北斗卫星导航系统在长输管线中的应用与展望

文 | 何学良 董秦龙 周永涛 祖越 赵祉雯 余博尧 刘雨晴 王艳艳

1.国家管网集团北京管道有限公司 2.北京讯腾智慧科技股份有限公司 3.中国卫星导航定位协会

一、前言

北斗卫星导航系统（以下简称北斗系统）作为国家安全与社会经济发展需要的重要时空基础设施，是我国战略性新兴产业发展的重要一步。2021年3月发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》也指出“面向服务国家重大战略，实施川藏铁路、西部陆海新通道、国家水网、雅鲁藏布江下游水电开发、星际探测、北斗产业化等重大工程，推进重大科研设施、重大生态系统保护修复、公共卫生应急保障、重大引调水、防洪减灾、送电输气、沿边沿江沿海交通等一批强基础、增功能、利长远的重大项目建设”。国家按计划部署推进实施“十四五”规划纲要确定的重大工程项目。

尽管北斗系统应用的行业已从各个“点”“线”全面发展起来，但相较于电力、铁路等线性特征明显的行业，长输管线对北斗系统的应用才刚刚开始，可借助其他行业的经验，进一步将“长输管线+北斗”用尽、用好。

二、北斗系统应用现状

2020年，我国卫星导航与位置服务产业总体产值达到4033亿元，标志着北斗系统已经全面进入规模化、产业化、国际化发展新阶段。市场发展方面，卫星导航与位置服务市场需求总量基本保持稳定，呈现出三个特点：一是高精度应用发展迅速，高精度基础设施建设快速推进，高精度器件和终端产品销售规模加速增长；二是“+北斗”发展更加活跃，“行业+北斗”新生业态对市场规模和应用场景扩展产生巨大影响；三是随着卫星导航与其他技术和产业深度融合发展，卫星导航与位置服务正在向综合PNT与时空服务方向迈进，行业市场和大众市场需求正在发生深刻变化。

目前北斗系统已经广泛运用于农业、交通运输、海洋渔业、防灾减灾等领域。智慧城市、安全监控、健康监测等专业领域对卫星导航定位需求加大；高精度应用逐步向位置服务、汽车导航、智能交通、船舶导航等大众领域渗透。高精度卫星导航定位应用的范围持续拓宽，与其他产业的融合不断深化。

2020年，随着卫星导航与其他技术和产业深度融合发展，卫星导航与位置服务正在向综合PNT与时空服务方向迈进，行业市场和大众市场需求瞄向了更加精准、泛在、融合、安全和智能的目标，并发生着深刻变化。

三、长输管道建设北斗系统需求分析

我国油气资源分布不均，长输管道可用于满足各地对石油、天然气等多种能源的需求，并且具有效率高且损耗低的特点。目前，我国管道运输系统已基本成熟和完善，主要建成了四个国家基干天然气管网系统，分别是西气东输管道系统、陕京天然气管道系统、川气东送天然气管道系统和联络天然气管道。笔者以陕京管道为例，来分析长输管道建设现状及需求。

1.站场巡检任务重

陕京管道系统共计有各类站场、阀室304座，其中压气站10座、分输站71座、阀室223座。压缩机共计43台，总功率611.3兆瓦。陕西管理处位于管线源头，站场管理任务重，日常巡检耗费时间长，需投入较大人力。

2.特殊地区环境监测

陕京管道沿线经过沙漠、山区、平原等地貌，受到洪水冲刷、黄土湿陷、煤矿采空、滑坡、沙土流失及山体崩塌等地质灾害影响，近年来发生多起管道降压输送甚至停输事件，管道安全运行面临较大的威胁。部分路段跨河、穿越隧道、途经城市地下等，对地质灾害实时监测有明显需求。

3.移动信号不稳定

当前移动公共网络信号受基站数量、环境遮挡等因素影响，管道修建部分地区信号接收不稳定，致使部分线路路段数据回传困难，人员巡检联络困难。根据调查显示，部分管理处采用卫星电话解决无移动信号区域人员联络问题，但由于卫星电话成本昂贵，配备数量有限，并不能完美解决移动信号不稳定问题。

4.信息化建设需求

陕京管线共四条线，其中最早建成投产的陕京一线于1997年建成，陕京四线2017年建成投产，时间相距20年，在信息化建设管理中存在技术差距大、建设程度不一致等问题。

