，泛在连接、弹性供给、高效配置的应用环境，为燃气企业提供低成本、免部署、易应用的服务具有重要的意义。