北斗+物联网技术在地下管线管理巾的应用.pdf

北斗+ 物联网技术在地下管线管理中的应用 口 北京市燃气 集团有限责任公司 ( 1 0 0 0 3 5)李夏喜 邢琳琳王一君张辉 口中国航天科工二院 ( 1 0 0 8 5 4) 杨神 摘 要 ： 关 键词 ： 1 引 本文分别介绍 了北斗导航 定位技 术和物联 网技 术 ，提 出了构建基 于北斗定位技 术 的 “ 地 下物联 网” ，突破 传 感 器网络定 位与 时间 同步 、地 下 多协 议 传感路 由 器等 多项技 术难 题 ，实现管道运行监 管全 面化 ，促进 了地 下管线管理 的数据化 、信息化和智能化 北斗物联 网地 下管线管理 2 l I 廿 纪是科学技术交叉融合与快速发展的时代， 随着科学技术的不断发展 ，电子信息技术及诸多领域 发生 了一系列变化 。我 国北斗 卫星系统的逐步建立及 应用技术的推广 ，极大地促进 厂信息技术产业的发 展，特别是卫星导航与定位技术的发展，成为市政行 业精准 位置数据 的重要 来源之一 ，而大数据又支撑 着 物联网应H j 领域的拓展。本义将融合北斗导航定位技 术和物联网技术，使其应川于地下管线管理方面 。 2 北斗导航定位技术 北斗 卫星系统是我 国 自行研制 的一种全天候提供 定位 、通信、授时的卫星系统，该系统南5 颗静止轨 道卫星 和3 0 颗 非静止轨道卫星组成 。北 斗 I _J 星系统具 有双 向通讯功 能 ，可以一次传送4 0 个 6 0 个汉字的矩 报文信息 ，这是G P S 所不具备的 北斗技术与G P S 技 术 区别 见表 1 。 星 系统是 利 用人 造地 球 星作 为巾继 站 ，转 发或反射无线电波在两个或多个地球站之间进行通 表1北斗技术与GP S技术对比 G P 隶 北斗技术 组成 2 l 颗 _ I 作 1 星 ；3 颗 备用 星 5 颗静 止轨道 卫星和3 0 颗 非静止轨道 星 覆盖池 覆 盖 球的全天候导航 系统 覆盖 巾 本土 定化粘度 约为l 0 m 精度I f 达2 5 m 全 f 、个天候 、全时段 、高精度的卫星导航 快速定位，为服务 域内的川户提供全人候 、实时定位服好， 主要功能 系统，为 球用户提供低成本 、高精度的- = 维 定位精度与G P s 相 ；短报义通信 ，一次 I丁 传送多达1 2 O 个汉宁 位 、速度和精确定时等导航信息。 的信息；精密授时，精度达2 0 n s 。 优 t ：技术成熟 ，定位准确，令球覆盖 ，月J 户 优点 ：具有G P S 没有的通信和目标定佗，G P Sf 1 j i = 能告诉使 容 尤限 川者 “ 我”在哪里，但北斗系统不但能告诉使J j 哲 “ 我” 哪 优缺 t 缺点 ：规模太大、造价太高，G P S 只能用作 导 里，还能告诉使用者 “ 我的朋友”在哪里 缺点 ：还处于发展阶段，主要应川于军川，民川推广还没做到 航却无法实现通信功能 全面普及，而芯片造价较高， 叶 I 高纬度地 ， f 1 于北 I 可 星数较少、 巳 分布较差，定位精度较篪或尤法定f 3 0 1城市燃 气 2 0 1 8 0 1总第5 1 5 期 信。已经在轨使用的 “ 北斗一号”系统采用的是主动 式双向测距二维导航 ，首先 由地 面中心站向卫星发送 询问信号 经卫星转 发器 向服务 内的用户广播。川 户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星 发送 响应信号 ，经 卫星转发 回地 面巾心站。地面 中心 站接收并解释用户发来的信号，然后根据H j 户的申请 服务内容进行相应的数据处理 ，计算出用户所在点的 三维坐标后 ，经加密南出站信号发送给川户 ，其定 位精度 约 O m，授时精 度约 I O n s 2 0 n s 。 当 “ 北 斗二 号”系统完整建成后 ，其全球定 位与通 信的特点将 发 挥更大 作用 图 1 就是 “ 北 一 号” 系统 的1 作 原理 示意图l 2 l 、 图1北斗卫星系统工作原理 _I t , t - 卫星系统具有卫星数量少 、 投资小 、 J H 户没 备简单价廉的特点， 能实现导航定位 、 通讯 、 授时等诸 多功能 ， 可满足 当前我 同陆 、 海 、 空运输导航 定位 的需 求 。但更 重要 的是， 北斗导航 系统是我 国自主 建立 的 卫 星导航 系统 ， 它 的研制成功标 志着我 国打破 了美 、 俄 在此 领域 的垄断地 位 ， 解决了中国自主 卫星 导航 系 统的有无问题 其政治、 经济和军事意义不言而喻。 3 物联网技术 物 联 网技 术最初 在 l 9 9 9 年 被提 ，通过 智 能感 知 、识别技术及普适计算等通信感知技术，被广泛的 应刚于网络的融合之巾，并借助射频识别、全球定位 系统、红外感应器以及激光扫描等信息传感设的智能 化识别 、定位 、跟踪及 监管的一 种全新 网络 ( 图2 为 物联 网技 术图 ) 3 1 。 李夏喜等 北斗+ 物联 网技术在地下管线管理 中的应用 图2 物联网技术图 物 联 网 的出现 是互联 网后信息 技 术的 义一重 大 突破，它将网络从人与人之间的信息交互，扩展到物 与物、人与物的信息交互，将大大提高社会信息化水 平。