北斗系统在荔湾3-1气田海管近岸段监测系统中的应用

郭　骏，范　赞，刘立维，魏伟荣，王景贵，李文祥，于彦恒，梁汉波

(1.中海石油深海开发有限公司，广东 珠海 519090；2.昆明船舶设备研究试验中心，云南 昆明 650051)

Application of the Beidou Navigation Satellite System in the Liwan 3-1 Gas Field for Monitoring a Subsea Pipeline

GUO Jun1，FAN Zan2，LIU Liwei1，WEI Weirong1，WANG Jinggui1，LI Wenxiang1，YU Yanheng1，LIANG Hanbo1

(1.CNOOC Deepwater Development Limited，Zhuhai 519090，China；

2.Kunming Shipborne Equipment Research and Test Center，Kunming 650051，China)



北斗系统在荔湾3-1气田海管近岸段监测系统中的应用

郭骏1，范赞2，刘立维1，魏伟荣1，王景贵1，李文祥1，于彦恒1，梁汉波1

(1.中海石油深海开发有限公司，广东 珠海 519090；2.昆明船舶设备研究试验中心，云南 昆明 650051)

Application of the Beidou Navigation Satellite System in the Liwan 3-1 Gas Field for Monitoring a Subsea Pipeline

GUO Jun1，FAN Zan2，LIU Liwei1，WEI Weirong1，WANG Jinggui1，LI Wenxiang1，YU Yanheng1，LIANG Hanbo1

(1.CNOOC Deepwater Development Limited，Zhuhai 519090，China；

2.Kunming Shipborne Equipment Research and Test Center，Kunming 650051，China)

摘要：在海管安防形势日益严峻的背景下，对以北斗系统为通讯方式的海管安全水声监测系统进行了研究，将北斗系统与海管安全结合一起，充分发挥了北斗系统的各项功能，取得了很好的实际使用功效，具备非常广泛的应用前景。

关键词：海管监测；北斗系统； 短报文； 通信

0　引言

近年来，国内海洋石油开发步伐日益加快，逐步从近海向深海进军。荔湾3-1深海天然气项目是我国第一个海洋深水油气田开发项目，也是国家重大海洋开发项目。该项目将海上开采后并简单处理的天然气经海底管道输送到珠海高栏终端，而高栏终端附近海域情况复杂，夹杂着锚地和航道等破坏海管的潜在危险因素，项目建设方充分认识到海底输气管道保护事关国计民生，因此在项目建设阶段就多方调研，结合多种高科技手段，建立一套水下、水面全方位立体实时监测海底输气管道近岸段的安防系统。针对高栏终端附近海面现有的通讯网络覆盖面不全，传输信号不佳的状况，海管安防系统借助国产北斗卫星通讯设备，完成海上监测设备与岸基控制中心的双向通讯，实现对海底输气管道进行实时安全预警，降低海底输气管道被外部不明船只在附近施工、作业或抛锚等危险行为造成破坏的风险，具有重大的社会和经济意义。

1　海管近岸段安全监测系统

荔湾3-1海底管道近岸段安全监测系统，采用水声与雷达、视频联合自动监测方案。利用水声被动测量可长期工作的特点，在管道沿线布放的警示航标上加装水声监测设备，通过北斗卫星与岸上控制中心双向数据通讯。单个航标监测节点可以监测半径1 km区域，多个航标节点联合就可以覆盖近岸段海管沿线区域，实现对海管沿线水面、水下目标的前期声学预警，再结合岸基雷达，获取水面可疑目标的准确参数。视频监测设备用于靠岸海域近端监测盲区的补充测量。综合利用水声、电磁波和光学测量技术，实现海管近岸段水面船只活动及作业情况的实时监测，并对出现的危险现象及时发出报警。同时，为了提高运行保障效率，还通过北斗系统设立一个远程设备状态监控站，由专业技术人员实时监控系统运行状态。系统总体工作流程如图1所示。

