張祺媛，李 良，葉海納，楊 杉（中國(guó)聯(lián)通智能城市研究院，北京 100048）

0 前言

北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)2009 年11 月啟動(dòng)建設(shè)，經(jīng)過(guò)十余年的建設(shè)，于2020年6月建成由3顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，覆蓋全球的北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2020 年7 月31 日，習(xí)近平總書(shū)記向世界宣布北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開(kāi)通。經(jīng)過(guò)2 年來(lái)的推廣應(yīng)用，北斗系統(tǒng)已全面服務(wù)交通運(yùn)輸、公共安全、救災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)林牧漁等行業(yè)，融入電力、金融、通信等基礎(chǔ)設(shè)施，廣泛進(jìn)入大眾消費(fèi)、共享經(jīng)濟(jì)和民生領(lǐng)域。同時(shí)5G移動(dòng)通信技術(shù)加快發(fā)展，帶動(dòng)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，促進(jìn)超高清視頻監(jiān)控、巡檢機(jī)器人、智慧警用終端等產(chǎn)品在城市安全方面的應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)方式、生活方式和治理方式全面升級(jí)。運(yùn)營(yíng)商應(yīng)勇當(dāng)國(guó)家科技創(chuàng)新主力軍，發(fā)揮自身5G 通信能力優(yōu)勢(shì)，助力北斗產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，積極探索“5G+北斗”通導(dǎo)一體化創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用。

1 城市基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測(cè)背景

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程明顯加快，城市安全風(fēng)險(xiǎn)不斷增大。排水、供水、橋梁及燃?xì)獾染S系城市正常運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施由于早期建設(shè)質(zhì)量參差不齊、極端天氣承災(zāi)能力較弱、部分設(shè)備老舊超期服役等原因，成為災(zāi)害事故的高發(fā)區(qū)和安全管理的致命弱點(diǎn)。一些重特大安全事故相繼發(fā)生，如河南鄭州“7·20”城市內(nèi)澇災(zāi)害、湖北十堰“6·13”燃?xì)獗ㄊ鹿实?。因此，?duì)人口集中、產(chǎn)業(yè)集聚、線路老舊的城市基礎(chǔ)設(shè)施加強(qiáng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防范城市內(nèi)澇、道路坍塌、橋梁病害等事故發(fā)生，是提高城市管理治理水平、提升城市安全監(jiān)管效能、筑牢人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全屏障的必然選擇。

城市基礎(chǔ)設(shè)施安全的監(jiān)測(cè)需求有以下幾個(gè)方面。

1.1 實(shí)時(shí)回傳

傳統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施管養(yǎng)和維護(hù)主要以人工巡檢為主，由于巡檢周期較長(zhǎng)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患問(wèn)題，數(shù)據(jù)不連續(xù)不能進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)演變態(tài)勢(shì)分析和預(yù)測(cè)，出現(xiàn)事故無(wú)法為聯(lián)動(dòng)處置提供現(xiàn)場(chǎng)情況的有效數(shù)據(jù)支撐，因此新型智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施需要利用物聯(lián)感知技術(shù)進(jìn)行全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)控。物聯(lián)感知終端例如高清視頻和高頻傳感器等大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)回傳需要依賴5G 高帶寬、低延遲的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力。

1.2 海量規(guī)模

城市安全感知體系的建設(shè)涉及海量物聯(lián)終端的接入，如中國(guó)聯(lián)通數(shù)科建設(shè)的南京南部新城全域感知智慧城市項(xiàng)目，在9.8 km2轄區(qū)范圍內(nèi)，匯聚智慧管廊、水務(wù)、燈桿、環(huán)保、環(huán)衛(wèi)等29 項(xiàng)智能化應(yīng)用，接入了31 322 個(gè)智能終端。海量的傳感數(shù)據(jù)、大量的并發(fā)事件要求網(wǎng)絡(luò)具備超千億連接的支持能力。

1.3 高精定位

結(jié)構(gòu)體的安全監(jiān)測(cè)需要對(duì)關(guān)鍵部位的微小形變進(jìn)行精準(zhǔn)的、無(wú)誤差累積的位置監(jiān)測(cè)。北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)利用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)（Real-time kinematic，RTK）提供實(shí)時(shí)厘米級(jí)、事后毫米級(jí)的高精度定位能力，在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