四、北斗应用长输管道典型场景分析

随着北斗系统在不同行业的示范应用落地，电力、铁路等行业应用日渐成熟，对照其他行业应用形式和应用场景，梳理长输管线运营环节，将北斗在长输管线运营环节中的应用做了如下整理，详见表1。

表1 北斗系统在长输管线中的典型应用场景

1.短报文阴保桩数据传输

目前，长输管道以埋地金属管道为主，由于其长期埋置于地下，受各种环境影响会出现不同程度的腐蚀，造成直接的经济损失。埋地管道的腐蚀、穿孔、泄漏不仅使运输中断，还会对生态环境造成影响，经济损失巨大。我国阴极保护的评测方法多为人工巡检，多数地区数据回传依赖于公共移动网络（3G/4G）或是光纤传输，而对于偏远地区，因信号无法覆盖且无光纤敷设，则阴保桩数据传输成为问题。

通过北斗短报文通信技术，结合当前埋地管线阴保桩保护方法，有效解决阴保桩监测与数据传输问题。其安全监测主要组成部分包括：阴极保护桩、裂缝计、北斗监测站以及传输单元。阴极保护采集仪每小时采集1次阴极保护数据，为降低数据转发单元功耗，延长电池使用寿命，采集的数据先缓存在阴极保护采集仪内，定时集中远传。目前，民用北斗通信卡通信频率为60s，单次报文长度为78bit。若以50km距离计算，单个北斗发射终端约需37min完成上一天的阴极保护数据远传工作。

2.无人化智能巡检

巡检是众多行业领域中保障安全生产运营的重要环节，为重点行业正常生产建设提供重要保障。当前巡检工作仍然存在一些问题，例如：工作无法量化考核，巡检过程规范问题，人员到位管理问题，巡检质量控制问题，以及设备缺陷管理落后。

巡检设备由最初的仅支持照明、安防等功能，在不断更新换代后发展成当下智能巡检设备。包括用于日常巡检的巡检仪，配合相应软件使用，可以实现考勤打卡、故障上报、拍照记录等多项功能，其中北斗系统为其提供了高精度的位置信息，可以同时对巡检线路和巡检人员进行双重位置数据保障。针对特殊区域的智能巡检产品也被接受与认可，包括有对门站、阀室、压气站等站场的巡检机器人，山区、隧道等人员进入困难的无人机巡检，通过不同形式的设备搭载监测模块，在北斗系统的定位与导航功能辅助下，实现巡检无人化、巡检智能化。

3.高精度形变监测

长输管线作为油气资源运输的重要途径，因其具有线路长，途经区域广，且涉及自然环境复杂多变等特点，难以避免受到滑坡、泥石流、坍塌等地质灾害影响。灾害发生易使得管道形变、挤压、破损断裂，引起油气泄漏，进而造成爆炸、火灾和周边生态环境的破坏，对人员、环境都是极大的危害风险。随着技术的发展，当前利用北斗微位移监测设备可实现地表沉降毫米级监测，做到高精度、实时、全天候监测。

北斗微位移监测模块由北斗天线、北斗接收机、通信设备、避雷针、市电避雷器等组成，可用于采集、存储及向数据平台回传卫星观测数据。监测点实时获取的三维累计形变量数据可让监测精度达毫米级。通过精确的形变数据判断监测点所处状态，及时发出不同等级的预警信息，以保障该地区管道运营通畅。

五、北斗应用长输管道优势分析

基于前文对北斗系统特性、服务、应用现状的分析，以及对长输管道整体的需求分析，从以下几个主要方面来概括北斗系统应用长输管道的优势。

1.数据安全

长输管道作为国家输送能源的关键基础设施，相当于人体内的“血管”，其中心线坐标等测绘地理信息的国密属性，真实坐标数据必须在具备国家认证的保密机房进行物理隔离，无法在企业网络上发布使用。同时，这些数据涉及国家能源信息安全，在采集、获取、存储过程中任意环节都需要严格按照规范进行操作，确保数据安全。高度依赖其他卫星系统不利于我国数据信息安全，北斗卫星系统作为我国完全自主可控的空间基础设施，将从数据源头进行信息安全保护，保障数据安全。