图1　系统总体工作流程

北斗系统在整个海管安全监测系统中起着通信桥梁的关键作用。系统充分运用了北斗特有的短报文方式，来完成海上水声设备上传报警结果信息到岸基控制中心，向海上水声设备发送控制指令和参数，及远程监控站获取现场设备状态信息和远程控制等功能，实现系统3个部分的异地数据通讯链接。同时，海上水声节点设备还运用了北斗精确授时和定位功能，在固定时间反馈海上水声设备位置等状态信息，为工作人员提供实时参考。

2　北斗系统介绍及选择

2.1北斗系统

北斗卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统。系统由空间端、地面端和用户端组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航和授时服务，并具短报文通信能力。北斗系统用户终端具有双向报文通信功能，可以达到1次传送达120个汉字的信息。已经初步具备区域导航、定位和授时能力[1]。

北斗卫星系统结构如图2 所示[2]。 在定位时，由用户终端向北斗卫星发出定位请求，北斗卫星地面中心站接收到定位请求后，解算出用户的坐标，通过北斗卫星发向用户终端。当用户终端需要向另一个用户终端发送消息时，首先用户终端将消息发向北斗卫星，北斗卫星地面中心站接收到消息后，再通过北斗卫星发向另一个用户终端。因此，北斗卫星作为中继使用，北斗卫星地面中心站完成消息的转发和坐标解算以及其他处理功能。

图2　北斗系统结构示意

2.2北斗系统的选择

高栏终端近岸段海管安全监测系统需要将信息上传至岸上控制中心，运用光缆上岸方式，施工费用巨大，且存在被外界损害的风险，因此决定采用无线通讯传输。设计阶段拟采用GPRS方式或无线发射台站方式，但高栏终端处在珠海高栏岛东端，受岛上通信基站数量限制和地形遮挡，现有的通讯网络覆盖面有限，而对于需要监测的近岸段20 km海管所在的海上区域不能完全覆盖。专业技术人员携带设备沿海管路由测试了GPRS网络覆盖情况，测试结果显示，移动G网络弱覆盖区域主要出现在距离岸边1.9 km以及7 km以外海域，场强约-95 dbm。另外在7.9～15 km附近的海域，因无主覆盖主导小区，出现零星质差。TD网络目前无覆盖，而联通、电信总体弱覆盖情况较移动G网差，因而采用GPRS通信方式在技术上不具备条件。而在高栏终端建立无线发射台站的方式，将带来烦琐的地方行政审批手续和较长的建设周期，同时，需要建设一定高度的发射塔，需要比较大的经济投入。

北斗系统凭借其特有的短报文、定位精度高、使用可靠和维护简单等功能[3]，同时不受地形和外界气候条件影响，能提供全天候、全天时的定位及通信服务等有利因素，能够把海上水声设备智能处理后的结果通过短报文方式上传到岸上控制中心，从而成为高栏终端近岸段海管安全监测系统最佳的数据通讯方式，并且还有利于将该系统扩展到北斗卫星覆盖的海域，适应于外海和深海区域使用[4]。

3　北斗系统的工程应用

3.1基于北斗通讯的水声安全监测

海底管道水声安全监测设备是基于航标进行安装，北斗在航标上的安装结构如图3所示。水声设备包括北斗装置都是依托航标上太阳能板供电，而北斗短报文发射瞬间功率比较大，因此系统将海上北斗设备设置成休眠状态，只有在海上水声设备智能处理得到危险信息后，才自动打开北斗电源，获取位置信息和精确授时，并连同危险信息相关参数通过短报文方式发送到岸上控制中心。而为了日常维护和水声设备参数设定，海上北斗设备一天内定时向岸上发送设备状态信息，保持与控制中心的联络，如在10 min内控制中心无下一步指示，则自动关闭北斗电源，直到下次固定时间点开启联络。

