北斗系统在LNG接收站沉降监测的应用探讨

马瑞莉，金 樱，卢 琳，罗祥平，艾绍平，常旭宁(1.北京市燃气集团研究院，北京100011；.北京市燃气集团有限责任公司，北京10005；.天津液化天然气应急储备项目部，天津0000)

1 概述

近年来我国天然气行业发展势头旺盛，作为国家实施清洁能源战略和天然气产供储销体系建设的重要组成部分，LNG接收站建设提速。自2006年6月28日广东大鹏LNG项目一期工程投产，到2019年，我国已有22座LNG接收站投产，共计接卸能力已达9 035×104t/a。预计2020年，还有至少8座在建及扩能接收站项目集中投产[1]。LNG接收站对于进一步优化地区能源结构，构建区域安全供气格局，确保区域冬季调峰用气，促进区域经济和社会可持续发展具有重要作用。

由于LNG主要通过海上运输，当前国内的LNG接收站基本都分布在沿海地区，大多数是填海造陆而成，采用软土回填并做加固处理。但在长时间的建设及运行中，由于地基地质构造不均匀、地基沉降、地下水位季节性和周期性的变化、储罐及设备设施本身的荷载，会导致罐体发生沉降、位移、倾斜等风险。而LNG储备属于高危项目，对地基、储罐及相关设备的安全要求极高。

由于地面沉降属于缓变型的地质灾害，一般不易察觉，只有当沉降失稳发展到一定程度时才会被发现，但形成之后又不可逆转，可能造成沉降区的灾害极其严重。尤其不均匀沉降，可能使储罐发生倾斜，急剧增大相邻设施连接处的作用力，超过规定的受力范围时，就会导致设备设施产生裂缝、损伤、变形、扭曲或倾斜，进而诱发严重的安全事故。为确保地基加固的质量和后续施工的安全，需要加强对地基及重要设备设施沉降的实时监测，并通过分析监测数据预测沉降的变化趋势，以便及时消除风险。而预防沉降首先必须有完善的监测设施，配套的监测方法。

2 LNG接收站沉降情况

据调研了解到，目前大部分LNG接收站未关注沉降问题，也有接收站主要委托专业测绘单位采用水准仪等设备进行定期测试沉降情况，没有自动监测手段。对国内几座LNG接收站的现场调研发现，已经有接收站出现不均匀沉降的现象。某接收站2005—2012年均出现罐区下沉，局部沉降将近1 m，沉降较严重。另一座接收站投产一年来也出现了局部沉降。

中海油在填砂海岸建设的南方某LNG 接收站，是国内第一个自主管理和建设的LNG 接收站终端工程，在施工过程中进行基础沉降观测以加强过程监控，指导合理施工。通过对储罐水压试验期间的基础沉降进行实际观测，整个水压试验期间的基础均匀沉降量在允许值范围内(储罐承台圆周均匀沉降最大允许值为40 mm)；预测在今后的施工或运营中，储罐的整体结构不会因基础沉降而受到影响。并提出，观测时应根据施工的实际工况对观测周期进行调整。可见，观测的不及时将对施工安全带来较大的影响，也不利于后期的维护管理[2]。

中海石油气电集团某接收站也发现存在较为明显的管廊架及管道区域地面的沉降。该站管廊架及管道区域同时存在不均匀沉降和均匀沉降两种形式。部分区域沉降量已经到达10～20 cm，未打桩基础的管廊架沉降更为严重，已经发现个别管道出现了扭曲变形[3]。从安全评价的角度出发，还提出针对LNG 接收站站内主要的低温管道和常温天然气管道，应开展地基沉降前后的应力分析研究，研究管道应变应力的有效监测方法。

浙江大学王旭伟[4]结合福建LNG接收站工程实例，采用岩土工程专业数值模拟软件PLAXIS和FLAC3D，合理地选择岩土本构模型和参数，建立了储罐的有限元预测模型，模拟大型LNG接收站厂站内储罐和BOG压缩机地基沉降，并提出地基沉降监测建议，用于指导下一步地基沉降监测和长期监测工作。