1.4 廣域覆蓋

隨著造橋技術(shù)不斷進(jìn)步，橋體跨徑不斷增長(zhǎng)，一些大跨度橋梁，如港珠澳大橋總長(zhǎng)約29.6 km，不具備通視條件，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段很難實(shí)現(xiàn)變形監(jiān)測(cè)。同時(shí)，橋梁監(jiān)測(cè)需要在極端天氣包括暴雪、酷暑、急劇降溫等條件下進(jìn)行全天候觀測(cè)。北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)具有不受天氣條件限制、各監(jiān)測(cè)站之間無(wú)需通視、基準(zhǔn)站和待監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離不受限制等諸多優(yōu)點(diǎn)，逐步成為橋梁、軌道、邊坡等結(jié)構(gòu)體監(jiān)測(cè)的主要技術(shù)手段。

1.5 應(yīng)急保障

城市基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)，往往會(huì)發(fā)生一系列次生災(zāi)害，導(dǎo)致普通的應(yīng)急救援系統(tǒng)癱瘓。如2021年鄭州遭遇強(qiáng)降水天氣出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)澇后，又使部分通信系統(tǒng)受到嚴(yán)重影響，加大了搶險(xiǎn)救災(zāi)工作的難度。而北斗短報(bào)文可在地面基站出現(xiàn)通信故障時(shí)，通過(guò)衛(wèi)星提供位置信息、應(yīng)急搜救以及報(bào)文通信服務(wù)，成為緊急情況下救援行動(dòng)的可靠保障。

2 城市基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)

2.1 系統(tǒng)概述

基于5G+北斗的城市基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體分為傳感層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、能力層和應(yīng)用層以及系統(tǒng)建設(shè)必須遵循的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和安全指南，如圖1所示。

圖1 基于5G+北斗技術(shù)的城市基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架

a）傳感層：物聯(lián)感知層匯聚北斗定位終端、5G 高清攝像頭、壓力計(jì)、溫度計(jì)等排水、供水、橋梁、燃?xì)獾雀餍袠I(yè)的物聯(lián)感知監(jiān)測(cè)設(shè)備，同時(shí)接入氣象、地形、人口等相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立空天地一體化的基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

b）網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)傳輸層建立窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）、4G無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)、5G無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)和北斗短報(bào)文通信等綜合移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系，形成前端物聯(lián)網(wǎng)感知網(wǎng)絡(luò)及信息交換共享傳輸能力。依托5G網(wǎng)絡(luò)超高帶寬、超低時(shí)延以及超大規(guī)模的優(yōu)勢(shì)，可提供物-物、人-物、人-人多檔位場(chǎng)景智能網(wǎng)聯(lián)無(wú)線解決方案。

c）數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)處理層對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取、存儲(chǔ)、融合、轉(zhuǎn)發(fā)等操作，實(shí)現(xiàn)城市級(jí)信息資源的匯聚、共享、共用，并為各類分析應(yīng)用提供支撐。

d）能力層：基礎(chǔ)能力層為各行業(yè)應(yīng)用提供通用能力，包括網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、北斗時(shí)空位置服務(wù)、設(shè)備管理等，將可以復(fù)用的數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)、做法等集成為高內(nèi)聚、低耦合的能力平臺(tái)。

e）應(yīng)用層：行業(yè)應(yīng)用層主要包括對(duì)排水、供水、橋梁、燃?xì)獾瘸鞘谢A(chǔ)設(shè)施進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)的專項(xiàng)應(yīng)用系統(tǒng)，可以通過(guò)大屏、桌面端、移動(dòng)端等多種方式呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)防控、聯(lián)動(dòng)處置等功能。

2.2 城市基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.2.1 排水安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