2.报文通信

我国疆域辽阔，长输管线分布广泛，部分管线途经沙漠、山区等公共网络覆盖不佳地区，对于这部分没有公网信号覆盖、没有光纤通信链路、部署专网成本过高的偏远地区而言存在三类问题亟待解决：一是处于偏远地区的阴保桩、传感器等数据上传、回传难的问题；二是移动网络信号不稳定区域巡检数据的上传；三是人员、车辆位置信息确定与管理。北斗系统的短报文通信实时性高、覆盖范围广、传输安全可靠的优点，契合了各类数据传输的需求，通过管线现场与控制中心的实时数据传输，可以为线路巡检提供定位和导航，解决阴保桩等数据回传，以及通过“北斗+定位终端”的方式对人员、车辆进行位置信息的确认与管理。

3.精准授时

统一系统时间是各行业统一管理的基础，对长输管线提供全网统一的时间基准是各级调度机构、各站场、阀室、集控中心等能够进行时间一致性的实时数据采集的基础。同时，统一的结算时间点，各类自动化系统时间基准，都需要自上而下的统一时间基准。北斗授时功能全球范围内可以优于20ns，中国及周边地区授时精度可以达到优于10ns，完全可以满足长输管线中的授时需求精度。

4.数字化建设

我国的长输管道从1963年开始建设，由于受当时技术手段限制，信息建设存在一定缺失。北斗系统可以借助“物理-数字-物理”的反馈转型模式，将时空数据在产业数字化中的闭环价值实现最大化呈现。依托可靠、高精度时空基准的空间坐标、时间尺度和事件序列构成的完整时空认知框架，并延伸多元化产业智慧场景，并通过逼近现实精度、统一行动基准、主动的业务秩序重组，实现全时空触发与感知。

5.助力双碳

“十四五”时期作为全面建设社会主义现代化国家新征程的开启节点，也是中国践行2030年碳达峰、2060年碳中和的重要窗口时期。长输管线以运输石油、天然气为主，在其生产运营过程中，对其中甲烷、氢氟碳化物、产生的二氧化碳进行统计、追踪十分必要。以北斗系统时空信息为基础，结合气体检测技术、气体追踪技术可以对管输气体进行有效的统筹管理，帮助企业完成环保管理，进一步实现碳达峰、碳中和。

六、北斗应用长输管道的展望

北斗系统的应用还涉及到众多其他因素，从客观上也影响到其应用的效果及波及范围。基于以上对北斗应用长输管道的分析，提出以下展望。

1.体系建设

第一，标准体系建设。近日，中共中央、国务院印发《国家标准化发展纲要》，提出标准是经济活动和社会发展的技术支撑，强调只有高标准才有高质量。北斗系统正在各行各业大范围推广应用，其相关的标准体系也应当积极制定，发挥标准化在推动高质量发展、大范围应用的技术支撑作用。

第二，安全保障体系。北斗系统在管输行业的应用必须考虑安全因素。作为能源输送的关键性行业，对时间错误、定位错误、通信限制和故障报错率等问题都需要建立可靠的应对预案，从事前预防、事中监控到事后处置，乃至事后补缺改进，形成闭环的安全保障体系。建立可靠的安全保障体系是北斗系统在管输行业广泛应用的前提。北斗系统的应用必须符合管输行业应用安全管理规定，以网络和卫星应用的结合提供相互检验、相互支撑的保障。

2.技术支撑

第一，适配芯片普及。应用北斗系统需要对设备/系统进行适配北斗系统的接口芯片进行配置，以便更好地使用时空信息服务，因此也会产生一定的成本费用。事实上，不同应用对卫星系统服务精度要求是有区别的，根据实际情况选择适合精度的芯片设备，可以有效控制成本，同时可以考虑北斗信号的复用，以降低总成本。

第二，通信技术支撑。北斗系统的应用不仅仅局限于接受卫星信号，其真正价值在于以信息与通信技术（ICT）为基础对卫星信号的进一步处理与挖掘。同时，ICT支撑也是北斗信号的共享和复用的基础。

七、结束语

北斗作为我国完全自主研发、运营的空间基础设施，是重要的战略性技术，从长远看北斗系统所提供的时空信息服务会成为各行各业的重要基础组件，实现北斗系统全面应用是大势所趋。当前长输管线北斗应用较电力、铁路仍然缺乏，主要是因为相关应用场景挖掘不足，在统一规划时空信息服务支撑框架基础上，恰当的应用场景是北斗系统切实助力长输管线发展的关键。