上海华测导航技术股份有限公司 上海 201700
摘要：目前石油管道位移监测方法很多，将卫星导航测量技术应用在输油管道位移监测领域，能够有效的减少野外作业的强度，大大提高工作效率。本文重点介绍了北斗系统对于石油管道监测中的应用进行阐述。
关键词：北斗系统；石油管道；监测；应用
一.北斗自动化监测系统概述
1.1 北斗自动化监测系统工作原理
北斗的全称是全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System），它是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、中国的北斗卫星导航系统、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo，以及相关的增强系统，如美国的WAAS（广域增强系统）、欧洲的EGNOS（欧洲静地导航重叠系统）和日本的MSAS（多功能运输卫星增强系统）等，还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。国际北斗系统是个多系统、多层面、多模式的复杂组合系统。
通过近十多年的实践证明，利用北斗定位技术进行精密工程测量和大地测量，平差后控制点的平面位置精度为1mm～2mm，高程精度为2mm～3mm。应该说：利用北斗定位技术进行变形监测，是一种先进的高科技监测手段，而用北斗监测滑坡是北斗技术变形监测的一种典型应用，通常有两种方案：①用几台北斗接收机，由人工定期到监测点上观测，对数据实施处理后进行变形分析与预报；②在监测点上建立无人值守的北斗观测系统，通过软件控制，实现实时监测解算和变形分析、预报。
1.2项目背景
延长石油输气管道干线工程在党家庄附近穿越某煤矿采空区，采空区面积如图绿色部分所示。 由于采空区未曾填埋，遇到暴雨、地震等特殊情况下，有可能发生地基下沉，对输气管道造成威胁。 而且此处为黄土地质，有暴雨情况下， 极易产生冲刷，危险性极大。
本次工程项目针对输气管道穿越采空区的地表沉降问题，建立一套基于北斗的自动化高精度监测系统，实时监测地表沉降，采集地表沉降观测数据，当沉降量超过警戒值时进行报警，保障输电线路安全运行。
二.北斗监测系统设计原则
2.1 设计原则
（1）在充分利用现有资料和现有资源的基础上，建立高精度的的北斗控制网，以高精度北斗控制网作为基准，在不稳定的区域建设北斗监测观测点，而且北斗观测点的位置选择要与其它监测手段相结合的原则，而且专业监测与群众监测相结合的系统化、立体化监测系统。及时测定和预报沉降区及滑坡的位移等变化情况，并为长期稳定性预测研究提供资料。
（2）北斗自动化监测系统应具备完全自动化、数据采集稳定可靠，所有系统综合分析评价科学快捷，所得到的监测数据及结果应能够为场地规划建设及地质灾害预测预报提供依据。
（3）高精度北斗控制网要定时和国际IGS网联测[3具体联测要求请参考北斗 测量规范]，然后通过GAMIT或Bernese软件解算，采用同济大学或者武汉大学专用平差软件进行平差，前三次联测周期至少保证半年一次，如果控制网比较稳定，联测周期可以适当放宽到一年一次。
（4）科学合理性原则
?监控对象的选取有科学和法律依据，尤其符合相关安全规程和规定，是必要的；监控手段的选取有高科技含量，是先进的；监控效果准确有效。
（5）经济实用性原则
凡是需要较大投入的监控项目都是需要经常使用的；
凡是原系统已具备的功能或结构装置，只要准确有效，都采用系统整合的方法加以利用，相互配合；
所有涉及的技术手段，在保证长期可靠有效的前提下，采用最经济的方案；
所有的操作功能都采用最简洁的使用方法、做到直观方便、性能稳定以及维护简单。
（6）系统可扩展性原则
在监控方案要求改变时，本次投入的软硬件设备能够继续使用，最大限度减少重复投入；
系统接口开放性：系统输出的数据信息采用国际或国内通用的标准格式，便于系统功能扩充和监测成果的开发利用；
系统软件系统支持其它监测设备数据分析、支持人工巡检记录等。
三.北斗监测系统内容和技术要求
3.1 监测具体内容