支撑系统是物联 网中很重要的组成部分 ，包括感 知层和网络传输层等。目前 ，感知层常朋的技术有 R F I D、 红外感应等， 川以完成物品信息的收集并上传 网络传输层；网络传输层则主要利用 C S M、 3 C 等移动 网络将信息传送至相应的处理中心， 进行分类处理。 物联网技术的目的是实现物与物 、物与人，所有 的物品与网络的连接 ， 方便识别、 控制。目 前， 物联网 已经 广泛 的应J 斗 j 于 二 业 、 物流 、 交通 、电网 、医疗 、农 业 、环境保护等等领域，截至2 0 l 6 V - 底中国物联网行 业发展规模达9 7 5 0 亿元。作为信息产业的第 次革 命 物联网技术正在融入到我们生活的方方面面。 很多城镇燃气公司正探索物联网示范应用项 目 主要依照自动采集、智能应用及可靠传输等思路 ，实 现数据的实时采集和传输 ，将数据统一汇总并集中处 理，根据物联网技术自身特点 来服务于燃气相关业 务管理体系， 实现燃气管网、 燃气设施的智能监控， 确 保城市燃气建设管理当中的管网及户内用气安全， 加 强预防和减少爆管 、爆炸及泄露等安全事故的发生， 以此来提升该市城市燃气资源合理调配的利用效率， 推进整个地 的城市燃气项 日物联网产业的蓬勃发展 4 北斗+ 物联网技术在地下管线管理中的应用 在周内北 京燃 气集团首次提 f 乜 构建基于北斗定位 技术的 “ 地下物联网”，突破传感器网络定位与H , IN 同步 、地下多协议传感路 南器等 多项技术难题 ，实现 管道运 行监 管全面化 城市燃气 2 0 1 8 0 1总第5 1 5期 31 在地下物联网物理层构建方面 ，结 合北 斗定 位技 术，形成了可以进行地下管线传感信号采集和定位系 统。该系统采用导航卫星信号载波相位差分和数据信 息中继传输相结合的方法，实现了对各类不同接 口的 传感器采集数据的无线接入，利用卫星定位系统载波 相位差分技术能够对现场人员的位置实现精确定位。 该设备作为传感信号的中继站和载波差分的基准站实 现了地下管线传感器设备运行监测数据的在线查看和 精确定位，进而方便现场人员全面了解管线位置信息 和管线运行情况 在地下物联网网络安全性与网络结构方面，依靠 ： 1 1：, I - 授时及时间同步技术实现传感网络的时间同步， 是整个地下管网智慧感知的核心技术。它使得传感器 数据接入量 变为海量 ，避 免 了由于时间偏差带来 的分 散传感节点计算误差和并发冲突，使得管线运行数据 获取变得更加实时 、全面、准确，为管线预警应急管 理提供可靠数据 ，进而保证管线安全运营 ，有效帮助 管道管理部 门实时 监测 管线的运行状况 ；及时发 现异 常排除故障隐患 ；在故障发生后快速确定故障原因， 降低危害；同时为管网的优化和改扩建工作提供辅助 支持，避免产生爆管、停水、停气等具有恶劣社会影 响事件的发生 。 由于地下管线深埋在地下 ，对管线状态数据进 行采集不仅需要克服地下通讯信号传输不稳定 的缺 点，而且如果系统直接从传感器获得数值型原始采样 数据，它们仍然存在着采样频率过高的缺陷。通过该 技术 的研发 ，实现 对应用现场海量地下管线传感 器采 集数据的稳定接收，实现对传感器原始采样数据的分 析 、过滤与转换 ，完成原始采样数据的本地存储 ，并 将处理后的数值型关键采样数据上传到上层管线综合 管理系统数据库中做进一步的处理。地下管线传感信 号采集和定位系统能够关联接收大量地下管线传感器 节点的数据 ，并实现数据的可靠上传 ，比传统的单个 传感器单独上传数据的模式相比，有效地降低了通讯 费用、保证传输可靠性 、提升传输的效率。 基于北斗定位技术的 “ 地下物联网”是在北斗卫 星导航系统 ( B D S) 上构建的，受北斗技术发展和北 斗空间星座建设影响。由于北斗系统存在着卫星导航 故有的定位局限性 ，在城市密集地区、室 内屏蔽 、桥 梁涵洞 、高速等各种不同原因造成的信号质量降低及 3 2 I城市燃气 2 0 1 8 0 1总第5 1 5 期 图3基于北斗定位技术的 “ 地下物联网”系统示意图 中断环境下，只能利用辅助定位技术提升北斗稳定定 位能 力 ，提升定位精度 。 本文提 出的基于北斗定位系统建立高精准 的城市 燃 气管线精准管理物联 网系统 ，实现 了对燃气管道 的 高精度定位管理，大幅度强化了燃气管网管理的精细 度和深入度，从本质上提高了管网建设、运行 、安全 维护等全生命周期业务的管理能力和水平。该技术成 果在北京燃气集刚等一些大型集团企业的燃气管道的 管理上得到广泛应用。 5 结语 基 于： l l： , s t - 定位技术的 “ 地下物联 网”实现 了管线 安全监管综合化 ，对所有类型地下管线运行状态和环 境实时监管。在充分感知的基础上，可对管网运行状 态实施静态和动态的计算分析，有效帮助管理部门和 运维企业实时监测管网的运行状况；及时发现异常排 除故障隐患；在故障发生后能够快速确定故障原因， 降低危害；同时为管网的优化和改扩建工作提供辅 助支持 。