3 现有沉降监测方式分析

目前，市场上用于沉降监测的产品种类繁多，原理也不尽相同。传统的光电监测技术是目前沉降监测的主要手段。光电监测技术是指通过经纬仪、测距仪、水准仪和全站仪等光学测量仪器和电子测量仪器，测量角度、边长、高差，实现对沉降的测量[5]。虽然都能达到一定的监测效果，但使用光电监测技术往往需要技术人员操作仪器，测量作业效率低，作业强度大，在面对长距离甚至超长距离监测时，仍不能满足人们在效率方面的要求。而数字摄影测量技术成本太高，设备也相对昂贵。这些常规测量方法，按年或月采用水准测量定期进行沉降监测，主要由人工完成，受天气等外界条件影响较大，且无法对被监测体进行实时、连续、动态的监测，难以及时获取全面准确的资料，无法满足自动化、即时化的要求。随着科技的发展，出现了测量机器人、机械准直线测量、静力水准测量、倾斜仪测量、应变计测量和磁环式沉降仪测量等自动化监测手段[6]。在具体场景及工程测量时，还需要研究选取更科学实用的监测方法。

目前，我国自主建设、独立运行的北斗卫星导航定位系统(以下简称北斗系统)已完成全球组网部署。自2012年进入民用市场开始，北斗系统便逐渐在交通运输、应急救援、林业、渔业、农业等各行业广泛应用。其中，基于北斗系统的沉降监测技术已应用于铁路、机场、桥梁等工程，监测精度可达到mm级别。因此，可探索将北斗系统应用于LNG接收站的沉降监测。

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4 基于北斗系统的沉降监测技术应用案例

基于北斗系统的高精度定位技术，其静态精度可达平面1 mm、高程2 mm以内，在高精度测量、低轨卫星定轨、航空测量、海洋测绘、地质沉降监测、大坝形变监测、桥梁形变监测等重大工程方面都有很多成功的应用案例。

马启鹏等[7]针对沉降期内双鱼岛综合管廊等基础设施的沉降监测，应用了北斗高精度监测技术和传感器技术采集监测数据，展现了管廊的沉降和形变状况。吴焕琅[8]介绍了可用于远程自动化尾矿库安全监控、安全分析评价及安全预警管理的一整套基于北斗高精度定位的尾矿库在线监测系统的设备组成。吴焕琅等[9]介绍了一种基于北斗系统的大坝形变监测系统的组成结构、数据处理流程，以及使用定位数据处理误差改正模式来提高监测精度的方法。崔奎[10]提出一套基于北斗系统的监测终端，结合现代先进传感器技术、通信技术、信号处理技术以及结构分析技术的多传感器监测系统，用于对桥梁结构安全状态的全天候监测。2013年澳门机场采用北斗系统对沉降进行实时监测，监测系统由一个位于机场客运楼顶的基准站、两个位于机场跑道旁的监测站及一套系统软件组成。系统引入北斗卫星导航技术，并集测绘、通信、控制、电脑、软件工程等技术于一体，利用专业的高精度数据处理演算法，对监测区域的平面及高程位移变形量进行连续24 h不间断监测，有效地解决了国际机场的沉降监测问题。相比常规的沉降监测方法，基于北斗系统的沉降监测系统能够更快、更准确地获得沉降量，开创了利用卫星导航技术监测机场跑道变形的先河，实现了北斗系统在澳门地区的应用[11]。

2019年，济青高铁采用全新高速铁路轨道监测技术，采用北斗兼容全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)的卫星定位技术和激光技术组合，可实时、高精度监测线路的沉降情况，一次性解决了轨道平顺性监测效率低和路基状态监测两个难题，快速静态定位精度达到3 mm以内[12]。

江一帆等[13]利用北斗系统高精度定位、数据无线传输和数据智能处理等前沿技术，构建和设计了一套特高压变电站地基沉降监测自动化系统，可实现沉降观测点的高精度定位及沉降观测数据的实时无线传输，有效解决了传统地基沉降观测中费时、费力、自动化程度偏低等不足，具有全天候、全自动、高精度连续定位功能，具有传统地基监测技术无法比拟的适用性，对特高压变电站地基沉降观测工作具有重要的现实意义。