排水安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)排水管網(wǎng)水位、流量、壓力、水質(zhì)、井蓋狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)防范城市內(nèi)澇、防治水體污染的排水管理目標(biāo)。北斗、陀螺儀等傳感器可對(duì)井蓋出現(xiàn)非授權(quán)開(kāi)啟、位移、起翹等異常狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警。當(dāng)城市內(nèi)澇積水過(guò)深，搶險(xiǎn)救援人員無(wú)法通過(guò)目視方法定位異常井蓋時(shí)，通過(guò)北斗手持終端可輔助尋找井蓋。5G 實(shí)時(shí)高清視頻結(jié)合AI 計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，可智能識(shí)別水體黑臭等風(fēng)險(xiǎn)事件，提高城市管理監(jiān)察效率。管網(wǎng)勘察探測(cè)時(shí)采用帶有北斗定位功能的巡檢終端搭配測(cè)繪儀器，可同步錄入管網(wǎng)屬性及坐標(biāo)信息，減少屬性信息與坐標(biāo)信息校驗(yàn)工作，實(shí)現(xiàn)校正管網(wǎng)內(nèi)外業(yè)一體化采集更新。

2.2.2 供水安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

供水安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)供水管道流量、壓力等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)對(duì)爆管和爆管導(dǎo)致的路面塌陷進(jìn)行研判。爆管分析包括供水管線分析、影響用戶分析、水流擴(kuò)散分析、地下空洞分析和關(guān)閥分析。路面塌陷預(yù)警通過(guò)泄漏量、土壤成分、埋深、土質(zhì)疏松度等信息，構(gòu)建泥土沖刷模型，預(yù)測(cè)管網(wǎng)泄漏對(duì)泥土沖刷的影響和形成地下空洞的大小。外出巡檢人員可攜帶北斗定位終端，在有空洞風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域進(jìn)行探測(cè)檢查，及時(shí)預(yù)防路面塌陷避免更大損失。

2.2.3 橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)橋梁氣象環(huán)境、交通荷載、結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)受力、動(dòng)力響應(yīng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并利用長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)基本情況，動(dòng)態(tài)分析超載情況，預(yù)測(cè)橋梁運(yùn)行趨勢(shì)和使用壽命。北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)通過(guò)接收來(lái)自北斗衛(wèi)星的信號(hào)和基準(zhǔn)站的信息，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分處理，計(jì)算出待監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，可應(yīng)用在橋墩沉降監(jiān)測(cè)、橋梁撓度監(jiān)測(cè)、橋塔位移監(jiān)測(cè)、橋面位移監(jiān)測(cè)等方面。

2.2.4 燃?xì)獍踩O(jiān)測(cè)系統(tǒng)

燃?xì)獍踩O(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)相鄰地下空間甲烷氣體濃度、管網(wǎng)流量、管網(wǎng)壓力、餐飲場(chǎng)所可燃?xì)怏w濃度、施工破壞、場(chǎng)站燃?xì)庑孤┑葦?shù)據(jù)進(jìn)行集成處理，實(shí)時(shí)感知燃?xì)獍踩\(yùn)行狀態(tài)。災(zāi)害事故發(fā)生后，系統(tǒng)會(huì)立即對(duì)燃?xì)庑孤┤急L(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研判分析，結(jié)合周邊危險(xiǎn)源、防護(hù)目標(biāo)、報(bào)警超限時(shí)長(zhǎng)、密閉空間大小、人員密集環(huán)境和報(bào)警發(fā)生時(shí)間段等因素，評(píng)估損失程度。將北斗高精定位能力和5G 網(wǎng)絡(luò)融合應(yīng)用于燃?xì)獗O(jiān)測(cè)巡檢車，可大大縮短現(xiàn)場(chǎng)管道定位時(shí)間，為搶險(xiǎn)救災(zāi)爭(zhēng)取時(shí)間，有效防止次生災(zāi)害發(fā)生。同時(shí)，將北斗短報(bào)文應(yīng)用于燃?xì)鈭?chǎng)站與重點(diǎn)設(shè)備設(shè)施，在突發(fā)事件下可保障應(yīng)急通信的實(shí)時(shí)性與高效性。

3 5G+北斗技術(shù)在安全監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)分析

3.1 基于北斗+InSAR的地表沉降監(jiān)測(cè)