本监测系统监测的主要内容是将原有人工监测点位表面处布置12个北斗观测点，在各观测点上安置北斗天线，各接收机观测的数据通过无线通讯的方式实时传输到控制中心，控制中心软件准实时解算出各监测点的三维坐标并保存到数据库，最终通过数据分析软件自动分析各监测点的变化量、变化趋势，并结合其它监测设备对各个滑坡体整体的稳定性进行分析。
3.2 监测技术要求
本北斗自动化监测系统的具体技术要求为：
（1）各参考站的位置选择要遵守北斗参考站网技术规范，同时也要考虑服务的对象；
（2）各监测点的选择也必须遵守北斗测量的要求，同时也要考虑监测的任务、周围现有资源情况以及交通等情况；
（3）数据通讯和供电系统要尽量利用大岗水电站现有资源；
（4）数据处理中心最好设立在专门的机房里，同时要具备面向公网的固定IP地址，从而便于系统的远程管理与维护。
3.3 监测系统的技术指标
（1）各监测点的响应时间为12小时一次，但是系统支持实时、1小时、2小时、6小时等不同时间长度原始数据解算；
（2）各监测点的精度平面中误差小于2mm+1ppm、高程中误差小于4mm+1ppm；
（3）系统完全是自动运行，如数据自动传输、数据自动处理及自动网平差、数据自动分析、自动报警及自动生成报表等；
（4）数据分析软件应为基于WEB平台的可视化系统，预防滑坡灾害管理与防灾决策，建立滑坡监测信息发布网站，同时该系统软件支持其它监测手段数据输入并能自动分析等功能，如全站仪、岩土设备等。
3.4 监测坐标系统
平面坐标系统采用：
（1）1984年世界大地坐标系（WGS-84）
（2）独立坐标系：WGS-84椭球高斯投影坐标系（中央子午线101°21′，Y加常数20000m）
高程系统采用：
（1）北斗大地高系统
四. 监测系统整体设计
4.1 系统设计
4.1.1 系统布点方案
输气管道从采空区中间沿北偏东30度左右穿过采空区，将采空区分为左右两个片区。该采空区南北大约4km，东西2km，呈椭圆形状。
针对该采空区的特点，本方案采用如图所示的布点方案，设计监测点11个， 基准点1个，共12个北斗监测点。
其中左右侧采空区，各设计4个监测点，平均间距1km，均匀分布于采空区上方，如图蓝色标志。基准站位于党家庄，如图红色部分。
4.1.2 系统通讯方案
系统通讯拓扑图
监测点和基准站都采用4G进行通讯，数据通过4G网络传输至输气管道监测中心，在监测中心安装服务器，部署HCMonitor软件和HCmas软件，将数据发布给相关工作者。
监测点位于采空区上方，采用太阳能进行供电。基准站需要稳定运行，采用市电供电。
4.2 北斗硬件系统
沉降区北斗自动化监测系统硬件部分总体可分为：北斗接收机部分、数据通讯部分及其它辅助部分。
（1）北斗接收机部分：即各北斗参考站、监测站接收机，负责变形监测原始数据的采集；
（2）数据传输子系统：负责传感器系统所采集数据实时的传输到控制中心，根据系统的特点，本系统采用4的方式进行数据传输；
（3）辅助支持系统：由监测现场及监控中心，其辅助整个卡拉北斗自动化监测系统正常运行的设备组成，包括供电、避雷、综合布线及外场机柜等子系统组成。
4.3 北斗参考站设计
沉降区北斗参考站是整个表面位移监测的基准框架。它长期连续跟踪观测卫星信号，通过数据通讯网络实时传输北斗原始观测数据到控制中心，几个参考站联合组网，并实时为各监测站提供高精度的载波相位差分数据及起算坐标。
根据沉降区现有条件，我们对于本北斗监测系统共建立1个基准站，结合现场实际情况对点位进行卫星信号测试后最终确定。基准站需定期复核，以减小测量误差。
本系统参考站需定时和国际IGS网进行联测（本参考站网统一采用国际地球参考框架（如ITRF97）为基准进行解算，网平差软件采用武大或者同济大学的专用网平差软件。在监测初期，联测周期至少保证6个月一次，如果参考站网络比较稳定，联测周期可以适当放宽到1年一次。
参考文献：
[1]杨元喜.北斗卫星导航系统的进展，贡献与挑战[J].测绘学报，2010，39（1）：1-6.
论文作者:陶阳
论文发表刊物:《防护工程》2019年第6期
论文发表时间:2019/6/26
标签：北斗论文; 系统论文; 采空区论文; 数据论文; 监测系统论文; 联测论文; 基准论文; 《防护工程》2019年第6期论文;