强同波等[14]设计了一种基于北斗系统高精度静态定位方法的风电基础沉降监测与无人值守自动预警方案，可得到监控系统精度平面误差小于3 mm，高程误差小于5 mm的高精度风电机组沉降形变数据，可实现风电机组沉降的自动监测与预警。

5 北斗系统用于LNG接收站沉降监测探讨

① LNG应急储备项目沉降监测需求

北京市燃气集团有限责任公司(以下简称北京燃气)结合在建的天津南港液化天然气应急储备项目，计划将北斗系统应用于LNG接收站沉降情况的监测和预警。天津南港LNG应急储备项目是为了满足国家燃气应急储备，2020年4月获得国家发改委核准批复的重要项目。接收站工程占地面积54 hm2，接卸能力为500×104t/a，将建设10座20×104m3LNG储罐，其应急储备能力达到10×108m3，建设规模在世界前列。项目分三期建设，一期计划于2022年底前完工。项目建设基础为吹填淤泥质软弱地基的特殊复杂地质的填海工程地基，吹填土具有含水率高、压缩性大和抗剪强度低等特点，吹填土地基必须经过加固处理才能保证后续施工所需的承载力。地基稳定性对储备设施建设有一定的影响，同时LNG储备属于高危项目，对地基及相关设备的形变安全要求极高。为确保地基加固的质量和指导后续施工，需要加强对吹填土地基沉降的实时监测，并通过分析监测数据预测地基沉降的变化趋势。

经过研究对比，在沉降监测应用中，由于北斗系统具有定位快、全天候、自动化、测站间无需通视、可同时测定水平和高程的三维绝对真值坐标、没有累积误差和量程限制、实时测量精度高等特点，是普通人工借助光学仪器测量地质沉降的技术无法比拟的，同时其维护简单，不需要定期标定，不受恶劣天气影响，抗干扰能力强、保密性高，因此基于北斗系统的高精度监测技术在LNG接收站沉降监测中具有很强的先进性和实用性[6]。随着北斗系统的不断发展，接收机采样率的提高，定位精度和完好性还可以持续提升，使其完全能够满足不同条件下的沉降监测需求。

③ LNG接收站沉降监测方案设计

北京燃气设计了一套用于LNG接收站的基于北斗系统的沉降监测系统(以下简称监测系统)，拟用于天津南港LNG接收站的沉降监测。系统以北斗高精度定位技术为主、多传感器监测为辅的方式，综合应用现代化测试技术、计算机技术、现代网络通信技术对观测数据进行融合解算，对接收站地基、罐区及相关设备设施沉降情况进行监测并作动态后处理(Post Processed Kinematic，PPK)精密解算，系统监测精度可达到水平±1 mm、高程±2 mm要求(24 h解算)，实现了对被监测体的结构状态等各类数据进行实时监测，及时预警被监测体的沉降隐患，监测系统架构见图1。具体监测内容包括：基于北斗系统的形变监测、倾角监测、风速风向监测、雨量监测、温湿度监测。

图1 监测系统架构

监测系统考虑LNG接收站的防爆环境、施工过程、运维期沉降监测的要求，探索出一套适用于燃气行业的基于北斗系统的高精度沉降监测方式。在项目实施期、运维期，结合传统监测手段，进行并行监测，可提高传统测量的数据密度，同时在形变灾害实时监测及灾害分析方面实现突破。监测系统设计监测数据包括基于北斗系统监测手段获取的被监测点在北、东、高3个方向形变量、被监测点倾斜量、实时风速风向、雨量、温湿度。形变监测以形变量、倾斜量为主要监测量，三维形变量为矢量，倾斜量是角度，为标量。二者同时观测一个被监测体时，由于被监测体结构尺寸已知，二者同时观测存在多余观测量，可互相验证，提高监测系统可靠性。

北斗系统及倾角传感器在不同环境下监测精度受到不同影响，而其他风速风向、雨量、温湿度监测数据，可通过数据积累分析为监测数据消除环境影响，使监测数据更接近真实值。与此同时，其他环境因素的监测，可用于分析被监测体发生形变的影响因素。监测系统以北斗系统监测为主，基于北斗高精度PPK解算算法和软件，支持中国北斗系统、美国GPS系统、俄罗斯GLONASS系统和欧盟GALILEO系统四大国际主流卫星导航系统的数据分析与处理。软件内置Kalman滤波引擎和针对各种场景优化的事后精密数据处理引擎，提供实时解、准实时解等多种解算方案。