地表形變監(jiān)測(cè)常用到合成孔徑雷達(dá)干涉（InSAR）技術(shù)，利用合成孔徑雷達(dá)圖像中的相位信號(hào)來(lái)獲取毫米級(jí)地表形變信息，具有監(jiān)測(cè)范圍大及空間分辨率高等優(yōu)勢(shì)。但星載InSAR 受衛(wèi)星運(yùn)行周期限制，不能實(shí)時(shí)獲得監(jiān)測(cè)信息。北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)具有高采樣率（10～20 Hz）和水平位移監(jiān)測(cè)高精度的特點(diǎn)，與InSAR技術(shù)形成有效互補(bǔ)。2 種技術(shù)手段相結(jié)合形成地表變形監(jiān)測(cè)作業(yè)新模式，可實(shí)現(xiàn)地表高時(shí)間分辨率和高空間分辨率、普查性監(jiān)測(cè)和重點(diǎn)在線監(jiān)測(cè)的有機(jī)統(tǒng)一。

3.2 基于北斗RTK技術(shù)的高精定位能力

在橋梁安全監(jiān)控的各項(xiàng)數(shù)據(jù)中，最關(guān)鍵的是位移、形變等數(shù)據(jù)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)利用天上的導(dǎo)航衛(wèi)星和地面上建設(shè)的參考站，以RTK 技術(shù)進(jìn)行位置解算，將參考站采集的衛(wèi)星載波相位和偽距觀測(cè)值發(fā)給待測(cè)點(diǎn)，如圖2 所示，實(shí)時(shí)求差解算坐標(biāo)，其精度可達(dá)到毫米級(jí)，為橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性提供了保障。同時(shí)，北斗高精度定位技術(shù)與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，直接獲取獨(dú)立的三維絕對(duì)坐標(biāo)，大幅增強(qiáng)了橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的可靠度。

圖2 北斗橋梁監(jiān)測(cè)圖示

3.3 5G+北斗天地空一體化綜合通信體系

河流、湖泊、水庫(kù)等自動(dòng)水文觀測(cè)站一般位于偏遠(yuǎn)山區(qū)，常規(guī)通信難以實(shí)現(xiàn)信號(hào)全覆蓋。通過(guò)北斗短報(bào)文傳輸水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可不受地形限制。北斗水文通信傳輸?shù)木唧w工作原理如圖3 所示，其使用具有北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信功能的遙測(cè)終端機(jī)，將采集到的數(shù)字水情數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和加密，并轉(zhuǎn)換為北斗協(xié)議格式的通信申請(qǐng)信號(hào)，用RS-232 串行口與北斗通信設(shè)備連接，通過(guò)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)送到北斗分理服務(wù)平臺(tái)的指揮機(jī)，再由指揮機(jī)解密后轉(zhuǎn)發(fā)到用戶指定的數(shù)據(jù)庫(kù)或存儲(chǔ)設(shè)備中。建立包含NB-IoT/4G/5G/北斗等技術(shù)天地空一體化的綜合通信網(wǎng)絡(luò)體系，可以保障物聯(lián)傳感數(shù)據(jù)在多場(chǎng)景下的安全可靠傳輸。

圖3 北斗水文通信傳輸具體工作原理

3.4 基于北斗技術(shù)統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)

為了滿足城市基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測(cè)需求，物聯(lián)監(jiān)測(cè)種類繁多、規(guī)模較大、覆蓋范圍廣泛的傳感設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的授時(shí)，使其獲得統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)簽就顯得尤為重要。除此之外，建設(shè)坐標(biāo)、運(yùn)營(yíng)里程、國(guó)家2000坐標(biāo)等不同空間坐標(biāo)也需進(jìn)行融合，統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為便于實(shí)際工作中運(yùn)營(yíng)維護(hù)的坐標(biāo)。北斗系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時(shí)空基準(zhǔn)信息，可在時(shí)間和空間2 個(gè)維度對(duì)傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行錨定，為后續(xù)的多源時(shí)序傳感數(shù)據(jù)的融合分析提供先決條件，如圖4所示。

圖4 統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)要素示例

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先分析城市基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)，探討基于5G和北斗技術(shù)融合應(yīng)用的城市基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)方案思路，從平臺(tái)架構(gòu)、平臺(tái)功能、技術(shù)路線、供排水橋梁燃?xì)鈱ｍ?xiàng)應(yīng)用等方面進(jìn)行闡述和分析，并對(duì)5G和北斗在城市基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用和優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)。構(gòu)建實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)感知、提前預(yù)警研判、高效聯(lián)動(dòng)處置的新型城市基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)加強(qiáng)城市安全源頭預(yù)防，確保城市安全的主動(dòng)式保障具有重要意義。