系统在岸上控制中心设置指挥型北斗用户机，具体安装结构如图4所示。与海面10 个航标上的北斗子用户组成一个局域网，可运用群发、组发、单发的方式对下属用户传达指令，同时实现对海面航标上的10个子用户的定位和通信信息的监收管理。而每个北斗用户终端都有专用识别码，远程监控站北斗用户终端则可以通过专用识别码，随时以1次/s的通信频率，依次向海上10个北斗用户机发送查询信号，实时异地获取设备状态信息和控制参数，为设备日常运行提供有力保障。北斗设备通讯方式如图5所示。

图3　海上北斗设备

图4　岸上北斗设备

图5　北斗通讯方式

3.2北斗通讯协议

北斗设备利用其简短通信功能，通过短消息的方式实现数据传递，收发双方事前规定好通信协议，对照通信协议就能解析所需信息。岸上控制中心在设备海上安装完成后，现场调试时需要根据现场条件对水声设备进行参数远程设定。岸上综合显控主机对声学设备进行参数设定所发送的参数,属北斗通讯短报文方式,报文格式如图6所示。

图6声学设备参数设定协议

调试人员可将各声学基阵检测目标的声学参数，发送至相应基阵的数据报文，声学参数、时间参数的数据结构用C++语言描述。而海上声学设备发送给岸上控制中心的目标报警和状态信息,其北斗通讯信息报文如图7所示。

图7海上目标报警和状态发送协议

海上目标报警上传信息如表1所示。

表1海上目标报警上传信息

序号功能具体定义总字节1起始标记**12目标状态改变时间小时、分、秒33目标的被确认时刻小时、分、秒34目标的线谱特征频率、幅度、门限等3×85目标特征时间(分、秒);大小、远近等3×66航标北斗时间小时、分、秒3

海上北斗设备以北斗精确授时为基准，每天在固定时刻将设备状态信息发送给岸上控制中心和远程监控站，其北斗通讯信息报文格式如图8所示。同时，海上北斗设备在接收到远程监控站和岸上控制中心发送的查询命令后，也回传图8信息。而声学航标状态信息(心跳包)包含具体信息如表2所示。

图8海上设备状态信息

表2心跳包

序号功能具体定义总字节1起始标记**12航标位置(经纬度)度43电池电压V14水声设备状态通道、电源和通信等功能是否正常45航标北斗时间小时、分、秒36北斗收星及功率状态收星数目、功率大小等8

4　结束语

北斗系统信号覆盖范围大，不受通信系统特性的制约，其特有的短报文通信功能，加上精确授时和导航功能，能在海上远程监控系统中广泛使用。所设计的海管近岸段水声安全监测系统，是对国产化北斗系统使用的新尝试，也是水声安全监测与北斗的一次成功的技术结合，有效解决了海上通讯网络覆盖面不足的问题，扩展了海管安全监测区域，同时，也为海洋远程监测和遥控设备的研制提供了一种新的思路。

参考文献：

[1]刘传润.北斗卫星导航定位系统的功能原理与前景展望[J].中国水运，2008,8(1): 165-166．

[2]王艳军，王晓峰.AIS 和北斗终端组合在船舶动态监控中的应用[J].上海海事大学学报，2011，32(4): 17-21．

[3]陈亮,徐元,江涛,等. 基于北斗导航系统的海洋渔业数据信息系统[J]. 安徽农业科学，2015,18(2)：121-124.

[4]曹立杰,郭戈,靳玉峰,等 基于传感器网络的海洋水质监测及赤潮预报系统的设计[J]. 大连海洋大学学报. 2014，22(6)：143-145.

Abstract：Given the increasingly serious situation of subsea pipeline protection, this paper describes a subsea pipeline security acoustic monitoring system using the Beidou system for communication. The combination of the Beidou system with the subsea pipeline security gives full play to Beidou's various functions. Results of actual usage are satisfactory, suggesting that the system has a potential for broader applications.

Key words：subsea pipeline monitoring；Beidou navigation satellite system；short message；communication

作者简介：郭骏(1978-)，男，广西合浦人，主要从事海洋工程开发信息化研究。

收稿日期：2015-01-08

文章编号：1001-2257(2015)06-0051-03

文献标识码：A

中图分类号：TN927；TP277