监测系统可将原来在接收机内进行解算的工作移植到性能更高、速度更快、更稳定的计算机上来进行。监测系统中所有的GNSS原始数据都通过网络传回到控制中心的计算机上，软件对所有数据进行同步、实时的解算以及小时数据的解算。参考站和流动站的观测数据保持严格的同步，所以，大气层延迟造成的公共误差被最大程度地抵消。同时，采用滤波方法消除GNSS动态定位数据中的各种随机误差，在提高定位精度的同时，定位结果也更符合真实的情况。另外，采用小时观测数据文件进行基线解算及平差，可以保证mm级的定位精度。可满足LNG接收站常规监测精度要求。

④ LNG接收站沉降监测系统功能

在功能方面，监测系统可实现多源数据采集、实时数据解算、沉降倾斜隐患分析与报警、设备远程管理等功能，并以北斗系统数据后解算算法为依托，根据部署实地情况，科学布网、合理监测。针对不同风险监测点位，根据地基勘察报告、地基处理工艺、构筑物敏感性等特点，在地基和罐体之间进行科学合理规划设计，灵活搭配不同传感器，以满足不同区域监测要求。因监测区域一般远离市区，而监测平台多搭建在市区，故监测数据采用3G、4G、GPRS网络进行传输通信。监测系统可达到如下功能。a.能定时自动接收数据采集单元的数据。b.具有远程设置采集方式(自控方式或受控方式)和自动采集时间的功能。c.后台软件根据用户需求，系统运行参数、报警参数等可以远程设置。d.对监测的数据进行统计、分析和输出，以数字列表、曲线和图表的形式显示相关参数。能对历史数据进行查询、分析，自动生成报表。e.具备远程报警提示功能。

北京燃气开展的监测系统软硬件研发目前已基本完成，近期将在南港LNG接收站进行实地安装测试。北斗系统在LNG接收站沉降及形变监测中的应用，预计将有效提升接收站的灾害应急响应时效。与传统人工监测并行，不仅可以作为人工监测的参考数据，同时有可能替代人工监测在行业监测领域的作用，另一方面，智慧接收厂站建设可有效提升厂站智能化水平，在数据孪生、智能安防等方向提供有力的数据支撑。

6 结语

作为重要的天然气供应调峰手段，近年来我国LNG接收站建设提速。LNG接收站主要分布在沿海地区，通过填海造陆而成，发生地质沉降风险较高，同时受气象环境影响较大。因此，对接收站地基、储罐、重要设备设施进行实时监测具有重要意义。传统的沉降监测手段主要是光电监测技术，主要由人工完成，受天气等外界条件影响较大，且无法对被监测体进行连续、动态监测，难以及时获取全面准确的资料，无法满足自动化、即时化的要求。

作为我国自主建设、独立运行的卫星导航系统，北斗系统进入了持续稳定运行和全面应用推广的崭新发展阶段。北斗系统在交通、渔业、农业、国土、测绘、燃气等行业应用已经相对成熟，在大坝、桥梁、矿区、高铁、机场等的沉降、位移及形变监测中也有很多的应用案例，但尚未在LNG接收站有所应用。

北斗系统在LNG接收站沉降监测，需考虑沿海回填的地质环境、燃气环境的防爆要求、监测点的合理设置及沿海气象环境监测等，可实现沉降与环境的综合监测。监测系统以北斗高精度实时监测技术为主，配合多传感器、现代化测试技术、计算机技术、现代网络通信技术对观测数据进行融合解算和综合应用，进行监测模块开发和监测系统建设，确保系统的稳定性、可靠性、易用性以及环境适应性。此监测方案可大幅减少人工现场测试，降低人员成本和测绘费用，同时有助于及时发现LNG接收站的沉降隐患并采取有效措施，避免缓变型灾害对LNG接收站造成的安全影响和经济损失。